基于改進熵權法的濕地水體富營養化評價

邢海燕，張　浩，周緒申，繆萍萍

（1.海河水利委員會引灤工程管理局，河北 唐山　064309；2.海河流域水資源保護局，天津　300170；3.海河流域水環境監測中心，天津　300170；4.河北省水利水電勘測設計研究院，天津　300250）

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基于改進熵權法的濕地水體富營養化評價

邢海燕1，張浩2，周緒申3，繆萍萍4

（1.海河水利委員會引灤工程管理局，河北 唐山064309；2.海河流域水資源保護局，天津300170；3.海河流域水環境監測中心，天津300170；4.河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250）

摘 要：濕地水體富營養化形勢日益嚴峻，引入距離函數將主觀權重與客觀權重結合，改進了傳統的熵權法。根據白洋淀12個水域2015年5月監測數據，由改進熵權法得到的評價結果表明：圈頭水域輕度富營養化；郭里口、大張莊、留通、棗林莊、光淀張莊、關城、前塘和采蒲臺8個水域為中度富營養化；王家寨、安新橋和端村3個水域為重度富營養化。

關鍵詞：富營養化評價；熵權法；距離函數；白洋淀濕地

濕地是地球三大生態系統之一，是重要的生態資源，具有涵養水源、凈化水質、蓄洪防旱、調節氣候、固碳釋氧和維護生物多樣性等功能。海河流域［1-3］濕地類型較多、分布較廣，生物種類繁多。然而，工農業生產、人類生活、社會發展等各類人為活動，都向濕地水體環境中排放大量的廢物，含有氮磷的廢物會破壞原有的水體環境。如果排入水體的氮磷量過大，超出水體降解、緩沖能力，便會引起水體富營養化現象［4］。筆者選取水體富營養化評價常用的4個關鍵指標：總磷、總氮、葉綠素α和高錳酸鹽指數，采用改進的熵權法對白洋淀濕地水體12個采樣點監測數據進行了分析評價。

1　熵權法［5-6］

熵是系統無序程度的度量，可用于度量已知數據所包含的有效信息量和確定權重。富營養化評價指標值相差較大時，熵值較小，則該評價指標提供的有效信息量較大，其權重也應較大；反之則其權重較小。采用熵權法確定富營養化評價指標權重的步驟如下：

（1）構建評價矩陣。根據m個采樣點的n個富營養化評價指標數據，構建矩陣：

式中：x為指標值；m為采樣點個數；n為監測指標個數。

（2）數據標準化。將矩陣X按照如下規則進行標準化處理：

式中：bij為標準化的指標值；xmax，xmin分別為各指標的最大和最小值。

（3）計算評價指標熵H。根據熵的定義，m個評價數列、n個富營養化評價指標可以確定評價指標的熵為：

式中：Hj為評價指標熵；m為評價樣本數；bij為標準化的指標值。

（4）計算各指標權重。根據上述熵值，可以得到權重值W：

式中：Wj為指標權重；Hj為評價指標熵；n為指標個數。

2　熵權法的改進

熵權法作為確定客觀權重的代表性方法，突出了實測數據信息特征，計算的權重具有客觀性。由于主客觀權重之間評定權重原理存在差異，在實際應用中往往需要與體現人為經驗的主觀權重相結合，以兼顧主觀經驗和客觀數據，得到更為科學和易于接受的指標權重。為了使指標權重與不同方法計算權重的分配系數相符合，筆者引入距離函數對熵權法進行改進，得到組合權重。

設主觀權重與客觀權重之間的距離函數可表示為：

對主觀權重w1與客觀權重w2進行線性加權，得組合權重為：

式中：α、β分別為w1與w2的分配系數。

如果使不同權重之間的差異程度與分配系數之間的差異系數一致，那么存在：

根據上述公式，可求得不同權重的分配系數，進而求得指標的組合權重。

3　實例應用

3.1研究區概況

白洋淀是華北平原最大的湖泊型濕地，是我國重要淡水水產品生產基地之一，是大清河河系重要的蓄水樞紐，承擔著緩洪、治澇、蓄水等任務，同時對調節小氣候、維護河北平原的生態平衡起著不可忽視的作用。本次評價在淀區內布設采樣點12個，同時采用泰森多邊形將白洋淀劃分為12個水域（如圖1所示），于2015年5月進行了采樣和監測。

圖1　白洋淀采樣點位及水域劃分示意

3.2富營養化評價

根據白洋淀12個水域的監測結果和湖庫營養狀態評價標準，將富營養化評價各指標標準化（見表1）。客觀權重采用熵權法計算；主觀權重采用專家評分法，由水文、水生態領域的專業人員打分確定；通過引入距離函數的改進熵權法計算各指標權重（見表2），進而對12個水域的富營養化情況進行評分（見表3）。

表1　白洋淀各采樣點監測指標標準化成果

表2　熵權法和改進熵權法計算的指標權重

表3　白洋淀水體富營養化評分成果

圈頭水域輕度富營養化；郭里口、大張莊、留通、棗林莊、光淀張莊、關城、前塘和采蒲臺8個水域為中度富營養化；王家寨、安新橋和端村3個水域為重度富營養化，具體情況如圖2所示。

圖2　白洋淀不同水域富營養化程度示意

4　結論與建議

通過距離函數和主觀權重對熵權法的修正，將主客觀權重合理地結合起來，應用于白洋淀12個水域富營養化評價。結果表明，圈頭水域輕度富營養化；郭里口、大張莊、留通、棗林莊、光淀張莊、關城、前塘和采蒲臺8個水域為中度富營養化；王家寨、安新橋和端村3個水域為重度富營養化。

保護白洋淀水環境，防治水體富營養化，要嚴厲打擊淀區環境違法行為，嚴禁工業企業排水入淀；妥善解決淀區群眾生活垃圾、污水污染問題；清理非法

中圖分類號：X832

文獻標識碼：A

文章編號：1004-7328（2016）01-0036-03

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.013

收稿日期：2015—11—18

作者簡介：邢海燕（1974—），女，高級工程師，主要從事水資源保護與水質監測工作。

Eutrophication Evaluation of Wetland Based on Improved Entropy Weight

XING Hai-yan1，ZHANG Hao2，ZHOU Xu-shen3，MIAO Ping-ping4
（1.The Administration of Luanhe Diversion Project HRCM W.R.，Tangshan 064309，China；2.Water Resources Protection Bureau of HaiHe River Basin，Tianjin 300170，China；3.Haihe River Water Environmental Monitoring Center，Tianjin 300170，China；4.Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

Abstract：Wetland eutrophication situation was increasingly serious.The integration of subjective and objective weights was achieved and the traditional entropy weight method was improved with the distance function.According monitoring data in may，2015，12 areas of Baiyangdian wetland，the evaluation results showed：Quantou was light eutrophication；Guolikou、Dazhangzhuang、Liutong、Zaolinzhuang、Guangdianzhangzhuang、Guancheng、Qiantang and Caiputai were moderate eutrophication；Wangjiazhai、Anxinqiao and Duancun were severe eutrophication.

Key words：evaluation of eutrophication；entropy weight method；distance function；Baiyangdian Wetland