洪泽湖流域生态风险评价

陈 昌 仁，张 敏，徐 铭，汪 露

(江苏省洪泽湖水利工程管理处，江苏 淮安 223100)

湖泊生态系统能够为人类社会提供自然资源和生存环境2个方面的多种资源和服务[1]，在径流调节、水资源供应以及生态保护等各个方面都处于重要地位。湖泊生态系统作为我们生存的基础之一，为自然界与社会经济的可持续发展提供了重要的保障。

我国有关生态风险的研究开始于20世纪90年代，最初的研究重点主要集中于环境化学、生物学、生态毒理学等领域[2-5]。随着国内外生态风险评价的受体从人体逐渐转移到生态系统，2000年以后，众多学者开始探讨自然灾害和人为伤害等风险源对生态环境的危害影响，许学工、付在毅等[6-7]选定了包括洪涝、干旱、风暴潮灾害及油田污染事故和黄河断流在内的多个风险源，分别对黄河三角洲和辽河三角洲进行区域生态风险评价；李辉霞等[8]则选择太湖流域周边城市对研究区进行基于洪涝灾害的生态风险评价；徐福留等[9-10]在对巢湖、青海湖进行生态研究时，创建了将生态缓冲能力、能质和结构能质作为评价指标的湖泊生态系统健康评价体系，综合评价了不同阶段的湖泊生态系统健康状况，同时将评价结果进行了动态比较；刘永等[11]对滇池不同阶段的湖泊生态系统健康指数进行计算与评价所利用的是基于环境要素、外部要素和生态要素不同层次指标的湖泊综合健康指数体系；李春华等[12]创建了湖滨带生态系统特点与健康指数法结合起来的湖滨带生态系统健康评价体系，并对太湖湖滨带生态系统健康状况进行了综合评价，同时对于之后其他湖泊湖滨带的生态系统健康评价也具有一定的参考价值；舒持恺等[13]基于层次分析法、熵值法及主成分分析法3种赋权方法构建了湖泊健康评价物元分析模型。

通过总结前人的研究发现，过去学者们大多只侧重于分析湖泊的健康状况，无法对湖泊的生态建设提出有针对性的指导意见。基于此，本文提出基于层次分析法-熵权法[14]确定洪泽湖的生态风险评价体系中各风险因子权重的方法，分析容易对洪泽湖健康产生较大危害的风险因子，并对这些风险提出有针对性的措施，以期更有效地指导流域的健康发展。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区域概况

洪泽湖是中国第四大淡水湖，位于江苏省西北部，东经118°10′～118°52′，北纬33°06′～33°40′，周边涉及淮安市与宿迁市，如图1所示。在汛期，洪泽湖汛限水位为12.5 m(废黄河基面，下同)，对应水域面积约为1 500 km2，此时该湖平均水深为1.9 m，最大水深可达4.0 m，对应湖体库容为30.4亿m3。集水面积达15.8万km2的洪泽湖在淮河流域的蓄水泄洪中发挥着独一无二的作用，同时在南水北调东线工程中作为重要的调蓄水库也起着关键的作用，尤其是在长江流域淮河中下游的工农业生产和自然水资源与生态环境保护工作中扮演着重要的角色。洪泽湖作为苏北平原区的大型浅水湖泊型水库，是苏北地域供水的重要水源。长期自然因素和人为因素的持续作用，以及湖泊自身调蓄能力的逐渐减弱使得湖泊水域面积不断萎缩，洪泽湖流域的水文过程在复杂的外界胁迫作用下已经发生了极大的变化，严重威胁着区域生态环境和生态安全[15]，因此开展洪泽湖生态风险评价，对洪泽湖生态保护和风险管理就显得尤为必要。

图1 研究区概况Fig.1 Map of the study area

1.2 数据来源

本文气象数据来源于中国气象科学数据共享网(http：∥data.cma.cn/)，洪泽湖地区的洪旱评价标准主要采用的是1960～2016年盱眙气象站的标准化降水蒸发指数，水文数据采用江苏省洪泽湖管理处水文站提供的1969～2013年洪泽湖出入湖实测流量资料，湖泊面积数据来源于2005～2014年洪泽湖周边圈圩面积及有关洪泽湖面积变化的文献，水质数据来源于江苏省洪泽湖管理委员会办公室分别于秋季(2015年9月)和夏季(2016年6月)对全湖进行21项监测的调查结果。

2 研究方法

2.1 湖泊生态风险评估模型建立及计算

经过风险源、受体、暴露和危害4个方面的生态风险评估，将洪泽湖所处的地理环境，危险因子逐一分析，并与洪泽湖湿地生态系统的特征和功能结合起来，综合多方面因素，从内在和外在两个角度进行考量，最终确定洪泽湖湿地目前所面临的主要风险因子为生物多样性、物种优势度、脆弱性指数、洪涝灾害指数、湖泊面积变化指数、干旱灾害指数和综合污染指数，前3个指数为内在风险因素，其余指数均属于外在风险因素，基于以上内容可建立洪泽湖湿地生态风险评价指标体系(见表1)。

表1 风险因子的选取Tab.1 Selection of risk factors

对7个风险因子所采用的计算方法做出以下说明：采用 Shannon-Wiener 指数和优势度指数对洪泽湖的生物多样性进行计算，然后采用层次分析法对2种指数进行权重分配综合得到生态指数；对脆弱性指数的计算没有既定的公式可以用，可以根据研究对象的等级、成分和功能进行综合考虑得出大概范围，也可以通过建立指标体系计算得出，本文中洪泽湖的脆弱性主要与湖泊湿地生态系统中的物种丰富度具有负相关性，因此可以通过对物种丰富度进行计算得出脆弱性指数；洪泽湖的洪旱频率是基于将1960～2016年盱眙气象站的标准化降水蒸发指数作为洪泽湖地区的洪旱评价标准在研究区域内进行统计得出的；湖泊面积变化情况指数则是通过计算湖泊萎缩强度ILLI来进行考察；综合污染指数通过计算高锰酸盐指数、总磷、总氮3项浓度得出。

由于洪泽湖湿地生态风险评价中各指数的单位不一致，且对风险的贡献也不相同，因此需要对各项数据进行标准化处理。其中生物多样性指数与生态风险值呈负相关，采用式(1)计算。

(1)

其他指数均与生态风险值呈正相关，因此标准化处理公式为

(2)

式中：xi是任意评价指数；xmax是这一评价指数数据序列中的最大值，xmin是最小值。

2.2 层次分析法-熵权法

在洪泽湖生态风险评价体系中，各个评估指标的重要程度是不同的。指标的权重就是一个指标对于湖泊生态风险的影响度量，指标权重的确定会直接影响评估结果的准确性和合理性。主观赋权法和客观赋权法被认为是目前已有的确定指标属性权重的2种主要方法。为提高各指标权重的准确性，本文将层次分析法[16]和熵权法[17]结合起来，一方面熵权法的使用能够避免主观层次分析法中人为因素对结果产生的主观性影响，另一方面层次分析法又能够对熵权法的缺点进行有效的改进，即针对原始数据存在的变异性所导致的与实际情况不对应的缺点能够做出改进。综上所述，对洪泽湖湖泊生态健康风险综合评估指标体系中各指标进行赋权，具体计算步骤如下：

(1) 建立递阶层次结构。从特定的目标、准则和约束等方面按照一定的规则将所要研究的问题化解成多个组成因素，同时这些因素又可按目标及实现功能的不同而分层排列，从而构成一个自上而下的递阶研究层次。

(2) 构造判断矩阵。构造判断矩阵的目的是对上一层次某因素，对目前层次与之相关的各因素之间的相对重要性进行表示，而各因素之间的相对重要性会随着所采用比较标度方法的不同而发生变化。通过比较，一般认为内在风险因素中生态指数和脆弱性指数两个指标的占比相同，均为 0.5，生态指数中的生态多样性和物种优势度2个指数以及外在因素的 4 个指数通过采用“1～9”比较标度法对指数间重要性进行比较。“1～9”比较标度法实质是采用标度1～9对各因素两两比较后的彼此间的相对重要性判断结果进行量化。“1～9”比较标度法的各标度含义列于表2。

表2 1～9重要性等级Tab.2 1～9 Importance levels

用“1～9”比较标度法将各因素之间的相对重要性表示出来后，其量化结果可构造成判断矩阵，构造的判断矩阵为

(3)

(1) 由判断矩阵计算被比较元素的权重，公式为

(4)

(5)

式中：Mi为判断矩阵中同一行元素的乘积；Pi为利用层次分析法所求出的Bi指标对应的权重。

(2) 检验判断矩阵的一致性，公式为

(6)

(7)

(8)

式中：λmax为判断矩阵的最大特征根，其中(BP)i为向量BP的第i个元素，P=(p1，p2，…，pn)T，由各指标权重组成的列向量。CI为一致性指标；RI为平均随机性一致性指标，取值见表3。

表3 平均随机一致性指标RITab.3 Mean random consistency index RI

判断矩阵具有良好的一致性的条件为：CR<0.10。

(3) 采用熵技术修正传统层次分析法计算出来的的权重结果，所用公式为

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：sj为第j个指标对应的熵值；vj为第j个指标的信息权重；aj为利用层次分析法-熵权法求出的第j个指标的最终权重。

采用层次分析法分别对生态指数包含的生物多样性和物种优势度两个指数以及外在风险因素中的4个指数进行权重分配，经过熵权计算得到物种 Shannon-Wiener 指数和物种优势度指数在生态指数中的权重分别为0.75 和 0.25，洪涝灾害指数、干旱灾害指数、湖泊面积变化指数和综合污染指数 4个指数的权重分别为0.27，0.54，0.13和0.06。此时各项指数权重如表4所列。

表4 各项风险因子权重Tab.4 Weight of each risk factor

同样，通过层次分析法-熵权法得到的内在风险因素和外在风险因素的权重分别为0.640 8和0.359 2；将2种因素中包括的各个指数对应权重与各风险因素对应权重相乘，即为各项评价指数的对应权重，如表5所列。

表5 洪泽湖流域生态风险评价Tab.5 Ecological risk assessment table of Hongze Lake Basin

3 结果分析

3.1 生态风险综合评价

将风险源分析、受体分析、暴露分析和危害分析的结果与洪泽湖流域实际情况相结合，对洪泽湖湿地进行生态风险的综合评价，根据各项指标值和权重，即可得出洪泽湖的综合生态风险值。计算公式为

R=∑wiQi

(13)

式中：R为湖泊的综合生态风险值，wi为各项风险因子的权重，Qi为湖泊各项风险因子数值。

在所有指数中，生物多样性指数对洪泽湖的风险贡献最高，因此也可以通过提高生物多样性来降低洪泽湖生态风险。在4个外在风险因素指数中，由于干旱灾害指数的权重最大，根据权重含义，可知外在风险中干旱灾害对洪泽湖的生态影响最大。经过计算，湖泊面积萎缩指数和干旱灾害指数对湖泊的风险贡献最高，说明洪泽湖受干旱和湖泊面积变化的影响较大。根据公式(13)综合评价得现状年洪泽湖的生态风险指数为0.764 9。

3.2 生态风险分级结果

结合相关文献中关于全国及淮河流域的指标取值范围，本文将洪泽湖生态风险划分为5个级别，以较为全面地概括洪泽湖生态风险状况(见表6)。生态风险值越大，风险级别越低，说明湖泊湿地所受的威胁越大，最需要保护；反之级别越高，风险值越小，受到风险的可能性越小。

表6 生态风险等级划分标准Tab.6 Classification criteria of ecological risk levels

根据生态风险分级标准，洪泽湖近几年的生态风险等级属于四级。从数值结果来看，洪泽湖目前的生态风险属于较低水平，尽管受洪旱灾害以及湖泊面积变化等对生态状况的影响，整体仍呈现生态良好状态。由于洪泽湖目前的生态多样性较为丰富，生态系统稳定性良好，湖泊具有良好的调蓄能力，能够抵御洪涝干旱等自然灾害风险影响，因此洪泽湖的生态风险较低。但因目前洪泽湖的水质情况属于Ⅲ到劣Ⅴ类，整体呈现轻度富营养化，故仍需相关部门进行上游污染源控制和检测工作，保证湖泊水质安全，维护洪泽湖的生态健康及安全。

4 结论与建议

本文基于层次分析法-熵权法对洪泽湖流域生态风险进行了综合分析与评价。综合评价结果显示，洪泽湖近几年的生态风险等级属于四级，处于较低水平，尽管受到洪旱灾害、湖泊面积变化等对其生态状况的影响，整体仍呈现出良好的生态状况。在洪泽湖各项风险指数中，干旱灾害和湖泊变化情况给洪泽湖流域带来了较大的生态风险，因此本文结合洪泽湖流域实际特点，从内、外风险因素两个角度出发，针对生物多样性风险、干旱灾害风险和湖泊面积萎缩风险提出了相应的措施。

(1) 推动洪泽湖湿地保育工作。依据湖内食物链结构，合理投放草食性鱼种，对洄游性鱼类适时补充。调配水草结构，使沉水植物、挺水植物、浮水植物比例分布适宜。恢复湿生、挺水植物，与岸堤景观结合，起到调节小气候，调控水生群落的作用。在水生植物破坏区域进行补给种植，依据湖堤两侧土质、降水条件，形成乔、灌、草立体结构，提高生态系统稳定性，恢复湖泊生态系统的活力。

(2) 定时定点进行湖底清淤工作，实施洪泽湖及周边支流洼地综合治理工程，保障洪泽湖正常的调蓄，在保证安全性的前提下尽量发挥闸门、堤防等水利工程的最大作用。在发生干旱灾害时，采取以丰补枯、合理调度的洪泽湖地区枯季补水方案；在汛期时，合理控制水量，保证洪泽湖在枯期具有足够的水量保障洪泽湖周边地区居民的生产、生活、生态用水需求。

(3) 加快洪泽湖周边退圩还湖工程的进度，使洪泽湖水域面积萎缩风险得到有效控制。有研究表明：退圩还湖恢复了湖泊水体，并使得湖泊的水动力条件增强，湖泊的自净能力得到提高，有利于湖泊湿地环境的改善[18]。因此，退圩还湖不仅可以增加湖泊面积，还能够有效防范洪涝灾害的发生。