基于多級灰關聯(lián)法的博斯騰湖水生態(tài)健康評價

劉　江，賈爾恒·阿哈提，程　艷，姜國強

1.新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052

2.新疆環(huán)境保護科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011

3.環(huán)境保護部華南環(huán)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(qū)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(qū)周圍土地開墾面積、畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)模及工業(yè)排污量的不斷增大，導致博斯騰湖部分湖區(qū)出現(xiàn)了水質惡化、水體咸化及局部水體富營養(yǎng)化的狀況，使湖泊水生態(tài)健康受到嚴重威脅[2]。合理評價博斯騰湖水生態(tài)健康狀況，對于掌握湖區(qū)水生態(tài)健康現(xiàn)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(tài)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(xù)性以及湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有復雜性等特點，對湖泊水生生態(tài)的長系列評價較為困難。如何根據現(xiàn)有長系列監(jiān)測數(shù)據合理評價湖泊水生態(tài)健康狀態(tài)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(yǎng)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(lián)綜合評價方法的結果準確度要優(yōu)于傳統(tǒng)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(xù)性，能更準確地反映系統(tǒng)狀況，特別適用于系統(tǒng)狀況變化不明顯的情況。同時該方法根據實測數(shù)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(tài)系統(tǒng)。為此，筆者將處理系統(tǒng)廣義不確定性問題的多級灰關聯(lián)理論引入系統(tǒng)綜合評價之中，將水環(huán)境子系統(tǒng)和水生態(tài)子系統(tǒng)的得分加權平均，并依據湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)評估標準，得出博斯騰湖水生態(tài)健康綜合指數(shù)(EHCI)，從而實現(xiàn)對博斯騰湖的水生態(tài)健康狀況的綜合評估。

1　研究區(qū)域概況

博斯騰湖地處我國西北干旱-半干旱地區(qū)，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(jié)水庫”，是開孔河流域的“心臟”(圖1)。博斯騰湖由大湖區(qū)、小湖區(qū)和葦沼區(qū)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(qū)的經濟發(fā)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(qū)和塔里木河下游段以北的大部分地區(qū)，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(yè)團場。隨著該湖流域尤其是流域匯水區(qū)的社會經濟發(fā)展，博斯騰湖面臨的環(huán)境壓力越來越大，目前“水少、水臟、水咸”成為影響湖泊生態(tài)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(tài)系統(tǒng)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(tài)指標體系2個二級指標體系組成的生態(tài)系統(tǒng)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(huán)境質量狀況，生態(tài)指標體系反映了博斯騰湖水生態(tài)健康水平。將湖泊浮游植物數(shù)量、浮游動物數(shù)量、底棲動物生物量、細菌總數(shù)、浮游植物多樣性指數(shù)作為參考的生態(tài)評價指標，見表1。

表1　博斯騰湖水生態(tài)系統(tǒng)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(lián)評價法[5-10]和綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價法[11]，依據地表水環(huán)境質量標準和綜合營養(yǎng)狀態(tài)分級標準，對湖泊水環(huán)境子系統(tǒng)(理化指標)和水生態(tài)子系統(tǒng)(生態(tài)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(shù)量、浮游動物數(shù)量、底棲動物生物量、細菌總數(shù)、浮游植物多樣性指數(shù)等指標，計算博斯騰湖水環(huán)境及水生態(tài)系統(tǒng)評價得分及結果；再將水環(huán)境子系統(tǒng)和水生態(tài)子系統(tǒng)的得分加權平均，依據湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)評價標準，得出博斯騰湖的EHCI值，以評估博斯騰湖的水生態(tài)健康狀況。各系統(tǒng)的評價分類標準見表2～表4。

表2　水環(huán)境子系統(tǒng)指標分類標準　mg/L

表3　湖泊營養(yǎng)狀態(tài)分級

表4　生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)分級

2.2.1水環(huán)境子系統(tǒng)評價方法

將多級灰關聯(lián)理論引入系統(tǒng)綜合評價之中，以此確定待評價系統(tǒng)的優(yōu)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)值處于某一區(qū)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(shù)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(jiān)測樣本點的個數(shù)，m為監(jiān)測指標的個數(shù)，c為標準級別數(shù),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(tǒng)綜合評價的主成分分析賦權。根據實際監(jiān)測樣本這一賦權的基本信息源，求取反映系統(tǒng)內部各因子間關聯(lián)性的關聯(lián)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(lián)信息矩陣特征值的方差貢獻，利用關聯(lián)信息矩陣和主因子荷載矩陣建立回歸方程，得出系數(shù)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(huán)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(lián)信息矩陣(Γm×m)

根據實際監(jiān)測樣本求取反映系統(tǒng)內部各因子間關聯(lián)性的關聯(lián)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(lián)信息矩陣的主成分信息，提取系統(tǒng)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(lián)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(tǒng)多級灰關聯(lián)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(lián)系數(shù)，將權重與關聯(lián)系數(shù)組合計算出參考序列與被比較序列的關聯(lián)度。

為了使評價結果更準確，更具連續(xù)性，引入關聯(lián)差異度，以此反映監(jiān)測樣本和各級標準之間的差異程度，數(shù)值越小，表明樣本與標準越相似。再以監(jiān)測樣本與各級標準之間的灰色從屬度為權的加權關聯(lián)差異度表征環(huán)境監(jiān)測樣本和標準之間的差異程度，構造目標函數(shù)，在求得環(huán)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(huán)境評價的灰色綜合指數(shù)。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(lián)系數(shù)[ξi(aj,bt)]。

(6)

(7)

式中：ρ為分辨系數(shù)，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(lián)系數(shù)用式(8)組合計算得到參考序列與被比較序列的關聯(lián)度[γjt(aj,bt)]。

(8)

用已監(jiān)測樣本與各級標準之間的灰色從屬度(ujt)為權的加權關聯(lián)差異度來表征環(huán)境監(jiān)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(huán)境標準最接近的環(huán)境級別，構造目標函數(shù)F(ujt)，全體監(jiān)測樣本與標準之間的加權關聯(lián)差異度平方和最小，即：

構造拉格朗日函數(shù)，求滿足條件的極值，從而解得：

在求得環(huán)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(huán)境評價的值介于1和c之間的灰色綜合指數(shù)[GC(j)]為

2.2.2水生態(tài)子系統(tǒng)評價方法

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

2.2.3生態(tài)健康綜合評價方法

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

3　數(shù)據來源與評價結果分析

3.1數(shù)據來源

數(shù)據主要來自2001—2010年博斯騰湖水質監(jiān)測數(shù)據、《巴音郭楞統(tǒng)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(huán)境子系統(tǒng)評價結果

博斯騰湖水環(huán)境子系統(tǒng)的評價結果見圖2，水環(huán)境子系統(tǒng)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(yǎng)鹽問題開始顯現(xiàn)，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(fā)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(huán)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(tài)指標評價結果

根據博斯騰湖自2001年以來營養(yǎng)狀態(tài)相關參數(shù)值，運用TLI(∑)法評價博斯騰湖營養(yǎng)狀態(tài)等級結果，見表6。

表6　博斯騰湖營養(yǎng)狀態(tài)評價結果

由表6可以看出，自2001年以來博斯騰湖營養(yǎng)狀態(tài)為中營養(yǎng)水平，自2007年以來有向輕度富營養(yǎng)水平發(fā)展的趨勢。

3.2.3博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)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(shù)趨勢見圖3，水生態(tài)健康綜合評價結果見表7。圖3顯示，EHCI指數(shù)呈一定的下降趨勢。表7顯示，自2001年以來博斯騰湖的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)總體情況為中等。

圖3　博斯騰湖水生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)

表7博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價結果

年份2001200220032004200520062007200820092010EHCI×10057595858565557555455健康狀態(tài)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(tài)健康評價可知，博斯騰湖生態(tài)健康處于中等狀態(tài)。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(tài)，湖泊進出水量不平衡所導致。由于湖泊水位持續(xù)下降，湖泊調蓄水功能減弱，TSD持續(xù)上升，而流域人口的持續(xù)增加，工農業(yè)產業(yè)結構的不合理導致湖泊生態(tài)環(huán)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(tài)健康壓力變大，有機污染問題開始出現(xiàn)。

4　結語

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

參考文獻：

[1]冉新軍,沈利,李新虎.博斯騰湖生態(tài)環(huán)境效應分析[J].水資源與水工程學報,2010,21(1):106-108.

[2]張建平. 博斯騰湖流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及治理對策淺析[J].環(huán)境科技,2010，23(2):76-79.

[3]夏軍,左其亭,邵民誠.博斯騰湖水資源可持續(xù)利用[M].北京:科學出版社,2003:351-362.

[4]袁峽,楊佃華.新疆博斯騰湖水環(huán)境問題研究[J].干旱區(qū)研究,2008,25(5):736-739.

[5]王紅莉,姜國強,陶建華.渤海灣水環(huán)境系統(tǒng)多級灰關聯(lián)評價[J].海洋技術,2004,23(4):69-74.

[6]劉年豐,羅巍,郭繼孝，等.生態(tài)環(huán)境質量綜合評價多級灰關聯(lián)識別模型應用研究[J].環(huán)境科學與技術,1999,86(3):364-368.

[7]石建屏,李新,王微.基于灰關聯(lián)模型的水環(huán)境質量時空變化研究[J].廣東農業(yè)科學,2012(4):111-117.

[8]龐云峰,張韌.基于多級層次結構的潛艇作戰(zhàn)效能水下環(huán)境影響評估[J].解放軍理工大學學報,2009(10):33-37.

[9]趙秀春.利用灰關聯(lián)分析法評價大沽河青島段水環(huán)境質量[J].武漢理工大學學報,2009,31(17):149-152.

[10]趙天燕,賀方升，候祺棕，等.一種改進的灰關聯(lián)分析法在水質評價中的應用[J].安全與環(huán)境學報,2005,5(1):26-29.

[11]鐘振宇,劉益貴,柴立元.洞庭湖生態(tài)健康與安全[D].湖南：中南大學,2010:1-81.

[12]巴音郭楞蒙古自治州統(tǒng)計局.巴音郭楞統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2001-2009.