調水工程受水區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)風險評估方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及生態(tài)風險評估領域，尤其涉及基于健康指數(shù)的調水工程受水區(qū)水生態(tài) 風險評估方法。
【背景技術】
[0002] 生態(tài)風險評價始于風險評價，始于20世紀70年代末80年代初的美國（Cairns， 1978)，最初的風險評價主要用于單一化學污染物對環(huán)境和人類健康影響的毒理研究。20世 紀80年代末，生態(tài)風險評價的工具和方法在一些研究中開始出現(xiàn)，但內容仍然側重生物生 態(tài)毒理研究，尺度一般限于單一種群或者群落。20世紀80年代后，風險評價研究的內容開 始逐漸從毒理風險、人體健康風險向生態(tài)風險轉變，尺度也從種群、群落向生態(tài)系統(tǒng)擴展。 很多學者開始把研究尺度擴展到了區(qū)域、景觀和流域尺度，風險來源也由單一的化學污染 物延伸至化學、物理、生物等多領域的負荷風險源及可能造成生態(tài)風險的事件，并開始考慮 人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾（孫洪波、楊桂山、蘇偉等，生態(tài)風險評價研究進展[J]。生態(tài)學 雜志，2009, 28 (2) :335-341)。調水工程作為人為干擾的重要表現(xiàn)形式，涵蓋物理、化學、生 物、能量通量等多種風險源類型，由此帶來諸多潛在水生態(tài)風險。但目前，風險評估工作集 中于工程風險和環(huán)境風險（劉恒，南水北調運行風險管理關鍵技術問題研究[M]，科學出版 社，2011 ;王發(fā)廷.，大型調水工程風險管理與保險[M]，黃河水利出版社，2011)，對受水區(qū) 水生態(tài)系統(tǒng)風險評估研究尚不多見，缺乏有效風險評估方法。
[0003] 當前制約調水工程受水區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)風險評估方法發(fā)展的主要原因包括：1)水 生態(tài)系統(tǒng)風險的最終體現(xiàn)形式難以量化表征；2)水生態(tài)系統(tǒng)模擬預測工具的缺乏，使得調 水后水生態(tài)系統(tǒng)各組分的變化無法精確掌握，研究結論不足以支撐風險管理和決策。因此 在現(xiàn)有成果基礎上，開發(fā)一種科學簡潔的水生態(tài)系統(tǒng)風險評估方法，對調水工程受水區(qū)風 險評估和風險管理具有非?，F(xiàn)實的意義。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明針對目前水生態(tài)系統(tǒng)風險評估方法欠缺問題，在充分考慮調水工程對受水 區(qū)水生態(tài)影響機制和風險特點的基礎上，提出了基于健康指數(shù)的水生態(tài)風險評估方法。具 體流程見附圖1。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括如下技術方案：
[0006] 一種調水工程受水區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)風險評估方法，包括如下步驟：
[0007] I.建立受水區(qū)水生態(tài)健康評價指標體系，該評價指標包括物理化學指標和生態(tài)指 標；
[0008] II.根據(jù)評估要求確定評價對象，該評價對象為時間段、空間方位或其結合；評價 對象的數(shù)量為一個或多個；
[0009] III.采集每個評價對象對應的評價指標現(xiàn)狀數(shù)據(jù)；
[0010] IV.采用主成分分析法確定指標權重
[0011] (I)分別對各評價對象的每個評價指標現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行歸一化，將每個評價指標現(xiàn) 狀數(shù)據(jù)中相對最佳的值歸一化為1 ;其中針對越大越滿意的指標采用公式（1)計算，針對越 小越滿意指標采用公式（2)計算；
[0014] 其中，X1為某個評價對象中第i個評價指標的指標值；X為該指標的最佳值；
[0015] (II)計算各評價指標的權重值
[0016] 采用主成分分析法，應用SPSS軟件來實現(xiàn)，輸入全部評價對象的各項評價指標現(xiàn) 狀數(shù)據(jù)，得到各評價指標對總體方差的貢獻矩陣A = (X，y，z)，同時得到各評價指標的貢獻 矩陣，即載荷矩陣：
[0018] 其中，η表示第η個評價指標，m表示第m個評價對象；
[0019] 求各評價指標的標準權重：W = AXBt= (f i，f2,…，fn);
[0020] 對標準權重進行歸一化，得到各評價指標的權重W1;
[0021] V.計算現(xiàn)狀受水區(qū)水生態(tài)健康指數(shù)
[0022] 根據(jù)公式（4)計算各評價對象的現(xiàn)狀健康指數(shù)；
[0024] 其中，。表示該評價對象的健康指數(shù)；I i為該評價對象中第i種評價指標的歸一 化值J1表示第i種評價指標的權重；
[0025] VI.受水區(qū)水生態(tài)模型建立與模擬
[0026] 應用MIKE軟件模擬物理化學指標，應用AQUAT0X軟件模擬水生態(tài)指標；對評價對 象進行模擬，具體步驟如下：
[0027] (I)MIKE 模型模擬
[0028] ①構建研究區(qū)地形文件；
[0029] ②輸入模擬條件，包括邊界條件和初始條件；確定模擬參數(shù)，在數(shù)據(jù)缺乏時模型參 數(shù)采用默認值；
[0030] ③根據(jù)評價時段和研究需要確定模擬時間和時間步長；
[0031] ④模型模擬及輸出指標，輸出指標包括水位、水深、流速以及調水后物理化學指 標；
[0032] (2) AQUAT0X 模型模擬
[0033] ①輸入模擬條件，包括邊界條件和初始條件，初始條件為步驟（I)MIKE模型輸出 的水位、水深和流速指標；確定模擬參數(shù)，在數(shù)據(jù)缺乏時模型參數(shù)采用默認值；
[0034] ②根據(jù)評價時段和研究需要確定模擬時間和時間步長，步長應不小于MIKE模擬 步長；
[0035] ③1?擬及結果輸出，1?擬結果為調水后生態(tài)指標；
[0036] VII.風險評估
[0037] 根據(jù)公式（1)、（2)計算調水后受水區(qū)各評價指標的歸一化值，根據(jù)公式（4)計算 調水后受水區(qū)各評價對象的健康指數(shù)，根據(jù)公式（5)計算調水前后受水區(qū)健康指數(shù)變化程 度R;
[0039] 其中，Iatl為調水后健康指數(shù)；I ?為調水前健康指數(shù)。
[0040] VIII.確定風險等級
[0041] 根據(jù)R值確定風險等級：R多0.5,極尚；0.4<R<0.5，尚；0.2<R<0.4，中； 0.1 < R < 0. 2,低；0 < R < 0. 1，極低；R < 0,表明調水后水生態(tài)健康情況不變或有所改 善，不存在風險。
[0042] 如上所述的調水工程受水區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)風險評估方法，優(yōu)選地，所述物理化學指 標包括：溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總氮和總磷；所述生態(tài)指標包括：葉綠素 a、浮游植物生物 量、浮游動物生物量和浮游動值物生物量之比。
[0043] 如上所述的調水工程受水區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)風險評估方法，優(yōu)選地，所述步驟（I)MIKE 模型模擬過程中，邊界條件包括：來水量和來水水質；初始條件包括：水位、流速及水質情 況；模擬參數(shù)包括：橫向擴散系數(shù)、糙率、熱傳導系數(shù)、風速摩阻系數(shù)和水質降解系數(shù)。
[0044] 如上所述的調水工程受水區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)風險評估方法，優(yōu)選地，所述步驟（I)MIKE 模型模擬過程中，模擬條件包括：邊界條件、外部環(huán)境條件和初始條件；其中邊界條件包 括：來水量、來水水質和出水量；外部環(huán)境條件包括：風速、氣溫、降雨和蒸發(fā)；初始條件包 括：水位、流速及水質情況，現(xiàn)狀水質情況包含評價指標現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。
[0045] 如上所述的調水工程受水區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)風險評估方法，優(yōu)選地，所述步驟（2) AQUAT0X模型模擬過程中，邊界條件包括：來水量和來水水質；初始條件為步驟（I)MIKE模 型輸出的水位、水深和流速指標；模擬參數(shù)包括藻類最大生長系數(shù)、最大死亡率和半飽和常 數(shù)。
[0046] 如上所述的調水工程受水區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)風險評估方法，優(yōu)選地，所述步驟（2) AQUAT0X模型模擬過程中，模擬條件包括：邊界條件、外部及內部環(huán)境條件和初始條件；其 中邊界條件包括：來水量、來水水質和出水量；外部及內部環(huán)境條件包括：風速、氣溫、降 雨、蒸發(fā)和水質；初始條件為步驟（I)MIKE模型輸出的水位、水深和流速指標；模擬參數(shù)包 括：藻類最大生長系數(shù)、最大死亡率和半飽和常數(shù)。
[0047] 如上所述的調水工程受水區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)風險評估方法，優(yōu)選地，所述步驟（2) AQUAT0X模型模擬過程輸出參數(shù)包括葉綠素 a、浮游植物生物量和浮游動物生物量；然后根 據(jù)浮游動植物生物量計算二者之比。
[0048] 表 1
[0049]

[0053] 本發(fā)明在對受水區(qū)特點分析的基礎上，篩選能夠反應水生態(tài)系統(tǒng)結構、功能和系 統(tǒng)特征的指標（如表1所示），并采用主成分分析法確定指標權重，建立健康評價體系，計算 現(xiàn)狀健康指數(shù)值；耦合水動力和水生態(tài)模型，借助耦合的MIKE和AQUAT0X軟件，對調水后受 水區(qū)水生態(tài)情況進行模擬，計算調水后健康指數(shù)值；通過指健康指數(shù)值變化程度確定風險 等級（如表2所示）。本發(fā)明的有益效果在于以下幾個方面：
[0054] (1)科學：健康指數(shù)反映水生態(tài)系統(tǒng)整體健康情況已被科研界廣泛接受，利用健 康指數(shù)的變化反映風險程度具有