基于结构方程模型的浑河抚顺段生态系统健康评价研究

徐成良

(辽宁省东水西调工程建设局，辽宁 沈阳 110000)

浑河是辽河的重要支流，古称辽水或小辽河，是辽宁省东部地区的主要河流之一。浑河发源于清原县的滚马岭，自东北向西南流经抚顺、沈阳等市县，然后南流至营口市附近注入辽东湾。浑河干流全长415km，流域面积11481km2。该河流的上游为山地，海拔一般在400～800m之间，森林覆盖率在70%以上，中游至抚顺附近为丘陵地带，地形较为平缓，至沈阳附近进入平原地带。在大流域分区上，浑河属于辽河流域。浑河在抚顺市境内约207.5km，流域面积为7311km2。

抚顺市为温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季湿热多雨，流域内的多年平均降雨量为477～937mm之间，降雨量年际变化较大。20世纪末以来，浑河面临着多种环境问题，特别是在流经抚顺和沈阳等东北重工业城市时，大量污水被排入河道，再加上流域内的面污染，导致浑河干流的水质下降。近年来，辽宁省加大了浑河流域环境整治力度，浑河水质有所改善，但是在水环境治理方面仍有许多工作要做。

抚顺市的土壤主要是暗棕壤、棕壤、草甸土、白浆土与水稻土，其中棕壤分布最广面积最大，是抚顺市农业生产的主要土壤类型。抚顺市位于东北和华北植物区系的过渡地带，主要代表植物是沙松、红松、云杉和冷杉；浑河流域的鱼类体形侧扁、呈纺锤状，又以鲤科最多，如鲤、鲫、鳊、赤眼鳟、鲢、鳙、鳑鲏、翘嘴红鮊、雅罗鱼、赤眼鳟鮈等。

1 结构方程模型的构建

结构方程模型是英文structural equation modeling(简称SEM)的中文译名。模型的构建过程一般可分为两个阶段。第一个阶段为模型发展阶段，包括模型发展、模型设定、模型识别3个步骤；第二阶段为模型估计与评价阶段，主要包括模型数据抽样与测量、模型参数估计、模型的拟合度估计和修改以及模型评价4个步骤。

结构方程模型简而言之还是利用联立方程组求解，但是它没有很严格的假定限制条件，因此，结构方程模型的联立方程组包括以下的两类方程：

一是测量方程，主要表示观测变量x和y与潜变量η和ξ之间的关系：

y=Λyη+ε

(1)

x=Λxξ+δ

(2)

二是结构方程，主要呈现潜变量之间的内在关系，其表达式如下：

η=Bη+Γξ+ζ

(3)

式中，x—外生(exgenous)指标组成的向量；y—内生指标(endogenous)构成的向量；Λx—外生指标与外生潜变量之间的关系；Λy—内生指标与内生潜变量之间的关系；δ—外生指标向量误差；ε—内生指标向量误差；ξ—外生潜变量；η—内生潜变量；B—内生潜变量之间的关系；Γ—潜变量之间的影响；ζ—残差项。

将以上方程组进行迭代求解，即可获得模型中的各个参数值。

2 模型检验

模型优劣可以通过如下参数检验：

(1)χ2检验。其值必须要达到显著水平，也就是必须大于0.1，其计算公式如下：

χ2=(N-1)min{FGLS}

(4)

式中，N—样本容量；min{FGLS}—函数的最小值。

(2)近似误差均方根检验。如果其值小于等于0.05，则认为模型优秀；如果其值在0.05～0.08之间，则认为模型良好；如果其值在0.08～0.10之间，则认为模型尚可；大于0.10表示模型不良，其计算公式如下：

(5)

式中，RMSEA—近似误差均方根；df—卡方自由度。

(3)非范拟合指数。其结果为越大越优越，一般要求其值必须在0.9以上，其计算公式如下：

(6)

(4)比较拟合指数。与非范拟合指数类似，为结果越大越优越，一般要求其值必须在0.9以上，其计算公式如下：

(7)

3 浑河抚顺段生态系统健康评价的构建

3.1 评价指标的筛选

为了更客观的体现浑河抚顺段的河流健康状况，特选取17个评价断面：清原北、黑石木、十八道岭、清原下、苍石大桥、陆家沟、大伙房水库入库口、大伙房水库出水口、阿及堡、章党河、东州河、海新河、欧家河、将军河、葛布桥、古城子河、和平桥。根据上述17断面的实际情况初步选择出44个评价指标。

鉴于所测数据和调查数据的样本容量不足以支撑模型结构保持在稳定状态，在具体研究过程中采用美国斯坦福大学教授提出的Bootstrap非参数推断方法，解决研究中面临的小样本问题。

运用SPSS22.0软件对所获得的数据进行正态分布和齐性检验，结果显示河岸稳定性、水生生境干扰指数、岸坡角度、外来物种入侵危险、娱乐设施密度、总氮、总磷等17个指标属于正态分布。在剔除非正态分布的指标后，对剩余的17个指标进行进行归一化处理，并对结果进行因子分析，结果显示，鱼类多样性指数。外来入侵种危害程度。土壤总氮和廊道连通性等4个指标占据主要成分并具有代表性，故将上述4个指标用于后续的结构模型构建。

3.2 评价模型的构建

基于结构模型原理，利用LISREL软件对上节选择的4个评价指标进行建模，得到河流健康评价指数的模型方程如下：

河流健康评价指数A=0.14×鱼类多样性指数+0.11×廊道连通性+0.13×土壤总氮-0.12×外来物种入侵+2.0。

对构建的模型进行拟合方法检验，结果见表1。由计算结果可知，模型比较优秀，可以用于浑河抚顺段生态系统健康评价。

表1 模型验证计算结果

4 生态健康评价结果

利用构建的生态简况评价模型，对浑河抚顺段的17个主要评价断面进行生态健康评价，获得见表2的评价结果。

由表2中的数据可知，各监测断面的健康指标值相差不大，直接利用上述结果不便于展开对各断面健康情况进行界定。为此，将表2中的数值按照等分的方式分为5段，对应的健康、亚健康、一般、较差、极差5个河等级性评价结果，具体划分标准见表3。一般而言，河流生态保护的目标是使河流生态系统处于健康状况。如果没有达到此目标，则需要予以关注，必要时应该采取措施恢复河流的生态环境。

根据上述划分标准，对浑河抚顺段17个监测断面的评估结果见表4。由表格中的结果可知，在所有的监测断面中清原北、黑石木、十八道岭、苍石大桥、陆家沟、大伙房水库入库口、大伙房水库出水口7个断面为健康等级，占全部断面的41.2%。这些断面生态系统比较稳定，能够进行良好的物质交换和能量流动，河流生态系统健康状况良好。清原下、阿及堡、章党河、东州河、海新河、将军河、古城子河、和平桥等8个断面处于亚健康状态，占全部断面的47.1%。这些断面河流生态健康值得关注。欧家河和葛布桥2个监测断面的健康等级为一般，占全部断面的11.7%。

表2 浑河抚顺段生态系统健康指数计算结果

表3 浑河生态系统健康评价等级标准

总体而言，浑河抚顺段的上游至大伙房水库段水质较好，污染较轻，河流生态环境整体处于健康状态，仅有清原下断面附近工矿企业较多，河流生态系统处于亚健康状态。在浑河进入抚顺市市区后，受城市工业和生活污水汇入的影响，河流生态系统整体处于亚健康状态。基于评价结果，建议辽宁省和抚顺市政府重点关注浑河抚顺市区段的河流生态状况，加大污染排放管理，减少进入浑河的污染污总量，适当加大大伙房水库的下泻流量，进行河道整治等措施，减少污染，增强河流的自净能力，逐步改善河流的生态状况。

表4 浑河抚顺段生态系统健康评价结果

5 结语

本次研究基于国内外的相关成果，以浑河抚顺段为研究对象，对河流生态系统健康展开研究，并得到如下结论：

(1)以浑河抚顺段的生态系统健康为出发点，对影响河流生态系统健康的指标进行初步筛选，通过正态分布、齐性检验以及因子分析法进行评价指标进一步筛选，最终确定4个主要指标用于评价模型构建。

(2)利用筛选后的4个指标构建浑河抚顺段生态系统健康评价模型，并展开对浑河抚顺段河流生态系统的健康状况展开分级评价，结果显示41.2%的监测断面处于健康等级，47.1%的监测断面处于亚健康等级；11.7%的监测断面为一般等级。

(3)建议当地政府持续关注浑河抚顺市区段的河流生态系统健康状况，继续采取积极有效的措施，不断改善河流生态环境。

[1] 张亚丽, 张依章, 张远, 等. 浑河流域地表水和地下水氮污染特征研究[J]. 中国环境科学, 2014(01): 170- 177.

[2] 崔健, 都基众, 王晓光. 浑河河水及其沿岸地下水污染特征[J]. 生态学报, 2014(07): 1860- 1869.

[3] 张赛赛, 高伟峰, 孙诗萌, 等. 基于鱼类生物完整性指数的浑河流域水生态健康评价[J]. 环境科学研究, 2015(10): 121- 127.

[4] 雒丽, 赵雪雁, 王亚茹, 等. 基于结构方程模型的高寒生态脆弱区农户的气候变化感知研究——以甘南高原为例[J]. 生态学报, 2017(10): 1- 12.

[5] 李惠梅, 张安录. 基于结构方程模型的三江源牧户草地生态环境退化认知研究[J]. 草地学报, 2015(04): 679- 688.

[6] 温涵, 梁韵斯. 结构方程模型常用拟合指数检验的实质[J]. 心理科学, 2015(04): 987- 994.

[7] ZHANG Zheng, LU Wen Xi, CHU Hai Bo, et al. Uncertaintyanalysis of hydrologicalmodelparametersbasedonthebootstrapmethod: Acasestudy of the SWAT modelappliedto the Dongliao River Watershed, Jilin Province, Northeastern China[J]. Science China(Technological Sciences), 2014(01): 219- 229.

[8] 熊文, 黄思平, 杨轩. 河流生态系统健康评价关键指标研究[J]. 人民长江, 2010(12): 7- 12.