流域水环境生态风险评价指标体系的构建及应用

李海燕

摘要：为全面了解大宁河流域水环境综合生态风险现状，采用基于信息敏感性的主成分分析方法，构建了能够反映风险源和受体综合作用下的水环境风险评价指标体系;在模糊评价思想指导下，利用GIS技术和相对风险评价模型，对水环境风险进行评估并划分风险等级。研究结果表明：① 水环境生态风险突出表现在水体富营养化、土壤重金属、水土流失及水华暴发风险方面，采用定量筛选方法最终确定了15个评价指标。② 大宁河流域整体处于中高度风险区，风险值呈现出沿河流干支流两岸逐渐递减的趋势，高度风险区和极高风险区主要分布在巫溪县及河口回水区。该筛选方法在一定程度上克服了指标选取的主观性，减少了结果的不确定性。评估结果能客观反映出流域范围内人口和城市沿河流分布、库区支流水环境风险受到库区蓄水影响的特点，可为其他库区支流水环境风险评估及管控提供参考依据。

关 键 词：水环境生态风险; 指标筛选; 相对风险评估模型; GIS技术; 大宁河流域

中图法分类号： X82

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.010

0 引 言

近年来，随着长江大保护战略的实施，长江生态环境保护已初见成效，但库区典型支流由于受水环境因子变化、生产生活方式的不断转变等多重因素影响，水环境风险问题依然突出[1-4]。生态系统具有整体性和系统性，开展支流水环境风险评估，对于流域内水环境风险防控管理和长江流域生态环境保护具有重要意义。

目前，国内学者对水环境生态风险的研究包括水环境污染风险及水生态健康风险方面的研究[5]。这些研究内容主要是：

（1） 基于实验或监测数据来讨论某一特定要素污染、健康风险。如陈广[6]通过运用DPSIR概念模型来评估水质安全状况，并运用GM（1，1）预测模型来预测其变化趋势;雷沛等[7]对丹江口水库不同污染类型支流和库湾区域水污染、沉积物重金属污染状况及潜在风险进行了研究;左新宇等[8]基于P-IBI 指数法，在对大宁河浮游植物进行调查的基础上开展了生态健康风险评估。

（2） 研究主要考虑风险源的风险程度，较少考虑风险源和受体的响应关系。如许学工等[9]以黄河三角洲为例，识别了旱灾、洪灾、风暴潮灾害、油田污染事故和黄河断流等主要风险源及其发生概率，并对生态风险及其分级开展了研究。

上述研究中，大多较少考虑流域水环境风险的复合性和系统性，对风险管控具有滞后性。而广泛应用于区域风险评估的相对风险评价模型，则可以较好地反映复合生态系统风险源的风险程度及受体的损耗程度。

风险评价模型应用中，指标的选取是关系到评估结果是否合理的关键。目前，指标选取多依据经验判断或依据已有研究成果定性开展研究，定量方面的研究较少。而流域水环境风险涉及指标较多且部分指标重复性较大、相关性显著，指标冗余增加了评估工作量及结果的不确定性。因此，需要采用定量方法构建评估指标体系。

有鉴于此，本文以大宁河流域为例，采用基于信息敏感性的主成分分析方法构建风险评估指标体系;考虑水生态环境的系统性和空间异质性，利用相对风险评估模型（RRM）[10-11]及GIS技术进行综合风险评估分级，以期为库区支流水环境风险研究及大宁河流域水环境风险防控管理，提供理论和数据支撑。

1 研究区域概况

大宁河发源于巫溪县北部山区，自巫山县巫溪西口汇入长江，总面积约为3 720.0 km2，距离三峡大坝約123 km，受三峡水库蓄水的影响显著，是长江三峡河段典型支流之一。大宁河在巫溪县主要流经东部地区，面积约2 878.3 km2，在巫山县主要流经北部区域，面积约1 302.7 km2，总计涉及37个乡镇。巫溪县2019年森林覆盖率为69.58%，累计水土流失治理面积为135 690 km2。巫山县森林覆盖率为59.40%。

流域内以山地为主，山地占全流域面积的95%以上，整个流域呈北高南低的趋势，海拔差异大。属于亚热带季风气候，年均温度16.6 ℃，年均降水量为1 124 mm，以地带性黄棕壤和地带性棕壤为主。由于河谷深切及土地过度开垦等原因，导致水土流失严重。同时，该流域地处大巴山暴雨中心区，也是滑坡、崩塌等灾害多发之地。随着三峡库区移民外迁，工矿关闭，流域内农业面源污染、移民点生活污染、旅游、养殖污染等成为主要污染源。另外，由于库区蓄水导致的水文水动力等水环境因子变化，使得大宁河流域水体富营养化、重金属污染、水土流失等水环境问题尤为突出。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源及处理

（1） 数据来源。

本文数据主要来源于《巫溪县统计年鉴》《重庆市水资源公报（2008-2018）》《长江三峡生态环境质量公报（2008-2018）》，以及相关文献资料、中国科学院资源环境科学数据中心。

（2） 数据处理。

社会经济数据是以县区为单位进行统计，通过Kriging插值方法而形成栅格格式数据。气象数据利用IDW插值方法进行处理。遥感数据预处理主要是对遥感影像进行几何校正、辐射校正、波段融合等，以提取高程、坡度等方面的信息数据进行归一化处理，处理方法描述如下。

对于正向指标，在一定范围内，数值越大风险值越大，计算方法如下：

Di=Xi-XminXmax-Xmin（1）

对于逆向指标，在一定范围内，数值越小风险值越小。对于归一化数据为0的指数项数据采用赋值法进行同趋化处理，计算方法如下：

Di=Xmax-XiXmax-Xmin（2）

2.2 研究方法

根据筛选分析方法[12-14]及本文所用的数据特点，首先，对风险因子进行定性研究和相关分析，对指标进行初步筛选;再采用基于信息敏感性的主成分分析方法进行定量筛选;最后确定评价指标。具体计算方法参照文献[12]。

3 生态风险评价指标体系的构建

3.1 风险源分析

通过文献分析及资料调研[1-2，15-16]，从水环境生态风险角度分析了大宁河主要风险类型，主要包括土壤重金属、水体富营养化及水华暴发。

（1） 消落带土壤重金属污染风险。

消落带土壤中重金属会通过降水、水位变化迁移而转化至水体中。因此，很多学者采用沉积物中的重金属含量来反映重金属的污染状况。不同海拔、距河口不同距离的消落带重金属分布情况如图1所示。

土壤类型、地形特征、消落带海拔高度、距离河口不同距离、植被等因素会直接或间接影响到土壤重金属的含量或分布。

（2） 大宁河流域富营养化变化分析。

收集了2005～2010年大宁河水体富营养化指数数据[17-18]，对不同蓄水时间及距离河口不同距离的富营养化指数变化趋势进行了分析，如图2所示。

富营养化指数的变化与水体中营养盐类含量、水文条件变化、水环境因素变化密切相关，分别如表1和表2所列。基于此，分别对各因子及其与富营养化指数的变化进行了皮尔森相关性分析，以确定主要风险因子。

由表1可以看出：富营养化指数变化与库区的水位、入库水量呈明显负相关，与降水量和气温变化呈正相关。由表2可以看出：富营养化指数变化与TN和葉绿素变化相关性显著，与TP及SD变化的相关性较小。因此，选择不同土壤侵蚀度、降雨强度、植被覆盖度等指标表征面源污染大小。根据上述分析结果，选择降雨量、水位、入库水量、TN、TP、DO含量、土壤侵蚀度等作为初选指标。

（3） 水土流失。

有研究表明[19-20]：在年降水量为500 mm的情况下，坡度为5%～7%时，土壤的年流失量是坡度1%～5%时的7倍。大宁河流域非点源污染空间分布特征和土壤侵蚀空间分布特征极为相似。泥沙负荷高的子流域主要分布在流域东北部。同时，泥沙负荷很高的子流域，其TN和TP含量也高。

（4） 水华暴发风险。

整体上来说，在水华敏感期，大宁河回水段以下流域的氮磷含量偏高，高锰酸钾盐含量及溶解氧含量一直处于稳定且较低水平，尤其是大宁河河口的氮磷含量相较于其他断面更高，所以也是水华最易暴发的地方。

根据上述分析结果，初步筛选出自然、社会经济等24个水环境生态风险评价指标。

3.2 指标定量筛选

根据计算结果筛选出累计信息含量大于75%的指标。各评价指标敏感性计算结果如表3所列，大宁河流域水环境生态风险评价指标体系如表4所列。

4 流域水环境生态风险评价

4.1 评价方法

生态风险评价指标体系是一个二级三层结构的指标体系。根据模糊数学理论，把指标层对要素层的评判看作第一级评判，把要素层对目标层的评判看作第二级评判，从而构成一个二级三层的模糊综合评价模型[21]。采用GIS技术和借助于相对风险评价模型（RRM模型）[5，22-23]，对大宁河流域水环境生态风险进行评价研究。

（1） 生态环境危险度。

危险度通常以其发生的概率和强度来描述。生态系统（风险受体）暴露于多重生态风险源之下，它们所受的风险干扰是多重风险源相互叠加的结果。

H=mi=1WiRi（3）

式中：H为危险度指数;Ri为第i类危险度指标标准化值;Wi为第i类风险源权重。

（2） 生态环境脆弱度。

脆弱度指数是指生态系统受到外界干扰后的脆弱程度。本研究中采用综合指数法进行分层次计算。

V=mi=1WiNi（4）

式中：V为生态系统脆弱度指数;Ni为影响生态脆弱性的生态因素及社会因素中第i种指标的归一化值;Wi为权重值;m为评估指标的数目。

（3） 生态损失度。

生态损失度是指暴露在风险源下受体的生态系统结构、功能等的变化程度。生态损失度计算公式如下：

EDI=ni=1AiWi（5）

式中：EDI表示生态损失度指数;Wi表示损失度评价指标权重;Ai表示第i个指标标准化值;n表示评价指标个数。

（4） 综合风险值。

ERI=HWi+VWi+EDI×Wi（6）

式中：H表示危险度指数;V表示脆弱度指数;EDI表示生态损失度指数;Wi表示综合风险值指标权重。

4.2 结果分析

基于GIS技术，通过计算分别得到了大宁河流域水环境危险度、脆弱度、损失度以及综合生态风险分级分布图，如图3所示。

从综合风险等级进行分析，则各级风险区所占比重分别为9.01%，39.06%，43.83%，8.10%，说明流域整体处于中高度风险区范围（见图3）。流域范围内风险值呈现出沿河流两岸逐渐递减的趋势，可以反映出流域范围内人口和城市沿河流分布的特点。

低风险区主要分布在河流南岸和巫溪县东北部分区域，以及距主干河道较远区域，这些区域的城市化水平及人类干扰程度低，受蓄水影响不明显，损失度、危险度均较低，但是脆弱度较高。因此，该区域风险防控主要是在控制土壤侵蚀、防治自然灾害等方面降低生态环境脆弱性。同时，该区域目前经济发展水平低，治理能力较弱，但是发展需求较大，因而要做好污染源防控，提高污染治理资金和技术投资，防止危险度指数的增加。

中度风险区在河流南北岸均有分布，主要分布在巫溪县南部及巫山县北部区域，这些区域经济发展水平较高，环保产业适度发展，环保投资力度较大，人口和城市规模居中，自身自然环境脆弱度不大，处于中度风险范围。建议该区域通过调整产业结构、污染源源头防控和提高治理水平等降低风险。

高度风险区主要分布在巫溪县，主要是由于巫溪县环境脆弱度指数和损失度指数均较高。

极高风险区主要分布在河口、回水区以及支流回水区两侧一定的区域内。主要原因是受到蓄水影响，河口与干流交汇处流速缓慢，重金属污染指数和富营养化指数较高。

5 结 论

本文采用基于信息敏感性的主成分分析法，对水环境生态风险评价指标进行定量筛选，综合考虑风险源和风险受体，利用GIS技术构建了相对风险评估模型，并将该评估模型用于对大宁河流域的生态风险进行评价，得出如下结论。

（1） 大宁河流域的水环境生态风险突出表现在水体富营养化、土壤重金属、水土流失及水华方面。为此，采用基于指标信息敏感性的指标筛选与赋权模型，通过定量筛选，最终确定了15个评估指标。

（2） 从综合风险值分析结果来看，大宁河流域整体处于中高度风险区范围。流域范围内的风险值呈现出沿河流干支流两岸逐渐递的减趋势，高度和极高风险区主要分布在巫溪县及河口的回水区。

（3） 低风险区主要分布在河流南岸与巫溪县东北部分区域，以及距主干河道较远区域，水土流失、自然灾害、污染源治理是主要防控因子。中度风险区主要分布在巫溪县南部及巫山县北部区域，污染源源头控制和环境治理技术提升是关键因素。高度风险区主要分布在巫溪县。

由于研究中采用的是综合评估方法，导致各层级指标的权重对评价结果影响较大。因此，在后续研究工作中，需要改进危险度、脆弱度和损失度之间的指标权重的确定方法。

参考文献：

[1] 张雷，时瑶，张佳磊，等.大宁河水生态系统健康评价[J].环境科学研究，2017（1）：1-11.

[2] 王丽平，郑丙辉，张佳磊，等.三峡水库蓄水后对支流大宁河富营养化特征及水动力的影响[J].湖泊科学，2012（2）：232-237.

[3] 徐泉斌，孙璐，王春晓，等.三峡库区消落带土地资源开发利用探讨[J].人民长江，2009，40（13）：57-59.

[4] 韩超南，秦延文，马迎群.等.三峡支流大宁河库湾水质分布变化原因及其生态效应[J].环境科学研究，2020，33（4）：894-900.

[5] 陈秋颖，刘静玲.流域水环境风险评价研究展望[J].北京师范大学学报（自然科學版），2015，51（2）：202-205.

[6] 陈广.基于DPSIR 模型的三峡库区水生态安全评价[D]：武汉：华中农业大学，2015.

[7] 雷沛，张洪，单保庆.丹江口水库典型库湾及支流沉积物重金属污染分析及生态风险评价[J].长江流域资源与环境，2013，22（1）：111-117.

[8] 左新宇，程帅，彭辉.等.基于 P-IBI 指数的大宁河生态健康度评价[J].人民长江，2019，50（6）：44-49.

[9] 许学工，林辉平，付在毅，等.黄河三角洲湿地区域生态风险评价[J].北京大学学报（自然科学版），2001，37（1）：111-120.

[10] 刘晓.基于3S技术三峡库区生态风险评价及管理研究：以开县为例[D].重庆：重庆师范大学，2009.

[11] 周婷，蒙吉军.区域生态风险评价方法研究进展[J].生态学杂志，2009，28（4）：762-767.

[12] 迟国泰，陈洪海.基于信息敏感性的指标筛选与赋权方法研究[J].科研管理，2016，37（1）：153-160.

[13] 张戈力.电力系统安全综合评估指标筛选方法研究[D].保定：华北电力大学，2013.

[14] 申文娟.基于主成分分析法的蔬菜供应链风险指标筛选研究[J].物流工程与管理，2016，38（5）：160-162.

[15] 王业春，雷波，杨三明，等.三峡库区消落带不同水位高程土壤重金属含量及污染评价[J].环境科学，2012（2）：612-617.

[16] 惠军，陈银川，林剑波，等.长江口地区水环境风险分析[J].人民长江，2016，47（13）：24-27.

[17] 张佳磊.三峡库区大宁河富营养化和水华研究[D].上海：华东师范大学，2011.

[18] 郑丙辉，曹承进，张佳磊，等.三峡水库支流大宁河水华特征研究[J].环境科学，2009（11）：3218-3226.

[19] 徐泉斌，孙璐，王春晓，等.三峡库区消落带土地资源开发利用探讨[J].人民长江，2009，40（13）：57-59.

[20] 范丽丽，沈珍瑶，刘瑞民，等.基于SWAT模型的大宁河流域非点源污染空间特性研究[J].水土保持通报，2008（4）：133-137.

[21] 戴文渊.基于模糊综合评价的甘肃地区水生态安全评价指标体系研究[D].兰州：甘肃农业大学，2016.

[22] 许妍，高俊峰，赵家虎，等.流域生态风险评价研究进展[J].生态学报，2012，32（1）：284-292.

[23] 艾矫燕，蔡亚娟，邓超冰，等.流域环境风险评价研究进展[J].环境监测管理与技术，2015，27（4）：8-12.

（编辑：赵秋云）

Index screening and application for assessment of water environment ecological risk in

Daning River Basin

LI Haiyan

（Shanghai Environmental Protection Co.，Ltd.，Shanghai 200030，China）

Abstract：

In order to understand the current situation of comprehensive ecological risk of water environment in Daning River Basin，the principal component analysis based on the information sensitivity was used to construct a water environment risk assessment index system，which can reflect the effects of risk source and receptor.We also evaluated the water environment risk and divided the risk level using GIS technology and relative risk assessment model under guidance of fuzzy evaluation thought.The results showed that：① The ecological risk of water environment was mainly manifested in water eutrophication，soil heavy metals，soil erosion and water bloom.Fifteen evaluation indicators were finally determined by using quantitative screening method.② The whole Daning River Basin was in a medium and high risk area.The risk value of the river basin showed a decreasing trend along both sides of the main river and tributaries.The high and extremely high risk areas were mainly distributed in Wuxi County and the estuary backwater area.The method overcame the subjectivity of the previous qualitative screening evaluation index and reduced the result′s uncertainty to some extent.The evaluation results objectively reflected the characteristics of population distribution，urban development along the river and the fact that water environment risk of reservoir tributaries were affected by reservoir impoundment，which provides a reference for the water environment risk assessment and control of other tributaries in the reservoir area.

Key words：

ecological risk of water environment;index screening;relative risk assessment model;GIS technology;Daning River Basin