基于模糊綜合評判的洞庭湖生態健康評價

(華北水利水電大學 河南 鄭州 450045)

一、引言

湖泊是人類最重要的環境資本之一，也是自然界富有生物多樣性和較高生產力的生態系統。它不但具有豐富的資源，還有巨大的環境調節功能和生態效益。各類湖泊在提供水資源、調節氣候、涵養水源，均化洪水、促淤造陸、降解污染物，保護生物多樣性和為人類提供生產、生活資源方面發揮了重要作用。近年來，隨著工業化、城市化進程的持續推進，生態系統受到來自自然和人為因素的巨大壓力,在各類潛在或顯在、直接或間接、獨立作用與累積干擾作用下，湖泊自然形態遭受嚴重的破壞，污染問題層出不窮，河流健康面臨著嚴峻危機[1]。人們開始對湖泊健康的重要性有了高度的認識。對湖泊綜合功能的實現提出了更高的要求。研究如何對湖泊健康進行評價具有重要的理論和現實意義。

直至今天，指示物種法仍然是國內外湖泊健康評價的常用研究方法，但其存在著明顯的缺陷，針對特定生物物種監測的指標只能反映干擾傳播過程中造成的特定方面的影響，難于確定不同生物類群進行評價時的取樣尺度與頻度。而在流域范圍內,是一個多因子、多目標的評價問題,而且部分因子之間具有競爭性和不可公度性，其表現出多指標、高維、非線性等評價特征，而干擾敏感的單一河流健康因子指標是不可能存在的[2]。基于以上原因，產生了不同尺度信息的綜合指標法。河流健康狀況是多種因素綜合影響的結果，是一個涉及自然、社會、經濟和生態等多方面的龐大系統工程，而綜合物理、化學、生物，社會經濟指標的綜合指標法將成為未來生態系統健康評價的重要方法[3]。

二、研究區概況

洞庭湖位于東經111°11′～113°10′北緯28°30′～30°23′，跨湘鄂兩省的沖積平原和湖泊水網地區，及荊江河段南岸，湖南省北部，為我國第二大淡水湖。洞庭湖匯集湘、資、沅、澧四水及湖周中小河流，承接經松滋、太平、藕池、調弦(1958年冬封堵)三口分流，在城陵磯附近匯入長江。

隨著調弦口堵口，下荊江系統裁彎，葛洲壩截流等工程建設，以及四水流域一大批大中型水庫的建設，四口四水入湖水沙過程發生多次調整變化。與此同時，洞庭湖區經歷了堵支并流、圍湖造田、興修防洪大堤以及第一期、第二期治湖(含退田還湖工程)工程建設。長江三峽工程2003年6月開始蓄水運行，湖泊生態系統再次受到嚴重干擾，洞庭湖區資源環境產生新的變化。因此科學地評價洞庭湖區生態系統功能，對保護和修復洞庭湖濕地生態系統，協調經濟發展和環境保護之間的關系具有重要意義。

三、模糊綜合評價

(一)評價指標體系。健康評價指標的選取應滿足四個原則：代表性、系統性、必要性和可行性。全其構成見表 1。

表1 河湖生態系統健康狀況評價指標體系

(二)評價標準

河湖生態系統健康狀況評價是一個動態的不斷變化的過程。參照其它評價模式，將河湖生態系統健康狀況評價指數劃分成5個等級：Ⅰ級河流健康狀況優，綜合指數為0.8～1.0；Ⅱ級河流健康狀況良，綜合指數為0.6～0.8；Ⅲ級河流健康狀況中，綜合指數為0.4～0.6；Ⅳ級河流健康狀況差，綜合指數為0.2～0.4；Ⅴ級河流健康狀況極差，綜合指數為0～0.2。河湖生態系統健康評價分級見表 2。

表2 河湖生態系統健康評價分級體系

根據河湖實際情況，借鑒有關歷史資料或參照點位狀況、相關研究成果與國家國際適用標準，或地區標準及行業標準，并通過多區域對比分析來確定標準值；定性指標的評價標準采用定性描述、專家評判及公眾參與等方法來確定。各級指標標準值見表 3。

表3 指標標準特征值

(三)評價方法

1.指標隸屬度矩陣推求

在模糊綜合評判中，采用隸屬度來劃分事物的模糊界限，并以隸屬度函數來表示。針對湖泊健康水平的判別，在給定湖泊健康等級標準后，需建立相應湖泊健康等級的隸屬函數，然后根據各評價指標與湖泊健康的正負相關關系來確定各項指標對應的隸屬度函數公式。綜合考慮洞庭湖水文、水環境、物理結構與水生物等因素，與湖泊健康呈正相關的評價指標有：最小生態需水保證率%、水質類別、水功能區水質達標率%、河湖連通度、岸帶植被覆蓋度%、珍稀魚類存活狀況、魚類生物多樣性指數，與湖泊健康呈負相關的評價指標有：水文改變度、水質類別、富營養化指數、河流縱向連通度、湖泊萎縮狀況%，再將各單項評價指標的數值代入相應隸屬函數中計算可得隸屬度f，以各指標隸屬度構造洞庭湖各湖泊健康評價矩陣R[4]。

正相關關系隸屬度函數(s型函數)表達式如公式：

負相關關系隸屬度函數(s型函數)表達式如公式

式中：D為樣本中評價指標的原始值;a1,a2為相鄰兩湖泊健康等級的標準值；f為某評價指標的隸屬度。式中當≤a1時，D對i級的D隸屬度f=0.1；當≥a2時，D對i級的D隸屬度f=1；當a2≤D≤a1時，D對i級、j級都有隸屬關系，且f=0.1+0.9×(D-a1)/(a2-a1)。

2.權重的確定

層次分析法的具體過程包括兩步：第一步是構造判斷矩陣；然后求判斷矩陣的最大特征值和對應的特征向量，再對判斷矩陣作一致性檢驗，如果檢驗通過，則將求得的特征向量作歸一化處理，即得到該準則下n個指標之間的相對權重向量(W1,W2,…,Wn)；否則，重新構造判斷矩陣，重復上述過程[4]。

項目采用層次分析法對權重進行確定。對評價因素的重要程度進行兩兩比較，構造判斷矩陣，通過計算及其一致性檢驗，其評價指標權重結果見表 4。

表4 洞庭湖主要河湖健康評價指標現狀值及權重

(四)綜合評價模型

湖泊綜合健康指數采用公式計算：

式中：EHI為綜合健康指數；Wi為各指標的權重；fi為各指標隸屬度，n為指標項數。

(五)結果分析

項目根據確定的現狀指標和評價標準，并結合評價指標權重，采用模糊層次分析法分別計算評價指標的模糊綜合評價矩陣R，在匯總計算結果的基礎上由各個指標模糊運算結果生成一級評價結果。根據最大隸屬度原則，綜合指數的評分值越大，則河流健康越優，否則相反。項目通過對洞庭湖現狀指標進行評價計算分析，洞庭湖湖區健康指數為0.5，河流健康狀況屬于中等水平。從20世紀90年代至現在，洞庭湖生態系統健康指數總體上呈現遞減趨勢，說明洞庭湖河湖健康狀況呈下降趨勢。近幾十年來，洞庭湖流域社會經濟快速發展，嚴重影響了生態系統結構和功能。

四、結論與建議。

近年來，洞庭湖生態系統健康水平大體表現出波動下降的趨勢，即其健康狀況開始變差，說明三峽工程蓄水運行不利于洞庭湖生態系統健康的維護。可知各評價指標對綜合評價結果的影響程度，從而為洞庭湖綜合治理重點提供了方向與目標。決策層應結合目前洞庭湖存在的問題、隱患采取積極的措施，以保證湖泊健康狀況可持續的邁向更高水平。生態平衡功能重建措施包括實施蓄洪補枯，優化水環境、湖河疏浚、培養環境保護意識、加大治污力度等；綜合決策需要用到健康評價和工程對健康指標的影響結果。通過面向健康洞庭湖的綜合治理多目標決策模型，可以利用健康評價的結果為綜合決策提供指導。