基于改進熵權(quán)法的濕地水體富營養(yǎng)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(huán)境監(jiān)測中心，天津　300170；4.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津　300250）

?

基于改進熵權(quán)法的濕地水體富營養(yǎng)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(huán)境監(jiān)測中心，天津300170；4.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津300250）

摘 要：濕地水體富營養(yǎng)化形勢日益嚴(yán)峻，引入距離函數(shù)將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重結(jié)合，改進了傳統(tǒng)的熵權(quán)法。根據(jù)白洋淀12個水域2015年5月監(jiān)測數(shù)據(jù)，由改進熵權(quán)法得到的評價結(jié)果表明：圈頭水域輕度富營養(yǎng)化；郭里口、大張莊、留通、棗林莊、光淀張莊、關(guān)城、前塘和采蒲臺8個水域為中度富營養(yǎng)化；王家寨、安新橋和端村3個水域為重度富營養(yǎng)化。

關(guān)鍵詞：富營養(yǎng)化評價；熵權(quán)法；距離函數(shù)；白洋淀濕地

濕地是地球三大生態(tài)系統(tǒng)之一，是重要的生態(tài)資源，具有涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、蓄洪防旱、調(diào)節(jié)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類生活、社會發(fā)展等各類人為活動，都向濕地水體環(huán)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(huán)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(yǎng)化現(xiàn)象［4］。筆者選取水體富營養(yǎng)化評價常用的4個關(guān)鍵指標(biāo)：總磷、總氮、葉綠素α和高錳酸鹽指數(shù)，采用改進的熵權(quán)法對白洋淀濕地水體12個采樣點監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析評價。

1　熵權(quán)法［5-6］

熵是系統(tǒng)無序程度的度量，可用于度量已知數(shù)據(jù)所包含的有效信息量和確定權(quán)重。富營養(yǎng)化評價指標(biāo)值相差較大時，熵值較小，則該評價指標(biāo)提供的有效信息量較大，其權(quán)重也應(yīng)較大；反之則其權(quán)重較小。采用熵權(quán)法確定富營養(yǎng)化評價指標(biāo)權(quán)重的步驟如下：

（1）構(gòu)建評價矩陣。根據(jù)m個采樣點的n個富營養(yǎng)化評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，構(gòu)建矩陣：

式中：x為指標(biāo)值；m為采樣點個數(shù)；n為監(jiān)測指標(biāo)個數(shù)。

（2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。將矩陣X按照如下規(guī)則進行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

式中：bij為標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)值；xmax，xmin分別為各指標(biāo)的最大和最小值。

（3）計算評價指標(biāo)熵H。根據(jù)熵的定義，m個評價數(shù)列、n個富營養(yǎng)化評價指標(biāo)可以確定評價指標(biāo)的熵為：

式中：Hj為評價指標(biāo)熵；m為評價樣本數(shù)；bij為標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)值。

（4）計算各指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)上述熵值，可以得到權(quán)重值W：

式中：Wj為指標(biāo)權(quán)重；Hj為評價指標(biāo)熵；n為指標(biāo)個數(shù)。

2　熵權(quán)法的改進

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

設(shè)主觀權(quán)重與客觀權(quán)重之間的距離函數(shù)可表示為：

對主觀權(quán)重w1與客觀權(quán)重w2進行線性加權(quán)，得組合權(quán)重為：

式中：α、β分別為w1與w2的分配系數(shù)。

如果使不同權(quán)重之間的差異程度與分配系數(shù)之間的差異系數(shù)一致，那么存在：

根據(jù)上述公式，可求得不同權(quán)重的分配系數(shù)，進而求得指標(biāo)的組合權(quán)重。

3　實例應(yīng)用

3.1研究區(qū)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(chǎn)品生產(chǎn)基地之一，是大清河河系重要的蓄水樞紐，承擔(dān)著緩洪、治澇、蓄水等任務(wù)，同時對調(diào)節(jié)小氣候、維護河北平原的生態(tài)平衡起著不可忽視的作用。本次評價在淀區(qū)內(nèi)布設(shè)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(jiān)測。

圖1　白洋淀采樣點位及水域劃分示意

3.2富營養(yǎng)化評價

根據(jù)白洋淀12個水域的監(jiān)測結(jié)果和湖庫營養(yǎng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)，將富營養(yǎng)化評價各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化（見表1）?？陀^權(quán)重采用熵權(quán)法計算；主觀權(quán)重采用專家評分法，由水文、水生態(tài)領(lǐng)域的專業(yè)人員打分確定；通過引入距離函數(shù)的改進熵權(quán)法計算各指標(biāo)權(quán)重（見表2），進而對12個水域的富營養(yǎng)化情況進行評分（見表3）。

表1　白洋淀各采樣點監(jiān)測指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化成果

表2　熵權(quán)法和改進熵權(quán)法計算的指標(biāo)權(quán)重

表3　白洋淀水體富營養(yǎng)化評分成果

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

圖2　白洋淀不同水域富營養(yǎng)化程度示意

4　結(jié)論與建議

通過距離函數(shù)和主觀權(quán)重對熵權(quán)法的修正，將主客觀權(quán)重合理地結(jié)合起來，應(yīng)用于白洋淀12個水域富營養(yǎng)化評價。結(jié)果表明，圈頭水域輕度富營養(yǎng)化；郭里口、大張莊、留通、棗林莊、光淀張莊、關(guān)城、前塘和采蒲臺8個水域為中度富營養(yǎng)化；王家寨、安新橋和端村3個水域為重度富營養(yǎng)化。

保護白洋淀水環(huán)境，防治水體富營養(yǎng)化，要嚴(yán)厲打擊淀區(qū)環(huán)境違法行為，嚴(yán)禁工業(yè)企業(yè)排水入淀；妥善解決淀區(qū)群眾生活垃圾、污水污染問題；清理非法

中圖分類號：X832

文獻(xiàn)標(biāo)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(zhì)監(jiān)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