三峡水库消落带生态系统综合评价指标体系构建

吴胜军，吕明权，秦林，陈吉龙，温兆飞，姜毅

（1.中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆400714；2.中国科学院水库水环境重点实验室，重庆400714；3.长江师范学院三峡库区环境监测与灾害防治工程研究中心，重庆408100）



三峡水库消落带生态系统综合评价指标体系构建

吴胜军1，2，吕明权1，2，秦林3，陈吉龙1，2，温兆飞1，2，姜毅1，2

（1.中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆400714；2.中国科学院水库水环境重点实验室，重庆400714；3.长江师范学院三峡库区环境监测与灾害防治工程研究中心，重庆408100）

水位周期性波动形成的三峡消落带是位于水陆交错带的一类特殊生态系统，是一条生态脆弱带遥如何科学地对这类生态系统进行健康评价是保护与开发这类生态系统的基础遥本文在以前学者的研究成果基础上提出了消落带生态系统健康评价的综合指标体系，针对以前学者研究结果中指标差异较大的现实问题，对指标的权重进行了重新分配，用随机的方法构建一批模拟系统检验综合评价模型遥结果表明，综合评价模型与以前学者构建的模型偏差较小，可以很好地代替以前的模型遥

三峡；消落带生态系统；评价指标

消落带是指水库季节性水位涨落使库区被淹没土地周期性露出水面的区域［1］。消落带分布于陆生和水生生态系统之间的过渡带，是陆生生态系统和水生生态系统的物质能量交换的必经地带。三峡水库消落带的形成和其独特的水库调度运行方案有关，在每年汛期（6-9月），水库水位降至最低的145 m，并开闸放水排沙；而在汛期后（每年10月）的枯水季节开始蓄水，水位将升至最高175 m，处于145～175 m的水库面积达348.9 km2的区域构成库区消落带。这种夏季汛期水位低、冬季水位高的逆季节的水文情势使其有别于河岸带生态系统，是具有独特水文、土壤、植被与生物特征的生态系统。

消落带因生态功能不稳定、生物多样性不高、人类开发利用等原因造成的生态环境问题突出，属于生态环境脆弱带［2］，也是一类特殊的湿地生态系统，其生态系统健康条件对于维持整个区域的生态安全很重要。崔保山等［3］较早并系统地提出了湿地生态系统健康评价指标体系。周永娟等［4］进行了消落带崩塌滑坡脆弱性、水力侵蚀脆弱性、污染脆弱性和景观脆弱性的评价，在此基础上进行了研究区各生态主题脆弱性的叠加分析，探讨了三峡库区消落带这一特殊地理区域上生态脆弱性的高低分布规律及其在不同主导因子作用下生态脆弱性的空间分布特征。周谐等［5］基于压力—状态—响应模型构建三峡水库消落带生态环境综合评价指标体系，结合遥感影像解译与调研数据，应用层次分析法对三峡水库消落带的生态环境综合状况进行评价，度量消落带生态环境综合状况指数。刘晓等［6］基于RRM模型评价了三峡库区重庆开县消落区土地利用生态风险。，辉等提出了三峡库区消落带健康评价指标体系［7］，并对三峡库区消落带保护利用模式及生态健康进行了评价。，辉等［2、7］和崔保山等［3］提出的生态系统健康评价指标体系和评价方法是极其相似的，它们在对复杂的消落带和湿地生态系统进行健康评价时，既对各个范畴进行独立分析，又对整体进行综合分析，力图筛选出能反映消落带和湿地生态特征、环境质量以及功能特征的指标，并对这些指标进行定量或半定量的描述和判别。但这3个生态系统健康评价指标体系不够全面，权重确定差别很大。这里试图基于已经建立的3个消落带和湿地生态系统生态健康评价指标体系，建立三峡库区消落带生态系统健康评价指标综合平均模型。

1　消落带生态系统的评价指标体系

消落带是一类位于水陆交错带的特殊生态系统，它既是一类独立的生态系统，也受周围的陆生和水生生态系统的影响。因此，在评价这类生态系统时需要从3方面考虑，首先是内部生态特征，这类生态特征主要反映的是消落带生态系统的生态结构；其次是功能性指标，消落带生态系统是位于水生和陆生生态系统的一条过滤带和缓冲带，其功能对于稳定整个库区的生态系统都具有重要的作用；这类生态系统受周围区域的影响很大，因此外部的环境指标也属于消落带生态系统健康评价范畴。

1.1内部生态特征指标

消落带生态系统的内部生态特征指标包括：（1）水量，以淹没时间长短表示；（2）水环境质量，消落带区域水质以《地面水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类水域水质标准评定；（3）水源保证率，以降水、河流等水源保证或补给率来计量；（4）坡度，水位变化程度；（5）冲刷/淤积，表示消落带区域的稳定状况及泥沙的淤积程度；（6）消落带植被，植被受扰状态及盖度变化，定性与定量相结合；（7）植物个体尺度，以优势植物的平均高度来衡量，同历史数据比较，求其变化率；（8）生物量，以植物年均地上生物量来计算，求其历史时段内的变化程度；（9）生物多样性，指消落带生态系统的结构和构成；（10）生态系统稳定性，生态系统达到动态平衡时，自我调节和维持正常功能，并在很大程度上消除外来干扰的能力大小；（11）调节功能/净化能力，生态系统内部对能量流、物质流、信息流的自我调节能力，系统物种数目多、结构复杂，调解能力强，包括废物处理、污染控制、解除毒性等方面，以废物处理率或净化率的变化来表示；（12）大气环境质量；（13）地质灾害，包括发生强度和频率。

1.2功能特征指标

消落带功能特征指标包括：（1）侵蚀控制，消落带土壤被侵蚀量的强度，防止土壤被风、水侵蚀，以风蚀、水蚀变化率来表示；（2）栖息地，消落带为其中的生物提供栖息地的面积和能力，野生动物栖息地和育雏地，以破坏或退化率来表示；（3）生态系统服务功能，提供原材料、害虫控制、生物量生产综合能力；（4）土地利用强度，各种消落带利用（保护）模式所产生的社会功能及其对消落带系统的影响程度；（5）生产能力（收获量），可以是保护模式下消落带内生物产量，也可以是模式下农产品收获量；（6）休闲娱乐（消落带的社会功能），各类利用（保护）模式对该区域景观的影响状况，旅游、钓鱼活动，其他户外游乐活动等。

1.3外部环境指标

消落带外部环境指标包括：（1）人口素质，以初中以上文化程度占周边人口的百分比来表示；（2）人类活动强度，以人口密度表示；（3）人群健康状况，以消落带周边人群中水介传染病发病率计算；（4）物质生活指数，以年人均收入计算；（5）人类活动对消落带的干扰度，消落带受到人类活动的干扰状况，包括渔猎、割草、捡鸟蛋、垦殖、固体废弃物污染等胁迫因子；（6）污水处理率，以污水、废水处理率来表示，包括消落带及其延伸区域；（7）农药使用率（利用率），以每年每公顷施用农药量统计，单位为kg/hm2，以农药利用率来衡量；（8）化肥使用率（利用率），以每年每公顷施用化肥量统计，单位为kg/hm2，以化肥利用率来衡量；（9）管理水平，定性与定量相结合，以消落带管理队伍的整体水平衡量；（10）公众参与保护意识，以具有消落带保护意识的人员占总人口的比例来计算；（11）政策法规贯彻力度，以接受到相关政策法规的人员占总人口的比例统计。

2　消落带生态系统的评价

表1　消落带内部生态特征指标分级Table 1Classes of indices for the internal ecological characteristics of the Water-Level-Fluchuating Zone

在建立的评价指标体系的基础上，建立综合评价集；应用模糊关系原理从数量上对综合评价集中每个元素进行刻画性描述和评价，得到对应每个元素的隶属程度。它们的评价指标均分为很健康、健康、较健康、一般病态、疾病5级，其标准为定量、半定量和定性评价相结合。见表1-4。对于定量化的指标，可直接计算隶属度；对于定性评判的指标，可以根据对指标的描述，用最低1分最高5分进行评价，然后计算隶属度。采用多级模糊综合评价方法，按层次由低向高逐级进行综合评价，最后给出各级评价的综合结论。

计算的具体方法如下。首先建立由n个单项指标构成的评价集u=（u1，u2，…，un），确定评语等级域：ν=｛v1，v2，…，vm｝，即m个等级集合。这里建立的评价集m=5，即v=｛v1，v2，v3，v4，v5｝=｛很健康、健康、较健康、一般病态、疾病｝，ν=｛v1，v2，…，vm｝。每个单项指标ui被赋予相应的权值ai（i=1，2，…，n），并构成权重集A=（a1，a2，…，an） ，权重集A满足归一化条件

（1）式中：ai≥0，i=1，2，…，n。然后通过建立隶属度方程计算各单项指标对于评价标准的隶属度，建立各单项因子对于评价集的隶属度评价矩阵R。

（2）式中：矩阵R中第i行第j列元素rij，表示某个被评事物从因素ui来看对vj等级模糊子集的隶属度。为了综合考虑所有因子的影响程度，每列元素都乘以相对应因子的权重ai最后形成综合评价集。

（3）-（4）式中：B中的元素表示对应5个标准等级（很健康、健康、较健康、一般病态、疾病）的隶属度，从而可以评价出三峡库区消落带生态系统健康状况。

表2　消落带功能特征指标分级Table 2Classes of indices for the functional characteristics of the Water-Level-Fluctuating Zone

表3　消落带外部环境指标分级Table 3Classes of indices for the external characteristics of the Water-Level-Fluctuating Zone

权重集A=（a1，a2，…，an）中各单项指标权重的确定，主要根据问卷调查和分析，咨询有关专家，以及参考国内外湿地健康的评价体系。在环境质量综合评价中，涉及到大量的复杂现象和多种因素的相互作用，而且评价中存在大量的模糊现象和模糊概念。因此，权重的确定在很大程度上依赖于调查抽样的群体和专家的知识和经验，具有一定的主观性和随机性。比较几乎相同的指标体系（1）［2］和指标体系（2）［7］的单项指标权重，在20项相同的指标中，各单项指标权重相对偏差的绝对值只有7项小于0.3；8项为0.3～0.55；4项为0.55～1；而有1项（消落带服务功能）相差达到了3倍多。因此，非常有必要对相关指标的权重进行重新确定。

为了使各单项指标权重的估计更具有客观性、合理性和一致性，更好地反映生态系统的客观实际，从而提高模糊综合评判结果的准确性，在为确定这些权重进行的调查中，应当尽可能扩大抽样群体和专家的范围，获取尽可能多的信息，使其具有广泛性、代表性和专业性。但大样本的抽样调查常常受到人力和财力等各种条件的限制。已有的各种评价指标体系都是建立在不同样本规模、不同抽样范围的调查基础上。基于这些已有的评价指标体系，利用数据融合和挖掘技术，结合抽样调查，构建新的评价指标体系，是一种可行的方法。步骤如下：

（1）建立综合平均模型指标体系。逐一分析3个指标体系的指标和隶属度分级标准，保留共同的指标和分级标准；筛选不同的指标和分级标准，根据不同情况，分别采取保留、放弃、合并、调整和修正等不同处理方式。

（2）采用加权平均方法，计算综合平均模型各单项指标的平均权重。假设指标体系k中（k=

1，2，3）的单项指标uik被赋予相应的权值aik（i=1，2，…，n）。该单项指标的平均权重计算如下：

（5）式中：Ak是单项指标uik所属上一级指标层的权重；δik是单项指标uik在给定的指标体系k中存在的数目，定义为

即存在时为1，不存在时为0。△i描写单项指标uik在全部指标体系k=1，2，3中存在数目的总和，定义为

表4　消落带评价指标的权重Table 4The Weights of the assessment indices for the Water-Level-Fluctuating Zone

3　综合平均模型的模拟检验

为了检验得到的综合平均模型，可以对相应于它的评价集，用随机的方法构造一批模拟系统，得到它们的样本矩阵，即方程（2）中的隶属度评价矩阵R。模糊数学用0～1间的数字，来刻划评价集u=（u1，u2，…，un）的某个对象隶属于给定等级论域ν=｛v1，v2，……，vm｝的某个概念的程度，这个数字就称为隶属度。因此，用在［0，1］区间均匀分布的伪随机数来构造模拟的隶属度评价矩阵R。按照方程（3），分别利用各个原始指标体系（Model 1-3）和构建的综合平均模型（Mean Model）的权重，计算这些样本矩阵的综合评价Bj，评价模拟系统的健康状况。图1比较由不同指标体系得到的综合评价向量Bj（j=1，2，3，4，5）。模拟样本矩阵的总数为n=100。图2显示由各原始模型和综合平均模型得到的综合评价向量Bj的相对偏差，利用综合平均模型和各原始模型的权重，分别计算每一模拟样本矩阵的综合评价向量Bj，图中，第一个数字是对所有样本矩阵平均的相对偏差，第二个数字是平均相对偏差的标准差。从中可以看到，综合平均模型相当好地代表了各原始模型。由综合平均模型得到的综合评价向量Bj与由各原始模型得到的相当吻合，对所有样本矩阵平均的相对偏差一般都小于1%，但对不同样本矩阵，相对偏差的分布比较离散；平均相对偏差的标准差为7%左右，最大相差不超过25%。

图1　比较由不同指标体系得到的综合评价Bj（j=1、2、3、4、5）Fig.1Comparison of the overall assessment vectors Bj（j 1，2，3，4，5）derived in different systems of assessment indices

图2　由各原始模型（Model 1～3）和综合平均模型（Mean Model）得到的综合评价向量Bj（j=1、2、3、4和5）的相对偏差Fig.2 Relative deviations of the overall assessment vectors Bj（j=1，2，3，4，5）derived in the individual models（model 1，2，and 3）with respect to those derived in the comprehensive assessment index system（mean model）

4　结论与讨论

消落带是一类特殊的生态系统，其健康稳定的消落带系统对于维护整个三峡库区的可持续发展极为重要。因此，提出一套科学合理的消落带评价指标体系和评价权重是评价消落带生态系统的健康状态的基础。本文在前人研究的基础上，提出了消落带评估的综合平均模型，建立各个原始指标体系的隶属度评价矩阵R，按照方程（3）-（4），分别利用各个原始指标体系和构建的综合平均模型的权重，计算这些实测矩阵的综合评价Bj，评价消落带生态系统的健康状况。

在以后的研究中随着对该类生态系统认识更为深刻，数据的可获得性更易时，还需要对该评价模型扩展，融合实际调查结果，融合更多必要的、可能的指标：如水土流失率、土地退化指数、底泥污染物含量、土壤污染指数、融合更多模型。获取更多的实测隶属度评价矩阵R，按照方程（3）-（4），分别利用各个原始指标体系和构建的综合平均模型的权重，计算这些实测矩阵的综合评价Bj，评价观察的生态系统的健康状况，并比较这些综合评价结果的一致性和差异性。

［1］刁承泰，黄京鸿.三峡水库水位涨落带土地资源的初步研究［J］.长江流域资源与环境，1999，8（1）：75-80.

［2］，辉，王里奥，黄川，等.三峡库区消落带保护利用模式及生态健康评价［J］.中国软科学，2006，（5）：120-127.

［3］崔保山，杨志峰.湿地生态系统健康评价指标体系Ⅱ.方法与案例［J］.生态学报，2002，22（8）：1231-1239.

［4］周永娟，仇江啸，王姣，等.三峡库区消落带生态环境脆弱性评价［J］.生态学报，2010，30（24）：6726-6733.

［5］周谐，杨敏，雷波，等.基于PSR模型的三峡水库消落带生态环境综合评价［J］.水生态学杂志，2012，33（5）：13-19.

［6］刘晓，苏维词，王铮，等.基于RRM模型的三峡库区重庆开县消落区土地利用生态风险评价［J］.环境科学学报，2012，32（1）：248-256.

［7］，辉，王里奥，詹艳慧，等.三峡库区消落带健康评价指标体系［J］.长江流域资源与环境，2006，15（2）：249-252.

［责任编辑：友清］

Comprehensive Assessment Index System of Eco-environment of the Water-Level-Fluctuating Zone in the Three Gorges Area

WU Sheng-jun1，2，LV Ming-quan1，2，QIN Lin3，CHEN Ji-long1，2，WEN Zhao-fei1，2，JIANG Yi1，2

（1.Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology，Chongqing 400714，China；2.Key Laboratory of Reservoir Aquatic Environment，Chinese Academy of Sciences，Chongqing 400714，China；3.Research Center for Environmental Monitoring and Hazard Prevention of Three Gorqes Reservoir，Yangtze Normal University，Chongqing 408100，China）

Water-Level-Fluctuating Zone（WLFZ）in the Three Gorges Area is formed by water level periodic fluctuation.WLFZ system is a transition zone between terrestrial ecosystem and water ecosystem.Because of impact of water level fluctuating，WLFZ system is very fragile.How to scientifically assess the WLFZ system is the basis of protecting and developing this type of ecosystem.Comprehensive assessment index system was proposed based on previous scholars'research results.There was a huge difference among index weights in previous WLFZ assessment papers.Index weight of WLFZ was redistributed，then simulation system constructed by random method was used to test comprehensive assessment model of WLFZ.The results showed that deviation between comprehensive assessment results and previous assessment results was small and comprehensive assessment model can replaced previous assessment models.

Three Gorges Area；water-level-fluctuating zone；assessment index

X171.1.719

A

2096-2347（2016）01-0052-08

2016-03-30

国家自然科学基金（41571497）；重庆市科委“121”项目。

吴胜军（1971—），男，湖北武汉人，博士，研究员，主要从事消落带生态环境研究。E-mail：wsj@cigit.ac.cn