基于多級灰關聯法的博斯騰湖水生態健康評價

劉　江，賈爾恒·阿哈提，程　艷，姜國強

1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052

2.新疆環境保護科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011

3.環境保護部華南環境科學研究所，廣東 廣州 510655

新疆博斯騰湖是中國最大的內陸淡水湖，是孔雀河的源頭和開都河的尾閭。對地處干旱區的新疆來講，博斯騰湖是極為重要的自然資源和經濟資源[1]。近年來，湖區周圍土地開墾面積、畜牧業發展規模及工業排污量的不斷增大，導致博斯騰湖部分湖區出現了水質惡化、水體咸化及局部水體富營養化的狀況，使湖泊水生態健康受到嚴重威脅[2]。合理評價博斯騰湖水生態健康狀況，對于掌握湖區水生態健康現狀，找出惡化原因，及時采取有效措施，維持和改善博斯騰湖生態健康有重要的指導意義。

由于水生生物觀測資料具有不連續性以及湖泊生態系統具有復雜性等特點，對湖泊水生生態的長系列評價較為困難。如何根據現有長系列監測數據合理評價湖泊水生態健康狀態十分必要。單因子水質評價通常能夠反映湖泊水質的好壞，水體富營養化程度是影響湖泊水生生物多樣性的重要指標，而多級灰關聯綜合評價方法的結果準確度要優于傳統的模糊評價法直接用最大從屬度作為評價結果的準確度，評價結果具有連續性，能更準確地反映系統狀況，特別適用于系統狀況變化不明顯的情況。同時該方法根據實測數據確定權重，減少了人為主觀因素的影響，使權重的確定更確切，較其他綜合評價方法更適用于較復雜的湖泊生態系統。為此，筆者將處理系統廣義不確定性問題的多級灰關聯理論引入系統綜合評價之中，將水環境子系統和水生態子系統的得分加權平均，并依據湖泊水生態系統健康綜合指數評估標準，得出博斯騰湖水生態健康綜合指數(EHCI)，從而實現對博斯騰湖的水生態健康狀況的綜合評估。

1　研究區域概況

博斯騰湖地處我國西北干旱-半干旱地區，位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內，平均海拔高度1 046 m，曾是中國最大的內陸淡水湖泊[3]。博斯騰湖既是上游開都河、黃水溝等水系的尾閭，又是下游孔雀河水系的源頭，相當于一個巨大的“調節水庫”，是開孔河流域的“心臟”(圖1)。博斯騰湖由大湖區、小湖區和葦沼區3部分組成，大湖水面面積為972.2 km2(水位1 048 m時)，小湖水面面積44.5 km2，葦沼面積約280 km2。博斯騰湖是巴音郭楞各族兒女的“母親湖”，它的存亡關系到巴州乃至新疆維吾爾自治區的經濟發展。

圖1　博斯騰湖流域地理位置圖

博斯騰湖流域也稱為開孔河流域，主要由開都河流域(也可稱為焉耆盆地，包含博斯騰湖泊濕地)和孔雀河流域組成[4]。流域范圍包括焉耆盆地及其外圍山區和塔里木河下游段以北的大部分地區，和靜縣、和碩縣、焉耆縣、博湖縣和庫爾勒市及新疆生產建設兵團所屬21～30團的10個農業團場。隨著該湖流域尤其是流域匯水區的社會經濟發展，博斯騰湖面臨的環境壓力越來越大，目前“水少、水臟、水咸”成為影響湖泊生態健康的主要問題。

2　評價指標體系與評價方法

2.1評價指標體系構建

采用生態系統健康結構和功能指標體系評價方法，建立由物理化學指標體系、生態指標體系2個二級指標體系組成的生態系統健康評價指標體系。其中，物理化學指標體系反映了博斯騰湖水環境質量狀況，生態指標體系反映了博斯騰湖水生態健康水平。將湖泊浮游植物數量、浮游動物數量、底棲動物生物量、細菌總數、浮游植物多樣性指數作為參考的生態評價指標，見表1。

表1　博斯騰湖水生態系統健康綜合評估指標體系

2.2評價方法和標準

采用多級灰關聯評價法[5-10]和綜合營養狀態指數評價法[11]，依據地表水環境質量標準和綜合營養狀態分級標準，對湖泊水環境子系統(理化指標)和水生態子系統(生態指標)分別給定指標分類標準，并參考自2001年以來的代表年浮游植物數量、浮游動物數量、底棲動物生物量、細菌總數、浮游植物多樣性指數等指標，計算博斯騰湖水環境及水生態系統評價得分及結果；再將水環境子系統和水生態子系統的得分加權平均，依據湖泊水生態系統健康綜合指數評價標準，得出博斯騰湖的EHCI值，以評估博斯騰湖的水生態健康狀況。各系統的評價分類標準見表2～表4。

表2　水環境子系統指標分類標準　mg/L

表3　湖泊營養狀態分級

表4　生態系統健康綜合指數分級

2.2.1水環境子系統評價方法

將多級灰關聯理論引入系統綜合評價之中，以此確定待評價系統的優劣。

首先對各指標進行歸一化處理。對評價指標的樣本矩陣和標準矩陣進行歸一化，得到歸一化的樣本矩陣和標準矩陣；將單因子水質級別與歸一化所得樣本矩陣中單因子測值建立函數關系，獲得水質因子與評價級別的映射關系。歸一化采用分段線性變化方法，對于數值愈大表明狀況愈嚴重的指標采用式(1)、式(2)進行變換。

(1)

(2)

對于數值愈小表明狀況愈嚴重的指標可采用式(3)、式(4)進行變換。

(3)

(4)

對于數值處于某一區間(x1，x2)內表明狀況愈嚴重的指標采用式(5)進行變換。

(5)

將單因子水質級別(Sij)與歸一化后的樣本矩陣(Am×n)中單因子測值建立函數關系，獲得水質因子與評價級別的映射關系。

Sji=c-(c-1)aji，aji∈[0，1.0]，Sji∈[1，c]

式中：n為監測樣本點的個數，m為監測指標的個數，c為標準級別數,Sij為單因子水質級別，CRc×m為標準矩陣，aij為樣本矩陣中的元素，bti為標準矩陣中的元素。

其次對系統綜合評價的主成分分析賦權。根據實際監測樣本這一賦權的基本信息源，求取反映系統內部各因子間關聯性的關聯信息矩陣，然后進行主成分信息的提取，由主成分分析計算關聯信息矩陣特征值的方差貢獻，利用關聯信息矩陣和主因子荷載矩陣建立回歸方程，得出系數向量的解，將其與對應的特征值的方差貢獻進行組合，得到環境因子的權重值，將得到的權重值歸一化得到最終的標準權重向量值。

1)計算關聯信息矩陣(Γm×m)

根據實際監測樣本求取反映系統內部各因子間關聯性的關聯信息矩陣。

Γm×m=Gm×nT×Gn×m+Im×m=

式中：Im×m為單位矩陣，γij為Γm×m中的元素，Gn×m為1.0與An×m之差的樣本信息矩陣，即：

2)提取主成分信息

主成分分析是利用關聯信息矩陣的主成分信息，提取系統中各因子的貢獻信息，從而由它們客觀的決定各因子權重。主成分分析的主要方法是求出Γm×m的特征值(λi)及對應的特征向量矩陣Q=(q1,q2,…,qm)，由此進一步確定主因子荷載矩陣(Dm×m)。

3)計算原始因子集權重

由于主因子荷載矩陣描述了原始因子和主因子間的聯系，由主成分分析計算Γm×m的λi的方差貢獻(Ei)。

再利用Γm×m和主因子荷載矩陣建立回歸方程。

將得到的權重值歸一化即得到最終的標準權重向量值(Wi)。

最后進行系統多級灰關聯綜合評價。求出樣本向量與標準向量指標的絕對差，計算樣本向量與標準向量的關聯系數，將權重與關聯系數組合計算出參考序列與被比較序列的關聯度。

為了使評價結果更準確，更具連續性，引入關聯差異度，以此反映監測樣本和各級標準之間的差異程度，數值越小，表明樣本與標準越相似。再以監測樣本與各級標準之間的灰色從屬度為權的加權關聯差異度表征環境監測樣本和標準之間的差異程度，構造目標函數，在求得環境對水的灰色從屬度后，進一步構造水質標準級別向量，得到環境評價的灰色綜合指數。計樣本向量與標準向量中第i個指標的絕對差[Δt(i)]為

Δt(i)=|aji-bti|

選用式(6)或式(7)計算樣本向量與標準向量第i個指標的關聯系數[ξi(aj,bt)]。

(6)

(7)

式中：ρ為分辨系數，0<ρ<1，一般ρ取0.5；aj為aij中第j列元素；bt為bti中第t行元素。

將權重與關聯系數用式(8)組合計算得到參考序列與被比較序列的關聯度[γjt(aj,bt)]。

(8)

用已監測樣本與各級標準之間的灰色從屬度(ujt)為權的加權關聯差異度來表征環境監測樣本和標準之間的差異程度[d(aj,bt)]，即：

為了綜合確定與環境標準最接近的環境級別，構造目標函數F(ujt)，全體監測樣本與標準之間的加權關聯差異度平方和最小，即：

構造拉格朗日函數，求滿足條件的極值，從而解得：

在求得環境第j個樣本對第t級水的灰色從屬度后，進一步構造水質標準級別向量：

ST=(1,2,…c)

則可得環境評價的值介于1和c之間的灰色綜合指數[GC(j)]為

2.2.2水生態子系統評價方法

主要是采用卡爾森綜合營養狀態指數法[TLI(∑)]，以葉綠素a的狀態指數TLI(chl-a)為基準，選擇并計算TP、TN、SD和CODMn的營養狀態指數，同TLI(chl-a)進行加權綜合，獲得評價水體的綜合營養狀態指數，并根據其湖泊營養狀態分級標準評定湖泊各年的營養狀態級別。

2.2.3生態健康綜合評價方法

將生態評價得分和理化評價得分加權平均，并依據湖泊水生態系統EHCI評價標準，得出博斯騰湖EHCI值，評價博斯騰湖的生態健康狀況。

3　數據來源與評價結果分析

3.1數據來源

數據主要來自2001—2010年博斯騰湖水質監測數據、《巴音郭楞統計年鑒》[12]和全國水資源調查評價的相關歷史資料。

3.2評價結果分析

3.2.1湖泊水環境子系統評價結果

博斯騰湖水環境子系統的評價結果見圖2，水環境子系統綜合評分見表5。由圖2可以看出，湖泊咸化未得到有效遏制，有機污染和營養鹽問題開始顯現，TSD指標是博斯騰湖理化指標中最差指標，其次是TN和CODMn，TN指標有向Ⅲ類水質發展的趨勢，CODMn開始突破Ⅱ類水質標準限值。

由表5可以看出，博斯騰湖水環境質量介于Ⅱ類水體與Ⅲ類水體之間，近年有向Ⅲ類水體惡化的趨勢。

圖2　博斯騰湖理化指標單因子歷年變化趨勢

表5　博斯騰湖理化指標綜合評價結果

3.2.2博斯騰湖水生態指標評價結果

根據博斯騰湖自2001年以來營養狀態相關參數值，運用TLI(∑)法評價博斯騰湖營養狀態等級結果，見表6。

表6　博斯騰湖營養狀態評價結果

由表6可以看出，自2001年以來博斯騰湖營養狀態為中營養水平，自2007年以來有向輕度富營養水平發展的趨勢。

3.2.3博斯騰湖生態系統健康綜合評價結果

依據EHCI評價方法得到博斯騰湖2001—2010年健康綜合指數趨勢見圖3，水生態健康綜合評價結果見表7。圖3顯示，EHCI指數呈一定的下降趨勢。表7顯示，自2001年以來博斯騰湖的生態系統健康狀態總體情況為中等。

圖3　博斯騰湖水生態系統健康綜合指數

表7博斯騰湖生態系統健康綜合評價結果

年份2001200220032004200520062007200820092010EHCI×10057595858565557555455健康狀態中等中等中等中等中等中等中等中等中等中等

3.3結論

依據博斯騰湖生態健康評價可知，博斯騰湖生態健康處于中等狀態。主要影響因素是TSD，這主要是由于近年來博斯騰湖面積一直處于萎縮狀態，湖泊進出水量不平衡所導致。由于湖泊水位持續下降，湖泊調蓄水功能減弱，TSD持續上升，而流域人口的持續增加，工農業產業結構的不合理導致湖泊生態環境日益變差，再加上流域土地過度開墾、濕地退化嚴重，污染負荷加劇，生態健康壓力變大，有機污染問題開始出現。

4　結語

對博斯騰湖的生態健康進行評價，可以為充分認識博斯騰湖生態健康狀況和可持續管理及保護提供理論依據。TSD較高是博斯騰湖流域水環境面臨的普遍而且嚴重的問題，博斯騰湖已經由淡水湖發展為微咸水湖，因此，大力發展水生植被，加強生物排鹽作用是改善博斯騰湖水生態健康的重要措施。調整流域產業結構，減少工農業污染，加快節水灌溉制度的實施，大力發展特色畜牧業及水產養殖業非常必要。

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