太湖藍藻水華災害程度評價方法

劉聚濤,高俊峰,趙家虎,黃佳聰,姜加虎(.中國科學院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 20008；2.中國科學院研究生院,北京 00049)

太湖藍藻水華災害程度評價方法

劉聚濤1,2,高俊峰1*,趙家虎1,2,黃佳聰1,2,姜加虎1(1.中國科學院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008；2.中國科學院研究生院,北京 100049)

通過對太湖藍藻水華災害分析,借鑒赤潮災害評價指標,采取藍藻水華面積和Chla濃度作為災害程度分級評價指標,應用層次分析法確定權重,結合隸屬度函數,采用模糊綜合評價建立太湖藍藻水華災度分級評價方法,定量描述藍藻水華災害程度.結合2008年太湖藍藻水華災害事件對該方法進行驗證.結果表明,2008年太湖藍藻水華災害規模主要為小型、中型和大型,無重大和特大藍藻水華災害發生;其中小型藍藻水華災害在各月都有分布,中型和大型藍藻水華災害主要分布在5月和7～9月.評價結果表明該方法具有一定的科學性和適用性.

藍藻水華災害；災害程度；評價方法；太湖

Abstract：Referring to the indices of red tide hazard evaluation, cyanobacteria bloom area and Chla concentration was took as evaluation indices and a hazard degree evaluation method was established based on the analysis of cyanobacteria bloom hazard in Taihu Lake. AHP method was applied to determine the weights and fuzzy comprehensive evaluation method was adopted to quantitatively estimate the hazard degree. Cyanobacteria bloom hazards in Taihu Lake in 2008 were evaluated through the above method. The hazards of Taihu Lake in 2008 were mainly small, medium and large, and there were no significant and serious cyanobacteria bloom. In the different hazards, the small hazard distributed each month, and the medium and large hazards were mainly distributed in May and from July to December. The evaluation method could be successfully applied in the scientific research and field operation.

Key words：cyanobacteria bloom hazard；hazard degree；evaluation method；Taihu Lake

從20世紀80年代后期開始,太湖北部的梅梁灣頻繁暴發藍藻水華[1-2],2000年以來,藍藻水華的持續時間增加,幾乎全年都有發生.2001年開始,南部沿岸藍藻水華頻發,且集聚面積逐年擴大,持續時間越來越長.2003年之后,藍藻水華開始向湖心擴散[3].

災害程度分級是災害預防和災后減災措施實施的重要依據.目前對于藍藻水華的研究多集中于其發生機理研究[4-7],尚未有關于藍藻水華災害程度分級標準及評價方法的研究.本研究采用藍藻水華面積和Chla濃度作為災害程度分級評價指標,應用層次分析法確定權重,結合隸屬度函數,采用模糊綜合評價建立太湖藍藻水華災度分級評價方法,并以2008年太湖部分藍藻水華災害事件驗證該評估方法的適用性,定量描述藍藻水華災害程度,為藍藻水華預防、減災提供依據.

1 太湖藍藻水華災害程度評價方法

1.1太湖藍藻水華災害程度評價指標體系

借鑒與藍藻水華災害性質和類型相似的赤潮災害研究成果確定藍藻水華災害程度評價指標體系.在赤潮災害評價中,通常采用赤潮面積、中毒人數和經濟損失3個指標來劃分[8-9].與赤潮災害相比,藍藻水華暴發時,對人類直接影響是藍藻水華堆積腐爛形成異味,嚴重時可能導致湖區水廠停水,造成飲用水源危機,而在其他情況下,藍藻水華暴發的直接影響是湖泊水環境和水生態惡化,因此,在藍藻水華災害評價僅選取藍藻水華面積為評價指標.同時,Chla可表征水體藻類的生物量大小和水華暴發的趨勢[10-11],因此,采用藍藻水華面積和Chla濃度2個指標來對藍藻水華災害程度進行評價.

1.2太湖藍藻水華災害程度分級標準

1987～2003年,太湖Chla濃度1987年最低(7mg/m3),1990年最高(43mg/m3),其中1993,2000, 2002年分別為30,39,33mg/m3,其他年份都小于30mg/m3[12-16].根據太湖藍藻水華面積調查,并結合實地調查資料和數據,同時征詢不同專家意見,對太湖藍藻水華災害進行分級,如表1所示.

表1 太湖藍藻水華災害程度分級體系Table 1 Grading system of cyanobacteria bloom hazard degree in Taihu Lake

1.3權重確定方法

采用層次分析法(AHP)[17]確定權重.在專家確定法的基礎上,進行數學分析,判斷最大特征值的一致性,當一致性檢驗值(CR)＜ 0.10時,認為層次總排序結果具有較滿意的一致性并接受該分析結果,從而確定指標的權重.

1.4隸屬度函數

以隸屬度大小表達隸屬度資格時,隸屬度數值愈大,隸屬資格愈高.常用的求隸屬度方法為隨等級升高因子標準數值增大的因子用“降半梯形分布圖”法[18-19],評價因子相應于不同級別的隸屬度函數表達式如下.

式中: rij表示因子i對j級藍藻水華災害程度的隸屬度; Ci表示第i個因子的實測指標;Sij表示第i個因子的第j級標準值.

1.5綜合評估模型

在確定單因素模糊評價矩陣R和權重集W之后,采用模糊綜合評價方法[18-19]進行計算.

B=W·R=[b1,b2,…,bm] (4)

根據最大隸屬度原則,若bj=max(b1,b2,…,bm),則評價對象級別應該為第j級.

2 太湖藍藻水華災害程度評估實例

2.1數據

藍藻水華面積通過頻率為每天1次的分辨率為250m×250m的MODIS遙感影像,采用近紅外波段Band2＞0.1,并且Band2/Band4＞1的方法[20]提取.Chla濃度來源于太湖生態站每周2次常規監測數據,根據藍藻水華預報模型[21]模擬監測日期后2～3d的Chla濃度分布,結合遙感影像統計藍藻水華面積范圍內Chla濃度,并計算其均值,從而確定該天藍藻水華暴發時Chla濃度.

2.2權重確定

在太湖藍藻水華災害評價指標的基礎上,通過藍藻水華面積和Chla濃度指標的對比,構造判斷矩陣,該矩陣的一致性檢驗值CR為0.0000＜0.10,權重的確定具有可信性,太湖藍藻水華災害指標中,藍藻水華面積、Chla濃度權重分別為0.69,0.31.則太湖藍藻水華災害指標權重的矩陣為:W=[0.69 0.31].

2.3隸屬度函數計算

由于隸屬度函數無法對沒有上限的分級進行評價,因此對于特大災害的隸屬度的確定存在一定問題.根據藍藻水華暴發狀況,分別設1200km2和150mg/m3作為面積和Chla濃度的上限,如果超過該數值,則對于特大災害的隸屬度為1,其他災害級別的隸屬度為0;若面積屬于(900,1200]范圍內和Chla濃度位于(120,150]區間,則分別計算該指標對于重大藍藻水華災害和特大藍藻水華災害的隸屬度.

以2008年5月5日為例,藍藻水華面積為462 km2, Chla濃度為107.8mg/m3,根據模糊綜合評價模型中隸屬度函數,藍藻水華面積指標分別隸屬于中型藍藻水華災害和大型藍藻水華災害,Chla濃度分別隸屬于大型藍藻水華災害和重大藍藻水華災害,采用式(1)～式(3)分別計算藍藻水華面積和濃度的隸屬度,則2008年5月5日實測指標隸屬度矩陣為:

2.4太湖藍藻水華災害程度評估

根據模糊綜合評價方法,采用W=·BR計算各次藍藻水華災害事件對各級別災害的隸屬度.2008年5月5日的模糊綜合評價結果為:

根據最大隸屬度原則,2008年5月5日藍藻水華災害應屬于中型藍藻水華災害.

其他日期藍藻水華災害事件計算方法相同.根據評價結果,結合最大隸屬度原則,2008年不同類型藍藻水華災害評價結果見表2.由表2可見,2008年太湖藍藻水華災害程度主要為小型、中型和大型藍藻水華災害,并無重大和特大藍藻水華災害發生.這可能是由于2007年5月份太湖藍藻水華災害發生后,太湖流域采取了如人工撈藻、引江濟太等措施[22]來削減和稀釋太湖藍藻水華暴發所需營養物質濃度,同時,采取一定的措施來密切關注和監測藍藻水華狀況,一定程度上減小了大面積藍藻水華災害發生的機率和風險,因此2008年藍藻水華災害規模并無重大和特大型藍藻水華災害.

表2 2008年不同類型藍藻水華災害程度評價結果Table 2 Evaluation of different types of cyanobacteria bloom hazard degree in Taihu Lake in 2008

根據2008年4～9月太湖藍藻水華災害統計結果(表3),小型藍藻水華災害在各月都有分布,中型和大型藍藻水華災害主要分布在5月和7～9月.4月份,太湖藍藻水華屬于復蘇階段[7],藍藻生物量處于增加階段,并且溫度相對較低,藍藻水華災度較小;由于太湖流域受季風氣候影響,6月份多陰雨天氣,降雨量較大,太湖水位相對較高,對藍藻密度具有一定的稀釋作用,一定程度上減小了藍藻大規模聚集的程度,因此6月份藍藻水華災度較小;5月、7～9月,由于藻類生物量較大,并且有適合藻類生長的溫度,因此藍藻水華災害災度相對較大.

表3 2008年藍藻水華災害類型統計Table 3 Temporal distribution of different types of cyanobacteria bloom hazards in Taihu Lake in 2008

3 結語

借鑒赤潮災害分級評價指標,通過對藍藻水華災害指標分析,確定太湖藍藻水華災害程度分級的標準以及評價方法,并采用2008年太湖不同類型藍藻水華災害對該方法進行驗證.結果表明,2008年太湖藍藻水華災害程度主要為小型、中型和大型,無重大和特大藍藻水華災害發生,其中小型藍藻水華災害在各月都有分布,中型和大型藍藻水華災害主要分布在5月和7～9月.該評價結果表明該方法具有一定的科學性和適用性.

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Method of cyanobacteria bloom hazard degree evaluation in Taihu Lake.

LIU Ju-tao1,2, GAO Jun-feng1*, ZHAO Jia-hu1,2, HUANG Jia-cong1,2, JIANG Jia-hu1(1.Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：829～832

X524

A

1000-6923(2010)06-0829-04

劉聚濤(1983-),男,河南舞陽人,中國科學院南京地理與湖泊研究所博士研究生,主要研究生態環境災害評估.發表論文4篇.

2009-11-16

國家“973”項目(2008CB418106);中國科學院知識創新工程重大交叉項目(KZCX1-YW-14-6);水專項(2008ZX07101-014);江蘇省科技廳太湖水污染治理科技專項(BS2007162).

* 責任作者, 研究員, gaojunf@niglas.ac.cn