基于DPSIR模型的廣州市增城區水庫生態安全評價

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(1. 中山大學水資源與環境研究中心，廣東廣州510275; 2. 廣東省華南地區水安全調控工程技術研究中心，廣東廣州510275；3. 黃岡中學廣州學校, 廣東廣州510800；4. 廣東省水文局湛江水文分局，廣東湛江537609；5. 廣州市環境保護科學研究院，廣東廣州510620)

水庫是一種重要的水體存在形式，水庫水資源的優劣稀缺密切影響著庫區周邊城鎮的發展[1-2]。隨著庫區經濟發展和人口增長，水庫生態安全受到威脅，部分水庫的生態平衡被打破，富營養化問題凸顯[3]，影響了水庫的供水、灌溉、養殖等功能。因此，對湖庫生態安全進行調查評估，診斷水庫生態存在問題，有重要的現實意義[4]。

湖庫生態安全評估的方法體系是從流域生態安全評估體系中沿用發展而來[5]，余波[6]等構建了基于熵權法的湖庫水生態健康模糊綜合評價模型，對巢湖水生態安全健康等情況進行了動態分析；李景保[7]等對湖南省大型水庫的部分服務功能進行了定量化評估；聞常玲[8]等采用了基于PSR框架模型的多因素綜合評判指標，對天臺縣桐坑溪水庫飲用水水源地進行了生態安全評價；李亞男[9]等基于DPSIR概念模型，對浙江省六大水庫進行了生態安全綜合評估。由于對水庫的特殊性、系統性缺乏認識[4]，如何科學準確地評估水庫生態安全，尚未有一套系統的方法和理論，需要繼續探索比較。

為保證區域水資源的供給質量和數量，響應〈優良水質的水庫生態安全評估指南(試行)〉通知[10]，本文以廣州市增城區3個優良水質中小型水庫為例，結合“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”(Driving force-Pressure-Status-Impact-Response，DPSIR)模型與“社會經濟影響、生態健康、生態服務功能和調控管理”(Social and economic impact, Ecological health, Ecological service function and Control management, SEEC)框架建立評估指標體系，綜合層次分析法和熵權法賦值指標權重，參考湖泊生態安全與流域生態安全評價，建立各指標標準參考值數據庫，使用綜合指數法[11]和模糊綜合評價法對各水庫生態安全現狀進行評估，綜合得出水庫生態安全評價結果，為各水庫生態安全管理提出相應對策。

1 研究方法

1.1 生態安全評估概念模型

生態安全評估是對“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”(DPSIR)[12]各組分之間動態聯系和循環反饋全過程的評估[7]。圖1為水庫生態安全評估概念框架與模型，以水庫為主體，考察水庫生態系統與周邊環境的相互聯系。

表1為本次評估指標體系。由1個目標層、4個方案層、16個評估要素及25項評估指標組成。指標體系中，水庫周邊生態系統的社會經濟發展，如人口密度、城鎮化率等增大是驅動力，會加大廢水排放、污水處理等方面的壓力；壓力作用于水庫生態系統，當水庫承受的壓力大于其自我調節和恢復的能力時，生態系統無法自行恢復，通過水質參數等來體現；水庫當前狀態改變，水體的服務功能受到影響，飲用水、水產品供給無法得到滿足；人類采取相應的措施，如提高監管能力，加大資金投入等對水庫環境進行改善，達成人類社會經濟與水庫生態系統可持續發展。DPSIR模型描述了人類活動與水庫環境的因果鏈，體現了兩者之間相互制約、相互影響的過程。

借鑒DPSIR流域生態安全評估概念框架，建立基于“社會經濟影響、生態健康、生態服務功能和調控管理”(SEEC)的水環境安全預警概念模型。兩者的指標體系對應銜接：社會經濟影響是生態安全的推動因素，與驅動力(D)指標和壓力(P)指標對應；生態健康反映了水質與水生態2個方面的狀態，與狀態(S)指標相對應；生態服務功能是水庫生態系統狀態對社會經濟、公眾生活及人群健康的影響，與影響(I)指標相對應；調控管理反映當超出水庫承載范圍時，人們所采取的對策和措施，與響應(R)指標相對應。

1.2 指標權重的確定

本文采用層次分析法和熵權法計算指標權重。層次分析法(The analytic hierarchy process)經歷構建層次結構模型、建立判斷矩陣、檢驗一致性、計算重要性排序以及結果分析決策幾個步驟[13]。本文層次結構模型分為目標層(V)、方案層(A)、方案層(B)，經過以上步驟得到各項指標最后權重W。

熵是系統無序程度的度量，可度量已知數據所包含的有效信息量和確定權重[14]。熵權法計算水庫生態安全評價指標權重步驟如下：構建n個樣本m個指標評價指標的判斷矩陣R；對R進行歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣。

R=(Xij)n×m

(1)

分為越大越優、越小越優兩類：

越大越優：

rij=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

越小越優：

rij=(Xmax-Xij)/(Xmax-Xmin)

(3)

式中Xmax、Xmin——指標在樣本中最優與最劣值。

得到相對隸屬度矩陣：

R=(rij)n×m

(4)

式中rij——指標j相對于i樣本的隸屬度。

計算評估指標比重Pij和各指標熵值Hj。

(5)

Hj=-k∑PijlnPij

(6)

計算差異系數gi和權重wj[15]。

gj=1-Hj

(7)

(8)

層次分析法代表一種主觀權重，熵權法是一種客觀權重，采用主觀權重與客觀權重合理結合及公式(9)，得到綜合權重值aj[16]，各指標所占權重結果見表2。社會經濟影響層、生態健康層、生態服務功能層和調控管理層所占權重分別是0.2、0.4、0.2、0.2。

(9)

1.3 水庫生態安全評估

水庫生態安全系統是一個多層次的復合生態系統，本文采用模糊綜合評價法和綜合指數法對其進行評估。

1.3.1模糊綜合評價法

模糊綜合評價法將被評事物的模糊指標通過確定隸屬度進行量化，構造等級模糊子集[17]，建立模糊關系矩陣Rl×m，根據評價因素的模糊權向量A，結合公式(10)計算綜合評判矩陣B，得到隸屬度Si，確定生態安全等級。隸屬度確定等級存在有效性問題[18]，本文在最大隸屬度失效的情況下，采用加權平均原則求隸屬相對等級B*[19]。

表2 水庫生態安全評價指標權重

B=A·R=

s1,s2,…,sl

(10)

(11)

式中運算符號“·”為合成算子，m=5，表示本次評價分為5個等級，評估等級及賦分標準參考《湖泊生態安全調查與評估技術指南》《流域生態健康評估技術指南》等，見表3。

1.3.2綜合指數法

綜合指數法將各項評價指標轉換成相同度量的綜合指數，通過綜合指數得到生態安全狀況的等級[20]。在綜合評估中，通過數據標準化，本次標準化采用一級安全標準賦分(表3)，得到各方案層得分，逐級加權，最后采用加權求和計算生態安全指數ESI：

(12)

式中Ak——第k個方案層的得分值；Wk——第k個方案層對目標層的權重系數。

生態安全評估以ESI作為最終結果，等級劃分標準見表4。

表3 指標評估等級及賦分標準

表4 生態安全指數等級劃分標準

2 研究區概況及數據來源

2.1 研究區概況

增城區位于廣東省廣州市東部，地處北緯23°05′～23°37′，東經113°32′～114°00′(圖2)，總面積1 616.47 km2。增塘水庫是一座以防洪蓄澇為主，結合灌溉、養魚及生活用水的綜合利用水庫，位于增城區中部，隸屬石灘鎮；百花林水庫以灌溉為主，緩解旱季下游農田的受旱情況，位于增城區中東部，屬于荔城鎮；石馬龍水庫所在區域屬于一級水源保護區，承擔流域內防洪、灌溉、生態及旅游等功能，是周邊村莊重要的飲用水源和灌溉水源，位于增城區北部，屬于派潭鎮。本次水庫評價基本單元按一級行政單元即水庫所在鎮劃分，監測斷面包括入庫區、岸邊區、庫心區、出水區、排渠等。

收集往年水庫水質數據，從各水庫上游來水水質情況看，3個水庫上游來水水質大部分超過Ⅱ類水標準，隨著社會經濟發展，水庫集雨區域污染源增多，嚴重威脅水庫水質。

2.2 數據來源

本文所涉及的數據主要來源于廣東統計年鑒[21]、廣州統計年鑒[22]和采樣點檢測報告。調控管理數據來源于廣州市環境保護科學院組織專家評估的結果。對基礎數據進行處理[23]，計算方法見表5，結果見表6。

表5 水庫生態安全評估指標計算方法

表6 水庫生態安全評估各指標數值(2016年)

3 結果與分析

3.1 水庫生態安全評價

綜合指數法計算的水庫生態安全指數見表7，模糊綜合評價法得到的水庫相對等級，見表8。

結合SEEC模型，從方案層進行分析，水庫在生態健康(A2)和生態服務功能(A3)中的得分相對其他層低。在生態健康評價中，增塘水庫得分為41.24，為三水庫中最低，接近Ⅱ級欠安全狀態。增塘水庫周邊村莊、工業的排污，使得來水質量低，加上水庫水體流動性差，造成水中重金屬等物質沉淀，營養狀態指數(C71)和重金屬風險指數(C81)都遠大于其他水庫。百花林水庫生態健康得分為51.8，處于一般安全狀態，石馬龍水庫生態健康狀況相對較好，屬于較安全級別。從社會經濟影響層(A1)看，百花林水庫得分較低，百花林水庫流域所在的荔城街道人口密度大、城鎮化率高，經濟發展快速，導致水庫的社會經濟影響壓力較大；增塘水庫社會經濟影響(A1)得分52.86，單位土地面積TN、TP負荷(C32、C33)，上游來水中高錳酸鉀指數(C54)等對水體污染負荷壓力較大。石馬龍水庫周邊無城鎮、工業、農業污染源排放入庫，社會經濟影響層(A1)狀態相對良好。從調控管理方案層(A4)上看，各水庫得分都為80分以上，處于安全范圍，人類對水庫調控起到了一定的作用。

對比表7與表8，A1層的指數得分為：石馬龍水庫>增塘水庫>百花林水庫，A1層中三水庫的模糊評價等級為：增塘水庫>石馬龍水庫>百花林水庫，類似地，各方案層評價結果略有差異。從整體來說，各水庫相對等級為：石馬龍水庫(4.12)>百花林水庫(3.03)>增塘水庫(3.02)，百花林水庫與增塘水庫的模糊評價等級非常接近。各水庫生態安全指數ESI為：石馬龍水庫(69.15)>百花林水庫(55.17)>增塘水庫(53.56)，對應的安全等級分別為Ⅴ、Ⅲ、Ⅲ級，處于較安全、一般安全和一般安全的狀態，模糊綜合評價法與綜合指數法的評估結果一致。

綜合指數法在計算上相較于模糊綜合評價法更為簡單，后者在使用上存在有效性的問題，其結果需要通過最大隸屬度原則進行判斷。

表7 水庫生態安全指數

表8 水庫生態安全模糊評價等級

3.2 水庫生態安全評估

將社會經濟影響層拆分為驅動力和壓力，圖3為基于DPSIR模型的各水庫生態安全指數評估結果。結果中，百花林水庫受到的驅動力最大，其次是石馬龍水庫和增塘水庫；增塘水庫承受壓力最大；當前狀態、影響都是石馬龍水庫最優，其次是百花林水庫和增塘水庫；石馬龍水庫響應部分得分最高。3個優良水質水庫各項評分處于一般安全級別以上，只有百花林水庫驅動力部分處于欠安全狀態。

增塘水庫庫區早期圍網養魚情況較多，養魚投種不當，使得水庫水質下降；農業面源及生活污水排放(C31、C32、C33)導致水庫富營養化嚴重；根據水庫的實際情況，需開展河口自然濕地建設、庫區底泥疏浚、水體藻類控制等水生態修復和建設工程。百花林水庫流域所在地使得其承受的社會經濟發展和人口增長的驅動力較大，導致水庫流域污染負荷壓力加大、水庫水質下降、生態服務功能受損；需加強建設污水處理設施，控制當地城鎮化帶來的污染物的影響。石馬龍水庫為一級水源地，近年來無人為污染直接排入，水庫生態安全狀態相對穩定；隨著水庫周邊的旅游設施的完善，游客量的飛速增長，一定程度上將對石馬龍水庫的生態環境產生負面影響；需加強流域內旅游環境容量管理，控制旅游生活污染，緩解旅游業發展給水庫帶來的壓力。

4 結論

基于“驅動力-壓力-狀態-影響-響應”(DPSIR)的流域生態安全評估模型，建立了以“社會經濟影響、生態健康、生態服務功能以及人類活動調控管理”(SEEC)為框架的4個層次的指標體系。對比使用綜合指數法和模糊綜合評價法對3個水庫生態安全進行評價，主要結論與展望如下。

a) 3個水庫屬于優良水質水庫，生態安全評估結果為石馬龍水庫>百花林水庫>增塘水庫，都處于一般安全級別以上，對應的安全等級分別為Ⅴ級、Ⅲ級、Ⅲ級。

b) 水庫在生態健康和生態服務功能中得分相對其他層低；社會經濟影響層中，百花林水庫得分受人口密度(C11)、城鎮化率(C12)等驅動力指標的影響，而增塘水庫在此方案層得分主要受污染排放層(B3)中壓力指標的影響。

c) 模糊綜合評價法與綜合指數法對水庫整體評價結果一致，在各方案層評價中略有差異，后者在計算上更簡單，前者在使用上存在有效性問題，需要通過最大隸屬度原則進行判斷。

d) 水庫生態安全評估是一個復雜的綜合性過程，需要多方面的理論知識和研究經驗，評價方法和指標體系的確立也還需更深一步的研究。