水库对河流生态系统服务功能影响的生态足迹评价研究

曹永强，张伟娜，张 林，游海林

（1.辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁大连 116029；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨 150090；3河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；4.吉林省辽源市环境科学研究所，吉林辽源 136200）

水库对河流生态系统服务功能影响的生态足迹评价研究

曹永强1，2，3，张伟娜1，张 林4，游海林1

（1.辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁大连 116029；2.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨 150090；3河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；4.吉林省辽源市环境科学研究所，吉林辽源 136200）

基于层次分析法的基本原理，构建了水库对河流生态系统服务功能影响的生态足迹评价指标体系，运用AHP确定各个评价指标权重。以大伙房水库为例，进行了水库对河流生态系统服务功能影响的综合评价，最后应用生态足迹评价模型定量地核算了大伙房水库4项生态供给足迹和3项生态需求足迹。

生态系统；服务功能；AHP；生态足迹模型

目前，与对森林、草原生态系统服务功能的研究相比，对河流生态系统服务功能尤其是水利工程对河流生态系统服务功能影响的研究相对要少［1］。我国国情决定了水利工程建设仍将继续，为使已建、在建和拟建的水库工程建设走可持续发展的道路，就要充分考虑水利工程的负面效应及其环境资源价值，因此对水库工程进行环境影响评价并寻找生态补偿措施方面的研究势在必行［2］。

1 基于层次分析法的生态足迹评价研究

1.1 生态足迹的内涵及功能

生态足迹（Ecological Footprint），或称生态空间占用，是指任何已知人口生产这些人口所消费的所有资源和消纳这些人口所产生的所有废弃物所需要的生物生产土地面积（包括陆地和海洋）。生态足迹代表着支持经济活动和人类日常生活所需的生态基础。

生态足迹分析提供了一种核算人类社会消费对自然环境影响的简单而综合的账户体系，因此，生态足迹指标是自然资源消耗（能源和物质）的一种综合指标，它与经济综合指标非常类似。研究生态足迹的重要意义在于将人类对自然资源及其生态系统服务的消耗与环境影响关联起来，用生态足迹来监视可持续发展进程，让决策者、学者和公众了解人类对自然资本利用的状况，以便于确立可持续发展目标、监测资源的可持续利用和制定相关政策措施。

1.2 生态足迹评价研究

层次分析法是用来处理一些机理不清、难以精确量化的复杂问题的一种定性与定量相结合的决策分析方法［3］。其基本原理是将复杂问题分解成若干个层次，通过两两比较重要程度构造判断矩阵，逐层进行判断评分，利用判断矩阵的特征向量，确定下层元素对上层元素的贡献程度，从而得到基层元素对总体目标的重要性排序结果。层次分析法主要用于确定综合评价的权重系数，所用的数学工具主要是矩阵运算。层次分析法具体步骤如下。

1.2.1 明确问题并建立层次模型

通过查阅大伙房水库相关文献资料，从实际情况出发，根据数据资料的可收集性和完整性，以及选取指标对结果影响大小程度，分析核算了大伙房水库养殖、水力发电、调蓄洪水、水库供水4项生态供给足迹和水库泥沙淤积、工程占据、水库淹没3项生态需求足迹［4］，建立了水库对河流生态系统服务功能影响的生态足迹评价的层次结构，如图1所示。

1.2.2 构造判断矩阵及层次单排序

判断矩阵及各层次的单排序结果如表1至表3所示。（A代表层次模型结构第一层（总目标层），B代表层次结构模型第二层（准则层），C代表第三层（措施层））。

图1 大伙房水库对河流生态系统服务功能影响的生态足迹评价层次结构图Fig.1 The stratum structure of ecological footprint assessment of impact of Dahuofang Reservoir on the river ecosystem service function

表1 判断矩阵A-BTable1 Judgem entm atrix A-B

表2 判断矩阵B1-CTable2 Judgementmatrix B1-C

表3 判断矩阵B2-CTable3 Judgementm atrix B2-C

1.2.3 层次总排序

利用上面层次单排序的结果，综合得到本层次各因素对更上一层的优劣，最终得到指标层对总目标层的优劣顺序。对求出的各间接判断矩阵的向量进行权重计算，并进行排序得到层次总排序结果见表4。经计算所得，层次总排序随机一致性比例CR＝0.004，CR＜0.1，层次总排序的结果具有令人满意的一致性。

大伙房水库对河流生态系统服务功能影响的生态足迹研究评价因子指标划分见图2。从图2可以看出，4项生态供给足迹权重排列是：水库供水生态供给足迹＞调蓄洪水生态供给足迹＞水力发电生态供给足迹＞水库养殖生态供给足迹。该结果与当初兴建大伙房水库的目的是一致的，说明大伙房水库是以防洪、工业及城市供水、灌溉为主，兼顾发电、养鱼、旅游等。

3项生态需求足迹权重排列依次是：水库淹没生态需求足迹＞水库泥沙淤积生态需求足迹＞工程占据生态需求足迹。说明大伙房水库投入使用之后，由水库淹没带来的负面效应占据比例是最大的，接着依次是水库泥沙淤积及工程占据所带来的负面效应。

表4 层次总排序结果Tab le 4 The weights of every evaluation factor

图2 大伙房水库对河流生态系统服务功能影响的生态足迹研究评价因子指标划分图Fig.2 The index histogram of ecological footprint study assessment of impact of Dahuofang Reservoir on the river ecosystem service function

2 基于生态足迹模型［5-8］的生态足迹评价研究

2.1 生态供给足迹模型计算

2.1.1 水库养殖生态供给足迹模型

大伙房水库总养鱼水面积近6 667 hm2，多年平均产商品鱼84万kg［9］。水库养殖生态供给足迹的计算模型如下［10］：

式中：EFc为水库养殖生态供给足迹（hm2）；r6为均衡因子，取0.2（水域［11］）；Qc为水库正常运行时水库养殖年均水产品的产量（kg）；ywc为世界水域的平均生产能力，取29 kg／hm2［8］。计算结果为EFc＝5 793.1 hm2。

2.1.2 水力发电生态供给足迹模型

大伙房水库建库50年来，累计发电19.92亿kW·h，多年平均发电量4 065万kW·h［9］。水力发电生态供给足迹的计算模型如下［4］：

式中：EFe为水力发电生态供给足迹（hm2）；r3为均衡因子，取1.1（林地）［11］；Qe为多年平均发电量（kW·h）；te为电力的能源折算系数，取11.84×106J／kW·h［12］；Ce为每公顷土地可以生产相当于800×108J的乙醇（替代法），或每公顷森林每年累积的可更新的生物质能源大约800×108J（自然资本存量法）［13］，取800×108J／hm2。计算结果为EFc＝6 617.8 hm2。

同理根据模型计算公式（2）可得，调蓄洪水生态供给足迹模型计算结果为75.917 3×104hm2，水库供水生态供给足迹模型计算结果为80.403 7×104hm2。

2.2 生态需求足迹模型计算

修建水库会淤积河流输送的部分泥沙，削减河流生态系统输送泥沙的能力，使其失去造地的功能。水库泥沙淤积生态需求足迹的计算模型为

式中：EFs为水库泥沙淤积生态需求足迹（hm2）；r2为均衡因子，取2.8（耕地）［11］；Qs为大伙房水库正常运行后年均泥沙淤积量（m3）；ds为土壤表土平均厚度，取0.5 m［13］；y2为产量因子［10］，取1.66（耕地）。计算结果为EFs＝143 316.43 hm2。

同理根据模型计算公式（3）可得，工程占据生态需求足迹模型计算结果为125.43 hm2，水库淹没生态需求足迹模型计算结果为22 822.79 hm2。

生态足迹评价结果如表5所示。

表5 生态足迹模型评价结果Table5 The assessments result of ecological footprint model hm2／a

3 小 结

从生态足迹评价结果可以看出：水库供水和调蓄洪水是大伙房水库对河流生态系统的主要正面影响，而水库泥沙淤积是其主要的负面影响。大伙房水库4项生态供给足迹总计为1 575 620.92 hm2，3项生态需求足迹总计为166 264.652 hm2，生态供给足迹是生态需求足迹的9倍之多，说明从兴建至今，大伙房水库的生态效益远大于其对环境的影响作用，在一定程度上促进了人与自然的和谐相处，实现了流域水资源、经济、生态、社会的可持续发展。将生态足迹评价结果与AHP评价结果比较可以看出，两种方法所计算出的各项指标排序是一致的，水库供水和调蓄洪水是大伙房水库的主要正面影响，而水库泥沙淤积是大伙房水库的主要负面影响。

由于反映大伙房水库对河流生态系统服务功能影响的指标众多，全部考虑十分复杂，本研究还存在一些局限和不足。如在评价指标的选取过程中，评价指标不够全面，不能全方位地评价水库对河流生态系统服务功能影响的实际情况；在计算过程中，主要资料为统计数据，计算结果对统计数据的准确性与精确性的依赖很大等。这些方面，在今后的研究中还需要进一步完善。

［1］ 鲁春霞，谢高地，成升魁，等.水利工程对河流生态系统服务功能的影响评价方法初探［J］.应用生态学报，2003，14（5）：803-807.（LU Chun-xia，XIE Gao-di，CHENG Sheng-kui，et al.Approaches to evaluate the effects of hydraulic engineering on river ecosystem services［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2003，14（5）：803-807.（in Chinese））

［2］ 陈若缇.水坝工程环境影响后评价与环境资源价值损失核算［D］.西安：西北农林科技大学，2006.（CHEN Ruo-ti.The post-evaluation of environment influences for dam engineering and the accounting for the loss of value for environment resources［D］.Xi’an：Northwest Agriculture and Forestry Science and Technology University，2006.（in Chinese））

［3］ 徐建华.计量地理学［M］.北京：高等教育出版社，2006.（XU Jian-hua.Measurement Geography［M］.Beijing：Higher Education Press，2006.（in Chinese））

［4］ REESW E.Ecological footprint and appropriated carrying capacity：what urban economies leaves out［J］.Environment and Unbanization，1992，4（2）：121-130.

［5］ WACKERNAGEL M，REESW E.Our Ecological Footprint：reducing human impacton the earth［M］.Gabriola Island：New Society Publishers，1996.

［6］ WACKERNAGELM，ONISTO L，BELLO P，et al.National natural capital accounting with the ecological footprint concept［J］.Ecological Economics，1999，29（3）：375-390.

［7］ WACKERNAGELM，ONISTO L，BELLO P，etal.Ecological footprint of nations［R］.Commissioned by the Earth Council for the Rio+5 Forum.International Council for Local Environmental Initiatives，Toronto，1997.

［8］ 辽宁省大伙房水库管理局水情调度处.大伙房水库调度工作五十年回顾［R］.抚顺：辽宁省大火房水库管理局，2008.（Water Regulation Department of Dahuofang Reservoir Administration Bureau in Liaoning Province.Review of fifty-year’s regulation work of Dahuofang Reservoir［R］.Fushun：Dahoufang Reservoir Administralion Bureau in Liaoning Province，2008.（in Chinese））

［9］ 邰姗姗.大连市生态承载力与生态恢复研究［D］.大连：辽宁师范大学，2006.（TAIShan-shan.Study on ecological capacity and ecological restoration in Dalian［D］.Dalian：Liaoning Normal University，2006.（in Chinese））

［10］田萍萍.基于生态足迹分析的陕西关中地区生态安全与生态补偿研究［D］.西安：西北大学，2006.（TIAN Ping-ping.Study on regional ecological security and compensation based on the analysis of ecological foot print in Guanzhong Region，Shanxi Province［D］.Xi’an：Northwest University，2006.（in Chinese））

［11］赵 娜.大伙房水库对河流生态系统服务功能影响评价研究［D］.大连：辽宁师范大学，2009.（ZHAO Na.Study on the impactassessmentof Dahuofang Reservoir on the river ecosystem service function［D］.Dalian：Liaoning Normal University，2009.（in Chinese））

［12］邱大雄.能源规划与系统分析［M］.北京：清华大学出版社，1995：48.（QIU Da-xiong.Energy planning and system analysis［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1995：48.（in Chinese））

［13］陶在朴.生态包袱与生态足迹［M］.北京：经济科学出版社，2003：168-169.（TAO Zai-pu.Ecological rucksack and footprint［M］.Beijing：Economic Science Press，2003：168-169.（in Chinese） ）

（编辑：罗玉兰）

Ecological Footprint Assessment of Dahuofang Reservoir Im pact on River Ecosystem Service Function

CAO Yong-qiang1，2，3，ZHANGWei-na1，ZHANG Lin4，YOU Hai-lin1
（1.School of Urban Planning and Environmental Science，Liaoning Normal University，Dalian 116029，China；2.State Key Lab of Urban Water Resource and Environment（HIT），Harbin 150090，China；3.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；4.Liaoyuan Institute of Environmental Sciences，Jilin Province，Liaoyuan 136200，China）

On the basis of the fundamental principle of analytical hierarchy process（AHP），firstof all，an intex assessment system on ecological footprint of the impact of a reservoir on river ecological service functions is established，and then，theweights of every index are determined by AHP.The Danhuofan Reservoir in Fushun is taken as an illustration，the aggregate assessment on the influence of the reservoir on river ecological service functions is carried out.At the end，thementioned abovemodel is applied to quantitatively calculate four-item ecological footprints and 3-item ecological demands of the Danhuofan Reservoir.

ecosystem；service function；AHP；ecological footprintmodel

X171.4

A

1001-5485（2010）08-0016-04

2009-10-15

城市水资源与水环境国家重点实验室（哈工大）开放基金2008年开放基金（HC200814）；水文水资源与水利工程科学国家重点实验室（河海大学）2008年对外开放基金（2008491111）

曹永强（1973-），男，内蒙丰镇市人，副教授，主要从事水利经济方面研究，（电话）13079816104（电子信箱）caoyongqing＠tsinghua.org.cn。