灘涂區(qū)海岸帶預警系統(tǒng)的研究

灘涂區(qū)海岸帶預警系統(tǒng)的研究

海灘也被稱為“海灘”。作為海岸帶的重要組成部分,是我國重要的后備土地資源,也是我國新興的開發(fā)地區(qū)。但是,伴隨著灘涂開發(fā),產(chǎn)生了一系列的問題,過度圍墾、城鎮(zhèn)化速度加快、灘涂面積急劇減少、農(nóng)業(yè)面源污染加劇、環(huán)境壓力加大。灘涂資源的利用與開發(fā)已經(jīng)引起了普遍的關注,環(huán)境安全問題成為當前社會可持續(xù)發(fā)展面臨的熱點問題。環(huán)境安全預警系統(tǒng)是對環(huán)境污染、生態(tài)破壞的警兆進行識別,通過監(jiān)測分析警源和警情變化,利用定性、定量相結合的預警模型確定其變化趨勢及速度,預先對某種長期或者突發(fā)性環(huán)境警情進行警報以達到保證環(huán)境安全目的的系統(tǒng)。伴隨著環(huán)境安全問題的產(chǎn)生和信息技術的發(fā)展而出現(xiàn),20世紀中上葉,環(huán)境公害事件頻發(fā)。為了防止此類事件的再度發(fā)生,早期的水、大氣污染預警系統(tǒng)逐步建立,并在歐美各國發(fā)揮了重要作用。近年來,利用網(wǎng)絡、GIS等先進的信息技術建立環(huán)境安全預警系統(tǒng)保障環(huán)境安全,已成為環(huán)境保護領域的研究熱點。Glasgowa等介紹了以魚類生理指標為警兆的海洋赤潮預警系統(tǒng),分析了警源對警情的貢獻率,進而修正了預報警度。陳國階、劉邵權等對環(huán)境預警理論進行了有益的探索。提出了環(huán)境預警的含義及預警步驟,為系統(tǒng)邏輯結構的建立提供了理論依據(jù)。構建完善的預警邏輯結構,能有效降低預測的不準確度,保證預警的有效性和準確性。海岸帶具有獨特的環(huán)境體系,其環(huán)境預警是預警理論的新領域,是在現(xiàn)代海岸帶經(jīng)濟快速發(fā)展、環(huán)境狀況日益惡化、不持續(xù)生產(chǎn)方式和生活消費方式對環(huán)境的反作用越來越強烈的情況下提出的。相對于快速發(fā)展的經(jīng)濟,海岸帶預警體系和理論相對滯后。由于灘涂區(qū)是新興工業(yè)開發(fā)地區(qū),環(huán)境預警顯得尤為重要。1人口密度和生物多樣性江蘇海岸線地處31°33′N～35°07′N,大陸海岸線長度953.8759km(標準海岸線長度,下同),粉沙淤泥質海岸長883.5651km,占總海岸長度的90%以上,灘涂面積51000km2,占全國灘涂總面積的24%,居全國之首。鹽城地處江蘇北部沿海平原,海拔高度不足5m,土壤多為壤質土、土植土和沙質土。年平均氣溫14℃左右,年降水量為1000mm左右。2005年末全市總人口796.51萬人,其中城鎮(zhèn)人口310.64萬人,人口自然增長率為2.2%,人口密度680人/km2,相對于人口密度大省江蘇全省,鹽城的人均密度較小。鹽城市是蘇北沿海欠發(fā)達地區(qū)之一,2005年GDP總量為760.9億元,城鎮(zhèn)居民可支配收入8059元,農(nóng)民人均純收入4037元。三次產(chǎn)業(yè)結構為:25.9∶41.3∶32.8。鹽城海岸灘涂濕地位于32°20′N～34°37′N,119°29′E～121°16′E,見圖1。該地區(qū)地處江蘇省中部沿海,鹽城沿海的5縣市人口密度處于較低的水平,最高的濱?？h人口密度574.63人/km2,遠遠少于江蘇全省的人口密度(719人/km2)。人口自然增長率響水縣最高(4.46‰),其次濱?？h(2.47‰),其余都低于全省的平均水平。大豐為零增長,東臺負增長,這些數(shù)據(jù)說明江蘇鹽城灘涂區(qū)域的人口壓力尚處于正常水平。從經(jīng)濟來看,鹽城沿海灘涂區(qū)域各縣市GDP總量較低,人均GDP均小于江蘇省的平均水平,最高的大豐市12781元比江蘇省的平均水平低1610元。第一產(chǎn)業(yè)比重除大豐市(29.01%)外,均大于1/3,遠高于江蘇全省10.53%的比重。表明鹽城沿海灘涂區(qū)域處于經(jīng)濟欠發(fā)達水平,農(nóng)業(yè)比重偏大,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對灘涂資源的利用影響較大。鹽城海岸帶是中國最重要的海岸帶濕地之一,生物多樣性極其豐富。隨著鹽城海岸帶濕地圍墾開發(fā),原來復雜多樣的自然植被大部分被農(nóng)作物、水域等取代,未被開墾的自然植被演替規(guī)律也受到一定干擾,導致區(qū)域生物賴以生存的生境條件發(fā)生改變。因此,研究鹽城市環(huán)境預警體系,對于制定科學的發(fā)展規(guī)劃,調整產(chǎn)業(yè)結構,建立協(xié)調發(fā)展的新型人地關系具有重要的現(xiàn)實意義。2數(shù)據(jù)收集和預警系統(tǒng)研究2.1基礎資料與調研數(shù)據(jù)來源有兩個方面,一是通過查閱文獻《江蘇50年》、《江蘇省統(tǒng)計年鑒2003》和《鹽城市統(tǒng)計年鑒1992～2005》獲取基礎資料,通過走訪鹽城市統(tǒng)計局、財政局、稅務局、環(huán)保局等單位對獲取的數(shù)據(jù)進行補充核實。二是于2005年5月8日～21日,到鹽城的大豐市、東臺、射陽縣實地調研。資料的整理和處理使用excel和spss10軟件。2.2從預警過程及評價的角度確定預警標準預警系統(tǒng)起源于軍事領域,形成了由明確警義、尋找警源、分析警兆和預報警度構成的預警邏輯結構。尋找警源是預警過程的起點,是對警情因素的定量分析。警源是產(chǎn)生警情的根源,從警源的產(chǎn)生原因和形成機制來看,主要有這樣兩類警源:外生警源和內生警源。外生警源,如圍墾養(yǎng)殖、外來人口的涌入、外來文化的沖擊;內生警源,如自然災害的發(fā)生、內部自然環(huán)境要素的惡化等。分析警兆是預警過程的關鍵,是對警情因素的定量分析。警兆是警情爆發(fā)之前的預先征兆。由警源這一“火種”到產(chǎn)生警情這一“火災”是一個過程,這一過程包含著警情的孕育、發(fā)展、擴大、爆發(fā)。警情在爆發(fā)之前必有一定的先兆,即必然有警兆,分析警兆及其報警區(qū)間便可預報預測警情。預報警度是預警系統(tǒng)構建的目的。警度是指警情與警兆的嚴重程度,即“危險點”或“危險區(qū)”的危險程度或強度,海岸帶環(huán)境預警的警度可劃分為無警、輕警、中警、重警若干等級。警限是衡量警度的尺度或標準。預警評價指標體系應滿足海岸帶可持續(xù)發(fā)展要求。國際國內對可持續(xù)發(fā)展評價指標研究較多,有綜合性指標如人類發(fā)展指數(shù)、人類活動強度指數(shù);也有單要素指標組成的指標體系,如經(jīng)濟合作與發(fā)展組織提出的環(huán)境指標以及從人口、資源、環(huán)境與經(jīng)濟協(xié)調發(fā)展研究設計的指標體系。這些指標主要針對大區(qū)域持續(xù)發(fā)展評價,而對預警評價特別是對灘涂區(qū)聚落預警評價針對性不強,灘涂新型開發(fā)區(qū)應該有一套獨特的預警評價指標體系。決定灘涂區(qū)環(huán)境發(fā)展變化的因素很多,其演變方向是由經(jīng)濟、社會、生態(tài)條件諸要素組成的多因素綜合體決定的。因此,確定預警指標、明確警限和確立預警模型是預警體系的3個重要部分。2.2.1外力作用的去干擾機理根據(jù)物質不滅定理,物質只能從一種現(xiàn)實轉變成另一種形式,在環(huán)境預警中,這條定理仍然使用。作為人類活動對環(huán)境施加的外力作用積累量減去被同化掉的部分(即凈化積累量),等于環(huán)境中該外力作用轉化為在T時與t時時的環(huán)境質量指標值相等:∫ΤlTl(p-c)dt=B′-B式中,P為外力強度;C為同化量;T為外力作用中止時間;t為外力作用初始時間;B為初始環(huán)境狀態(tài);B′為受影響后的環(huán)境狀態(tài)。海岸環(huán)境綜合指數(shù)公式:E=n∑i=1aiCiΙiE=∑i=1naiCiIi式中,E表示環(huán)境綜合指數(shù);a為去干擾參數(shù);C為加權值;I為但指標指數(shù)。2.2.2從綠燈到黃燈預警標準的制定采用生態(tài)環(huán)境質量指標,其分級見表1,當聚落生態(tài)環(huán)境質量下降,達到某一質量變化限度時,就可預警?？捎脛澐志瘏^(qū)的警度預報系統(tǒng)。根據(jù)前人的研究經(jīng)驗數(shù)值,將系統(tǒng)無警警限、輕警警限、中警警限依次確定為0.8,0.6,0.4。則系統(tǒng)警區(qū)分別為無警1.0>M≥0.8,輕警0.8>M≥0.6,中警0.6>M≥0.4,重警0.4>M≥0,相對應的信號為藍牌、綠牌、黃牌和紅牌。(1)綠燈表示環(huán)境系統(tǒng)協(xié)調,系統(tǒng)內部因素與期望值接近或好于期望值;(2)黃燈表示環(huán)境系統(tǒng)較好,在短期內有轉為不良狀態(tài)或趨于良好狀態(tài)的可能。政府及環(huán)保部門應采取注意對策,對警源、警兆、警情給予關注。首先要注意警情;其次要注意主要警情的原因。政府及環(huán)保部門應采取應急對策。實施應急預案,應急預案的編制與修訂應在黃燈亮時即開始著手進行。(3)紅燈則表示嚴重警告,表示環(huán)境系統(tǒng)處于惡劣狀態(tài),首先應及時采取強有力的措施,促使系統(tǒng)的趨善化,避免整個系統(tǒng)的崩潰。其次,要集中人力、物力、財力,重點解決最突出的問題。(4)由紅燈轉變?yōu)辄S燈,表示環(huán)境系統(tǒng)正逐步從不良狀態(tài)向良好狀態(tài)轉化,應進一步采取措施,使系統(tǒng)更趨于向良好狀態(tài)發(fā)展。(5)若從綠燈轉變?yōu)辄S燈,這就給我們發(fā)出警告,應及時調整調控措施,扭轉系統(tǒng)的趨變趨勢;政府及環(huán)境保部門應采取積極有效遏制警源、警兆、警情的發(fā)展勢頭。治理對策主要有:加大環(huán)境監(jiān)管力度;采取強有力的措施打擊環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境破壞行為;消除和控制主要警源、警情。2.2.3建立全球地理優(yōu)勢評價指標體系根據(jù)灘涂區(qū)的生態(tài)環(huán)境實際情況,利用主成分分析法選出對環(huán)境其主要影響的因子,建立海岸帶預警體系的預警指標(表1)。2.2.4根據(jù)評估報告指標的調整和準備階段(1)確定時間序列曲線鑒于所有預警指標都是隨時間變化的變量,首先將時間設為自變量X,將環(huán)境預警的具體指標變量設為因變量Y,利用時間序列曲線研究X與Y之間的變化關系。(2)自由度及回歸參數(shù)分別計算出不同曲線函數(shù)的R2統(tǒng)計量,自由度d.f.,常數(shù)項b0,回歸參數(shù)b1、b2、b3;然后分別繪出觀察值(實測值)和各種曲線函數(shù)預測值的變化曲線。(3)環(huán)境預測指標的擬合與預測值按照各曲線函數(shù)分別建立各自的預測模型,進行回歸分析,預測未來年度的指標值,然后對各種曲線預測數(shù)值進行疊加,就得到了鹽城市沿海各縣(市)1991～2005年環(huán)境預警指標的擬合與預測值。(4)直線模型預測的方法利用專家模糊評價來修正指標預測值。具體公式如下:Μt=xt+xt=1+xt=23Mt=xt+xt=1+xt=23Μt=Μt+Μt=1+Μt=23Mt=Mt+Mt=1+Mt=23at=2Mt-Mtbt=2n-1(Μt-Μt)?xt=Τ=at+btΤ式中,Mt、Mt分別為一次平均移動值和二次平均移動值;n為移動周期;T為預測程(這里T=1);at表示直線模型截距參數(shù);bt表示直線模型率參數(shù)。?x專家=0.7核心組均值+0.3非核心組均值;修正預測值=(模式定量預測值+專家模糊評價值)/23以主因子為因素的環(huán)境因子的歸一化鹽城海岸帶是全國最大的灘涂濕地,20世紀90年代以來,灘涂被大量開發(fā)利用,屬于新興開發(fā)海岸。農(nóng)業(yè)開發(fā)利用的基本模式是養(yǎng)殖—田(或稻田)—麥(或菜地)。研究鹽城灘涂區(qū)環(huán)境預警具有顯著的代表意義。海岸帶環(huán)境預警指標體系包含多個層次,且每個層次末端有眾多具體指標,這給計量帶來不便。另外,由于本研究采用的數(shù)據(jù)為客觀統(tǒng)計數(shù)據(jù),而非主觀社會調查獲得的數(shù)據(jù)。我們利用收集1995～2005年的鹽城資料建立數(shù)據(jù)庫,標準化后輸入數(shù)據(jù)庫,利用spss10.0軟件中相應的主成分分析法、層次分析法、二次曲線預測法結合專家模糊預測法求出鹽城海岸帶環(huán)境指標及子系統(tǒng)和指標層的權重、各指標2006～2015年的預測值。利用相關系數(shù)求得子系統(tǒng)之間的干擾參數(shù),并修正各加權值(見表2)。由于各評價指標對應的原始數(shù)據(jù)量綱不同,首先對其進行標準化處理,即轉化為年增長率百分比(%)。①項目指標因子得分系數(shù)表示了變量與因子的相互關系,系數(shù)越大,說明該變量與因子的關系越密切,其對因子的貢獻越大,所應賦予的權數(shù)也越大。然后對其進行歸一化處理得到,各變量對主因子的權重集。同理可得出其它項目因子的變量權重集。②最后利用spss再對項目因子進行因子分析,假定主因子數(shù)為1,得到各項目因子對主因子的載荷模型,逐步對所獲得的各因子得分系數(shù)進行歸一化處理,得到各項因子對海岸帶環(huán)境重要性的權重集。根據(jù)以上計算方法,結合實際統(tǒng)計資料,獲得鹽城市海岸帶環(huán)境質量評價的權重值(表3)。首先對各單項預警指標進行極差標準化處理,求得預警指數(shù)值。1)對于正向指標(越大越好的指標),取1991～2004年中數(shù)值最大者為1分,最小者為0分。標準化數(shù)值=(當前值—最小值)/(最大值—最小值)2)對于逆向指標(越小越好的指標),取1991～2004年中數(shù)值最小者為1分,最小者為0分。標準化數(shù)值=(當前值—最大值)/(最小值—最大值)然后將各單項預警指標的標準化數(shù)值帶入公式E=n∑i=1aiCiΙi,得到環(huán)境預警各指數(shù)和系統(tǒng)預警指數(shù),對應系統(tǒng)不同的警限,即可判斷出系統(tǒng)不同年度的警情狀況及變化趨勢。利用相應求得生態(tài)環(huán)境指標指數(shù)、社會環(huán)境系統(tǒng)指標指數(shù)和鹽城海岸帶綜合環(huán)境指數(shù)。結果如圖2所示。研究表明(圖2),鹽城社會環(huán)境指數(shù)逐步提高,從2003年起進入到輕警區(qū),說明鹽城社會經(jīng)濟近年來有了長足的發(fā)展,這主要體現(xiàn)在人均收入指數(shù)從1995年的0.11上升到2005年的0.789,第三產(chǎn)業(yè)指數(shù)有了較大的進步,恩格爾指數(shù)等繼續(xù)下降。住房條件不斷改善。這是灘涂開發(fā)對社會的貢獻。而生態(tài)環(huán)境污染指數(shù)則不容樂觀。從1995年的0.9降到2005年的0.5左右,已進入重警的范圍,從預測值來看將在2010年逐步達到重警的上限。這從分說明鹽城社會經(jīng)濟的發(fā)展存在犧牲環(huán)境利益的基礎上取得的,總體上經(jīng)濟的發(fā)展粗放經(jīng)營比較明顯。主要表現(xiàn)是化肥、農(nóng)藥、柴油的使用量不斷上升,重金屬含量不斷增加,工業(yè)廢水排放居高不下(指數(shù)在2005年達到0.21);灘涂開發(fā)力度偏大,農(nóng)戶經(jīng)濟行為不盡合理。從綜合環(huán)境指數(shù)來看,鹽城海岸帶環(huán)境尚無重警出現(xiàn),但除去個別年份在輕警范圍中,其余大部分時間均處在中警區(qū),環(huán)境壓力依然不容忽視。近年來,鹽城政府也認識到了環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展的矛盾,加大了環(huán)境治理力度,基本遏制了環(huán)境惡化的趨勢。針對鹽城海岸帶的環(huán)境警情現(xiàn)狀和預測值,鹽城的社會經(jīng)濟發(fā)展和沿海灘涂開發(fā)必須徹底轉變過去粗放式的開發(fā)模式,加大環(huán)境保護和治污力度,科學規(guī)劃和安排灘涂的開發(fā)力度,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構,大力發(fā)展對環(huán)境壓力較小的高新加工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)中的物流、港口轉運、生態(tài)旅游等產(chǎn)業(yè),逐步減小高占地、高污染的重污染工業(yè),科學利導農(nóng)戶經(jīng)濟行為,逐步實現(xiàn)鹽