基于熵權(quán)綜合指數(shù)法的湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

基于熵權(quán)綜合指數(shù)法的湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

0湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康診斷湖泊是水生淡水資源的重要儲(chǔ)存場(chǎng)所，具有重要的生態(tài)服務(wù)功能，對(duì)人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展起著重要作用。水體污染和富營(yíng)養(yǎng)化是我國(guó)湖泊水環(huán)境面臨的主要問(wèn)題,并且會(huì)導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的嚴(yán)重退化,因此對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行健康診斷十分重要。如何評(píng)價(jià)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,如何恢復(fù)和維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況等問(wèn)題,是湖泊生態(tài)研究面臨要解決的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外在湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康方面的研究?jī)H處于起步階段,評(píng)價(jià)大多從生態(tài)角度來(lái)選用生態(tài)指標(biāo),且迄今為止仍然沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法。本文基于國(guó)內(nèi)外的湖泊生態(tài)研究狀況,考慮能反映整體性、代表性、可操作性特點(diǎn),診斷指標(biāo)選擇外部指標(biāo)、環(huán)境要素狀態(tài)指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)3大類(lèi),采用嫡權(quán)綜合健康指數(shù)法評(píng)價(jià)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況,并以西安興慶湖為例說(shuō)明評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性和可靠性。1生態(tài)系統(tǒng)健康概念的評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康的研究起源于20世紀(jì)70年代,此后在河流、湖泊和森林生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)等領(lǐng)域取得了進(jìn)展,但學(xué)術(shù)界在生態(tài)系統(tǒng)健康的定義方面尚未取得共識(shí)。AldoLeopold,Holling,Karr,Haskell,Page,Ulauowicz,Mageau以及Constanza和Rappoit等都提出了一些健康標(biāo)準(zhǔn),其中Constanza提出的生態(tài)系統(tǒng)健康概念得到廣泛認(rèn)可,共涵蓋6個(gè)方面:自我平衡、沒(méi)有病征、多樣性、有恢復(fù)力、有活力和能夠保持系統(tǒng)組分間的平衡,為了使生態(tài)系統(tǒng)健康的概念有實(shí)際操作性,需要對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。但由于在概念上存在分歧,并且要評(píng)價(jià)的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型各異,因此也產(chǎn)生了多種評(píng)價(jià)方法和指標(biāo),主要分3類(lèi):①生態(tài)指標(biāo):在生態(tài)系統(tǒng)水平和群落層次上設(shè)計(jì)指標(biāo);②人類(lèi)健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo):主要應(yīng)用在一些與人類(lèi)有密切關(guān)系的生態(tài)系統(tǒng)中,如流域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng);③物化指標(biāo):探究影響生態(tài)系統(tǒng)變化的非生物原因。我國(guó)這方面研究工作十分薄弱,相關(guān)報(bào)道很少。從2000年開(kāi)始,在國(guó)內(nèi)才出現(xiàn)綜述性文章?？准t梅提出的評(píng)價(jià)方法較為全面,但是沒(méi)有給出具體的評(píng)價(jià)指標(biāo);文獻(xiàn)對(duì)青海湖進(jìn)行研究時(shí)提出評(píng)價(jià)淡水生態(tài)系統(tǒng)健康的指標(biāo)以能質(zhì)、結(jié)構(gòu)能質(zhì)和生態(tài)緩沖能力為核心,對(duì)湖泊在不同時(shí)段(如一年四季)的健康狀態(tài)進(jìn)行生態(tài)指標(biāo)的逐一比較,由此得到相對(duì)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。2熵權(quán)綜合健康指數(shù)法生態(tài)系統(tǒng)健康應(yīng)包含兩方面內(nèi)涵:①滿(mǎn)足人類(lèi)社會(huì)合理需求的能力;②生態(tài)系統(tǒng)本身自我維持與更新的能力。因此,在選擇湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法時(shí)應(yīng)綜合考慮自然因素和社會(huì)因素,宏觀(guān)與微觀(guān)相結(jié)合,熵權(quán)綜合健康指數(shù)法就可以滿(mǎn)足這一要求,它的計(jì)算公式為EHIc=Σi=1nIiωi(1)EΗΙc=Σi=1nΙiωi(1)式中EHIc為湖泊生態(tài)系統(tǒng)綜合健康指數(shù);Ii為第i個(gè)指標(biāo)的歸一化值,0≤Ii≤1;ωi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,可由熵值法確定。熵權(quán)綜合健康指數(shù)法分為以下幾個(gè)基本步驟:①建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;②計(jì)算各指標(biāo)的歸一化值;③確定各指標(biāo)的熵權(quán);④計(jì)算湖泊生態(tài)系統(tǒng)熵權(quán)綜合健康指數(shù)。2.1湖泊生態(tài)主要指標(biāo)湖泊生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)涵蓋內(nèi)、外因素的綜合體,因此,對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),綜合考慮外部指標(biāo)外部物質(zhì)的輸入和輸出及其影響;內(nèi)部指標(biāo)湖泊內(nèi)的結(jié)構(gòu)、功能以及能量。外部指標(biāo):外部方面的指標(biāo)主要包括3部分:①外源輸入(主要是污染物質(zhì)和能量)的量和系統(tǒng)的最大承載力;②湖泊生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外界的輸出,也就是系統(tǒng)的對(duì)外功能。包括生物的物質(zhì)和能量的輸出以及水資源的輸出;③湖濱帶平均寬度和生態(tài)系統(tǒng)狀況。具體包括:單位體積湖水年凈污染物輸入、入湖污染物總量湖泊污染負(fù)荷、年入湖水量比年出湖水量、單位湖泊容積人口、工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值負(fù)荷、湖濱帶平均寬度。環(huán)境要素狀態(tài)指標(biāo):環(huán)境要素狀態(tài)指標(biāo)制約著湖泊內(nèi)浮游植物、浮游動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)、兩棲動(dòng)物生長(zhǎng)和繁衍,在不同的湖泊條件下,這些指標(biāo)有所不同,對(duì)已處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)或有這種趨勢(shì)的湖泊而言,TN、TP及氨氮濃度,DO、COD、換水周期、水動(dòng)力學(xué)條件、沉積物的形態(tài)和釋放速率以及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)綜合指數(shù)(TSCI)等都是需要考慮的。pH、透明度、TSCI、DD、BOD、STOCb、沉積物釋放速率、TP、TN。生態(tài)指標(biāo):生態(tài)指標(biāo)用來(lái)衡量湖泊生態(tài)系統(tǒng)自身的狀態(tài)。本文以湖泊生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程為基礎(chǔ),借鑒生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)價(jià)、淡水生態(tài)系統(tǒng)健康的生態(tài)指標(biāo)以及Odum提出的生態(tài)系統(tǒng)特征進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。生態(tài)指標(biāo)包含群落特征、群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)位和生命周期、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)以及綜合狀態(tài)。分3個(gè)方面:結(jié)構(gòu)指標(biāo)、功能指標(biāo)和系統(tǒng)指標(biāo)。結(jié)構(gòu)指標(biāo)反映湖泊生態(tài)系統(tǒng)中不同種群的構(gòu)成和量的關(guān)系;功能指標(biāo)表征生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的功能;系統(tǒng)指標(biāo)是指生態(tài)系統(tǒng)作為整體表現(xiàn)出來(lái)的狀態(tài)。浮游植物生物量,大型浮游動(dòng)物生物量,小型浮游動(dòng)物生物量,浮游動(dòng)物生物量,細(xì)菌生物量,物種多樣性指數(shù)。2.2原始數(shù)據(jù)預(yù)處理為消除不同單位產(chǎn)生的影響,同時(shí)也為加速收斂速度,采用歸一化的方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。常采用的變換有線(xiàn)性函數(shù)和Sigmoid函數(shù)。本文采用比較簡(jiǎn)單實(shí)用的數(shù)值歸一方法,將同一指標(biāo)中相對(duì)最佳的值為1,其余的值與最佳值的比值或者是比值的倒數(shù)作為歸一化后的值。2.3計(jì)算指標(biāo)權(quán)重在多指標(biāo)評(píng)價(jià)問(wèn)題中,權(quán)重的確定是重點(diǎn)也是難點(diǎn),目前有很多確定權(quán)重的方法,大致可分為兩大類(lèi):主觀(guān)賦權(quán)法和客觀(guān)賦權(quán)法。主觀(guān)賦權(quán)法是專(zhuān)家根據(jù)各指標(biāo)的重要性來(lái)確定權(quán)重,容易受專(zhuān)家主觀(guān)意識(shí)的影響而帶來(lái)偏差,并且不能反映各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的相互關(guān)系;而客觀(guān)賦權(quán)法中的熵值法是在客觀(guān)條件下,由評(píng)價(jià)指標(biāo)值構(gòu)成的判斷矩陣來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重的一種方法,它能盡量消除各因素權(quán)重的主觀(guān)性,使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際。應(yīng)用熵權(quán)法賦權(quán)對(duì)水系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià),考慮了多個(gè)樣本間的聯(lián)系,根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)值的差異程度,確定各指標(biāo)的權(quán)重,可削弱異常值的影響,使評(píng)價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確、合理。在信息論中,熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的度量,它還可以度量數(shù)據(jù)所提供的有效信息量,信息熵越小,系統(tǒng)無(wú)序度越小,信息的效用值越大;信息熵越大,系統(tǒng)無(wú)序度越高,其信息的效用值越小。對(duì)于所討論的n個(gè)方案m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的初始矩陣,利用熵值法計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重,其本質(zhì)就是利用該指標(biāo)信息的效用值來(lái)計(jì)算的,效用值越高,其對(duì)評(píng)價(jià)的重要性越大。其計(jì)算步驟如下:(1)構(gòu)建n個(gè)樣本m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣。(2)將判斷矩陣歸一化處理得到歸一化判斷矩陣B。(3)根據(jù)熵的定義,n個(gè)樣本m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),可確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵為Hi=?1lnn(Σj=1nfjilnfji)(2)Ηi=-1lnn(Σj=1nfjilnfji)(2)修正后:fji=1+bjiΣj=1n(1+bji)(3)fji=1+bjiΣj=1n(1+bji)(3)(4)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)。ωi=1?Him?Σi=1mHiΣi=1mωi=1(4)ωi=1-Ηim-Σi=1mΗiΣi=1mωi=1(4)2.4湖泊生態(tài)系統(tǒng)熵權(quán)綜合健康指數(shù)計(jì)算各指標(biāo)的歸一化值和指標(biāo)熵權(quán)確定后,代入式(5)EHIc=Σi=1nIiωi(5)EΗΙc=Σi=1nΙiωi(5)即可求得湖泊生態(tài)系統(tǒng)熵權(quán)綜合健康指數(shù)。3興慶湖生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)興慶湖位于西安東郊的興慶宮公園內(nèi),是我國(guó)最古老的遺址公園,具體位置在西安市和平門(mén)外咸寧路北,原長(zhǎng)安城內(nèi)的興慶坊。公園中興慶湖即在原興慶宮中“龍池”原址建成,湖中碧波蕩漾、岸邊樹(shù)木蔥郁、草坪如茵、百花似錦、景色宜人,是一座供旅游、娛樂(lè)休閑為主的湖泊。興慶公園面積50.66hm2,其中興慶湖湖水面積10hm2,平均水深1.7m,換水約200×104m3/a。興慶湖是西安市典型的地表水研究對(duì)象,本文以興慶湖為例,采用熵權(quán)綜合健康指數(shù)法對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)作一健康評(píng)價(jià),主要包括數(shù)據(jù)的歸一化處理;確定各指標(biāo)的熵權(quán);最后計(jì)算湖泊生態(tài)系統(tǒng)熵權(quán)綜合健康指數(shù)。3.1矩陣r中數(shù)據(jù)歸一化選取2005、2006、2007年組成的時(shí)間序列,由于資料收集時(shí)間有限和難度較大,本文選擇溶解氧、生化需氧量等6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)興慶湖的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),見(jiàn)表1。構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣RR=???10.627.339.736.677.335.170.10170.18670.07920.0050.0050.0050.000010.000010.000011.25780.93770.8115???=[10.626.670.10170.0050.000011.25787.337.330.18670.0050.000010.93779.735.170.07920.0050.000010.8115]按2.2中介紹方法,將矩陣R中數(shù)據(jù)歸一化處理得到歸一化矩陣BB=???1.000.690.920.780.711.000.780.421.001.001.001.001.001.001.000.650.651.00???=[1.000.780.781.001.000.650.690.710.421.001.000.650.921.001.001.001.001.00]3.2評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值計(jì)算根據(jù)式(2),計(jì)算得出評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值H=[0.99770.99760.99110.99990.99990.9962]根據(jù)式(4),計(jì)算得出評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值ω=[0.13070.13640.50570.00570.00570.2159]3.3計(jì)算健康指數(shù)將評(píng)價(jià)指標(biāo)的歸一化值及其對(duì)應(yīng)熵權(quán)代入式(1),可得興慶湖所選時(shí)間序列的生態(tài)系統(tǒng)熵權(quán)綜合健康指數(shù),見(jiàn)表2。4研究結(jié)果的合理性分析本文綜合分析了外部生態(tài)和環(huán)境要素狀態(tài),選擇了重要的能夠反映湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的較為全面的信息,考慮生態(tài)環(huán)境、湖泊水質(zhì)、水環(huán)境等因素進(jìn)行熵權(quán)綜合評(píng)價(jià),反映出研究區(qū)的生態(tài)健康狀況。以興慶湖為例,計(jì)算得出湖區(qū)3a的相對(duì)健康指數(shù),從數(shù)據(jù)看出興慶湖的健康狀態(tài)并沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的發(fā)展趨勢(shì),但是通