基于信息熵的溢油對天然漁業可持續承載力損害的評估

嚴志宇, 王嘉琦, 孫 冰, 付紅蕊, 任 杰

(大連海事大學 環境科學與工程學院, 遼寧 大連 116026)

海洋生態系統的可持續能力是海洋經濟可持續發展的基礎, 其影響因素包括社會、經濟、資源和環境等, 其中人類對資源的過度開采、對環境的事故型污染為生態系統發展的可持續能力帶來的巨大壓力和風險。在目前環境污染事件研究中, 人們關注的多為經濟損失[1-3], 對環境可持續承載力的損害尚未引起足夠的重視, 然而對其準確評估是海洋保護和治理的關鍵。由于各因素之間關系復雜及生態系統本身存在著大量不確定性, 研究科學的、合理的評價方法具有重要意義。

1948年, Shannon[4]創立信息論, 提出了“信息熵”(Information Entropy)的概念, 用來表征系統的無序和混亂程度、判斷系統的演化方向。目前, 國內外許多科學家將信息熵廣泛應用于可持續發展分析,如: 環境管理、能源利用、經濟系統質量增長、人口密度演化、生態安全等方面[5-7]。將信息熵運用到海洋生態系統演化的研究成果卻很少[8-10], 用于其可持續承載力的損害評估尚未見報道。海洋生態系統是一個復雜體系, 在對其功能的非理性依賴和環境的肆意破壞中, 人類與海洋的相互作用不斷增大,形成“人—?！睆秃仙鷳B系統, 各子系統之間內在的協調性和修復能力體現了可持續發展能力的本質特征[8]。溢油對海洋生態環境的影響是巨大、深刻和持久的, 因此作者以溢油事故為切入點, 以海洋天然漁業損害為實例, 從“人—?！睆秃仙鷳B系統整體視角, 采用耗散結構及信息熵的理論和方法, 將天然漁場生態系統的功能服務、污染事故、壓力代謝和修復治理等過程進行熵流、熵產生特征分析, 建立指標體系, 以綜合發展的觀點, 探索海洋生態系統可持續承載力損害評估的可行方法, 探討面臨突發性破壞下海洋生態系統可持續發展能力演變特征, 為生態損害評估、生態修復和環境管理決策提供科學依據。

1 評估方法

熵是度量系統有序度的一個狀態參量, 其值越高, 表示系統越無序, 污染尤其事故型污染會使海洋生態系統熵值急劇增加。熵變包括熵流和熵產生,在生態系統中, 前者反映其與外界的協調性, 后者反映其內部的活力[9], 污染事故發生后, 總的熵增反映其健康狀況惡化, 其可持續承載力受到了影響。本文用信息熵進行溢油損害評價中, 首先建立海洋天然漁業評價指標體系, 在狀態信息熵基礎上計算溢油前后海洋生態系統的熵流和熵產生, 對其有序度進行分析, 判斷溢油對其可持續承載力的影響。再利用指標信息熵確定的各個指標的權重, 可得到綜合評價數值, 以此可對海洋天然漁業的可持續承載力進行分析和評價。

1.1 計算方法

根據信息熵分析可持續發展的方法原理, 針對溢油事故特點, 作者對文獻[8, 9]中信息熵分析可持續發展的方法略做調整, 如: 年份信息熵用狀態信息熵替代, 數據的標準化方法按正向指標計算, 在綜合評價中加方向指數αf。

具體的方法如下:

信息熵的計算公式為:

式中,S為不確定性系統的信息熵,Pi表示不確定性系統狀態隨機變量X的概率,n為變量數。

如果, 目標層有k個次準則層, 每層l個指標,共n個指標, 評價系統的m個狀態。系統演變某個狀態總熵變為:

式中, ΔS為狀態信息熵;i為具體指標;n為總指標數;qij為標準化的指標值;qj為第j個狀態的標準化指標值的總和。

評價指標的權重用指標信息熵計算:

式中,Ei為第i項指標的信息熵;m為狀態數, 一般按年確定評價狀態,m則為評價的年份數;qi為第i項指標所有狀態的標準化數值之和;

i的熵權則為:

當評價指標體系一般分為目標層、準則層、次準則層和要素層, 則綜合評價為:

式中,G為綜合評價結果;Gf為次準則層f綜合評價結果;αf為次準則層f的方向指數, 正向為1, 負向為-1;k為次準則層數;l為次準則層中的指標數,n=l×k。

數據標準化方法為:qij=xij/max(x) , (6)式中,xij為i指標各狀態的原始數據; max(x)為x可能的最大值, 不一定為原始數據中的最大值。標準化后,數值在 0～1。

1.2 指標體系

針對溢油事故前后生態變化特點, 作者對海洋生態系統的熵變將從狀態、功能、損害、修復 4個方面(即k=4)構建以下指標體系: 支持型輸出熵ΔeS1,反映海洋生態系統的功能和提供服務價值的支持能力; 污染型輸入熵ΔeS2, 反映溢油的污染強度和削弱的海洋可持續發展的能力; 壓力型代謝熵ΔiS2, 反映海洋生態系統的健康和應對外界壓力的承載能力;修復型還原熵ΔiS1, 反映溢油污染治理和生態修復,是可持續發展的恢復。支持型輸出熵指標和修復型還原熵指標定義為正向指標,α=1; 污染型輸入熵和壓力代謝型定義為負向指標,α=-1。針對天然漁業可持續承載力的評價, 確定的每個次準對應至少 3個要素(即l＞3), 建立的指標體系如表1所示。

表1 海洋天然漁業可持續承載力變化評價指標體系Tab. 1 Evaluation index system for sustainable change of the sustainable bearing capacity of marine natural fisheries

2 應用示例

2002年11月23日在天津大沽口東部海域馬耳他籍郵輪“塔斯曼?！陛啺l生原油泄漏, 200多噸輕質原油進入水體, 污染面積按260 km2, 天然漁業資源損失為79.05萬元, 捕撈業損失為280萬元。該事故調查和賠償結果已被公開[11], 作者以此為示例, 探討天然漁業承載力損害評估方法的特點和可行性。

由于數據有限, 評價指標根據數據特征對表 1略有調整, 且只評價溢油前后兩個狀態, 即m=2, 另外,溢油后狀態所處的具體時間根據獲得數據會有不同。本示例中建立的指標體系及數據標準化的結果見表2。

表2 “塔斯曼?！币缬颓昂笾笜酥导皺嘀涤嬎憬Y果Tab. 2 Calculation results of indicator values and weights before and after oil spills in the Tasman Sea

根據熵變計算公式, 溢油前后天然漁業熵變計算的結果見表3, 次準則層指標的綜合評價結果及總評價見表4。

從表3可看出, 溢油后支持型輸出熵流減少45.1%,顯然是和溢油造成的污染型輸入熵流增加331.7%有關, 同時壓力型代謝熵明顯增加。修復還原型熵降低44.8%, 反映的是溢油治理效果, 和溢油造成的危害相比, 是遠遠不夠的。熵流增加49.3%, 反映溢油造成海洋生態系統與外界的協調性穩定性降低。熵產生的大幅增加, 達 86.4%, 反映溢油后, 生態系統的內部活力嚴重削弱, 即結構和功能衰退, 自我調控能力下降?？傡刈冊黾?0.1%, 反映出天然漁業的可持續承載力的健康穩定性遭到破壞的程度很嚴重。

從表 4的綜合評價結果可看出, 污染型輸入熵指標得分增加 3174%, 造成的支持型輸出熵指標綜合得分降低94.7%。結合修復還原熵指標, 總的評價結果仍然下降 194.9%, 說明溢油污染造成的天然漁業承載力的破壞, 并未因修復治理得到緩解?？梢?對生態承載力損害進行評估是進行徹底的治理的保障, 這也是本論文的意義所在。

表3 溢油前后天然漁業熵變Tab. 3 Entropy change of the natural fishery before and after the oil spill

表4 溢油前后次準則層指標的綜合評價和總評價結果Tab. 4 Comprehensive evaluation and general evaluation results of sub-criteria index indicators before and after the oil spill

作者示例是在有限數據上進行的, 評價的是溢油發生一年內的情況, 而且表 2根據數據的來源對表1進行了調整, 評價結果可用于參考。真正完整的溢油天然漁業可持續承載力的損失評估工作需要完整的數據, 可根據表 1的指標體系的需求加強相關的監測工作, 尤其是長期監測, 這可使得溢油生態損害評估能從更長遠的角度來進行。在更全面和長期的溢油生態損害評估的指導下, 溢油的治理不僅僅能對短期海洋生態經濟效益進行有效恢復, 更能對海洋生態健康和發展做出長遠保護。

3 結論

作者建立了用信息熵評估溢油對天然漁業可持續承載力損害的指標體系, 并以“塔斯曼?！陛喴缬褪鹿蕿槔? 進行計算和評估。根據綜合評價的結果可看出: 溢油使海洋生態系統的價值產出能力下降94.7%、總的承載力下降194.9%; 溢油治理和環境修復未能恢復天然漁業可持續承載力。本研究表明需要加強溢油對海洋生態損害的深刻認識, 才能更徹底、有效地進行環境治理和生態修復。在這方面, 本評價可成為對現有溢油損害評價的有利補充。