CN105260820B - 调水工程受水区水生态系统风险评估方法 - Google Patents
调水工程受水区水生态系统风险评估方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种调水工程受水区水生态系统风险评估方法，该方法在对受水区特点分析的基础上，筛选能够反应水生态系统结构、功能和系统特征的指标，并采用主成分分析法确定指标权重，建立健康评价体系，计算现状健康指数值；耦合水动力和水生态模型，借助耦合的MIKE和AQUATOX软件，对调水后受水区水生态情况进行模拟，计算调水后健康指数值；通过指健康指数值变化程度确定风险等级。该方法具有科学、简洁、可操作性强的优点，可为调水工程受水区水生态风险评估提供明确的方法依据。
Description
技术领域
本发明涉及生态风险评估领域，尤其涉及基于健康指数的调水工程受水区水生态风险评估方法。
背景技术
生态风险评价始于风险评价，始于20世纪70年代末80年代初的美国(Cairns，1978)，最初的风险评价主要用于单一化学污染物对环境和人类健康影响的毒理研究。20世纪80年代末，生态风险评价的工具和方法在一些研究中开始出现，但内容仍然侧重生物生态毒理研究，尺度一般限于单一种群或者群落。20世纪80年代后，风险评价研究的内容开始逐渐从毒理风险、人体健康风险向生态风险转变，尺度也从种群、群落向生态系统扩展。很多学者开始把研究尺度扩展到了区域、景观和流域尺度，风险来源也由单一的化学污染物延伸至化学、物理、生物等多领域的负荷风险源及可能造成生态风险的事件，并开始考虑人类活动对生态系统的干扰(孙洪波、杨桂山、苏伟等，生态风险评价研究进展[J]。生态学杂志，2009，28(2)：335-341)。调水工程作为人为干扰的重要表现形式，涵盖物理、化学、生物、能量通量等多种风险源类型，由此带来诸多潜在水生态风险。但目前，风险评估工作集中于工程风险和环境风险(刘恒，南水北调运行风险管理关键技术问题研究[M]，科学出版社，2011；王发廷.，大型调水工程风险管理与保险[M]，黄河水利出版社，2011)，对受水区水生态系统风险评估研究尚不多见，缺乏有效风险评估方法。
当前制约调水工程受水区水生态系统风险评估方法发展的主要原因包括：1)水生态系统风险的最终体现形式难以量化表征；2)水生态系统模拟预测工具的缺乏，使得调水后水生态系统各组分的变化无法精确掌握，研究结论不足以支撑风险管理和决策。因此在现有成果基础上，开发一种科学简洁的水生态系统风险评估方法，对调水工程受水区风险评估和风险管理具有非常现实的意义。
发明内容
本发明针对目前水生态系统风险评估方法欠缺问题，在充分考虑调水工程对受水区水生态影响机制和风险特点的基础上，提出了基于健康指数的水生态风险评估方法。具体流程见附图1。
为实现上述目的，本发明包括如下技术方案：
一种调水工程受水区水生态系统风险评估方法，包括如下步骤：
I.建立受水区水生态健康评价指标体系，该评价指标包括物理化学指标和生态指标；
II.根据评估要求确定评价对象，该评价对象为时间段、空间方位或其结合；评价对象的数量为一个或多个；
III.采集每个评价对象对应的评价指标现状数据；
IV.采用主成分分析法确定指标权重
(I)分别对各评价对象的每个评价指标现状数据进行归一化，将每个评价指标现状数据中相对最佳的值归一化为1；其中针对越大越满意的指标采用公式(1)计算，针对越小越满意指标采用公式(2)计算；
其中，xi为某个评价对象中第i个评价指标的指标值；X为该指标的最佳值；
(II)计算各评价指标的权重值
采用主成分分析法，应用SPSS软件来实现，输入全部评价对象的各项评价指标现状数据，得到各评价指标对总体方差的贡献矩阵A＝(x，y，z)，同时得到各评价指标的贡献矩阵，即载荷矩阵：
其中，n表示第n个评价指标，m表示第m个评价对象；
求各评价指标的标准权重：W＝A×BT＝(f1，f2，...，fn)；
对标准权重进行归一化，得到各评价指标的权重Wi；
V.计算现状受水区水生态健康指数
根据公式(4)计算各评价对象的现状健康指数；
其中，ICH表示该评价对象的健康指数；Ii为该评价对象中第i种评价指标的归一化值；Wi表示第i种评价指标的权重；
VI.受水区水生态模型建立与模拟
应用MIKE软件模拟物理化学指标，应用AQUATOX软件模拟水生态指标；对评价对象进行模拟，具体步骤如下：
(I)MIKE模型模拟
①构建研究区地形文件；
②输入模拟条件，包括边界条件和初始条件；确定模拟参数，在数据缺乏时模型参数采用默认值；
③根据评价时段和研究需要确定模拟时间和时间步长；
④模型模拟及输出指标，输出指标包括水位、水深、流速以及调水后物理化学指标；
(2)AQUATOX模型模拟
①输入模拟条件，包括边界条件和初始条件，初始条件为步骤(I)MIKE模型输出的水位、水深和流速指标；确定模拟参数，在数据缺乏时模型参数采用默认值；
②根据评价时段和研究需要确定模拟时间和时间步长，步长应不小于MIKE模拟步长；
③模拟及结果输出，模拟结果为调水后生态指标；
VII.风险评估
根据公式(1)、(2)计算调水后受水区各评价指标的归一化值，根据公式(4)计算调水后受水区各评价对象的健康指数，根据公式(5)计算调水前后受水区健康指数变化程度R；
其中，ICHI为调水后健康指数；ICHO为调水前健康指数。
VIII.确定风险等级
根据R值确定风险等级：R≥0.5，极高；0.4≤R＜0.5，高；0.2≤R＜0.4，中；0.1≤R＜0.2，低；0＜R≤0.1，极低；R≤0，表明调水后水生态健康情况不变或有所改善，不存在风险。
如上所述的调水工程受水区水生态系统风险评估方法，优选地，所述物理化学指标包括：溶解氧、高锰酸盐指数、总氮和总磷；所述生态指标包括：叶绿素a、浮游植物生物量、浮游动物生物量和浮游动值物生物量之比。
如上所述的调水工程受水区水生态系统风险评估方法，优选地，所述步骤(I)MIKE模型模拟过程中，边界条件包括：来水量和来水水质；初始条件包括：水位、流速及水质情况；模拟参数包括：横向扩散系数、糙率、热传导系数、风速摩阻系数和水质降解系数。
如上所述的调水工程受水区水生态系统风险评估方法，优选地，所述步骤(I)MIKE模型模拟过程中，模拟条件包括：边界条件、外部环境条件和初始条件；其中边界条件包括：来水量、来水水质和出水量；外部环境条件包括：风速、气温、降雨和蒸发；初始条件包括：水位、流速及水质情况，现状水质情况包含评价指标现状数据。
如上所述的调水工程受水区水生态系统风险评估方法，优选地，所述步骤(2)AQUATOX模型模拟过程中，边界条件包括：来水量和来水水质；初始条件为步骤(I)MIKE模型输出的水位、水深和流速指标；模拟参数包括藻类最大生长系数、最大死亡率和半饱和常数。
如上所述的调水工程受水区水生态系统风险评估方法，优选地，所述步骤(2)AQUATOX模型模拟过程中，模拟条件包括：边界条件、外部及内部环境条件和初始条件；其中边界条件包括：来水量、来水水质和出水量；外部及内部环境条件包括：风速、气温、降雨、蒸发和水质；初始条件为步骤(I)MIKE模型输出的水位、水深和流速指标；模拟参数包括：藻类最大生长系数、最大死亡率和半饱和常数。
如上所述的调水工程受水区水生态系统风险评估方法，优选地，所述步骤(2)AQUATOX模型模拟过程输出参数包括叶绿素a、浮游植物生物量和浮游动物生物量；然后根据浮游动植物生物量计算二者之比。
表1
表2风险等级划分
| 风险等级 | 描述 |
| 极高 | R≥0.5 |
| 高 | 0.4≤R＜0.5 |
| 中 | 0.2≤R＜0.4 |
| 低 | 0.1≤R＜0.2 |
| 极低 | 0＜R≤0.1 |
本发明在对受水区特点分析的基础上，筛选能够反应水生态系统结构、功能和系统特征的指标(如表1所示)，并采用主成分分析法确定指标权重，建立健康评价体系，计算现状健康指数值；耦合水动力和水生态模型，借助耦合的MIKE和AQUATOX软件，对调水后受水区水生态情况进行模拟，计算调水后健康指数值；通过指健康指数值变化程度确定风险等级(如表2所示)。本发明的有益效果在于以下几个方面：
(1)科学：健康指数反映水生态系统整体健康情况已被科研界广泛接受，利用健康指数的变化反映风险程度具有科学依据。
(2)简洁：以一种指数的变化来反应整个生态系统的变化简化了诸多繁琐的参数。
(3)操作性强：本发明流程简单、选取指标规范统一，所用软件SPSS、MIKE和AQUATOX软件为常规软件，其中SPSS、MIKE可由市场购买获得，AQUATOX软件可从美国环保局(EPA)网站下载获得。
附图说明
图1是本发明一种优选实施方案的流程图。
具体实施方式
实施例1南水北调工程某受水区水库调水后水生态风险评估
一、受水水库健康现状值
1、评价指标如表1所示，物理化学指标和生态指标共计8个指标。
2、评价对象为4月、6月、8月三个时间段。
3、表3为2014年4、6、8月各评价指标监测数据，以2012-2014年三年监测数据为参考，确定最优值。
表3评价指标现状值
| 指标 | 4月 | 6月 | 8月 | 历史监测最优值 |
| C1 | 8.50 | 8.40 | 8.90 | 8.90 |
| C2 | 12.10 | 12.30 | 11.20 | 11.20 |
| C3 | 2.10 | 1.98 | 1.93 | 0.80 |
| C4 | 0.02 | 0.02 | 0.01 | 0.01 |
| C5 | 0.00328 | 0.00491 | 0.00382 | 0.00191 |
| C6 | 8.10 | 8.18 | 7.61 | 3.928 |
| C7 | 19.90 | 13.73 | 4.01 | 19.90 |
| C8 | 2.46 | 1.68 | 0.53 | 2.46 |
4.计算各评价指标的权重值和现状受水区水生态健康指数
(1)按照归一化公式(1)、(2)对各评价指标进行归一化；
(2)通过主成分分析法，应用SPSS软件，确定各评价指标的权重：W＝A×BT＝(f1，f2，...，fn)；
(3)对标准权重进行归一化，得到各评价指标的权重Wi；
(4)根据健康指数计算公式(4)计算现状健康值；结果见表4。
表4现状评价指标归一化值、指标权重及健康指数
| 指标 | 4月 | 6月 | 8月 | 权重 |
| C1 | 0.96 | 0.94 | 1.00 | 0.107 |
| C2 | 0.93 | 0.91 | 1.00 | 0.069 |
| C3 | 0.42 | 0.44 | 0.46 | 0.020 |
| C4 | 0.50 | 0.50 | 1.00 | 0.183 |
| C5 | 0.58 | 0.39 | 0.50 | 0.169 |
| C6 | 0.49 | 0.48 | 0.52 | 0.104 |
| C7 | 1.00 | 0.69 | 0.20 | 0.177 |
| C8 | 1.00 | 0.68 | 0.21 | 0.171 |
| I<sub>CHO</sub> | 0.74 | 0.63 | 0.56 | - |
二、受水区水生态模型建立与模拟
利用MIKE模型和AUQATOX模型，输入边界条件(来水量、来水水质、调度)、外部条件(气温、蒸发、降雨)、初始条件和模拟参数(表5和表6)，模拟调水后受水区水生态系统变化，输出8项参数模拟值(表7)。
表5MIKE模型输入条件及输出参数
表6AQUATOX模型输入条件及主要参数
表7调水后预测值(基于当月逐日数据取月均值)
| 指标 | 4月 | 6月 | 8月 |
| C1 | 8.80 | 8.40 | 8.90 |
| C2 | 12.90 | 12.30 | 12.60 |
| C3 | 2.90 | 2.69 | 2.54 |
| C4 | 0.02 | 0.02 | 0.01 |
| C5 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| C6 | 8.79 | 8.88 | 8.32 |
| C7 | 18.76 | 15.65 | 6.89 |
| C8 | 2.13 | 1.76 | 0.83 |
| I<sub>CHI</sub> | 0.60 | 0.55 | 0.58 |
三、风险评估
根据公式(1)、(2)计算调水后受水区各评价指标的归一化值；
根据公式(4)计算调水后受水区各评价对象的健康指数；
根据风险评估公式(5)对应表2风险等级划分依据，2015年4、6、8月水生态风险为低、低和无(见表8)。
表8调水后受水区风险评估结果
| 时间 | I<sub>CHO</sub> | I<sub>CHI</sub> | R | 风险等级 |
| 4月 | 0.74 | 0.60 | 0.19 | 低 |
| 6月 | 0.63 | 0.55 | 0.13 | 低 |
| 8月 | 0.56 | 0.58 | -0.04 | 无 |
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (3)
1.一种调水工程受水区水生态系统风险评估方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
I.建立受水区水生态健康评价指标体系，该评价指标包括物理化学指标和生态指标；物理化学指标包括：溶解氧、高锰酸盐指数、总氮和总磷；所述生态指标包括：叶绿素a、浮游植物生物量、浮游动物生物量和浮游动值物生物量之比；
II.根据评估要求确定评价对象，该评价对象为时间段、空间方位或其结合；评价对象的数量为一个或多个；
III.采集每个评价对象对应的评价指标现状数据；
IV.采用主成分分析法确定指标权重
(I)分别对各评价对象的每个评价指标现状数据进行归一化，将每个评价指标现状数据中相对最佳的值归一化为1；其中针对越大越满意的指标采用公式(1)计算，针对越小越满意指标采用公式(2)计算；
其中，xi为某个评价对象中第i个评价指标的指标值；X为该指标的最佳值；
(II)计算各评价指标的权重值
采用主成分分析法，应用SPSS软件来实现，输入全部评价对象的各项评价指标现状数据，得到各评价指标对总体方差的贡献矩阵A＝(x，y，z)，同时得到各评价指标的贡献矩阵，即载荷矩阵：
其中，n表示第n个评价指标，m表示第m个评价对象；
求各评价指标的标准权重：W＝A×BT＝(f1，f2，...，fn)；
对标准权重进行归一化，得到各评价指标的权重Wi；
V.计算现状受水区水生态健康指数
根据公式(4)计算各评价对象的现状健康指数；
其中，ICH表示该评价对象的健康指数；Ii为该评价对象中第i种评价指标的归一化值；Wi表示第i种评价指标的权重；
VI.受水区水生态模型建立与模拟
应用MIKE软件模拟物理化学指标，应用AQUATOX软件模拟水生态指标；对评价对象进行模拟，具体步骤如下：
(I)MIKE模型模拟
①构建研究区地形文件；
②输入模拟条件，包括边界条件和初始条件，边界条件包括：来水量和来水水质，初始条件包括：水位、流速及水质情况；确定模拟参数，模拟参数包括：横向扩散系数、糙率、热传导系数、风速摩阻系数和水质降解系数，在数据缺乏时模型参数采用默认值；
③根据评价时段和研究需要确定模拟时间和时间步长；
④模型模拟及输出指标，输出指标包括水位、水深、流速以及调水后物理化学指标；
(II)AQUATOX模型模拟
①输入模拟条件，包括边界条件和初始条件，边界条件包括：来水量和来水水质，初始条件为步骤(I)MIKE模型输出的水位、水深和流速指标；确定模拟参数，模拟参数包括藻类最大生长系数、最大死亡率和半饱和常数，在数据缺乏时模型参数采用默认值；
②根据评价时段和研究需要确定模拟时间和时间步长，步长应不小于MIKE模拟步长；
③模拟及结果输出，输出参数包括叶绿素a、浮游植物生物量和浮游动物生物量；然后根据浮游动植物生物量计算二者之比，模拟结果为调水后生态指标；
VII.风险评估
根据公式(1)、(2)计算调水后受水区各评价指标的归一化值，根据公式(4)计算调水后受水区各评价对象的健康指数，根据公式(5)计算调水前后受水区健康指数变化程度R；
其中，ICHI为调水后健康指数；ICHO为调水前健康指数；
VIII.确定风险等级
根据R值确定风险等级：R≥0.5，极高；0.4≤R＜0.5，高；0.2≤R＜0.4，中；0.1≤R＜0.2，低；0＜R≤0.1，极低；R≤0，表明调水后水生态健康情况不变或有所改善，不存在风险。
2.如权利要求1所述的调水工程受水区水生态系统风险评估方法，其特征在于，所述步骤(I)MIKE模型模拟过程中，模拟条件包括：边界条件、外部环境条件和初始条件；其中边界条件包括：来水量、来水水质和出水量；外部环境条件包括：风速、气温、降雨和蒸发；初始条件包括：水位、流速及水质情况，现状水质情况包含评价指标现状数据。
3.如权利要求1或2所述的调水工程受水区水生态系统风险评估方法，其特征在于，所述步骤(II)AQUATOX模型模拟过程中，模拟条件包括：边界条件、外部及内部环境条件和初始条件；其中边界条件包括：来水量、来水水质和出水量；外部及内部环境条件包括：风速、气温、降雨、蒸发和水质；初始条件为步骤(I)MIKE模型输出的水位、水深和流速指标；模拟参数包括：藻类最大生长系数、最大死亡率和半饱和常数。
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