基于模糊綜合評(píng)判的洞庭湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)

(華北水利水電大學(xué) 河南 鄭州 450045)

一、引言

湖泊是人類最重要的環(huán)境資本之一，也是自然界富有生物多樣性和較高生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)。它不但具有豐富的資源，還有巨大的環(huán)境調(diào)節(jié)功能和生態(tài)效益。各類湖泊在提供水資源、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源，均化洪水、促淤造陸、降解污染物，保護(hù)生物多樣性和為人類提供生產(chǎn)、生活資源方面發(fā)揮了重要作用。近年來(lái)，隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，生態(tài)系統(tǒng)受到來(lái)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(dú)立作用與累積干擾作用下，湖泊自然形態(tài)遭受?chē)?yán)重的破壞，污染問(wèn)題層出不窮，河流健康面臨著嚴(yán)峻危機(jī)[1]。人們開(kāi)始對(duì)湖泊健康的重要性有了高度的認(rèn)識(shí)。對(duì)湖泊綜合功能的實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求。研究如何對(duì)湖泊健康進(jìn)行評(píng)價(jià)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

直至今天，指示物種法仍然是國(guó)內(nèi)外湖泊健康評(píng)價(jià)的常用研究方法，但其存在著明顯的缺陷，針對(duì)特定生物物種監(jiān)測(cè)的指標(biāo)只能反映干擾傳播過(guò)程中造成的特定方面的影響，難于確定不同生物類群進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)的取樣尺度與頻度。而在流域范圍內(nèi),是一個(gè)多因子、多目標(biāo)的評(píng)價(jià)問(wèn)題,而且部分因子之間具有競(jìng)爭(zhēng)性和不可公度性，其表現(xiàn)出多指標(biāo)、高維、非線性等評(píng)價(jià)特征，而干擾敏感的單一河流健康因子指標(biāo)是不可能存在的[2]。基于以上原因，產(chǎn)生了不同尺度信息的綜合指標(biāo)法。河流健康狀況是多種因素綜合影響的結(jié)果，是一個(gè)涉及自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)等多方面的龐大系統(tǒng)工程，而綜合物理、化學(xué)、生物，社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的綜合指標(biāo)法將成為未來(lái)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的重要方法[3]。

二、研究區(qū)概況

洞庭湖位于東經(jīng)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(wǎng)地區(qū)，及荊江河段南岸，湖南省北部，為我國(guó)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(jīng)松滋、太平、藕池、調(diào)弦(1958年冬封堵)三口分流，在城陵磯附近匯入長(zhǎng)江。

隨著調(diào)弦口堵口，下荊江系統(tǒng)裁彎，葛洲壩截流等工程建設(shè)，以及四水流域一大批大中型水庫(kù)的建設(shè)，四口四水入湖水沙過(guò)程發(fā)生多次調(diào)整變化。與此同時(shí)，洞庭湖區(qū)經(jīng)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(shè)。長(zhǎng)江三峽工程2003年6月開(kāi)始蓄水運(yùn)行，湖泊生態(tài)系統(tǒng)再次受到嚴(yán)重干擾，洞庭湖區(qū)資源環(huán)境產(chǎn)生新的變化。因此科學(xué)地評(píng)價(jià)洞庭湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能，對(duì)保護(hù)和修復(fù)洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系具有重要意義。

三、模糊綜合評(píng)價(jià)

(一)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取應(yīng)滿足四個(gè)原則：代表性、系統(tǒng)性、必要性和可行性。全其構(gòu)成見(jiàn)表 1。

表1 河湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(二)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

河湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的不斷變化的過(guò)程。參照其它評(píng)價(jià)模式，將河湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)指數(shù)劃分成5個(gè)等級(jí)：Ⅰ級(jí)河流健康狀況優(yōu)，綜合指數(shù)為0.8～1.0；Ⅱ級(jí)河流健康狀況良，綜合指數(shù)為0.6～0.8；Ⅲ級(jí)河流健康狀況中，綜合指數(shù)為0.4～0.6；Ⅳ級(jí)河流健康狀況差，綜合指數(shù)為0.2～0.4；Ⅴ級(jí)河流健康狀況極差，綜合指數(shù)為0～0.2。河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)分級(jí)見(jiàn)表 2。

表2 河湖生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)分級(jí)體系

根據(jù)河湖實(shí)際情況，借鑒有關(guān)歷史資料或參照點(diǎn)位狀況、相關(guān)研究成果與國(guó)家國(guó)際適用標(biāo)準(zhǔn)，或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)多區(qū)域?qū)Ρ确治鰜?lái)確定標(biāo)準(zhǔn)值；定性指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用定性描述、專家評(píng)判及公眾參與等方法來(lái)確定。各級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表 3。

表3 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值

(三)評(píng)價(jià)方法

1.指標(biāo)隸屬度矩陣推求

在模糊綜合評(píng)判中，采用隸屬度來(lái)劃分事物的模糊界限，并以隸屬度函數(shù)來(lái)表示。針對(duì)湖泊健康水平的判別，在給定湖泊健康等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)后，需建立相應(yīng)湖泊健康等級(jí)的隸屬函數(shù)，然后根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)與湖泊健康的正負(fù)相關(guān)關(guān)系來(lái)確定各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)公式。綜合考慮洞庭湖水文、水環(huán)境、物理結(jié)構(gòu)與水生物等因素，與湖泊健康呈正相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)有：最小生態(tài)需水保證率%、水質(zhì)類別、水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率%、河湖連通度、岸帶植被覆蓋度%、珍稀魚(yú)類存活狀況、魚(yú)類生物多樣性指數(shù)，與湖泊健康呈負(fù)相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)有：水文改變度、水質(zhì)類別、富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)、河流縱向連通度、湖泊萎縮狀況%，再將各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值代入相應(yīng)隸屬函數(shù)中計(jì)算可得隸屬度f(wàn)，以各指標(biāo)隸屬度構(gòu)造洞庭湖各湖泊健康評(píng)價(jià)矩陣R[4]。

正相關(guān)關(guān)系隸屬度函數(shù)(s型函數(shù))表達(dá)式如公式：

負(fù)相關(guān)關(guān)系隸屬度函數(shù)(s型函數(shù))表達(dá)式如公式

式中：D為樣本中評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始值;a1,a2為相鄰兩湖泊健康等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值；f為某評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度。式中當(dāng)≤a1時(shí)，D對(duì)i級(jí)的D隸屬度f(wàn)=0.1；當(dāng)≥a2時(shí)，D對(duì)i級(jí)的D隸屬度f(wàn)=1；當(dāng)a2≤D≤a1時(shí)，D對(duì)i級(jí)、j級(jí)都有隸屬關(guān)系，且f=0.1+0.9×(D-a1)/(a2-a1)。

2.權(quán)重的確定

層次分析法的具體過(guò)程包括兩步：第一步是構(gòu)造判斷矩陣；然后求判斷矩陣的最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量，再對(duì)判斷矩陣作一致性檢驗(yàn)，如果檢驗(yàn)通過(guò)，則將求得的特征向量作歸一化處理，即得到該準(zhǔn)則下n個(gè)指標(biāo)之間的相對(duì)權(quán)重向量(W1,W2,…,Wn)；否則，重新構(gòu)造判斷矩陣，重復(fù)上述過(guò)程[4]。

項(xiàng)目采用層次分析法對(duì)權(quán)重進(jìn)行確定。對(duì)評(píng)價(jià)因素的重要程度進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，通過(guò)計(jì)算及其一致性檢驗(yàn)，其評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重結(jié)果見(jiàn)表 4。

表4 洞庭湖主要河湖健康評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)狀值及權(quán)重

(四)綜合評(píng)價(jià)模型

湖泊綜合健康指數(shù)采用公式計(jì)算：

式中：EHI為綜合健康指數(shù)；Wi為各指標(biāo)的權(quán)重；fi為各指標(biāo)隸屬度，n為指標(biāo)項(xiàng)數(shù)。

(五)結(jié)果分析

項(xiàng)目根據(jù)確定的現(xiàn)狀指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，采用模糊層次分析法分別計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣R，在匯總計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上由各個(gè)指標(biāo)模糊運(yùn)算結(jié)果生成一級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)最大隸屬度原則，綜合指數(shù)的評(píng)分值越大，則河流健康越優(yōu)，否則相反。項(xiàng)目通過(guò)對(duì)洞庭湖現(xiàn)狀指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算分析，洞庭湖湖區(qū)健康指數(shù)為0.5，河流健康狀況屬于中等水平。從20世紀(jì)90年代至現(xiàn)在，洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)總體上呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，說(shuō)明洞庭湖河湖健康狀況呈下降趨勢(shì)。近幾十年來(lái)，洞庭湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，嚴(yán)重影響了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。

四、結(jié)論與建議。

近年來(lái)，洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)健康水平大體表現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢(shì)，即其健康狀況開(kāi)始變差，說(shuō)明三峽工程蓄水運(yùn)行不利于洞庭湖生態(tài)系統(tǒng)健康的維護(hù)。可知各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度，從而為洞庭湖綜合治理重點(diǎn)提供了方向與目標(biāo)。決策層應(yīng)結(jié)合目前洞庭湖存在的問(wèn)題、隱患采取積極的措施，以保證湖泊健康狀況可持續(xù)的邁向更高水平。生態(tài)平衡功能重建措施包括實(shí)施蓄洪補(bǔ)枯，優(yōu)化水環(huán)境、湖河疏浚、培養(yǎng)環(huán)境保護(hù)意識(shí)、加大治污力度等；綜合決策需要用到健康評(píng)價(jià)和工程對(duì)健康指標(biāo)的影響結(jié)果。通過(guò)面向健康洞庭湖的綜合治理多目標(biāo)決策模型，可以利用健康評(píng)價(jià)的結(jié)果為綜合決策提供指導(dǎo)。