基于投影尋蹤法的衡水湖濕地健康評價

張 浩，郭 勇，繆萍萍，李文君

(1.海河流域水資源保護局，天津 300170;2.河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250)

濕地在狹義上一般被認為是陸地與水域之間的過渡地帶;廣義上則包括沼澤、灘涂、低潮時水深不超過6 m的淺海區、河流、湖泊、水庫、稻田等。濕地具有凈化水源、蓄洪防旱、調節氣候和維護生物多樣性等重要生態功能，被稱為“地球之腎”。濕地是水陸相互作用形成的獨特生態系統，因此濕地的水文條件是濕地屬性的決定性因素。濕地水環境是由濕地中的水體、水中溶解物質、懸浮物、水生生物等各環境要素構成的綜合系統，為濕地水生生物生存、繁衍提供了棲息場所。近年來，濕地水環境退化逐漸成為影響濕地生態安全的主要因素，開展濕地健康評價，研究指導濕地保護工作，對促進濕地資源可持續利用具有重要意義。

我國濕地面積占世界濕地的10%，位居亞洲第1位，世界第4位。從寒溫帶到熱帶、從沿海到內陸、從平原到高原山區都有濕地分布。近年來，我國學者對濕地健康進行了大量研究。2009年張良等[1]分析了洪湖區濕地脆弱性的成因，并采取定量和定性相結合的方法對洪湖區濕地脆弱性進行評價。2010年王秀明等[2]運用模糊綜合評價模型對天津濱海新區濕地健康進行了診斷評價。朱智洺等[3]分析了沿海濕地生態系統健康的相關影響因素，構建了濕地生態系統健康預警指標體系。2011年劉曉曼等[4]設計了一套基于環境一號衛星CCD數據的自然保護區生態系統健康評價評價方法、指標體系和技術流程，同時選擇向海濕地自然保護區為示范區對其生態系統健康現狀進行了評價。劉艷艷等[5]全面總結了了國內外濕地生態安全評價的尺度、指標體系和方法研究進展。

1 濕地健康評價指標體系

濕地健康意味著濕地供水能夠得到保障，能夠維持濕地生態水位以及正常的水位波動;濕地生態系統能正常發揮功能，能實現濕地的最佳服務;濕地與周邊地區人類活動能夠形成良性互動。濕地健康是實現濕地服務功能的基礎，是開展濕地保護與管理工作的目的;濕地健康的理論為濕地保護與管理工作提供新的途徑和技術;良好的濕地健康狀況是周邊地區經濟社會可持續發展的重要支撐。筆者根據濕地健康的理論思想，結合衡水湖濕地實際情況，從水資源稟賦、濕地生態環境、人類活動3個指標集構建了衡水湖濕地健康評價指標體系(表1)。

衡水湖地處內陸，屬溫帶大陸性、半濕潤半干旱季風氣候，是我國濕地貧乏地區的代表性濕地。水資源稟賦中的指標主要反映衡水湖水質、水量的健康程度。衡水湖濕地自然保護區是我國鳥類保護的重要基地，同時對于調節當地氣候有重要作用，濕地生態環境中的指標主要反映衡水湖濕地的生態環境以及物種多樣性。人類活動中的指標反映了人類活動對于衡水湖濕地的正面影響以及負面影響。

采用的指標值數據來源于文獻[6-7]，對于指標標準值的制定采取以下兩種方式:對于DO、COD、BOD5、TP、TN、CODMn、NH3-N、透明度等指標，按照GB3838—2002《地表水環境質量標準》中的標準值劃分為5個等級;對于其他指標，結合衡水湖歷史曾出現過的最大值或最小值，均勻地劃分為5個等級。

2 投影尋蹤評價模型

采用投影尋蹤模型[8-10]對衡水湖濕地健康狀況進行評價。其基本算法步驟如下。

2.1 原始數據歸一化處理

定義濕地健康評價中各樣本各指標值的集合為

式中:x(i，j)為第i個樣本的第j個指標值;n為樣本的個數;p指標的個數。

表1 衡水湖濕地健康評價指標體系

表2 定性指標評分標準

對于指標值越大越優的指標采用式(2)進行歸一化:

對于指標值越小越優的指標采用式(3)進行歸一化:

影響沙集站發電效率的主要原因是相對水輪機工況發電時的水頭較低，要提高發電效率必須降低電機轉速。技術上主要有以下幾種方案:

2.2 構建投影指標函數

其中:

式中:z(i)為投影值;a(j)為單位向量;Q(a)為投影指標函數;SZ為z(i)的標準差;DZ為z(i)的局部密度;E(z)為序列z(i)的平均值;R為局部密度的窗口半徑，根據試驗，一般取0.1Sz;r(i，j)為樣本之間的距離;u(t)為單位階躍函數，當t≥0時，其值為1，當t＜0時，其函數值為0。

2.3 優化投影目標函數

當各指標值給定時，投影指標函數Q(a)只隨著投影方向的變化而變化，不同的投影方向反映不同的數據結構特征，而最大可能暴露高維數據某類特征結構的投影方向就是最佳投影方向。因此，可通過求解投影指標函數的最大化問題來估計最佳投影方向，繼而最大可能揭示高維數據某類特征結構。

這是一個以a(j)為優化變量的復雜非線性優化問題，采用遺傳算法[11-12]來解決其高維全局尋優問題。

衡水湖濕地健康指標值歸一化成果見表3，采用投影尋蹤模型對衡水湖濕地健康狀況進行評價，在各個等級區間隨機生成了100個樣本。按照遺傳算法優化投影方向，計算得到最優投影向量及健康等級劃分的一維投影值，結果見表4。

最優投影方向為:

a*=(0.280，0.247，0.233，0.071，0.258，0.041，0.164，0.274，0.228，0.096，0.105，0.153，0.301，0.112，0.153，0.274，0.246，0.275，0.301，0.117)

表3 衡水湖濕地健康指標值及歸一化成果

表4 衡水湖濕地健康等級劃分的一維投影值

按照a*計算衡水湖濕地健康指標的投影值為2.969，健康狀態為較健康，表明衡水湖濕地生態結構均衡，能夠維持自身恢復力和服務功能。濕地管理水平較高，人類活動對衡水湖濕地的壓力在其承載力范圍之內。

3 結語

基于遺傳算法的投影尋蹤評價模型能將高維數據通過最佳投影方向映射到低維空間，便于對濕地健康指標體系進行直觀的綜合評價。筆者對衡水湖濕地健康狀況的評價綜合考慮了各影響因素特性，對指標體系進行合理的等級劃分，結果表明衡水湖濕地處于較健康的狀態。該評價為衡水湖濕地的管理和保護工作提供了新的思路和科學依據。

在維護衡水湖濕地健康的工作中，應注重以下幾個方面。

a.做好引調水工作，保障衡水湖濕地水量。1994年引黃入冀工程實施以來，衡水湖共引黃河水6.26億m3，對于維護湖區正常生產生活用水，改善周邊環境起了重要作用。遇到干旱年份時，應適當延長引黃時間，保障衡水湖生態補水。

b.加大環境治理力度，增加環保資金投入。衡水湖主要污染源是湖內水生植物過度繁殖以及渠道徑流的匯入，因此一方面要及時收割湖內水生植物，清除底泥;另一方面要改善入湖水質，尤其要避免引黃水在引黃途中的二次污染。

c.提高衡水湖管理水平。要對衡水湖濕地進行定期、定點監測，監測項目應涉及水質、水體營養狀態、生物多樣性等方面，通過及時、準確、詳細的資料采集，在今后的工作中可以建立衡水湖濕地健康預警系統。

本文的研究對衡水湖濕地的保護進行了一定的探索，但仍存在不足之處。對于衡水湖健康的評價，由于資料所限，并沒有進行分區探討，在今后的研究中應當進一步完善。

[1]張良，李妲.洪湖濕地生態脆弱性研究[J].科學技術與工程，2009，19(14):4249-4251.

[2]王秀明，李洪遠，孟偉慶.基于模糊綜合評價模型的天津濱海新區濕地生態系統健康評價[J].濕地科學與管理，2010，6(3):19-23.

[3]朱智洺，馮步云，劉磊.沿海濕地生態系統健康預警指標體系的設計[J].生態與農村環境學報，2010，26(5):436-441.

[4]劉曉曼，王橋，孫中平，等.基于環境一號衛星的自然保護區生態系統健康評價[J].中國環境科學，2011，31(5):863-870.

[5]劉艷艷，吳大放，王朝暉.濕地生態安全評價研究進展[J].地理與地理信息科學，2011，27(1):69-75.

[6]衡水市環境監測站.衡水市環境質量報告書[R].衡水:衡水市環境監測站，2011.

[7]河北省人民政府.河北省統計年鑒[M].北京:中國統計出版社，2001-2011.

[8]FRIEDMAN J H，TURKEY J W.A projection pursuit algorithm for exploratory data analysis[J].IEEE Trans on Computer，1974，23(9):881-890.

[9]趙小勇，崔廣柏，付強.投影尋蹤分類模型在小流域治理效益評價中的應用[J].水利學報，2007(增刊):436-440.

[10]陳曜，丁晶，趙永紅.基于投影尋蹤原理的四川省洪災評估[J].水利學報，2010，41(2):220-225.

[11]楊曉華，楊志峰，沈珍瑤.水資源可再生能力評價的遺傳投影尋蹤方法[J].水科學進展，2004，15(1):73-76.

[12]封志明，鄭海霞，劉寶勤.基于遺傳投影尋蹤模型的農業水資源利用效率綜合評價[J].農業工程學報，2005，21(3):66-70.