湖南省小流域生態(tài)安全綜合評價指標(biāo)體系研究*

盛東,李桂元,徐義軍

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院,南京 210098;2.湖南省水利科學(xué)研究所,長沙410007)

生態(tài)安全問題的提出,最早源于20世紀(jì)80年代,前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站事故導(dǎo)致的人為環(huán)境災(zāi)難,其次是90年代后凸顯的跨越國界的全球性環(huán)境公害,各國之間潛在的環(huán)境威脅增加[1-2],如沙塵暴、水污染、大氣污染、溫室效應(yīng)、厄爾尼諾等。一個區(qū)域內(nèi)的多個國家,在環(huán)境問題上將形成一個整體,他們之間的政治關(guān)系將受到環(huán)境問題的影響[3]。如2005年11月松花江水污染事件涉及到沿江中俄兩國人民的飲水安全[4]。以上這些引起了世界各國對人類生存環(huán)境與國家利益之間關(guān)系的關(guān)注,使得人們對自身的“安全”和“威脅”的認(rèn)識有了很大改變。而關(guān)于小流域生態(tài)安全的定義,迄今尚未有一個確切的定義。一般認(rèn)為包括兩層基本含義:一是防止由于小流域生態(tài)環(huán)境退化對經(jīng)濟基礎(chǔ)構(gòu)成威脅,主要指環(huán)境質(zhì)量狀況低劣和自然資源的減少和退化削弱了經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的支撐能力;二是防止由于小流域環(huán)境破壞和自然資源短缺引發(fā)人民群眾的不滿,特別是環(huán)境難民的大量產(chǎn)生,從而導(dǎo)致國家的動蕩[5-6]。自20世紀(jì)90年代初,國內(nèi)外學(xué)者開始研究探討流域生態(tài)安全評價問題,并作了大量的工作,但主要從生態(tài)環(huán)境方面進行評價,其方法也是定性的多,人為主觀隨意性較強,對其體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的資源與環(huán)境可支撐性和系統(tǒng)運行穩(wěn)定性評價報道很少,實際上,小流域綜合治理的根本目標(biāo)就是使系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境發(fā)生逆轉(zhuǎn),呈良性循環(huán),實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,因此,研究探討小流域生態(tài)安全評價方法,建立科學(xué)、有效的評價指標(biāo)體系,對開展小流域綜合治理,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,具有重要的理論和現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

湖南省地處長江中游,洞庭湖以南,南嶺以北。居?xùn)|經(jīng) 108°47′-114°15′,北緯 24°39′-30°08′之間。東西寬667 km,南北長774 km。周鄰鄂、贛、粵、桂、黔 、渝 6省、市 。土地總面積211 829 km2,總?cè)丝? 438.92萬。屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)農(nóng)業(yè)資源條件較好,水稻種植歷史悠久?，F(xiàn)已發(fā)展為全國糧食主產(chǎn)省之一,糧食總產(chǎn)量居全國第6位,是一個農(nóng)業(yè)大省。由于地處東亞大陸的東南部,西北有武陵山脈,西南有雪峰山脈,南有五嶺山脈,北面為低平的洞庭湖平原,中部為“馬蹄形”的大盆地,構(gòu)成了湖南省較為復(fù)雜的地形地貌,無論從位置、氣溫、降水等特點來看,湖南均屬于典型的中亞熱帶區(qū)域,區(qū)域內(nèi)集中了丘陵、平原、山地等中亞熱帶主要的地形地貌類型,是開展中國南方小流域生態(tài)安全評價、生態(tài)修復(fù)與治理及分區(qū)規(guī)劃研究的理想?yún)^(qū)域之一。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要以湖南省小流域?qū)嵉卣{(diào)研為基礎(chǔ),以調(diào)查地區(qū)及湖南省近年統(tǒng)計年鑒資料為輔助;其中湘西地區(qū)選取桑植縣猛洞河流域上游兩岔小流域、車禾小流域、立烈小流域以及慈利縣輸贏溪小流域及后溪峪小流域;湘南地區(qū)選取祁陽縣古木堰小流域、長春水小流域、酒塘水小流域;湘東地區(qū)選取平江市公安小流域、曲溪小流域、大漁小流域進行重點調(diào)查。其所選取的指標(biāo)含義清楚,概念明確,均可通過實地調(diào)查、測試等方法獲得。

表1 湖南省小流域生態(tài)安全現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)表

2 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 評價指標(biāo)體系設(shè)計原則

為使所建立的評價指標(biāo)體系能夠綜合反映小流域安全評價的各個方面,進行小流域生態(tài)安全評價體系的構(gòu)建中需要遵循一定的基本原則。小流域生態(tài)安全評價指標(biāo)體系是一個復(fù)雜的系統(tǒng),其構(gòu)建必須遵循以下基本原則:科學(xué)性;目的性;實用性和可操作性;全局性和可比性;定量和定性相結(jié)合;均衡性、層次性和簡潔性[7]。

2.2 指標(biāo)體系框架

采用湖南省湘東、湘南、湘西北3個地區(qū)的11個小流域生態(tài)安全現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)(基本數(shù)據(jù)見表1),運用軟件對所選指標(biāo)進行相關(guān)性分析。對一些相關(guān)程度較高的指標(biāo)進行歸并。如評價指標(biāo)中人均水域面積與人均水資源量(R2=0.7948);土地利用結(jié)構(gòu)合理性與土地利用率(R2=0.9083);水土流失治理率與水土保持治理實施情況(R2=0.8894);人均基本農(nóng)田面積、15°以下耕地比例與人均耕地面積等。分析后,按指標(biāo)體系構(gòu)建原則,對一些相關(guān)性較強的指標(biāo)進行歸并處理,得到新的評價指標(biāo)集;根據(jù)其相關(guān)系數(shù)矩陣可知,相關(guān)系數(shù)絕對值＞0.5的有17項,占總體系數(shù)的9.2%,相關(guān)系數(shù)絕對值最大的為0.735 6,因此該評價指標(biāo)體系整體上獨立性較強,無高度相關(guān)的情況。故此,得到最終評價指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系如表2。

表2 小流域生態(tài)安全綜合評價指標(biāo)體系及生態(tài)評估指標(biāo)閾值

2.3 小流域生態(tài)安全評價指標(biāo)閾值確定

對于主要描述流域生態(tài)安全表征的指標(biāo),應(yīng)確定在保證流域生態(tài)安全下的取值范圍或閾值應(yīng)該是多少,在流域生態(tài)治理綜合效益最大化條件的合理目標(biāo)應(yīng)該是多少。湖南省小流域生態(tài)安全評價標(biāo)準(zhǔn)主要參照國家、行業(yè)和地方規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),背景和本底標(biāo)準(zhǔn)及類比標(biāo)準(zhǔn)等因素綜合確定。評價標(biāo)準(zhǔn)確定及其依據(jù)如表2所示。

3 小流域生態(tài)安全綜合評價模型

3.1 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

評價指標(biāo)權(quán)重的確定是對評價指標(biāo)的重要性進行賦權(quán),即對各評價指標(biāo)在整個系統(tǒng)中的影響程度大小的進行度量,以區(qū)分其貢獻大小。小流域安全評價中評價指標(biāo)權(quán)重的確定是一個十分重要的內(nèi)容,可以直接影響到綜合評價的結(jié)果。權(quán)重值確定的方法很多,常見的有層次分析法、頻數(shù)統(tǒng)計分析法、加權(quán)統(tǒng)計法、相關(guān)分析法和熵值法等?？紤]小流域生態(tài)安全評價的多層次性、多因素性,且是一個定性與定量相結(jié)合的評價系統(tǒng),本文采用層次分析法來確定評價指標(biāo)的權(quán)重[8-10]。通過理論分析方法,對指標(biāo)進行頻度統(tǒng)計,在廣泛調(diào)查和大量征求專家意見的基礎(chǔ)上,聘請該領(lǐng)域?qū)＜覟楦鲗哟闻袛嘣u分,構(gòu)建了小流域生態(tài)安全評價指標(biāo)判斷矩陣,求得最大特征值及其對應(yīng)的特征向量,對該向量歸一化處理后作為各指標(biāo)的權(quán)重。

表3 小流域生態(tài)安全評價指標(biāo)體系權(quán)重結(jié)果

3.2 評價指標(biāo)隸屬度的確定

隸屬度函數(shù)是模糊綜合評判的應(yīng)用基礎(chǔ),正確構(gòu)造隸屬度函數(shù)是能否用好模糊綜合評判的關(guān)鍵之一,本研究各指標(biāo)的隸屬函數(shù)的采用均勻分布函數(shù),建立方法如下:

(1)第一級,即 j=1時,其隸屬函數(shù)為:

式中:xi——第i種因子的實測值;Sij——第i種因子j級的標(biāo)準(zhǔn)值;Si(j+1)——第 i種因子(j+1)級的標(biāo)準(zhǔn)值;Aij——系數(shù),用中值法求得。中值是即取相鄰兩個等級標(biāo)準(zhǔn)值的中間值,中值對于相鄰兩個等級的隸屬度為0.5,且由于中值可以用兩個評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的均值代替,于是,將中值(即均值)與隸屬度0.5代入yij=Aij(xi-Si(j+1))中可求出 Aij。(xi-Si(j+1))＞0,Aij取正值;(xi-Si(j+1))＜0,Aij取負(fù)值。其計算公式如下:

(2)第二級至n級,即j=2,3,…,(n-1)時,其隸屬函數(shù)為:

式中:Si(j-1)——第 i種因子(j-1)級的標(biāo)準(zhǔn)值;Aij,A′ij— —系數(shù),計算公式如下:

符號意義同上。

(3)第末級,即 j=n時,其隸屬函數(shù)為:

式中:Aij——系數(shù),計算公式如下:

符號意義同上,正負(fù)向指標(biāo)(效益型、成本型)均可適用,應(yīng)用于負(fù)向指標(biāo),只需將取值范圍符號反向即可。依此方法,根據(jù)表1數(shù)據(jù)及表3評價標(biāo)準(zhǔn)值可寫出各小流域各項指標(biāo)隸屬度矩陣。

3.3 評判結(jié)果與分析

由模糊變換中加權(quán)計算公式B=A?R(b1,b2,…,bm)(其中 A為權(quán)重矩陣,見表3;R為隸屬度矩陣)計算可得到評價結(jié)果如表4:

表4 小流域生態(tài)安全現(xiàn)狀模糊綜合評判結(jié)果

圖1 小流域生態(tài)安全綜合評價結(jié)果

由計算結(jié)果可知:兩岔河小流域隸屬于“基本安全”等級占0.473 2,大于隸屬于“不安全”等級為0.271 8,隸屬于“安全”等級為0.255 2,根據(jù)最大隸屬度原則,則判定該小流域生態(tài)安全狀況為“基本安全”級別,從計算過程上看,該小流域生態(tài)安全存在的主要問題是社會經(jīng)濟發(fā)展水平較低引起的“壓力”指標(biāo)過大造成。各小流域生態(tài)安全綜合評價指數(shù)分布還與水土流失率分布范圍有較好的一致性,水土流失率大的流域,其生態(tài)安全綜合指數(shù)明顯偏低,兩者存在較強的負(fù)相關(guān)性。

4 小流域生態(tài)安全的障礙診斷分析

小流域生態(tài)系統(tǒng)安全分析評價的目的既在于對小流域系統(tǒng)安全狀況水平進行評判,更重要的是在于尋找系統(tǒng)安全的障礙因素,以便有針對性地對小流域進行生態(tài)環(huán)境整治和政策上的調(diào)整,因而,需進一步對小流域生態(tài)系統(tǒng)安全進行障礙因素確定。小流域系統(tǒng)障礙診斷是一項極為復(fù)雜的工作,為簡化問題的表達(dá),本研究引入了“因子貢獻率 λj”、“指標(biāo)偏離bj”、“障礙度 BI”的概念。因子貢獻率是單項因素對總體目標(biāo)的影響程度,即單項因素對總體目標(biāo)的權(quán)重;指標(biāo)偏離度是單項指標(biāo)與系統(tǒng)健康持續(xù)發(fā)展目標(biāo)之間的差距,即單項指標(biāo)因素與100%之差;障礙度是單項因素對小流域生態(tài)安全狀況水平的負(fù)面影響值,是障礙診斷的目標(biāo)和結(jié)果,目標(biāo)值取表3中安全等級標(biāo)準(zhǔn)值。

設(shè)xj和tj分別為一單項指標(biāo)的實際值與目標(biāo)值,則該單項指標(biāo)量化值為:

當(dāng)x為正作用(效益型)指標(biāo)時

當(dāng)x為負(fù)作用(成本型)指標(biāo)時

式中:β——描述指標(biāo)值模糊度的常數(shù),一般β≥1,該研究中取β=1。

表5 小流域生態(tài)安全障礙度計算結(jié)果 %

式中:ωj——第j個單項指標(biāo)對目標(biāo)層的綜合權(quán)重(見表3),其中(j=1,…,n)。由BIj大小排序即可確定小流域系統(tǒng)的障礙因素主次關(guān)系和各障礙因素對流域系統(tǒng)健康持續(xù)發(fā)展的負(fù)面影響程度。經(jīng)計算得到障礙度分析結(jié)果如表5。

從障礙度計算結(jié)果上來看,影響湖南省小流域生態(tài)安全的主要障礙因素為土壤侵蝕量、水土流失率、水土流失治理率及人均純收入等,各個不同流域,次序稍有不同。針對其主要障礙因素,在小流域的綜合治理過程中要注意:(1)增加資金投入和科技投入,加大水土流失治理力度,加強生態(tài)建設(shè),優(yōu)化環(huán)境整治措施;(2)加強生態(tài)環(huán)保意識,建立以生態(tài)農(nóng)業(yè)為主的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中廢棄物的產(chǎn)生,減少農(nóng)業(yè)面源對河流水質(zhì)的污染;(3)實現(xiàn)從粗放經(jīng)營向集約化經(jīng)營的轉(zhuǎn)變,加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進程;(4)注意土地利用規(guī)劃及相關(guān)規(guī)劃的實施,實現(xiàn)資源有效持續(xù)利用;(5)嚴(yán)格控制人口增長,提高人口素質(zhì),減輕資源環(huán)境壓力;(6)積極開展小流域的生態(tài)補償工作,促進流域上中下游協(xié)調(diào)發(fā)展。

5 結(jié)論

通過收集整理湖南省小流域基礎(chǔ)數(shù)據(jù),結(jié)合實際調(diào)查完成對湘東、湘西、湘南3個區(qū)域11個小流域生態(tài)安全評價指標(biāo)的篩選,采用模糊層次分析評判方法(FAHP)構(gòu)建基于水土資源、生態(tài)環(huán)境及社會經(jīng)濟3個方面的復(fù)合表征的小流域生態(tài)安全綜合評價指標(biāo)體系及評價模型。評價指標(biāo)體系及評價模型能夠準(zhǔn)確、真實的描述流域生態(tài)現(xiàn)狀,并具有診斷影響流域生態(tài)安全障礙因素的功能。

(1)總體而言,湖南省各地區(qū)小流域生態(tài)現(xiàn)狀評價為基本安全,湘西地區(qū)的生態(tài)現(xiàn)狀安全程度要高于其他地區(qū),具體次序為:湘西較好,湘南次之,湘東較差。

(2)小流域生態(tài)安全綜合評價指數(shù)分布與水土流失率分布范圍有較好的一致性,水土流失率大的流域,其生態(tài)安全綜合指數(shù)明顯偏低,兩者存在較強的負(fù)相關(guān)性。

(3)通過小流域生態(tài)安全的障礙因素分析,影響湖南省小流域生態(tài)安全的主要障礙因素為土壤侵蝕量、水土流失率、水土流失治理率及人均純收入等。

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