基于DPSIR模型的广州市增城区水库生态安全评价

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(1. 中山大学水资源与环境研究中心，广东广州510275; 2. 广东省华南地区水安全调控工程技术研究中心，广东广州510275；3. 黄冈中学广州学校, 广东广州510800；4. 广东省水文局湛江水文分局，广东湛江537609；5. 广州市环境保护科学研究院，广东广州510620)

水库是一种重要的水体存在形式，水库水资源的优劣稀缺密切影响着库区周边城镇的发展[1-2]。随着库区经济发展和人口增长，水库生态安全受到威胁，部分水库的生态平衡被打破，富营养化问题凸显[3]，影响了水库的供水、灌溉、养殖等功能。因此，对湖库生态安全进行调查评估，诊断水库生态存在问题，有重要的现实意义[4]。

湖库生态安全评估的方法体系是从流域生态安全评估体系中沿用发展而来[5]，余波[6]等构建了基于熵权法的湖库水生态健康模糊综合评价模型，对巢湖水生态安全健康等情况进行了动态分析；李景保[7]等对湖南省大型水库的部分服务功能进行了定量化评估；闻常玲[8]等采用了基于PSR框架模型的多因素综合评判指标，对天台县桐坑溪水库饮用水水源地进行了生态安全评价；李亚男[9]等基于DPSIR概念模型，对浙江省六大水库进行了生态安全综合评估。由于对水库的特殊性、系统性缺乏认识[4]，如何科学准确地评估水库生态安全，尚未有一套系统的方法和理论，需要继续探索比较。

为保证区域水资源的供给质量和数量，响应〈优良水质的水库生态安全评估指南(试行)〉通知[10]，本文以广州市增城区3个优良水质中小型水库为例，结合“驱动力-压力-状态-影响-响应”(Driving force-Pressure-Status-Impact-Response，DPSIR)模型与“社会经济影响、生态健康、生态服务功能和调控管理”(Social and economic impact, Ecological health, Ecological service function and Control management, SEEC)框架建立评估指标体系，综合层次分析法和熵权法赋值指标权重，参考湖泊生态安全与流域生态安全评价，建立各指标标准参考值数据库，使用综合指数法[11]和模糊综合评价法对各水库生态安全现状进行评估，综合得出水库生态安全评价结果，为各水库生态安全管理提出相应对策。

1 研究方法

1.1 生态安全评估概念模型

生态安全评估是对“驱动力-压力-状态-影响-响应”(DPSIR)[12]各组分之间动态联系和循环反馈全过程的评估[7]。图1为水库生态安全评估概念框架与模型，以水库为主体，考察水库生态系统与周边环境的相互联系。

表1为本次评估指标体系。由1个目标层、4个方案层、16个评估要素及25项评估指标组成。指标体系中，水库周边生态系统的社会经济发展，如人口密度、城镇化率等增大是驱动力，会加大废水排放、污水处理等方面的压力；压力作用于水库生态系统，当水库承受的压力大于其自我调节和恢复的能力时，生态系统无法自行恢复，通过水质参数等来体现；水库当前状态改变，水体的服务功能受到影响，饮用水、水产品供给无法得到满足；人类采取相应的措施，如提高监管能力，加大资金投入等对水库环境进行改善，达成人类社会经济与水库生态系统可持续发展。DPSIR模型描述了人类活动与水库环境的因果链，体现了两者之间相互制约、相互影响的过程。

借鉴DPSIR流域生态安全评估概念框架，建立基于“社会经济影响、生态健康、生态服务功能和调控管理”(SEEC)的水环境安全预警概念模型。两者的指标体系对应衔接：社会经济影响是生态安全的推动因素，与驱动力(D)指标和压力(P)指标对应；生态健康反映了水质与水生态2个方面的状态，与状态(S)指标相对应；生态服务功能是水库生态系统状态对社会经济、公众生活及人群健康的影响，与影响(I)指标相对应；调控管理反映当超出水库承载范围时，人们所采取的对策和措施，与响应(R)指标相对应。

1.2 指标权重的确定

本文采用层次分析法和熵权法计算指标权重。层次分析法(The analytic hierarchy process)经历构建层次结构模型、建立判断矩阵、检验一致性、计算重要性排序以及结果分析决策几个步骤[13]。本文层次结构模型分为目标层(V)、方案层(A)、方案层(B)，经过以上步骤得到各项指标最后权重W。

熵是系统无序程度的度量，可度量已知数据所包含的有效信息量和确定权重[14]。熵权法计算水库生态安全评价指标权重步骤如下：构建n个样本m个指标评价指标的判断矩阵R；对R进行归一化处理，得到归一化判断矩阵。

R=(Xij)n×m

(1)

分为越大越优、越小越优两类：

越大越优：

rij=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

越小越优：

rij=(Xmax-Xij)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中Xmax、Xmin——指标在样本中最优与最劣值。

得到相对隶属度矩阵：

R=(rij)n×m

(4)

式中rij——指标j相对于i样本的隶属度。

计算评估指标比重Pij和各指标熵值Hj。

(5)

Hj=-k∑PijlnPij

(6)

计算差异系数gi和权重wj[15]。

gj=1-Hj

(7)

(8)

层次分析法代表一种主观权重，熵权法是一种客观权重，采用主观权重与客观权重合理结合及公式(9)，得到综合权重值aj[16]，各指标所占权重结果见表2。社会经济影响层、生态健康层、生态服务功能层和调控管理层所占权重分别是0.2、0.4、0.2、0.2。

(9)

1.3 水库生态安全评估

水库生态安全系统是一个多层次的复合生态系统，本文采用模糊综合评价法和综合指数法对其进行评估。

1.3.1模糊综合评价法

模糊综合评价法将被评事物的模糊指标通过确定隶属度进行量化，构造等级模糊子集[17]，建立模糊关系矩阵Rl×m，根据评价因素的模糊权向量A，结合公式(10)计算综合评判矩阵B，得到隶属度Si，确定生态安全等级。隶属度确定等级存在有效性问题[18]，本文在最大隶属度失效的情况下，采用加权平均原则求隶属相对等级B*[19]。

表2 水库生态安全评价指标权重

B=A·R=

s1,s2,…,sl

(10)

(11)

式中运算符号“·”为合成算子，m=5，表示本次评价分为5个等级，评估等级及赋分标准参考《湖泊生态安全调查与评估技术指南》《流域生态健康评估技术指南》等，见表3。

1.3.2综合指数法

综合指数法将各项评价指标转换成相同度量的综合指数，通过综合指数得到生态安全状况的等级[20]。在综合评估中，通过数据标准化，本次标准化采用一级安全标准赋分(表3)，得到各方案层得分，逐级加权，最后采用加权求和计算生态安全指数ESI：

(12)

式中Ak——第k个方案层的得分值；Wk——第k个方案层对目标层的权重系数。

生态安全评估以ESI作为最终结果，等级划分标准见表4。

表3 指标评估等级及赋分标准

表4 生态安全指数等级划分标准

2 研究区概况及数据来源

2.1 研究区概况

增城区位于广东省广州市东部，地处北纬23°05′～23°37′，东经113°32′～114°00′(图2)，总面积1 616.47 km2。增塘水库是一座以防洪蓄涝为主，结合灌溉、养鱼及生活用水的综合利用水库，位于增城区中部，隶属石滩镇；百花林水库以灌溉为主，缓解旱季下游农田的受旱情况，位于增城区中东部，属于荔城镇；石马龙水库所在区域属于一级水源保护区，承担流域内防洪、灌溉、生态及旅游等功能，是周边村庄重要的饮用水源和灌溉水源，位于增城区北部，属于派潭镇。本次水库评价基本单元按一级行政单元即水库所在镇划分，监测断面包括入库区、岸边区、库心区、出水区、排渠等。

收集往年水库水质数据，从各水库上游来水水质情况看，3个水库上游来水水质大部分超过Ⅱ类水标准，随着社会经济发展，水库集雨区域污染源增多，严重威胁水库水质。

2.2 数据来源

本文所涉及的数据主要来源于广东统计年鉴[21]、广州统计年鉴[22]和采样点检测报告。调控管理数据来源于广州市环境保护科学院组织专家评估的结果。对基础数据进行处理[23]，计算方法见表5，结果见表6。

表5 水库生态安全评估指标计算方法

表6 水库生态安全评估各指标数值(2016年)

3 结果与分析

3.1 水库生态安全评价

综合指数法计算的水库生态安全指数见表7，模糊综合评价法得到的水库相对等级，见表8。

结合SEEC模型，从方案层进行分析，水库在生态健康(A2)和生态服务功能(A3)中的得分相对其他层低。在生态健康评价中，增塘水库得分为41.24，为三水库中最低，接近Ⅱ级欠安全状态。增塘水库周边村庄、工业的排污，使得来水质量低，加上水库水体流动性差，造成水中重金属等物质沉淀，营养状态指数(C71)和重金属风险指数(C81)都远大于其他水库。百花林水库生态健康得分为51.8，处于一般安全状态，石马龙水库生态健康状况相对较好，属于较安全级别。从社会经济影响层(A1)看，百花林水库得分较低，百花林水库流域所在的荔城街道人口密度大、城镇化率高，经济发展快速，导致水库的社会经济影响压力较大；增塘水库社会经济影响(A1)得分52.86，单位土地面积TN、TP负荷(C32、C33)，上游来水中高锰酸钾指数(C54)等对水体污染负荷压力较大。石马龙水库周边无城镇、工业、农业污染源排放入库，社会经济影响层(A1)状态相对良好。从调控管理方案层(A4)上看，各水库得分都为80分以上，处于安全范围，人类对水库调控起到了一定的作用。

对比表7与表8，A1层的指数得分为：石马龙水库>增塘水库>百花林水库，A1层中三水库的模糊评价等级为：增塘水库>石马龙水库>百花林水库，类似地，各方案层评价结果略有差异。从整体来说，各水库相对等级为：石马龙水库(4.12)>百花林水库(3.03)>增塘水库(3.02)，百花林水库与增塘水库的模糊评价等级非常接近。各水库生态安全指数ESI为：石马龙水库(69.15)>百花林水库(55.17)>增塘水库(53.56)，对应的安全等级分别为Ⅴ、Ⅲ、Ⅲ级，处于较安全、一般安全和一般安全的状态，模糊综合评价法与综合指数法的评估结果一致。

综合指数法在计算上相较于模糊综合评价法更为简单，后者在使用上存在有效性的问题，其结果需要通过最大隶属度原则进行判断。

表7 水库生态安全指数

表8 水库生态安全模糊评价等级

3.2 水库生态安全评估

将社会经济影响层拆分为驱动力和压力，图3为基于DPSIR模型的各水库生态安全指数评估结果。结果中，百花林水库受到的驱动力最大，其次是石马龙水库和增塘水库；增塘水库承受压力最大；当前状态、影响都是石马龙水库最优，其次是百花林水库和增塘水库；石马龙水库响应部分得分最高。3个优良水质水库各项评分处于一般安全级别以上，只有百花林水库驱动力部分处于欠安全状态。

增塘水库库区早期围网养鱼情况较多，养鱼投种不当，使得水库水质下降；农业面源及生活污水排放(C31、C32、C33)导致水库富营养化严重；根据水库的实际情况，需开展河口自然湿地建设、库区底泥疏浚、水体藻类控制等水生态修复和建设工程。百花林水库流域所在地使得其承受的社会经济发展和人口增长的驱动力较大，导致水库流域污染负荷压力加大、水库水质下降、生态服务功能受损；需加强建设污水处理设施，控制当地城镇化带来的污染物的影响。石马龙水库为一级水源地，近年来无人为污染直接排入，水库生态安全状态相对稳定；随着水库周边的旅游设施的完善，游客量的飞速增长，一定程度上将对石马龙水库的生态环境产生负面影响；需加强流域内旅游环境容量管理，控制旅游生活污染，缓解旅游业发展给水库带来的压力。

4 结论

基于“驱动力-压力-状态-影响-响应”(DPSIR)的流域生态安全评估模型，建立了以“社会经济影响、生态健康、生态服务功能以及人类活动调控管理”(SEEC)为框架的4个层次的指标体系。对比使用综合指数法和模糊综合评价法对3个水库生态安全进行评价，主要结论与展望如下。

a) 3个水库属于优良水质水库，生态安全评估结果为石马龙水库>百花林水库>增塘水库，都处于一般安全级别以上，对应的安全等级分别为Ⅴ级、Ⅲ级、Ⅲ级。

b) 水库在生态健康和生态服务功能中得分相对其他层低；社会经济影响层中，百花林水库得分受人口密度(C11)、城镇化率(C12)等驱动力指标的影响，而增塘水库在此方案层得分主要受污染排放层(B3)中压力指标的影响。

c) 模糊综合评价法与综合指数法对水库整体评价结果一致，在各方案层评价中略有差异，后者在计算上更简单，前者在使用上存在有效性问题，需要通过最大隶属度原则进行判断。

d) 水库生态安全评估是一个复杂的综合性过程，需要多方面的理论知识和研究经验，评价方法和指标体系的确立也还需更深一步的研究。