基于SPIR概念模型的航道工程生态效应评价

吴小华，王鹏，申霞

（1.如皋市如皋港闸管理所，江苏 南通 226532；2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098；3.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029）

0 引言

近年来，随着社会经济的迅猛发展以及人们对生态环境的日益重视，把生态治水的理念融入传统航道工程建设，通过绿色低碳型生态技术、工程管理等措施，实现航道建设与生态系统的协调，成为我国航道工程建设的趋势和发展方向，并已在长江中下游及长江口航道治理工程中得以贯彻应用[1-4]，其对提升局地生境质量和生物多样性起到积极促进作用。

随着生态型航道建设技术的进一步发展，如何定量评价航道整治生态化水平或效果成为当前及今后一段时间学者们研究的一个重要方向。

目前采用的评价方法有以下几种：

1）通过现场生态监测数据，对比分析生态工程对改善水质和增加生物多样性的效果[5-6]；

2）以构成水生生物栖息地要素的水深、流速、底质、水温等为变量，建立目标物种生境适应度指数模型，模拟工程前后生境适宜度量值及范围的变化[7]；

3）采用生态足迹法评价航道工程在社会经济、生态环境等多方面的正负效应，通过对比工程生态足迹和生态承载力增量，分析工程建设的综合效益和可持续性[8]；

4）构建具有航运功能河道的生态系统健康评价多层级体系，评价不同时间点的河流生态系统健康水平[9]；

5）基于压力-状态-响应（PSR）模式及其改进的驱动力-压力-状态-影响-响应（DPSIR）模式建立评价指标体系[10]，将工程建设与生态环境、社会经济、政策措施等环节按因果关系有机整合，体现人与生态环境系统的相互作用。

本文依托长江下游太仓—南通段12.5 m深水航道工程，基于PSR和DPSIR的逻辑框架，建立状态-压力-影响-响应（SPIR）概念模型，为选择相关要素和指标、组织数据和信息提供了明确思路，保证关键要素和信息不被忽略，有助于系统分析和定量评估工程设计、施工、运行全过程采取减缓生态环境不利影响政策措施后产生的生态效应。

1 评价指标体系

压力-状态-响应（PSR）模型是目前国内外较为流行的生态环境评价模式，最初由Tony Friend和David Rapport提出，用于分析人类与环境系统的压力、现状与响应之间的关系[11]。在此基础上，欧盟环境署（EEA）提出了驱动力-压力-状态-影响-响应（DPSIR）模型框架[12]，在不同的层面建立评价指标。

本文研究对象为长江下游太仓—南通段12.5 m深水航道工程，工程设计考虑生态友好型材料和结构；施工严格执行相关环保要求；施工结束后积极开展相应的生态补偿和修复措施[13]。评价主要针对工程前、工程中、工程后3个时间点约2 a的时间。基于PSR和DPSIR模型思路，结合工程特点及评价的时空尺度，建立包含状态-压力-影响-响应（SPIR）四个准则层的概念模型，模型框架见图1，基于SPIR概念模型的航道工程生态效应指标体系见表1。

图1 航道工程生态效应评价SPIR概念模型Fig.1 SPIR conceptual model for ecological effect evaluation of waterway engineering

表1 基于SPIR概念模型的航道工程生态效应评价指标体系Table 1 Evaluation index system of ecological effect of waterwayengineeringbasedonSPIRconceptual model

基于航道工程生态效应评价SPIR概念模型，采用层层细化再统筹综合的方式建立评价指标体系。指标的选取考虑体系的完整性、针对性、可行性，注重每个层次的主要特征要素以及指标的效应评价功能，共包括目标层、准则层、要素层和指标层。其中，状态指某一时刻社会和自然系统所处的状况；压力指工程建设对所在区域的生态环境的胁迫；影响指系统所处状态对人类健康、社会经济结构、自然生态系统的影响；响应则表示人类在削减工程负面影响方面所采取的对策措施。

2 评价模型构建

2.1 数据规格化处理

航道工程生态环境效应评价的指标包括定性和定量两种，各指标量纲不一，对生态系统的影响方式不同，无法直接进行比较。通过将评价指标特征值矩阵和指标标准特征值矩阵进行规格化处理[14]，得到相对隶属度矩阵，即可实现各指标因子的无量纲化。

2.2 层次分析法赋权重

多指标评价中涉及的指标赋权问题是评价中的一个重要环节，层次分析法[15]作为一种基于决策和智能的赋权方法，能够利用较少的定量数据将人的思维过程数学化、系统化，解决航道工程生态效应多层次、多目标评价的问题。过程如下：1）采用SPIR框架将评价对象所包含的因素划分为4个层次（见表1）；2）在同一级的指标中进行两两比较，构造判断矩阵，采用1~9标度法[16]对重要性程度进行赋值，并进行一致性检验；3）计算每个判断矩阵的权重向量和全体判断矩阵的合成权重向量。

2.3 模糊评价模型

模糊评价方法通过模糊尺度使元素的定性化向定量化逼近，模拟人脑对模糊现象的判断。该方法较好地解决了评价因素的复杂性、评价对象的层次性、评价标准存在的模糊性、评价影响因素的不确定性等一系列问题，将定性因素进行了定量化处理，做到了定性和定量因素相结合，既顾及对象的层次性，使得评价标准、影响因素的模糊性得以体现，又在评价中充分发挥人的经验，使评价结果更符合实际情况。具体计算步骤详见参考文献[14]。

3 模型应用

3.1 数据来源

采用航道工程施工前（2012年9月）、施工中（2013年7月）、施工后（2014年7月）的水生生态调查数据，其中包括水质、沉积物、浮游植物、浮游动物、底栖生物、潮间带生物和渔业资源，以及河道水流泥沙、河岸带状况、航道工程设计管理资料等，开展航道工程建设的生态环境效应评价。其中，水质采用水质综合指数表示；沉积物质量对照GB 15618—1995《土壤环境质量标准》，分为一级、二级、三级；物种多样性指数采用Shannon-Weiner指数计算。其余指标采用定性分析法定值。

3.2 评价标准及结果

评价标准采用5级分值，主要根据国家、地区、行业相关标准规范，以及长江下游河道水生态环境现状，并结合文献和专家知识进行制定，见表2。

表2 长江下游航道工程生态效应评价标准Table 2 Evaluation standard for ecological effect of waterway engineering in the lower reaches of the Yangtze River

续表

将18种评价指标值与评价标准对照，对不同量纲的数据进行规格化处理，得到各指标工程前、工程建设中、工程后的特征值和相对隶属度（见表3）。按照同样的方法，对标准值进行规格化处理，得到指标标准优秀、良好、中等、较差、很差对应的特征值分别为5、4、3、2、1，相对隶属度分别为0、0.25、0.5、0.75、1。根据层次分析法权重确定过程，计算准则层和指标层权重，结果见表4。将权重代入模糊识别模型，得到工程前、工程中、工程后对应各个生态系统等级的隶属度，采用最大隶属度原则进行评定，结果见表5。

表3 规格化的指标特征值及相对隶属度Table 3 Normalized index eigenvalue and relative membership degree

表4 不同层次的评价指标权重计算结果Table 4 The weight calculation results of evaluation indexes at different levels

表5 航道建设不同时间点河道生态系统质量的等级占比Table 5 The grade proportion of river ecosystem quality at different time points of waterway construction

从评价结果可见，工程前航段生态系统质量处于中等；航道施工中由于废水排放、植被破坏、疏浚导致底栖动物损失等原因，河道生态环境质量降低；工程后，随着施工期影响逐渐消失，再加上生态型材料及结构效应逐渐体现，以及采取合适的生态补偿措施，生态系统健康状况得以提升。

4 结语

1）基于状态-压力-影响-响应4个准则层的概念模型，建立长江下游航道工程生态环境效应评价指标体系。以状态为主线，分析和评价河流生态系统遭受施工压力以及其后采取积极响应，生态系统健康状态的变化。评价结果较好地解释了工程建设不同阶段对生态环境的胁迫，以及生态型工程建设对提升系统健康水平的贡献。

2）河道生态系统演化周期较长，基于长时间序列监测数据开展航道工程生态效应评价，是将来研究工作的重点。另外，评价指标的选择、标准的制定仍存在一定的主观性，给评价结果带来不确定性，今后需开展多因子敏感性分析，作为关键指标识别、生态结构研发、修复技术制定的参考依据。