基于压力-状态-响应模型的浑河生态系统健康评价

祁天龙

(辽宁西北供水有限责任公司清河分公司，辽宁 铁岭 112300)

河流在维持地球的能量交换、物质循环以及信息传递等方面具有重要的生态功能，它是连接海洋与陆地的重要廊道并兼有航运、发电、供水、农业灌溉等综合效益。河流生态健康评价是由生态健康基本理论和内涵发展而来的，其概念是指由自然、经济和社会组成的复合生态系统并具有显著的空间差异性和复杂性特征。近年来，随着人类不合理活动的加剧、社会发展以及人口数量的增多，河流生态系统功能和健康循环规律已发生了显著的改变，从而引发了许多环境与生态问题，区域生态安全、水资源保护和粮食安全正面临严峻的挑战，开展河流生态健康具有重要的意义[1]。

我国水土面积辽阔，人类活动对河流开发状况的影响程度存在一定的差异，故对其生态状况的评价应因地制宜选取合适的指标和标准，已成为当前河流生态系统研究领域的热点和主要内容。指标体系法和指示物种法为河流健康评价的常用方法，其中指示物种法是通过指示大型无脊椎动物、鱼类、海藻等物种的结构功能、生产力、数量指标的动态变化，从而反映河流的生态健康状态。在自然河流生态系统中该方法具有良好的可行性，且计算简便，常用的有无脊椎动物预测和分类计划、生物完整性指数两种方法，但是该方法是通过判别某一类敏感物种反映生态系统健康，因此不宜单独使用。指标体系法不仅考虑了河流的自身特性，而且体现了人类活动对河流的影响作用，从而能够客观系统的反映生态系统变化过程[2]。许多学者在长江、珠江、黄河等流域开展了大量研究，如耿雷华等[3]以澜沧江河流为研究对象，基于河流健康内涵层的25个评价指标对其进行了生态健康的定量评价分析；李国英等[4]分别从河道的排洪能力、水质类别、流量、滩地坡降比等9个方面对黄河的生态健康进行了评价；赵彦伟等[5]通过分析水生物种、水质、含水量、河岸带和物理结构5大特征对其生态系统健康进行了评价；廖静秋等[6]选取了物种多样性评价指标进行河流系统健康评价研究，结果表明该方法可行性较强、且能够反映河流健康程度的实际状况；李文君等[7]结合水体连通性、水质、防洪标准、水量、水体生物等因素建立了评价等级标准和评价指标体系，并提出一种新的理论和评价方法且表现出较强的适用性和可靠性。

浑河作为辽河流域的重要支流，承担着抚顺市农田灌溉和城镇居民生活用水的重要任务。近年来，流域水资源过度开采以及区域经济快速发展，并且生态环境保护治理相对滞后，从而导致该河流生态功能退化和水环境质量持续恶化[8- 10]。据此，本文以PSR概念模型为依据，结合河流实际状况建立了指标体系和分级标准，然后利用属性识别理论和集对分析法综合评价了其健康状态，以期为浑河流域生态恢复和资源管理提供一定参考。

1 浑河流域概况

浑河发源于抚顺市东部，全长415km，占地面积为2.5万km2，河宽2～5km，年均降水量718.3mm，蒸发量1805.4mm，径流量为50亿～70亿m3。东面属于富水区支流密集，西面处于缺水区支流较少，属于典型的不对称水系。降水量是影响该流域洪水径流的关键因素，汛期主要集中在7月和8月。该流域属于温带季风气候，年际温差较大，冬冷干燥而夏热多雨，降水量时空分布不均匀主要表现为：东部降水较多，西部较少，其降雨规律为自东至西逐级递减。浑河流域东至清原，流经抚顺、沈阳、营口等市县，主要有大伙房、沈阳、黄腊坨、邢家窝棚等水文监测站。流域内农业人口数量增长过快并导致对耕地需求量明显增大，且土地被过度的开垦，农田灌溉用水急剧加大，水资源供需矛盾突出，并且浑河流域接纳了沿岸大部分区域的工农业废水和生活污水的排放，其生态系统健康将直接影响着沿途居民的健康安全和经济发展[11- 12]。

2 生态系统健康评价方法

2.1 建立评价指标体系

自然资源的质量和数量受人类经济活动的影响显著，即生态与环境在人类经济活动下产生外部压力，而社会对这些压力可利用政策、法律和经济等手段给予响应，从而构成了评估、监测、政策响应以及问题预测的循环。PSR模型是一种用于研究分析水资源系统中环境压力、现有状态与响应过程的理论方法，之后经过改进优化用于环境报告方面。PSR模型中所涉及的指标具有能够反映自然资源、生态环境、社会经济之间的相互协调的关系特点，在生态安全、湿地健康以及工业污染评价等方面该模型具有广泛的应用前景，取得了理想的应用效果，而在河流生态系统健康方面PSR模型的应用研究还相对较少[13，14]。

对生态健康评价指标利用PSR模型选取具有良好的因果关系，河流系统在人类活动下产生压力，并引起其健康状态发生改变，而针对这种变化人类社会做出相应的响应。据此，本文在遵循可度量性、科学性、代表性和整体性原则的基础上，依据PSR概念模型和相关研究资料，通过邀请相关领域专家并采取专家咨询法对指标进行选取，最终建立了包含15项典型指标的体系，见表1。

2.2 指标权重计算

主观赋权与客观赋权为目前指标权重计算的常用方法，其中主观法主要有二项系数法、专家咨询法、乘此分析法等，客观法主要包括多目标优化法、主成分法和熵权法等。考虑到河流生态健康分析具有主观性特征，因此本文对各指标权重考虑采用层次分析法确定，具体的计算方法和流程参考文献，指标权重见表1。

表1 基于PSR概念模型的浑河生态健康评价指标及权重

2.3 健康分级标准

本文结合国内外流域健康评价相关研究，通过采取问卷调查、实地考察以及专家咨询等方法将系统健康划分为Ⅰ～Ⅴ的5个级别，分别对应于系统健康优、良、中、差和极差，各分级标准下指标取值区间见表2。

表2 河流健康评价分级标准

2.4 构建模糊集对评价模型

模糊集对分析法是通过选取具有代表性、科学性和准确性的指标建立河流生态健康评价体系，结合评价指标对社会经济和生态环境等所产生的影响确定生态健康状态。

假设集对是由等级标准集合B和评价指标集合A构成，并且集对具有N个特征主要包括的独立性、差异性和同一性分别为P、F、S个，由此可构建同异反连系度S/N+Fi/N+Pj+N，其中差异不不确定系数为i取值范围为-1～1，并以j=-1表征为对立系数。为了简化计算并提高计算效率，引入a=S/N，b=S/N，c=P/N，并且a、b、c并符合统一化条件即a+b+c=1。因此可采用uA～B=a+bi+cj表示为评价指标的联系度，其中a、b、c分别代表该指标量值xij与k级标准的同一度、相差一级k级标准的差异度和k级标准的对立度。然而等级与样本间在同一指标标准下的联系度并未存在较大的意义，因此可利用模糊集理论对各指标进行归一化处理建立相对隶属度。样本的等级标准可利用级别特征值的置信度准则、加权和方法进行确立，其基本过程如下。

(1)依据最大隶属度原则对健康等级与各指标评价样本的单指标关联度uijk;i=1，2，，n;j=1，2，，m;k=1，2，，k进行计算。单指标联系度的求解依据最大隶属度原则可分为正向指标和负向指标，其中正向指标即值越大则评价结果越优型指标可采用下式进行求解：

(1)

对于负向指标即值越小则评价结果越优型指标可采用下式求解：

(2)

式中，Sk，j—各评价等级的界限值，对于5个评价等级的划分区间上述公式可代表k等级与样本i之间的同、异、反定量分析值，利用上述方法对各个评价等级的3种不同关系进行清晰的表征。对于缺少边界值或不合理的状况可将其值进行舍去即可，例如对于最大界限值S5，j不存在Xij>S5，i的评价指标的状况，因此可将其舍去。

(2)对各评价等级与样本之间的综合联度可利用下式进行计算：

(3)

(3)利用可变模糊集基本理论对样本隶属于模糊集的相对隶属度vik计算，其计算公式如下：

(4)

将其进行归一化处理可得到相对隶属度：

(5)

(4)对河流生态健康等级hi进行评价。本文利用置信度准则和级别特征值加权法以此提高评价等级的准确性性，并规避评价指标所包含的重要性信息随最大隶属度原则的模糊识别处理的丢失。可利用下式进行级别特征值的计算：

(6)

其中置信度准则hi可采用下式表征：

(7)

式中，λ—置信度，其值取值范围为0.5～0.7，λ值的大小代表了评价结果的稳妥保守程度，值越大则越保守；反之，则风险越大评价结果可靠性降低。

3 结果分析

3.1 数据来源

各指标数据来源于抚顺市水资源公报、社会经济与国民经济发展报告、环境质量公报以及浑河流域专题调查等，各指标现状值见表3。

表3 浑河生态健康评价指标现状值

3.2 生态健康评价结果

对评价等级与评价指标之间的联系度ul利用文中所述公式进行计算，并根据各指标关联度计算结果得到综合关联度uk，结果见表4。

表4 浑河生态健康目标层评价

按照置信度准则λ为0.6验证各层级指标，即0.072+0.408+0.296=0.776>0.6，结果显示浑河生态系统健康属于中等水平并面临着严峻的挑战。同理，可分别求得压力、状态、响应各子系统的关联度，结果如图1所示。

图1 压力、状态、响应子系统评价结果

由图可知，压力子系统的生态健康处于良好水平，但是仍存在较大的外部压力，影响该子系统的因素有化肥与农药施用强度、人均综合用水量以及水资源开发利用率等。状态子系统处于中等水平，人类活动已严重影响到河流的生态健康，并且系统功能和结构已发生了一定的改变。随着浑河流域社会经济以及各行业的快速发展，水资源开发利用程度不断加大，区域内的工农业废水、生活污水的排放持续增大对河流水质造成了显著影响，河流生物多样性和水体富营养化严重。而影响子系统基本处于良好状态，由此表明针对河流生态环境问题公众和当地政府采取了有效的防治措施。

4 结语

本文结合已有研究成果和专家咨询意见，在遵循代表性、科学性以及系统性原则的基础上依据PSR概念模型构建了流域生态健康评价指标体系和分级标准，并基于属性识别和集对分析理论建立了综合评价模型，得出的主要结论如下。

(1)浑河生态系统健康属于中等水平，流域生态健康不容客观，系统功能和结构受人类活动和经济因素影响逐渐退化。压力子系统的生态健康处于良好水平，但是仍存在较大的外部压力，影响该子系统的因素有化肥与农药施用强度、人均综合用水量以及水资源开发利用率等。状态子系统处于中等水平，人类活动已严重影响到河流的生态健康，并且系统功能和结构已发生了一定的改变。

(2)为改善该河流生态环境状态，需要进一步提高其综合管理水平。继续完善流域水资源保护方法，提高城镇居民生态保护意识，积极参与河流环境保护和污水的处理排放。

(3)影响系统健康的因素较多，受数据资料限制本文未考虑鱼类、初级生产力、河流脉动指数等指标的影响，并且分级标准划分时难以参考较为准确的区域状况背景纸，因此未来还需要不断完善指标体系并建立统一、长期的流域监测体系。