基于集對分析模型評價大遼河口生態系統健康*

邵志芳， 胡 泓， 李正炎， 鄭云云

(中國海洋大學環境科學與工程學院， 山東 青島 266100)

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基于集對分析模型評價大遼河口生態系統健康*

邵志芳， 胡 泓**， 李正炎， 鄭云云

(中國海洋大學環境科學與工程學院， 山東 青島 266100)

根據2010年豐水期和平水期的大遼河口區水質、沉積物、浮游生物以及底棲生物的調查結果，采用層析分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)建立評價指標體系并確定各指標權重值；依據集對分析理論(Set Pair Analysis,SPA)，建立集對分析模型(Set Pair Analysis Model, SPAM)；應用SPAM對調查數據進行計算和分析，確定河口區生態健康等級分級標準并對大遼河口生態系統的健康狀況進行評價。評價結果表明：在豐水期研究區20個調查站位中，生態系統健康(Ⅱ級)及亞健康(Ⅲ級)的站位數分別為7個和11個，不健康(Ⅳ級)的站位數為2個；在平水期，14個站位為亞健康狀態(Ⅲ級)，6個站位為不健康狀態(Ⅳ級)?？傮w上，大遼河口生態狀況為亞健康。本研究首次提出應用集對理論對大遼河口生態健康狀況進行評價，將定性認識與定量描述相結合，確保了評價結果的客觀合理性。

大遼河口； 河口健康評價； 集對分析； 集對分析模型

河口位于河流與海洋的交匯處，在降雨、地表徑流、海洋及人類活動等多種因素的綜合影響下，河口生態系統承載著較大壓力[1]。在潮汐河段及入?？趨^域，河流與近海海水中的污染物質在此匯集、摻混并相互作用，對河口及近海區的生態系統構成一定程度的威脅[2]，致使該區域水環境質量下降，生物多樣性降低。本文通過對2010年豐水期和平水期大遼河口區河流段及近海區的水質、底質和水生生物的調查結果進行分析，采用層次分析法(AHP)建立了大遼河口生態系統的健康評價指標體系[3]，并應用集對分析模型(SPAM)對大遼河口區生態系統在不同時期的健康狀況進行分析評價，為及時掌握大遼河口生態健康狀況并為河口水環境管理提供理論依據。

1 研究區域及數據來源

1.1 研究區域概況

研究區域為遼寧省南部大遼河潮汐河段及河口近海區，位于122°05′E～122°26′E，40°40′N～41°01′N，屬暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候，年平均氣溫8.30 ℃，年平均降水量611.6～640.0 mm。大遼河發源于遼寧的三岔口，由渾河與太子河匯合而成，全長96 km，多年平均年徑流量為7.715×109m3，占遼東灣入海徑流量的55.32%。大遼河口屬非正規半口潮區，平均潮差為2.71 m，最大潮差4.17 m，為強潮河口[4]。

大遼河口及毗鄰海域是中國重要的生態經濟水域，隨著經濟的發展以及人類活動的干擾，致使該區域的水環境污染日益加重，河口生態系統的生態健康面臨威脅[5]。

1.2 樣品的采樣與分析

1.2.1 采樣站位和時間 調查區域設置在大遼河口河流段及近海區，共布設20個調查站位(見圖1)，其中S1～S10位于河流段，A1～A3、B1～B4和C1～C3位于河口近海區。調查時間為2010年的6月19～29日(豐水期)和8月31日～9月5日(平水期)。調查站位的設置依據《水環境監測規范》(SL219-98)[6]及《近岸海域環境監測規范》(HJ442-2008)[7]的相關規范進行。

圖1 大遼河口生態調查站位分布示意圖

1.2.2 樣品的采集與分析 根據站位布設位置情況，按照《水環境監測規范》(SL219-98)和《海洋監測規范》(17378-2007)，分別采集、測定分析河流段與近海區的水質、生物及沉積物樣品[8]。

(1)水樣的采集及分析：

①溫度、鹽度和pH 采用便攜式水質儀進行現場測定。

②溶解氧、懸浮物(SS)和石油類 單獨采樣測定[6]。溶解氧：注入1.0 mL氯化錳溶液和1.0 mL堿性碘化鉀溶液固定后，采用碘量法測定；石油類：用正己烷現場萃取，4 ℃冷藏后，采用紫外分光光度法測定；懸浮物：水樣定容后，采用重量法測定。

③高錳酸鹽指數(CODMn) 水樣中加入H2SO4調整pH<2，4 ℃冷藏，采用高錳酸鉀法進行測定。當氯離子含量小于300 mg/L時采用酸性高錳酸鉀法，反之采用堿性高錳酸鉀法[9-11]。

⑦總磷(TP) 水樣中加入H2SO4使pH≤2，4 ℃冷藏。鹽度小于5%的水樣中總磷(TP)采用鉬酸銨分光光度法測定[6]；鹽度大于5%的水樣中總磷(TP)采用過硫酸鉀氧化法測定[11]。

(2)沉積物的采集與分析：

①硫化物 樣品置于棕色廣口玻璃瓶內，在4 ℃冷藏，采用亞甲基藍分光光度法測定[13]。

②有機碳 樣品4 ℃冷藏，水體鹽度小于5%的區域中有機碳采用燃燒氧化-非色散紅外吸收法測定[14]；水體鹽度大于5%的區域中沉積物有機碳采用重鉻酸鉀氧化-還原容重法測定[13]。

③重金屬Cu、Pb、Cr和Zn 樣品在4 ℃冷藏，水體鹽度小于5%的區域中重金屬采用無火焰原子吸收分光光度法測定[15]；水體鹽度大于5%的區域中重金屬采用火焰原子吸收分光光度法測定[13]。

(3)浮游生物和底棲生物的采集與分析：分別使用拖網法和采泥器采集[16]。生物樣品冷凍至-10～-20 ℃保存帶回實驗室進行分類鑒定、計數和稱重，同時計算多樣性指數、豐富度指數和均勻度指數[17-20]。

1.2.3 質量控制 樣品采集、保存、運輸、分析及質量保證按照《水環境監測規范》(SL219-98)和《海洋監測規范》(17378-2007)的相關要求進行[8,21]。

2 評價方法

2.1 指標體系、指標權重以及分級標準

其次，運用AHP將16個評價指標按其組織水平和屬性劃分層次，構建河口生態系統的健康評價指標體系(見表1)。

2.1.2 計算各層次指標的權重值 將該體系的同一層次中的各要素以所隸屬的上一層要素為準則進行兩兩比較，得到判斷矩陣，對判斷矩陣進行層次排序和一致性檢驗[22-24]。

經上述計算確定：(1)水環境質量及其指標層中各項指標的權重值，如水環境質量的權重值為0.637，指標層中TP的權重值為0.11；(2)生物質量及其指標層中各項指標的權重值，如生物質量的權重為0.258，指標層中浮游植物生物多樣性指數的權重值為0.254；(3)沉積物質量及其指標層各指標的權重值，如沉積物質量的權重值為0.105，指標層中Pb的生態危害指數的權重值為0.427(見表1)。

2.1.3 確定分級標準 參照國內外相關研究成果[25]，將水生態系統的健康狀況劃分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級，分別對應“很健康、健康、亞健康、不健康和病態”。為保證評價結果的科學性和可比性，本研究中各評價指標也采用該5個等級劃分方法。

參照《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)和《海水水質標準》(GB3097-1997)中各指標的五類標準，建立相對應的水質健康評價的五級標準。

表1 大遼河河口生態系統健康評價指標體系、指標權重及分級標準

Note:①Target layer;②Criterion;③Level weights;④Index layer;⑤Grading;⑥Very heathy;⑦Healthy;⑧Sub-healthy;⑨Unhealthy;⑩Morbid state

結合專家意見及參照文獻[26-29]，分別采用生物健康評價及沉積物重金屬健康風險評價的五級標準。近年來，針對河口區的生物及沉積物的健康評價已廣泛采用五級標準，如在長江口[30-31]以及海河河口[32]的生態健康評價中采用了生物健康五級標準；華爾等[33]及安立會等[34]分別對長江河口和渤海灣河口沉積物重金屬污染評價中采用了重金屬健康風險評價的五級標準。綜上所述，健康評價指標的分級標準如表1所示。

2.2 集對理論簡介

集對理論(SPA)將研究對象構成有一定聯系的集對，用聯系度μ定量描述集對中不同對象之間的同一、差異、對立關系[35-37]。對于集對H=(A,B)分析得到N個特性，其中，為A和B共有的特性個數為S；為兩個集合對立的特性個數為P，其余F個特性既不相互對立又不為這兩個集合共有[38]。用聯系度μ描述集對H，則有：

(1)

式(2.2-1)可簡寫為

μ=a+bi+cj

(2)

式中：μ為聯系度，又稱為多元聯系數；a為同一度；b為差異度；c為對立度，通稱為聯系度分量，a，b，c∈[0,1]，且a+b+c=1[39]；i∈[-1,1]為差異度系數，其值越接近0表示系統的不確定性越大；j為對立度系數，為定值-1[36]，表示對立度c與同一度a相反。

根據實際研究對象的不同，可將式(1)作不同層次的展開，得到多元聯系數：

(3)

或簡寫為：

μ=a+b1i1+b2i2+…+bn-2in-2+cj

(4)

2.3 河口生態系統健康評價的集對分析模型

首先定義評價對象為H，H={M,B}；M={mq}；B={Bn}。

其中：M={河口生態系統健康評價的指標體系}；B={河口生態系統的健康等級}；Bn表示第n級健康等級；m代表準則層各要素；mq代表準則層中第m個要素下的第q個指標；mq的實際測量值為tmq。建立河口生態系統健康評價的集對分析模型，過程如下[40]：

(1)指標層mq的n元聯系數：

μmq=rmq1+rmq2i1+rmq3i2+…+rmq(n-1)in-2+rmqnj

(5)

其中：rmqn是mq相對Bn的聯系度分量；i1，i2，…，in-2代表指標與從二級到(n-1)級標準的差異度系數；j=-1為對立系數即n級標準的對立系數。μmq具體計算公式詳見表2。

表2 n元聯系數的計算方法

Note：*成本型指標：在一定范圍內實測值越小，健康等級越高。Cost Index:within a certain range,the smaller the measured numbers the higher the level of health.**效益型指標：在一定范圍內實測值越大，健康等級越高[41]。Efficiency index:within a certain range,the larger the measured numbers,the higher the level of health.

(2)準則層m的n元聯系數：

μm=rm1+rm2i1+rm3i2+…+rm(n-1)in-2+rmnj

(6)

(3)目標層的n元聯系數：

μ=r1+r2i1+r3i2+…+r(n-1)in-2+rnj

(7)

(4)聯系數值的計算及等級劃分：

由于μ∈[-1,1]，將此區間(n-1)等分，當in-2,in-1，…，i2,i1從左至右依次取(n-1)個分界點值及j=-1時所得到的n元聯系數的值稱為n元聯系數μ的主值。再將[-1,1]區間n等分，則等分區間從右至左依次分別對應B1,B2，…，Bn，將得出的μ值和各個健康等級對應的區間范圍進行對比，即可得到河口生態系統得健康等級。

3 計算及分析

3.1 集對模型計算

運用本文2.3中建立的集對分析模型，按照指標層、準則層和目標層的順序，對所建立的評價指標體系逐層計算。首先，計算得到指標層中各指標的聯系數(見表4)；其次，結合各指標的聯系數與其對應的權重值按照式(6)計算得到準則層的水環境質量、生物質量和沉積物質量的聯系數；最后，將水環境質量、生物質量和沉積物質量的聯系數與相對應的權重值按式(7)計算得到目標層即大遼河河口生態系統健康狀況的聯系數。

本文將健康等級分為5個級別，即2.3中的n的值為5。根據均分原則將區間[-1,1]進行4等分，得到i1=0.5，i2=0，i3=-0.5和j=-1，將其依次代入聯系數公式后計算得到目標層和準則層的五元聯系數值，將聯系數值與健康等級區間(見表3)進行比較，得出每個站位的水生態系統的健康等級及準則層各要素的健康等級，如表4與圖2所示。將[-1,1]這個區間均分為5個部分，從左至右依次對應“病態、不健康、亞健康、健康和很健康”5個等級，如表3所示。

3.2 結果分析與討論

集對分析法將綜合表征河口生態系統健康的指標與健康評價標準構成一個集對，通過分析其同異反聯系，定量計算出不同組織水平的河口生態健康程度。這種評價方法將不確定性轉化為數學問題進行定量計算，評價過程客觀合理，評價結果適用性強，在一定程度上消除了評價的主觀性和片面性，可作為現有生態健康評價方法的有效補充。

3.2.1 水環境質量的健康狀況分析 河口區的水環境質量存在季節性差異已得到證實[42]。在豐水期(見圖2(a))，大遼河口50%的調查站位的水環境質量為健康(Ⅱ級)，其余為亞健康(Ⅲ級)；在平水期，50%的調查站位的水環境質量為不健康(Ⅳ級)，45%為亞健康(Ⅲ級)?？傮w上，研究區域豐水期的水環境質量優于平水期，這是因為豐水期降雨量豐富，水量的增加對污染物起到一定的稀釋作用。水環境質量以較高的權重值對大遼河口生態健康評價結果的起著決定性作用(見表1)。

表3 健康等級及分級標準

表4 豐水期和平水期各站位評價體系中準則層和目標層的聯系數值

Note:①Stations；②The contact numerical value;③Project;④Criterion layer;⑤Target layer;⑥The water environment quality;⑦Brological quality;⑧Sediments;⑨Daliao river estuarine ecosystem;⑩Abundalt season;Medium season

((a)水環境質量的健康狀況；(b)生物質量的健康狀況；(c)沉積物的健康狀況；(d)大遼河口生態系統的綜合健康狀況。(a)The health of water environmental quality；(b)The health of biological quality;(c)The health of sediments;(d)The comtrehensive health of the Daliao river estuarine ecosystem.)

圖2 各站位準則層及目標層的健康等級

Fig.2 The health levels of all stations’ criterion layer and target layer

在豐水期和平水期，研究區域的水環境健康狀況均呈現出地域性差異(見圖2(a))。調查河段上游(S10-S9)和下游(S4-S1)的健康狀況較好，中游(S8-S5)的健康狀況次之。在豐水期，上游和下游均呈健康狀態(Ⅱ級)，中游為亞健康；在平水期，上游和下游均為亞健康(Ⅲ級)，中游為不健康(Ⅳ級)。河流上游所處區域人口密度小，為蘆葦濕地及稻田耕作區，污染較少；而下段屬潮汐河段，雖地處城市化和工業化程度較高的區域，并承接了中、上游的工農業廢水及污染物，但此區域受潮汐作用影響，經稀釋、擴散等過程污染物濃度較低，使此區域的水環境質量較健康[43]。河口近海區受地表徑流及人為活動的影響相對較少，在遠離入?？诘恼疚坏乃h境質量較健康[44]，如距離入?？谧钸h的B4站位(見圖1)的水環境質量明顯優于近海區其他站位，并且，同一采樣斷面上標記為B的站位的水環境質量比標記為A和C的站位健康。標記為A和C的站位距離海岸較近，受陸源污染物和人為活動的影響較大，水環境質量相對較差。

3.2.2 生物質量的健康狀況分析 在平水期，生物質量的評價等級為不健康(Ⅳ級)的站位占總調查站位的45%，亞健康(Ⅲ級)站位占35%，健康(Ⅱ級)和病態(Ⅴ級)站位僅為5%和10%(見圖2(b))；在豐水期，生物質量的評價等級為不健康(Ⅳ級)的站位占調查站位總數的70%，亞健康(Ⅲ級)站位占15%，健康(Ⅱ級)和病態(Ⅴ級)的站位分別占5%和10%。在豐水期和平水期，生物質量表現為不健康(Ⅳ級)和亞健康(Ⅲ級)的站位數超過80%，健康和病態的站位總計不超過20%，沒有生物質量很健康的調查站位。

在豐水期和平水期，河流段各調查站位的生物質量基本呈不健康狀態(IV級)。生物質量的地域性差異與所處區域水環境有一定關系，良好的水質環境有利于生物多樣性的增加和生物量的增大，例如在豐水期，位于下游的S2站位生物質量呈現健康等級(Ⅱ級)，同一時期該區域水環境也為健康(Ⅱ級)狀態；在平水期，生物質量相對健康的S8-S10站位分布在水質較為健康的上游河段[45-46]。在河口近海區域，豐水期各站位的生物質量大致表現為同一健康等級，即近海區10個站位中70%處于Ⅳ級；平水期近海區各站位的生物質量健康等級差異呈現出與近海區水環境質量健康狀況變化相異的趨勢，即越靠近近岸陸地，生物質量的健康等級越高。豐水期水量大，水體中污染物濃度降低，本應有利于水生生物的生長，但綜合評價結果顯示生物質量與平水期相比反而呈惡化趨勢。分析豐水期基本調查數據可知造成這種矛盾結果的原因是溶解氧含量的較低，溶解氧含量的降低抑制了水生生物的生長，使生物多樣性降低。在平水期，水量小水體相對穩定，生物質量受近岸陸地活動的影響較大[47-48]。

3.2.3 沉積物的健康狀況分析 在平水期，研究區域所調查的20個站位中，沉積物處于健康狀態(II級)的調查站位占55%，其中河流段10站位的沉積物均為健康；亞健康(III級)和不健康(Ⅳ級)的站位分別占25%和20%，均位于河口近海區域(見圖2(c))。豐水期，沉積物處于健康狀態(Ⅱ級)的調查站位為40%，并且全部位于河流段；亞健康(Ⅲ級)和不健康(Ⅳ級)站位均占30%，其中，亞健康站位全部位于河口近海區，不健康站位中除S5和S10外均在河口近海區。綜合評價結果表明，在平水期和豐水期，沉積物的健康程度差異較小。由于沉積物位于底層，短時間內含量變化小；并隨著平水期降雨量及氣候的變化，水體中物理、化學以及生物作用的顯著降低，導致沉積物含量的變化程度越來越低，趨于穩定。沉積物的健康狀況表現出相同的地域性差異，即調查區域內河流段沉積物的健康狀況優于河口近海區。

分析沉積物地域性差異原因表明，河口近海區接納并積累了來自河流段的污染物，污染物增多造成水環境惡化，惡劣的水質條件導致生物量及生物多樣性的減少，生物數量和多樣性的降低致使生物對水中各種物質分解、轉化以及對沉積物中重金屬的利用、富集等能力下降，大部分污染物沉降使底質中污染物累積量增多[49-50]，最終造成近海區域沉積物的健康狀況比河流段差。

3.2.4 大遼河河口生態系統健康狀況綜合分析 大遼河口生態系統健康狀況受水環境、生物和沉積物的共同影響，取三者聯系數與其權重應用集對分析模型計算得到生態系統在不同時期不同地區的聯系數值。將聯系數值與河口生態系統的健康等級標準(見表3)對比得到各站位的水生態系統的健康等級。分析表明，大遼河河口生態系統的健康狀況存在顯著的季節性和地域性差異。

評價結果表明(見圖2(d))，就綜合健康狀況而言，大遼河河口生態系統均為亞健康(Ⅲ級)，這與楊麗娜[51]采用模糊綜合評價模型對大遼河口的評價結論一致。比較季節性差異發現：大遼河口生態系統的綜合健康狀況為：豐水期>平水期。在豐水期，河口生態系統表現為健康(Ⅱ級)和亞健康(Ⅲ級)的站位所占比例分別為35%和55%，不健康(Ⅳ級)的站位為10%；在平水期，大遼河口生態系統的健康狀況與豐水期相比有較大差異，70%的站位呈現亞健康狀態(Ⅲ級)，其余站位均為不健康狀態(IV級)。在豐水期，降水量豐富，水體中污染物的稀釋和衰減程度較高，水環境較為健康；與平水期相比，生物質量與沉積物的健康狀況較差。但水環境質量以0.637的權重值對大遼河河口生態系統的影響最大，生物質量和沉積物的權重值相對于水環境質量的權重值較小，對評價區河口生態系統的健康等級評價結果不足以產生決定性的影響[52-53]。

在兩個不同時期，水生態系統的健康狀況均存在地域性差異，且變化趨勢一致，即河口生態系統的健康狀況自河口河流段向河口近海區逐漸惡化的趨勢(見圖2(d))。在豐水期，河流段7個站位的水生態系統健康評價結果為健康(Ⅱ級)，河口近海區8個為亞健康(Ⅲ級)，2個為不健康(Ⅳ級)；在平水期，河流段各站位的水生態系統健康評價結果均為亞健康(Ⅲ級)，6個不健康(IV級)站位全部位于河口近海區域，河流所攜帶的污染物和陸源污染物不斷匯入此區域，超過了河口水體的自凈能力，致使污染物累積量較大，導致該區域水質[52]和沉積物質量的惡化[543]以及生物多樣性的減少[55]。

4 結論

(1)河口生態系統復雜多變，在其不確定性的基礎上，引入集對理論并建立集對分析模型，這種評價模型簡單易操作，評價結果客觀合理、適用性強，可作為評價河口復雜水生態系統健康的有效方法之一。

(2)大遼河河口生態系統健康狀況的評價結果表明，大遼河河口生態系統為亞健康狀態；在研究區域內存在一定的時空差異性，即豐水期的健康狀況優于平水期，河流段的健康狀況優于河口近海區。

(3)本文將集對理論引入河口生態系統健康評價體系，首次使用集對分析模型評價大遼河口的生態健康狀況，豐富了生態健康評價方法體系。

(4)集對分析將定性分析與定量描述有機結合，在一定程度上克服了評價中的主觀性和片面性，評價結果具有科學性、客觀性和合理性。

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責任編輯 龐 旻

Set Pair Analysis Model for Daliao River Estuarine Water Ecosystem Health Assessment

SHAO Zhi-Fang, HU Hong, LI Zheng-Yan, ZHENG Yun-Yun

(College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China)

In terms of monitoring data collected from Daliao River estuary in medium season and abundant season in 2010, covering water quality, sediment, plankton and benthos. Analytic Hierarchy Process (AHP) is adopted to establish the evaluation index system and calculate the weights of each indicator; then using set pair analysis theory established set pair analysis model (SPAM) which can analyze and calculate this survey results. Comparing the calculated results and the health level standard, the result is appeared. The result showed that, in abundant season, the number of stations in the performance of health (level Ⅱ) and sub-health (level Ⅲ) are 7 and 11, unhealthy (level Ⅳ) is 2 of all 20 surveyed stations in this investigation area. In medium season, 14 stations showed sub-health state (level Ⅲ), and 6 stations in unhealthy state (level Ⅳ). The ecological health state of Daliao estuary is sub-health. This is the first application of set pair analysis theory (SPA)to evaluate ecological health of Daliao estuary. Which combines qualitative understanding and quantitative description to ensure the objectivity and reasonableness of evaluation results.

Daliao estuary; estuarine ecosystem health assessment; SPA; SPAM

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008ZX07526-001)資助

2013-12-06；

2014-04-18

邵志芳(1988-)，女，碩士生，主要從事河流及河口的生態健康評價方面研究。E-mail:sunnytree@163.com

** 通訊作者：E-mail：hhu@ouc.edu.cn

X143

A

1672-5174(2015)05-093-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20130439