戴文淵,陳年來,*,李金霞,張 芮

1 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730070 2 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院, 蘭州 730070

作為生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要的因素,水生態(tài)安全格局是生態(tài)安全格局的關(guān)鍵組成部分,對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。近年來,隨著水生態(tài)文明理念深入發(fā)展,開展水生態(tài)保護(hù),構(gòu)建水生態(tài)安全保障體系是一項迫切的工作任務(wù),水生態(tài)安全評價相關(guān)研究引起人們的廣泛關(guān)注。甘肅深居內(nèi)陸腹地,水資源相對匱乏,水旱災(zāi)害頻繁,生態(tài)系統(tǒng)功能“局部改善、整體退化”局面還在持續(xù),生態(tài)環(huán)境惡化趨勢整體上還未得到遏制。尤其近年來,水資源供需矛盾突出,水污染現(xiàn)象日益嚴(yán)重,甘肅地區(qū)各流段水生態(tài)安全整體狀況如何,水生態(tài)安全的影響因子主要有哪些還不清楚,因此對甘肅地區(qū)各流段水生態(tài)安全狀況進(jìn)行評價顯得尤為重要[1- 2]。

水生態(tài)安全評價是一個多指標(biāo),帶有模糊性的綜合評價過程,是一個多學(xué)科交叉領(lǐng)域。水生態(tài)安全沒有公認(rèn)的定義,指標(biāo)體系構(gòu)建比較復(fù)雜,實踐應(yīng)用中主觀意識強(qiáng),不同學(xué)者有不同的見解[3- 10]。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于水生態(tài)安全評價方面已經(jīng)初步建立了一些基本模型和方法步驟[11- 17],但基本都是基于PSR(壓力-狀態(tài)-響應(yīng))及其擴(kuò)展模型,以人為選擇方式分類,能夠清楚地表明系統(tǒng)中的因果關(guān)系,但缺乏對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和決策過程的有效把握,指標(biāo)權(quán)重主要根據(jù)層次分析法和專家打分法獲得,具有較大主觀性,同時缺少對評價指標(biāo)體系的分析優(yōu)化方面研究。分析前人相關(guān)研究,需要完善以下3個方面：①水生態(tài)安全評價模型的建立要根據(jù)實際情況,考慮水生態(tài)安全的經(jīng)濟(jì)、社會、資源、環(huán)境方面的綜合因素；②水生態(tài)安全評價是一個多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域,研究復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)問題需要運用生態(tài)學(xué)相關(guān)知識和理論；③前人的很多研究都很少涉及評價指標(biāo)體系的優(yōu)化問題,而對初步建立的評價指標(biāo)體系的優(yōu)化校準(zhǔn)是一個非常重要的步驟[18- 24]。因此,本文改進(jìn)了構(gòu)建水生態(tài)安全評價指標(biāo)體系的概念框架,采用了基于SENCE(社會-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng))概念框架[25],充分體現(xiàn)了人為因素與自然因素對水生態(tài)安全的綜合影響,運用改進(jìn)生態(tài)位理論及模糊系統(tǒng)分析優(yōu)化其初步評價指標(biāo)體系,最大限度降低評價指標(biāo)體系的誤差,使其更具科學(xué)性。本研究中,通過2016—2018年間17流段的實證研究,進(jìn)一步校驗評價方法和指標(biāo)體系,對評價結(jié)果進(jìn)行水生態(tài)安全狀況分析及影響因子分析,其評價結(jié)果為研究區(qū)防災(zāi)減災(zāi)、保障生態(tài)安全、風(fēng)險決策等工作提供了科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)域

甘肅省地處我國西北內(nèi)陸中腹地帶,位于32°31′N—42°57′N、92°13′E—108°46′E之間,平面形態(tài)總體為“啞鈴”形,呈北西—南東走向分布。甘肅省境內(nèi)水資源主要分屬黃河、長江、內(nèi)陸河3個流域,9個水系,年總地表徑流量174.5億m3,流域面積27萬km2。本文選取典型代表的流域III級區(qū)—17個流段開展水生態(tài)安全狀況調(diào)查和評估,包括河西內(nèi)陸河中3個流段,黃河流域12個流段,長江流域2個流段。由于甘肅境內(nèi)流域絕大部分地區(qū)黃土覆蓋,植被稀疏,水土流失嚴(yán)重,河流含沙量大,水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率78%左右；水資源供需矛盾突出,利用率低；對下泄生態(tài)水沒有量的概念,生態(tài)保護(hù)區(qū)違法違規(guī)開發(fā)礦產(chǎn)資源情況突出,還存在諸多影響地區(qū)水生態(tài)安全狀況的不利因素。

1.2 數(shù)據(jù)收集及統(tǒng)計分析

本研究中,流域分區(qū)按三級劃分,全省共劃分17個流域三級區(qū),劃分方式與甘肅水資源公報一致。對甘肅境內(nèi)流域三級區(qū)17個流段進(jìn)行調(diào)查和評價,水資源、水環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)主要來源于2016—2018年甘肅省水文局相關(guān)統(tǒng)計資料及《甘肅省水資源公報》(2016—2018),與水相關(guān)的社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)部分來源于《甘肅省統(tǒng)計年鑒》(2016—2018),部分水管理類數(shù)據(jù)來源于甘肅省政府水利部門公開信息及年度報告。

研究中調(diào)查數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析采用MATLAB R2014a和Microsoft Office Excel 2003軟件完成,采用Auto CAD 2007及Microsoft Office Excel 2003制圖。

2 研究方法

基于SENCE概念框架從與水有關(guān)的經(jīng)濟(jì)、社會、資源、環(huán)境方面構(gòu)建水生態(tài)安全評價指標(biāo)體系,在滿足科學(xué)性和系統(tǒng)性的同時,能客觀反映區(qū)域水生態(tài)安全狀況和問題,但不能全面展現(xiàn)系統(tǒng)間相互作用過程,因而利用生態(tài)學(xué)中生態(tài)位理論在評價指標(biāo)優(yōu)先調(diào)控方面優(yōu)勢[26],結(jié)合模糊系統(tǒng)分析,對評價指標(biāo)體系進(jìn)行優(yōu)化,運用優(yōu)化后的評價指標(biāo)體系對各流段水生態(tài)安全狀況進(jìn)行模糊綜合評價。

2.1 SENCE概念框架

SENCE概念框架[25]是由人類社會、經(jīng)濟(jì)活動和自然條件共同組合而成的生態(tài)功能統(tǒng)一體,即SENCE復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)(經(jīng)濟(jì)-社會-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)),該復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)是由水生態(tài)環(huán)境、與水相關(guān)的經(jīng)濟(jì)和社會各系統(tǒng)相互作用耦合形成的統(tǒng)一體,是環(huán)境和人類活動及歷史發(fā)展過程相互作用的產(chǎn)物,其在滿足科學(xué)性和系統(tǒng)性的同時,能客觀反映區(qū)域水生態(tài)安全的狀態(tài)和問題,是一種新的水生態(tài)安全研究方式,具有積極的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。水生態(tài)安全的概念偏宏觀,基于SENCE(社會-經(jīng)濟(jì)-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng))概念框架將局限在農(nóng)產(chǎn)品交易商品中的虛擬水?dāng)U展至整個區(qū)域的一、二、三產(chǎn)的研究中去,使得通過個人、部門、行業(yè)、城市甚至整個國家的角度去評價其水資源利用效果成為可能,結(jié)合理論基礎(chǔ)、實踐經(jīng)驗、以往相關(guān)研究進(jìn)行評價指標(biāo)頻次分析,從自然資源、水環(huán)境、社會發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展4個方面構(gòu)建甘肅地區(qū)17流段的水生態(tài)安全初步評價指標(biāo)體系(表1)。

表1 基于SENCE概念框架的水生態(tài)安全評價指標(biāo)體系

2.2 生態(tài)位理論

Hutchinson認(rèn)為,生態(tài)位是一個n維超體積變量,它的n個坐標(biāo)軸包括決定某一物種生存狀態(tài)的關(guān)鍵物理環(huán)境因子[27-28]。對于水生態(tài)安全評價中一個流段或指標(biāo)的生態(tài)位寬度越大,說明該指標(biāo)對當(dāng)前水生態(tài)安全評價指標(biāo)體系的適應(yīng)性強(qiáng),對水生態(tài)安全狀況影響不大,不是控制性指標(biāo)；反之,則適應(yīng)性差,需要考慮優(yōu)先調(diào)控。生態(tài)位計算簡單、可操作性強(qiáng),生態(tài)位理論能夠較全面展現(xiàn)系統(tǒng)間相互作用過程,在分析優(yōu)先調(diào)控指標(biāo)上有優(yōu)勢,提供了一種新的思路[26],已成為眾多理論與野外研究基礎(chǔ)。本文應(yīng)用Levins 生態(tài)位寬度模型,將模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度概念引入生態(tài)位的計算中[29],計算各流段屬于各資源軸不同梯度的概率,將Levins 生態(tài)位寬度模型改進(jìn)為：

(1)

式中,Bi為流段i的生態(tài)位寬度；Pij為流段i在梯度j上的數(shù)量占所屬梯度總數(shù)量的比例,%;R為梯度的等級總數(shù)；γij為流段i在梯度j上的隸屬度,取值范圍為[0,1]。

2.3 模糊系統(tǒng)分析

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化：在水生態(tài)安全初步評價指標(biāo)體系建立后,需要對指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理,按統(tǒng)一的“標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行調(diào)整,消除由于單位不同造成的影響,指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理按公式(2)、(3)進(jìn)行。

對于越大越安全的指標(biāo)：

(2)

對于越小越安全的指標(biāo)：

(3)

式中,yij為第i行j列標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)；maxxi為第i行最大值； minxi為第i行最小值。

建立模糊矩陣R：將標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)xik和xjk代入式(5)。

(4)

γij=1, (i=j)

(5)

式中,xik為第i樣本(流段)第k項指標(biāo)(水生態(tài)安全評價指標(biāo))的無量綱參數(shù)；xjk為第j樣本第k項指標(biāo)的無量綱參數(shù)；m為樣本總數(shù)；由此構(gòu)造的矩陣(γij)n×n稱為模糊矩陣。

建立模糊相關(guān)矩陣U：

(6)

aij為矩陣元,i=1,2,…,n。

模糊相關(guān)程度分析：根據(jù)所建立的模糊相關(guān)矩陣,以最大矩陣元作為置信水平λ,求得各指標(biāo)的置信水平；根據(jù)模糊矩陣最大矩陣元定理,由(7)式得到指標(biāo)的權(quán)重：

(7)

式中,Wi為第i指標(biāo)權(quán)重；λi為第i指標(biāo)置信水平；i=1,2,…,n。

2.4 模糊綜合評價

運用已經(jīng)建立優(yōu)化后的水生態(tài)安全評價指標(biāo)體系,進(jìn)行水生態(tài)安全模糊綜合評價,得到的評價向量是因素權(quán)重向量與模糊矩陣合成的結(jié)果。即：

Y=R×X=(y1,y2,...,yn)T

(8)

式中,Y為評價向量(y1,y2,...,yn為各年綜合評價指數(shù))；R為標(biāo)準(zhǔn)化的評價指標(biāo)矩陣(標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)組成的矩陣)；X為評價權(quán)重向量(評價指標(biāo)權(quán)重組成的向量)；T為向量轉(zhuǎn)置符號。

3 實證研究——甘肅地區(qū)17流段水生態(tài)安全狀況評價

3.1 基于改進(jìn)生態(tài)位理論的水生態(tài)安全評價指標(biāo)體系優(yōu)化

根據(jù)2.2 生態(tài)位理論計算甘肅境內(nèi)各流域在33個資源軸上的生態(tài)位寬度,由式(1)得到各流段及指標(biāo)的生態(tài)位寬度值,如表2示(以疏勒河、黑河、石羊河、黃河河源至瑪曲段、瑪曲至龍羊峽段、大通河享堂以上、湟水、大夏河、洮河段為例)。

表2 流段在33個資源軸上的生態(tài)位寬度

由式(1)計算得出各指標(biāo)的生態(tài)位寬度值,指標(biāo)B11(徑流深)、B17(產(chǎn)水系數(shù))、B18(產(chǎn)水模數(shù))、B19(蓄水量)、B20(引水量)的生態(tài)位寬度相對最大,分別為218.334、60.8046、191.4819、11.432、11.7171。表明以上指標(biāo)在當(dāng)前水生態(tài)安全評價指標(biāo)體系中具有較好的適應(yīng)性,對各流段的水生態(tài)安全狀況影響不大,為次要影響因子,因而在優(yōu)化評價指標(biāo)體系中將這5個指標(biāo)剔除,由33指標(biāo)構(gòu)成的初步評價指標(biāo)體系優(yōu)化后得到了28指標(biāo)構(gòu)成的優(yōu)化評價指標(biāo)體系(表1)。分析發(fā)現(xiàn),甘肅地區(qū)各流段調(diào)水及蓄水狀況水平接近,差異不明顯,不是限制性因子,整體上對水生態(tài)安全狀況影響相對較小。

3.2 模糊系統(tǒng)分析確定主要影響因子

根據(jù)2.3模糊系統(tǒng)分析過程,由公式(7)計算各評價指標(biāo)的權(quán)重(表3示),得到優(yōu)化后水生態(tài)安全評價指標(biāo)體系的指標(biāo)權(quán)重。

表3 優(yōu)化后的28評價指標(biāo)權(quán)重

模糊系統(tǒng)分析結(jié)果顯示,指標(biāo)C11(年平均降水量)、 C12(河川基流量)、 C16(地表水源供應(yīng)量)、 C17(地下水源供應(yīng)量)、 C23(生態(tài)環(huán)境用水量)、C28(節(jié)水灌溉面積)的指標(biāo)權(quán)重相對較大,累計指標(biāo)權(quán)重占總評價指標(biāo)體系的47.75%,為影響流段水生態(tài)安全狀況的主要影響因子。這是由于降水及地表水資源為生產(chǎn)生活提供了直接水源供應(yīng)；增加生態(tài)環(huán)境用水,改善了生態(tài)環(huán)境；提高節(jié)水能力建設(shè)的同時也提高了用水效率。表明增加供水,提高用水效率對提高水生態(tài)安全狀況至關(guān)重要,也驗證了評價指標(biāo)體系的科學(xué)性。指標(biāo)C5(農(nóng)田有效灌溉面積)、C6(農(nóng)田實灌面積)、C18(農(nóng)田灌溉水量)、C19(林木漁畜用水量)、C24(經(jīng)濟(jì)社會用水量)指標(biāo)權(quán)重相對較小,累計指標(biāo)權(quán)重占評價指標(biāo)體系的0.91%,為影響甘肅地區(qū)流域水生態(tài)安全的次要影響因子。這表明實踐中用水量的增加并不一定會降低水生態(tài)安全狀況,進(jìn)一步說明了增加供水,提高用水效率對改善水生態(tài)安全狀況有重要作用。

圖1 評價指標(biāo)相關(guān)分析Fig.1 Correlation analysis of evaluation indexes

3.3 模糊綜合評價-分析水生態(tài)安全狀況

根據(jù)2.4模糊綜合評價過程,由公式(8)計算得到甘肅地區(qū)各流段2016—2018年間水生態(tài)安全評價指標(biāo)體系優(yōu)化前水生態(tài)安全評價向量Y1及優(yōu)化后評價向量Y2：

參照2016年水利部等部門聯(lián)合發(fā)布的《江河生態(tài)安全調(diào)查與評估技術(shù)指南》,2013年環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《流域生態(tài)健康評估技術(shù)指南》,參考前人相關(guān)研究成果[30- 32],將水生態(tài)安全狀況模糊綜合評價結(jié)果分為5級：當(dāng)0.8≤y<1時,水生態(tài)安全狀況為一級(優(yōu))；0.6≤y<0.8時,為二級(良好)；0.4≤y<0.6時,為三級(一般)；0.2≤y<0.4時,為四級(較差)；0≤y<0.2時,為五級(差)。根據(jù)上述水生態(tài)安全狀況分級標(biāo)準(zhǔn)對流段進(jìn)行分級顯示,優(yōu)化前的評價指標(biāo)體系模糊綜合評價結(jié)果中,2016—2018年達(dá)到良好以上流段占比分別為76.5%、88.2%、76.5%,其余流段水生態(tài)安全狀況一般；優(yōu)化后評價指標(biāo)體系中,流段水生態(tài)安全狀況良好以上占比分別為35.3%、41.2%、35.3%,一般占比分別為57.8%、52%、46.1%,較差流段占比分別為23.5%、11.8%、11.8%。

分析發(fā)現(xiàn),各流段水生態(tài)安全狀況各異(如圖2示),運用優(yōu)化后評價指標(biāo)體系模糊綜合評價,結(jié)果顯示,各流段的水生態(tài)安全狀況大致呈正態(tài)分布,大部分流段水生態(tài)安全狀況一般,良好以上和較差占比較小,這也與甘肅境內(nèi)實際水生態(tài)安全狀況的相對脆弱性實際相符,優(yōu)化后的評價指標(biāo)體系模糊綜合評價指數(shù)整體降低,相當(dāng)于提高了水生態(tài)安全狀況實際建設(shè)要求；各流段水生態(tài)安全綜合指數(shù)年際變化均小于0.1且在同一個安全等級范圍內(nèi),保持相對穩(wěn)定,說明評價指標(biāo)體系也具有較好的穩(wěn)定性。

圖2 模糊綜合評價結(jié)果Fig.2 The fuzzy comprehensive evaluation results

4 討論

水生態(tài)安全評價是一個多領(lǐng)域交叉學(xué)科,也是一個持續(xù)變化,需要不斷優(yōu)化更新的過程,有很多學(xué)者從水質(zhì)、水量、水災(zāi)害、水管理等層面分別進(jìn)行水生態(tài)安全評價[33- 36]。水生態(tài)安全評價指標(biāo)體系的構(gòu)建要從復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部考慮,分析經(jīng)濟(jì)、社會、自然因素綜合影響,隨著生態(tài)文明、水生態(tài)文明理念的深入發(fā)展,從經(jīng)濟(jì)-社會-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)角度看待水生態(tài)安全問題將是一個新的發(fā)展方向。選擇易于統(tǒng)計監(jiān)測指標(biāo)作為評價指標(biāo),考慮水生態(tài)安全具有動態(tài)變化的特點,需要不斷分析優(yōu)化評價指標(biāo)體系,以適應(yīng)實際評估工作需要。

模糊系統(tǒng)分析結(jié)果表明,影響甘肅地區(qū)17流段水生態(tài)安全狀況指標(biāo)中,年平均降水量、 河川基流量、地表水源供應(yīng)量、生態(tài)環(huán)境用水量、節(jié)水灌溉面積等指標(biāo)影響較大,這與靳春玲等人[33- 36]研究成果基本一致,表明增加供水,提高用水效率對提高水生態(tài)安全狀況具有重要意義。同時注重生態(tài)環(huán)境用水,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,發(fā)展兼具生態(tài)保護(hù)及良好經(jīng)濟(jì)效益的生態(tài)節(jié)水農(nóng)業(yè)模式,將是今后發(fā)展的趨勢。在改進(jìn)生態(tài)位理論確定調(diào)控指標(biāo)過程中發(fā)現(xiàn),增加蓄水,跨流域調(diào)水,增加引水量等措施,對水生態(tài)安全狀況影響不大,這可能由于各流段調(diào)水及蓄水狀況差異不明顯,不是限制性因子。

從近三年甘肅地區(qū)17流段的水生態(tài)安全狀況變化趨勢看,優(yōu)化后的評價指標(biāo)體系模糊綜合評價結(jié)果顯示,各流段水生態(tài)安全狀況年際變化不大,均小于0.1,基本保持穩(wěn)定狀態(tài),水生態(tài)安全狀況優(yōu)良差大致呈正態(tài)分布,絕大部分流段水生態(tài)安全模糊綜合評價指數(shù)在0.4—0.6之間,水生態(tài)安全狀況一般,評價結(jié)果較為中肯,從側(cè)面也說明了優(yōu)化后的水生態(tài)安全評價指標(biāo)體系具有較好的穩(wěn)定性、可操作性和科學(xué)性。

本文通過結(jié)合改進(jìn)生態(tài)位理論及模糊數(shù)學(xué)相關(guān)理論,為流域水生態(tài)安全評價提供了新思路,為地區(qū)環(huán)境保護(hù)績效考核、水生態(tài)安全保護(hù)及監(jiān)測、生態(tài)工程的實施提供了科學(xué)依據(jù)。本研究不足之處主要有兩點,一是水生態(tài)安全評價是一個多指標(biāo)模糊綜合評價過程,指標(biāo)的模糊性和不確定性決定了其評價過程的復(fù)雜性,引入生態(tài)學(xué)相關(guān)理論一定程度加大了評價過程的復(fù)雜度,增加了工作量；二是水生態(tài)安全評價指標(biāo)體系隨著時代發(fā)展需要與時俱進(jìn),評價過程只能從宏觀上確定方向,但不同區(qū)域間沒有一個完全通用的評級體系。隨著科技的進(jìn)步,該評價指標(biāo)體系還有很大的改進(jìn)優(yōu)化空間,不斷提高評價的精確度和簡潔度。

5 結(jié)論

運用優(yōu)化后的評價指標(biāo)體系對甘肅地區(qū)17個流段2016—2018年間水生態(tài)安全狀況模糊綜合評價,模糊綜合評價指數(shù)介于0.32—0.63之間,流段水生態(tài)安全狀況良好以上占比分別為35.3%、41.2%、35.3%,一般占比分別為57.8%、52%、46.1%,較差占比分別為23.5%、11.8%、11.8%,評價結(jié)果大致呈正態(tài)分布,且年際間變化小于0.1,表明優(yōu)化后的評價指標(biāo)體系具有較好的可操作性和穩(wěn)定性。整體上看(圖2),河西內(nèi)陸河3個流段的水生態(tài)安全狀況相對最差,黃河12個流段水生態(tài)安全狀況相對最好,因此,加強(qiáng)內(nèi)陸河流域水生態(tài)安全調(diào)控對提高甘肅水生態(tài)安全狀況具有重要現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

通過運用改進(jìn)生態(tài)位理論結(jié)合模糊系統(tǒng)分析,結(jié)果表明,年平均降水量、 河川基流量、地表水源供應(yīng)量、生態(tài)環(huán)境用水量、節(jié)水灌溉面積等指標(biāo)累計指標(biāo)權(quán)重達(dá)47.75%,是影響水生態(tài)安全狀況的主要影響因子。因此,增加供水,提高用水效率,發(fā)展節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)對提高甘肅地區(qū)各流段水生態(tài)安全狀況具有重要作用。