三峡库区水生态安全评价范文

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自1992年三峡工程决定动工兴建以来，世界上难度最大的水利移民工程最终移民将达120万人，以移民迁建为动力，库区城镇化水平逐步提高。但随着三峡库区移民带来的快速城镇化，各项市政设施和环境保护的措施的建设速度大大滞后于人口聚集的速度，城镇化过程正在对自然资源与自然环境产生巨大的影响。库区不少地方的生态环境受到严重破坏，长江上游的生态安全面临严重挑战。根据三峡库区重庆段（三峡库区中除湖北省的巴东县、秭归县、兴山县和宜昌县等4个县外其余16个区县）城镇化与生态问题的实际，本研究基于驱动力—压力—状态—影响—响应（DPSIR）概念模型选取了25个能反映水生态安全状态的指标，通过指标权重确定、数据标准化处理和水生态安全评价模型的构建，以三峡库区重庆段为例，从城镇化视角分析三峡库区重庆段自2007年三峡库区水位达156m高程以来的水生态安全状态。

1研究地域概况

三峡库区流域包括重庆市的江津市、渝北区、巴南区、长寿县、涪陵区、武隆县、丰都县、石柱县、忠县、万州区、开县、云阳县、奉节县、巫山县、巫溪县等15个区县（市）和主城区（包括渝中区、大渡口区、江北区、沙坪坝区、九龙坡区、南岸区、北碚区等7区），湖北省的巴东县、秭归县、兴山县和宜昌县等4个县（图1）。三峡库区是中国乃至世界最为特殊的生态功能区，也是长江上游主要的生态脆弱区之一，其水生态安全状况不仅直接影响整个长江流域的生态安全，也关系到长江流域社会经济的可持续发展。本文研究三峡库区重庆段除湖北省的巴东县、秭归县、兴山县和宜昌县等4个县外其余16个区县，幅员面积46158．53km2，约占整个三峡库区面积的80％，占据重要的生态地理位置［15］。该区地跨川东平行岭谷低山丘陵区、大巴山喀斯特中山区和大娄山、巫山低中山山区，丘陵占21％、河谷平坝占5％、山地占74％。2012年末人口1968．12万，库区合计城镇化水平63．64％，地带性植被为常绿阔叶林，森林覆盖率为42．1％，水土流失面积比重48．6％。

2研究方法

2．1评价指标水生态系统安全是具有特定结构和功能的动态平衡系统的完整性和健康的整体水平反映。为反映其完整性及其健康性，以城镇化的视角从DPSIR概念模型出发，建立三峡库区重庆段的水生态环境、经济和社会方面具有共性和特性的指标体系［17］（表1）。指标的选取涉及到诸多要素，除遵循科学性、完备性、针对性、可比性和可操作性的一些共性原则［16］外，还需体现城镇化、三峡库区重庆段、水生态安全等几个方面的特征，能够体现水生生物群落与水环境安全状况。但是水生态系统安全的概念太宽泛，为了使研究问题更具体，更突出城镇化指标对三峡库区重庆段水环境的影响，依据DPSIR模型，从水环境安全状况出发，构建了能反映城镇化的驱动力子系统和压力子系统和能反映水环境安全状况的状态子系统、影响子系统和响应子体系，各子系统选取评价指标如下。（1）驱动力子系统：由于本研究主要考虑人类活动对目标区域生态安全的影响，因而指标选取主要从外部驱动力入手，涉及到经济发展驱动力、社会发展驱动力两方面指标。本文中共选取了5个相关指标，分别是城镇人口比率，第二、三产业从业人员比重，人均GDP，第二、三产业生产总值构成，每万人拥有卫生机构数床位数。（2）压力子系统：压力是由人为活动造成的，是驱动力指标的表现形式。目前影响水生态安全性的主要压力包括水资源需求压力和环境压力。针对这两种压力表现形式，本文中采用万元GDP用水量、万元工业增加值用水量、居民生活人均日用水量、城镇居民生活污水排放量、工业污水排放量这5个指标来表示。（3）状态子系统：状态是在驱动力和压力共同作用下区域水资源表现出的物理或化学可测特征。本文中选取5个水环境基本的水质监测指标（DO、BOD5、高锰酸盐指数、TN、TP）和地表水资源量来反映三峡库区水资源状态。（4）影响子系统：影响应该包括对水环境、生态环境、地质环境、社会4个方面。本文中共选取5个指标来表示，分别是森林覆盖率、水土流失面积比例、土壤侵蚀模数、洪涝损失、旱灾损失。（5）响应子系统：响应描述了人类应对流域生态安全变化的一系列积极措施，包括社会经济响应、生态恢复与污染控制等。本文运用环境保护投资、水土流失治理度、工业废水达标排放率、生活污水集中处理率4个指标来表示。目标层为三峡库区重庆段水生态系统安全评价A，其下从DPSIR五个准则层（B1～B5）选取评价指标，评价指标由C1～C25共25个指标组成，本文以C（25）表示各指标的集合，C1表示C（25）中的第一个指标，C25表示C（25）中的第25个指标，C表示C（25）中的第i个指标（i＝1～25）。

2．2研究数据来源评价指标数据源于2007～2012年的《重庆市统计年鉴》、《重庆市环境统计公报》、《长江三峡工程生态与环境监测公报》、《重庆市水资源公报》、《重庆市国民经济和社会发展统计公报》等上面的相关数据，为了能反映城镇化对长江流域水体水生态安全的影响，在陆域范围的选择上选取县级行政区范围为数据来源。这样选择数据来源一是数据获取方便，二是评价范围内各指标的平均水平能反映陆域对水域生态安全的影响。我们以Cij表示Ci所对应的第（j＋2006）年的数据（i＝1～25，j＝1～6），集合C（25，6）表示水生态安全评价25项指标2007～2012年的全部数据集合。

2．3权重的确定及分析层次分析法（AHP）属主观赋值法，是在20世纪70年代中期由美国运筹学家T．L．Saaty教授提出［18］，该方法是通过对复杂问题内的相关元素及其关系进行分析，从而构建一个层次系统，利用较少的信息，数字化计算，从而简化复杂问题的决策过程。该模型的优点是具有层次，思路清晰，对问题涉及的因素及其相互关系分析得较透彻，能有效地建立指标的权值分布。其缺点可能会由于人的主观因素而形成偏差。为了消除层次分析法所确定指标权重主观因素形成的偏差，需要对指标权重进行修正，从数据本身的变化差异特征来对权重进行修正，因此引入了客观赋权法，熵权法。熵权法属客观赋权法，由申农（Shannon）最先引入信息论，在信息论中，熵值反映了信息无序化程度，其值越小系统无序值越小，故可用信息熵评价系统信息的有效性。通过熵来确定权重，就是根据指标的差异程度来确定权重［19］。该方法能客观准确得到各指标的权重。运用AHP法确定指标权重时，专家打分所确定的判断矩阵需验证一致性是否可以接受，因此须计算一致性比例CR，当CR＜0．10时一致性可以接受，否则应该适当修改判断矩阵。依据AHP法确定各准则层指标权重判断矩阵的一致性比例CR分别为0．0398、0．0282、0．0214、0、0．0271均小于0．10，一致性可以接受。层次总排序权重判断矩阵的一致性比例CR＝0．0218＜0．10，则一致性可以接受。

2．4指标标准值的确定及指标的标准化由于评价水生态系统安全涉及的评价指标类型复杂，各指标值量纲不同，为了在定量上评价水生态系统的安全程度，使各个指标在对整个水生态系统安全程度上具有可比性，需要确定一组维持水生态系统功能完整性能力、水生态系统零风险能力、自我修复能力和对人类生存支持力的“理想”安全状态的特征常量，这些特征常量被称为指标的标准值［20］。标准值的选取直接决定了评价结果的合理性，因此标准值的选取可以从以下几个方面进行选取：（1）国家、行业或地方规定的强制性标准；（2）平均值；（3）类比标准，即根据类比确定的值；（4）当前相关政策研究确定的目标值；（5）国际或是国内的公认值；（6）专家经验值。由上面的标准值选取方法所确定的三峡库区重庆段水生态系统安全评价指标的标准值如表3所示。我们取指标Ci所对应的指标标准值为Si，S（25）表示评价指标标准值集合（i＝1～25）。三峡库区重庆段水生态系统安全各个评价指标的变量以水生态系统安全评价指标的标准值进行标准化处理，使其各个评价指标在整个水生态系统上具有可比性，以此消除量纲的影响，具体步骤如下：首先确定指标Ci的属性，指标属性为正表示指标数值越大越安全，指标属性为负表示指标数值越大越不安全。

2．5评价方法模型及水生态安全度等级划分

2．5．1水生态安全指数评价方法模型水生态安全指数（AquaticEcologicalSafetyIn－dex，WESI）是采用乘加复合综合指数模型来评价水生态安全性，是一个以水生态安全指数衡量水生态安全程度的指标。水生态安全指数介于0～1之间。为了了解各指标之间的相互关系以及各指标、各子系统与整个系统的关系，特建立以下的计算模型；以WESIj表示系统第（j＋2006）年的水生态安全指数，由此，可得到系统的水生态安全指数集合，用WESI（6）表示，WESIj表示第（j＋2006）年的水生态安全指数。

2．5．2生态安全度等级划分借鉴相关安全领域的等级划分，结合具体水生态安全评价需要，海河流域水库水生态安全等级也采用均分的方法划分为五级，取值范围越接近1，说明系统生态安全程度越高，生态系统越安全；反之，取值范围越接近0，则说明系统生态安全程度越低，生态系统就越不安全，由此可将水生态安全等级由劣到优（从Ⅴ到Ⅰ）对应的预警级别分标为重警状态、中警状态、预警状态、较安全状态和安全状态。

3结果与讨论

3．1水生态安全指数评价结果根据各指标的权重βj和指标数值经标准化处理后的数值Yij，运用（4）、（5）、（6）评价模型求算各子系统生态安全指数和系统生态安全指数。

3．2水生态安全指数评价结果讨论

3．2．1三峡库区重庆段水生态安全指数时间变化特征从图3水生态安全分级结果可以看出：2007～2012年的水生态安全指数分别为0．129、0．273、0．376、0．363、0．409、0．453。对照表4三峡库区重庆段水生态安全等级划分可知，2007年处在安全等级Ⅴ的极不安全状态下，2008年、2009年与2010年均处在安全等级Ⅳ的不安全状态下，2011年与2012年均处在安全等级Ⅲ的警戒状态下。虽然6a内各年的水生态安全都不是很理想，均处于警戒安全等级以下，但是水生态安全等级有上升趋势，表明在此时段内水生态安全状况得到了不断的改善。可能的原因是自2007年三峡库区蓄水位达156m高程至2010年三峡水库蓄水达到175m最终水位，三峡水库由于蓄水的要求水位一直在上涨。

3．2．2基于DPSIR模型的生态安全时间变化特征就经济社会驱动力和资源环境响应而言，2007～2012年WESI值分别为0．057、0．069、0．075、0．089、0．109、0．118和0．043、0．049、0．073、0．089、0．106、0．089。表明经济社会驱动力和资源环境响应各年的生态安全指数均为正值且随着时间的推移对生态安全指数的贡献有改善的趋势。但是就资源环境压力而言，2007～2012年WE－SI值分别为－0．202、－0．136、－0．023、0．058、0．134、0．168，生态安全指数有3a的负值，分析其原因是由于万元工业增加值用水量的广东省十一五规划标准值为102m3，而各年重庆万元工业增加值用水量比较大，比如2007年的万元工业增加值用水量达到了270m3。就资源环境响应而言，2007～2012年WESI值分别为0．207、0．267、0．228、0．107、0．037、0．060，说明水生态安全资源环境响应指数一直处于下降趋势，究其原因是由于灾害损失变化指数变化较大，从2007年的生态安全指数0．183下降到0。而就资源环境状态而言2007～2012年WESI值分别为0．023、0．024、0．021、0．020、0．022、0．016，表明在资源环境压力安全状态指数为负值和资源环境影响安全指数下降的状态下，环境状态安全指数基本持平。因此，影响三峡库区重庆段水生态安全的劣势因子是资源环境压力，其次是资源环境影响；影响三峡库区重庆段生态安全程度的优势因子是经济社会驱动力和经济社会响应。

3．2．3综合权值对三峡库区重庆段生态安全的影响从表2驱动力、压力、状态、影响、响应5方面综合权重值可以得出三峡库区重庆段水生态安全不同方面影响程度，资源环境影响对三峡库区重庆段水生态影响最大（综合权值0．3686），其次是资源环境压力（综合权值均为0．3407），影响最小的是资源环境状态（综合权值均为0．0453）。从指标层来看，对三峡库区重庆段水生态安全影响最大的前3个因素依次是灾害损失（综合权值0．2293）、万元GDP用水量（综合权值0．1454）、万元工业增加值用水量（综合权值0．1288）；影响最小的是水土流失面积比例（权值几乎为0）。

3．2．4存在不足之处及改进措施（1）评价结果很大程度上受指标数据准确性的限制，但由于研究资料数据的限制，所建立的评价指标体系不能够全面的涵盖各个方面，会对评价结果的准确性产生很大影响。比如压力指标里面源污染的输移就是一个重要的方面［22］，还有状态指标中需添加水生物指标进一步反映评价区内的水生态环境。（2）本文仅采用了DPSIR模型这一种评价模型，没有通过比较来选取最优化的评价模型。因而，该评价方法还有改进的空间。（3）本文所考虑水生态安全仅考虑水环境方面，须进一步的完善对水生生物方面的分析研究。

4结论

本研究采用DPSIR模型确定水生态安全评价25个评价指标，并对指标运用层次分析法确定指标权重，运用熵权法耦合来对指标权重进行修正的方法求得指标的综合权重，综合主观和客观分析法的优点，使指标权重的评价更趋科学、合理。通过三峡库区重庆段水生态安全实例证明该方法既明确各年的水生态安全指数又定量分析各年生态安全的优劣，各指标影响三峡库区重庆段水生态安全的强弱程度，以此为三峡库区重庆段的水生态安全健康发展提供行之有效的科学依据。在DPSIR框架模型的指导下，运用层次分析法和熵权法来确定指标的综合权重值，在进行三峡库区重庆段水生态安全评价中具有可行性。通过分析得出三峡库区重庆段水生态安全自2007年三峡库区水位达156m高程至2010年三峡水库蓄水达到175m最终水位水生态安全一直处于不安全状态，2011～2012年一直处于警戒状态，但水生态安全总体趋势在逐年升高。分析结果可以看出影响三峡库区重庆段水生态安全的劣势因子是资源环境压力，其次是资源环境影响；影响三峡库区重庆段生态安全程度的优势因子是经济社会驱动力和经济社会响应。由权重值判断生态安全影响程度，资源环境影响对三峡库区重庆段水生态影响最大，其次是资源环境压力，影响最小的是资源环境状态。从指标层来看，对三峡库区重庆段水生态安全影响最大的前3个因素依次是灾害损失、万元GDP用水量、万元工业增加值用水量；影响最小的是水土流失面积比例。

作者：陈广 刘广龙 朱端卫 王雨春 周怀东 单位：华中农业大学资源与环境学院 中国水利水电科学研究院水环境研究所