一种近海海域生态环境的综合评价方法与流程

本发明涉及一种近海海域生态环境的综合评价方法。

背景技术：

伴随着生态环境受到人类活动和环境污染的胁迫越来越大，近年来生态系统健康研究得到了越来越多研究人员的关注，已成为生态和环境领域研究的热点之一。生态系统为人类提供了自然资源和生存环境等方面的多种服务，维系地球生命的存在。保证生态系统的健康是人类持续地获得多种服务的前提，也是人类关注生态系统健康的原因之一。

我国自北向南有绵长的海岸线，近海海域资源丰富，但是近年来，由于人类活动对近海海域环境的影响日益严重，实时监测近海海域的生态环境并作出健康评估具有重要意义。目前生态环境评估研究多以静态评价为主，专利号CN 105956406 A，近岸海域生态系统健康评价方法，通过构建近岸海域的生态环境评价指标体系、确定生态环境评价指标及其评价因子的权重、检测并收集生态环境评价指标各评价因子的数据并计算指标评价值、计算单个站位的水环境生态指标评价值、计算海域评价值、计算近岸海域生态系统健康指数。利用该发明的评价方法得到的评价结果基本能够反映出较大的人为扰动，包括入海排污、人工养殖、石油类污染等对近岸海域生态系统造成的压力，同时也能反映主要的污染风险因子，对潜在的污染物因子也提供了一定的预警作用，具有一定的参考价值和借鉴意义，但是，其也是基于空间一维的环境评价方法，具有一定的滞后性和难以预测性。

目前的生态安全研究多以静态评价为主，较少时间与空间评价研究，动态评价研究较为缺乏。因此，未来海湾生态安全评价研究应着重于如何将数理模型与3S技术相结合，构建海湾生态安全空间评价模型，将空间数据整合到评价体系中；此外，在静态评价的基础上深入探讨动态评价的方法和模型，寻求维护海湾生态安全的关键性要素和过程，为海湾生态安全的预警、预测和调控提供科学依据。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种近海海域生态环境的综合评价方法，将数理评价模型与时空特征相结合，构建生态安全时空评价模型，以建立一个涵盖时间尺度信息、空间纬度信息及生态环境特征信息数据的海湾生态环境评价指标体系。

为达到上述目的，本发明采取的具体技术方案为：

一种近海海域生态环境的综合评价方法，该方法包括以下步骤：

(1)收集近海海域的经纬度坐标、时间序列和该海域生态环境相关的特征信息数据；

(2)依据海洋功能区划和海湾生态环境监测数据区位特征，将海湾生态安全评价区域进行划分，根据实际情况，划分为6-10类；

(3)指标特征信息的归一化处理：按照评价标准，将步骤(1)中的特征信息数据采用模糊理论选择相应隶属函数，计算指标数据特征对应标准生态安全隶属度，取值变化范围为0～1间，然后根据操作指标的权重，加权计算获得具体隶属度值；

(4)在分析近海海湾生态环境数据特征基础上，采用综合评价法即按照“生态系统结构-生态系统服务功能-生态系统压力”3个大层次来考虑，其评价结果分为4级，其评价结果指标值安全等级划分成病态、不安全、亚安全、安全，分别对应变化范围0≤I≤0.25、0.25≤I≤0.50、0.50≤I≤0.75、0.75≤I≤1，指标评价体系划分5个层次：目标层、准则层、因素层、次因素层、要素层；所述要素层包含44个要素指数；

(5)近海海湾生态环境评估上述要素指数计算：生态环境评价协调度指数是指生态系统各组分、结构、功能服务之间的差异程度指数；变异系数(coefficient of variation，CV)是衡量生态安全指标各观测值分散变异程度的统计量；假定某一时刻(年)表示生态系统健康状态的要素有n个指标，变异系数计算公式(1)为：

式(1)中：为标准差；为平均值；

用上述公式(1)计算这9个指数之间的离散系数，其数值范围一般在0～1之间。离散系数CV越大，说明生态服务功能之间的差距大，生态安全协调性较低。因此，钦州湾生态环境协调度指数采用公式以下公式(2)来计算：

ECI＝1-CV (2)

该生态系统协调度指数变化范围一般处于0～1之间，该计算公式表明协调度指数越高即越接近1，表明生态系统各个因素层内指标间的差距越小，相互制约作用越小，协调状态相对越好；协调度指数越低越接近0，则说明生态系统协调状态越差；

近海海湾生态系统安全指数为生态系统变化指数与生态系统协调度指数之乘积，具体计算公式(3)如下：

EHI＝EVI×ECI (3)

该公式(3)中EHI为生态安全指数，EVI为生态安全变化指数，ECI为生态安全协调度指数；

(6)评价结果分析：近海海湾生态系统结构指数、生态系统服务指数、生态系统压力指数评价的结果：从支持服务指数(SI)、生物结构指数(BI)、生境结构指数(HI)、供应服务指数(PI)、调节服务指数(RI)、文化服务指数(CI)、社会服务指数(WI)、经济服务指数(EI)、突发事件服务指数(EMI)来分析，从评价指标体系因素层的变化情况来构建近海海湾生态系统结构-服务功能-压力功能指数图。

进一步的，上述步骤(1)中海域生态环境相关的特征信息数据包括：生态物种多样性因子数据、生境多样性因子数据、初级生产力的因子数据、水质的因子数据、沉积物质量的因子数据、生物量的因子数据、海产品质量的因子数据、水调节功能的因子数据、海洋环境质量因子数据。

进一步的，上述步骤(1)中还包括文化服务功能因子数据、社会服务功能因子数据、经济服务功能因子数据、突发事件服务功能因子数据。

进一步的，上述步骤(3)中所述指标权重是根据近海海洋监测数据、及社会经济发展等数据形成的指标体系权重表。

进一步的，上述步骤(3)中所述的评价标准包括：《海水水质标准(GB3097-1997)》；《海洋沉积物质量(GB18668-2002)》；《海洋生物质量(GB18421-2001)》；《海域使用管理标准体系》；《防治海洋工程建设项目污染损害海洋环境管理条例》；《造纸工业水污染物排放标准(GB3544-92)》；《船舶污染物排放标准(GB3552-83)》，《船舶工业污染物排放标准(GB4286-84)》；《海洋石油开发工业含油污水排放标准(GB4914-85)》；城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918—2002)。

另外，对暂无评价标准的指标，以近海海湾生态系统的状态为评价基准值，假定该研究区生态系统的背景值为安全状态，并赋值为“1”；该背景值是根据具体的指标要素的特点来决定的，取值可取最大值、最小值、平均值值等，其他各年与该基准值对比，偏离最少赋值1(安全，评价指标值变化范围为0.75～1)，偏离最大赋值0(病态，评价指标值变化范围为0～0.25)，中间偏离情况划分为亚安全(评价指标值变化范围为0.5～0.75)、不安全(评价指标值变化范围为0.25～0.5)。

进一步的，上述步骤(4)中，第1层次是目标层(A)为“生态系统安全指数”，该项指数包括“生态系统变化度指数”和“生态系统协调度指数”，“生态系统变化度指数”，用于评价海湾在人类活动的干扰下，与健康状态的距离，以反映系统的稳定程度。“生态系统协调度”，用于评价海湾内部健康状况及变化趋势；第2层次是准则层(B)，包括“生态系统结构”、“生态系统服务功能”、“生态系统压力”3个准则；第3层次是因素层(C)，包括生物结构指数、生境结构指数、支持服务指数、供应服务指数、调节服务指数、文化服务指数、社会服务指数、经济服务指数、突发事件服务指数等9大类；第4层是次因素层(D)：物种多样性、生境多样性、初级生产力、水质环境、沉积物质量、生物量、生物体污染物含量、水调节功能、休闲娱乐功能、社会服务功能、经济服务功能、突发事件功能；第5层是要素层(E)，为44项要素指标，如下：

总评价指数为生态环境系统指数(EHI)，目标层：生态系统变化指数(EVI)、生态系统协调度指数(ECI)，准则层分为：生态系统结构(EBI)、生态系统服务功能(ESI)、生态系统压力(EPI)，因素层的指标简写成如下：将生物结构指数(BI)、生境结构指数(HI)、支持服务指数(SI)、供应服务指数(PI)、调节服务指数(RI)、文化服务指数(CI)、社会服务指数(WI)、经济服务指数(EI)、突发事件服务指数(EMI)，后文将直接使用BI、HI、SI、PI、RI、CI、WI、EI、EMI来分别表示生物结构指数、生境结构指数、支持服务指数、供应服务指数、调节服务指数、文化服务指数、社会服务指数、经济服务指数、突发事件服务指数。

进一步的，上述步骤(5)中近海海湾生态环境评价指标体系中，用来表达生态系统结构和服务功能指数有生物结构指数、生境结构指数、支持服务指数、供应服务指数、调节服务指数、文化服务指数、社会服务指数、经济服务指数、突发事件服务指数，共9个。

本发明的有益效果：本发明将数理评价模型与时空特征相结合，构建了生态安全时空评价模型，建立了一个涵盖时间尺度信息、空间纬度信息及生态环境特征信息数据的海湾生态环境评价指标体系。本发明对近海海湾的生态评价具有实时性，不仅能得到不同近海区域的生态评价指数状况，并给出变化趋势，解决了现有技术中对生态环境健康趋势评估的滞后性；而且能清楚明了地指示各指标要素因子对整个海域生态环境影响贡献的大小，指示出关键的影响因子，以便有针对性实施相关的管理策略。

附图说明

图1为实施例1中2004～2008年钦州湾生态环境系统结构-服务-压力功能指数图。

图2为实施例1中钦州湾生态环境评价指数离散分布图。

图3为实施例1中钦州湾生态环境评价时间尺度结果图。

图4为实施例1中钦州湾生态环境空间纬度评价结果图。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明进一步解释和说明。

实施例1：

该实施例以钦州湾作为近海海湾的研究对象。

一种近海海域生态环境的综合评价方法，该方法包括以下步骤：

(1)收集近海海域的经纬度坐标、时间序列和该海域生态环境相关的特征信息数据；该数据包括：生态物种多样性因子数据、生境多样性因子数据、初级生产力的因子数据、水质的因子数据、沉积物质量的因子数据、生物量的因子数据、海产品质量的因子数据、水调节功能的因子数据、海洋环境质量因子数据；还包括文化服务功能因子数据、社会服务功能因子数据、经济服务功能因子数据、突发事件服务功能因子数据。

(2)依据海洋功能区划和海湾生态环境监测数据区位特征，将海湾生态安全评价区域进行划分，根据实际情况，划分为6-10类；

(3)指标特征信息的归一化处理：按照评价标准和指标数据特征采用模糊理论选择相应隶属函数，计算指标数据特征对应标准生态安全隶属度，取值变化范围为0～1间，然后根据操作指标的权重，加权计算获得具体隶属度值；

(4)在分析近海海湾生态环境数据特征基础上，采用综合评价法即按照“生态系统结构-生态系统服务功能-生态系统压力”3个大层次来考虑，其评价结果分为4级，其评价结果指标值安全等级划分成病态、不安全、亚安全、安全，分别对应变化范围0≤I≤0.25、0.25≤I≤0.50、0.50≤I≤0.75、0.75≤I≤1，指标评价体系划分5个层次：目标层、准则层、因素层、次因素层、指标层；上述步骤(4)中，第1层次是目标层(A)为“生态系统安全指数”，该项指数包括“生态系统变化度指数”和“生态系统协调度指数”，“生态系统变化度指数”，用于评价海湾在人类活动的干扰下，与健康状态的距离，以反映系统的稳定程度。“生态系统协调度”，用于评价海湾内部健康状况及变化趋势；第2层次是准则层(B)，包括“生态系统结构”、“生态系统服务功能”、“生态系统压力”3个准则；第3层次是因素层(C)，包括生物结构指数、生境结构指数、支持服务指数、供应服务指数、调节服务指数、文化服务指数、社会服务指数、经济服务指数、突发事件服务指数等9大类；第4层是次因素层(D)：物种多样性、生境多样性、初级生产力、水质环境、沉积物质量、生物量、生物体污染物含量、水调节功能、休闲娱乐功能、社会服务功能、经济服务功能、突发事件功能；第5层是要素层(E)，为44项要素指标，如下：

总评价指数为生态环境系统指数(EHI)，目标层：生态系统变化指数(EVI)、生态系统协调度指数(ECI)，准则层分为：生态系统结构(EBI)、生态系统服务功能(ESI)、生态系统压力(EPI)，因素层的指标简写成如下：将生物结构指数(BI)、生境结构指数(HI)、支持服务指数(SI)、供应服务指数(PI)、调节服务指数(RI)、文化服务指数(CI)、社会服务指数(WI)、经济服务指数(EI)、突发事件服务指数(EMI)，后文将直接使用BI、HI、SI、PI、RI、CI、WI、EI、EMI来分别表示生物结构指数、生境结构指数、支持服务指数、供应服务指数、调节服务指数、文化服务指数、社会服务指数、经济服务指数、突发事件服务指数。

(5)近海海湾生态环境评估指数计算：生态环境评价协调度指数是指生态系统各组分、结构、功能服务之间的差异程度指数；变异系数(coefficient of variation，CV)是衡量生态安全指标各观测值分散变异程度的统计量；假定某一时刻(年)表示生态系统健康状态的要素有n个指标，变异系数计算公式(1)为：

式(1)中：为标准差；为平均值；

用上述公式(1)计算这9个指数之间的离散系数，其数值范围一般在0～1之间。离散系数CV越大，说明生态服务功能之间的差距大，生态安全协调性较低。因此，钦州湾生态环境协调度指数采用公式以下公式(2)来计算：

ECI＝1-CV (2)

该生态系统协调度指数变化范围一般处于0～1之间，该计算公式表明协调度指数越高即越接近1，表明生态系统各个因素层内指标间的差距越小，相互制约作用越小，协调状态相对越好；协调度指数越低越接近0，则说明生态系统协调状态越差；

近海海湾生态系统安全指数为生态系统变化指数与生态系统协调度指数之乘积，具体计算公式(3)如下：

EHI＝EVI×ECI (3)

该公式(3)中EHI为生态安全指数，EVI为生态安全变化指数，ECI为生态安全协调度指数；用来表达生态系统结构和服务功能指数有生物结构指数、生境结构指数、支持服务指数、供应服务指数、调节服务指数、文化服务指数、社会服务指数、经济服务指数、突发事件服务指数，共9个。

(6)评价结果分析：近海海湾生态系统结构指数、生态系统服务指数、生态系统压力指数评价的结果：从支持服务指数(SI)、生物结构指数(BI)、生境结构指数(HI)、供应服务指数(PI)、调节服务指数(RI)、文化服务指数(CI)、社会服务指数(WI)、经济服务指数(EI)、突发事件服务指数(EMI)来分析，从评价指标体系因素层的变化情况来构建近海海湾生态系统结构-服务功能-压力功能指数图。

钦州湾生态环境结果分析：

1、为了方便观察生态系统变化度各评价指数间相关关系及变化情况，按每5年划分将2004～2013年分解成2004～2008年、2009～2013年两个评价指数图来分析，如图1所示，钦州湾生态安全系统结构-服务-压力功能指数采用支持服务指数(SI)、生物结构指数(BI)、生境结构指数(HI)、供应服务指数(PI)、调节服务指数(RI)、文化服务指数(CI)、社会服务指数(WI)、经济服务指数(EI)、突发事件服务指数(EMI)等9个指数因子来综合评价，评价结果如图1所示：在2004～2008年，钦州湾生态系统的结构和功能呈现不同程度的下降。2008年生境结构处于病态状态水平，经济服务指数、突发事件服务指数比较稳定，但是生物结构、调节服务功能和文化功能持续下降。生态系统变化指数(EVI)变化范围是0.4323～0.7926，钦州湾是一个处于动荡状态的生态系统。

2、钦州湾生态系统结构和服务功能不同程度地偏离健康状态，系统原有的均衡状态被打破。生态系统各种服务功能的水平参差不齐，各要素之间已经出现明显的相互制约，生物结构指数(BI)、生境结构指数(HI)、支持服务指数(SI)、供应服务指数(PI)、调节服务指数(RI)、文化服务指数(CI)、社会服务指数(WI)、经济服务指数(EI)、突发事件服务指数(EMI)，如图2所示，分析生物结构指数(BI)、生境结构指数(HI)、支持服务指数(SI)、供应服务指数(PI)、调节服务指数(RI)、文化服务指数(CI)、社会服务指数(WI)、经济服务指数(EI)、突发事件服务指数(EMI)与生态系统协调度关系：

⑴BI与生态系统协调

生物多样性指数与其他生态服务的供应呈正相关关系。钦州湾物种多样性处于波动状态，生态系统安全指数较低削弱了生态调节功能，如对钦江、茅岭江径流量的影响。生物多样性下降使初级生产力和生物量明显下降，表明支持服务功能和供应服务功能也受到了影响。BI生物结构指数在各生态指数中的位次持续低于中位数(图2a)。明显制约了其他服务功能，对系统协调起的贡献降低。

⑵HI与生态系统协调

生境丧失或改变是对生态多样性和生态服务功能下降的最大原因之一。本项目中采用钦州湾围填海面积变化情况作为观察的指标。

a)对生物结构的影响

自2007年以来，钦州湾持续进行了围填海造陆工程，其中2011年围填海年竣工面积高到503.21公顷，大量的围填海对生境的改变可能是造成钦州湾物种多样性波动的原因。

b)对支持功能的影响。

生境结构指数HI虽然呈现较大的变化，其表示的并不是生境的好坏交替变化，而是表示围填海面积年度的变化，从中可以看出2008年和2011年是围填海面积最多的年份，而2012年是相比较围填海较少的年份，总体来看围填海的面积是增加的，这就对周围的生境造成了持续的压力。

3、如图3所示，钦州湾生态环境时间尺度变化指数EVI变化范围0.466～0.785，其中2004～2008年处于安全状态，2009～2012年处于亚安全状态，2013年部分区域变化为不安全状态，且EVI下降到最小值点，表明这时生态系统提供服务的功能已经开始退化。同时各功能之间协调程度下降，协调度指数ECI由2006年的安全状态下降到以后的亚安全区，变化范围0.57～0.89，近年来有持续下降的趋势，2013年下降到低点0.61。生态变化指数EHI在亚安全～不安全区间波动，其变化范围0.26～0.70，并有整体向下趋势，2007～2013年处在不安全区间，2013年下降到低点0.26。整体来看，近年来EVI、ECI、EHI指数有整体向下的势头，值得引起关注，相关的管理方案及措施建设亟待跟进。

4、钦州湾生态环境空间纬度区域评价结果图4(a)、图4(b)、图4(c)为钦州湾2004～2008年、2009～2012年、2013年钦州湾生态安全区域评价图。如图4(a)所示，2004～2008年间钦州湾钦江入海口区、茅岭江入海口区、茅尾海东部农渔业区、旅游休闲娱乐区、港口工业与城镇用海区、钦州湾外湾养殖区、钦州湾外海保护区、三娘湾海洋保护区生态环境评价指数处于安全范围；2009年，八个功能区划海域由上年的安全状态全部降至亚安全状态，一直维持至2012年。2013年，钦江入海口区、茅岭江入海口区、茅尾海东部农渔业区、港口工业与城镇用海区由上年亚安全状态突破亚安全底限降至不安全状态；旅游休闲娱乐区、钦州湾外湾养殖区、钦州湾外海保护区、三娘湾海洋保护区仍处于亚安全状态，但其生态系统变化指数均逼近不安全状态，有跌入不安全状态的风险。

从2004～2013年这10年间变化情况来看，前面5年生态状况为安全；随着钦州湾经济发展，港口建设步伐加快，生态状况随着发生变化，随后4年间变为亚安全；以至于到2013年，钦江入海口区与茅岭江入海口区因陆源污染物质的输入变为不安全区，茅尾海东部农渔业区因过度养殖及不合理养殖变为不安全风险区，港口工业与城镇用海区因为钦州港围填海及工业污染物质的排放也变为不安全区。