基于投影尋蹤法的衡水湖濕地健康評價

張 浩，郭 勇，繆萍萍，李文君

(1.海河流域水資源保護(hù)局，天津 300170;2.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250)

濕地在狹義上一般被認(rèn)為是陸地與水域之間的過渡地帶;廣義上則包括沼澤、灘涂、低潮時水深不超過6 m的淺海區(qū)、河流、湖泊、水庫、稻田等。濕地具有凈化水源、蓄洪防旱、調(diào)節(jié)氣候和維護(hù)生物多樣性等重要生態(tài)功能，被稱為“地球之腎”。濕地是水陸相互作用形成的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)，因此濕地的水文條件是濕地屬性的決定性因素。濕地水環(huán)境是由濕地中的水體、水中溶解物質(zhì)、懸浮物、水生生物等各環(huán)境要素構(gòu)成的綜合系統(tǒng)，為濕地水生生物生存、繁衍提供了棲息場所。近年來，濕地水環(huán)境退化逐漸成為影響濕地生態(tài)安全的主要因素，開展?jié)竦亟】翟u價，研究指導(dǎo)濕地保護(hù)工作，對促進(jìn)濕地資源可持續(xù)利用具有重要意義。

我國濕地面積占世界濕地的10%，位居亞洲第1位，世界第4位。從寒溫帶到熱帶、從沿海到內(nèi)陸、從平原到高原山區(qū)都有濕地分布。近年來，我國學(xué)者對濕地健康進(jìn)行了大量研究。2009年張良等[1]分析了洪湖區(qū)濕地脆弱性的成因，并采取定量和定性相結(jié)合的方法對洪湖區(qū)濕地脆弱性進(jìn)行評價。2010年王秀明等[2]運(yùn)用模糊綜合評價模型對天津濱海新區(qū)濕地健康進(jìn)行了診斷評價。朱智洺等[3]分析了沿海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的相關(guān)影響因素，構(gòu)建了濕地生態(tài)系統(tǒng)健康預(yù)警指標(biāo)體系。2011年劉曉曼等[4]設(shè)計了一套基于環(huán)境一號衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)的自然保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價評價方法、指標(biāo)體系和技術(shù)流程，同時選擇向海濕地自然保護(hù)區(qū)為示范區(qū)對其生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀進(jìn)行了評價。劉艷艷等[5]全面總結(jié)了了國內(nèi)外濕地生態(tài)安全評價的尺度、指標(biāo)體系和方法研究進(jìn)展。

1 濕地健康評價指標(biāo)體系

濕地健康意味著濕地供水能夠得到保障，能夠維持濕地生態(tài)水位以及正常的水位波動;濕地生態(tài)系統(tǒng)能正常發(fā)揮功能，能實現(xiàn)濕地的最佳服務(wù);濕地與周邊地區(qū)人類活動能夠形成良性互動。濕地健康是實現(xiàn)濕地服務(wù)功能的基礎(chǔ)，是開展?jié)竦乇Ｗo(hù)與管理工作的目的;濕地健康的理論為濕地保護(hù)與管理工作提供新的途徑和技術(shù);良好的濕地健康狀況是周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。筆者根據(jù)濕地健康的理論思想，結(jié)合衡水湖濕地實際情況，從水資源稟賦、濕地生態(tài)環(huán)境、人類活動3個指標(biāo)集構(gòu)建了衡水湖濕地健康評價指標(biāo)體系(表1)。

衡水湖地處內(nèi)陸，屬溫帶大陸性、半濕潤半干旱季風(fēng)氣候，是我國濕地貧乏地區(qū)的代表性濕地。水資源稟賦中的指標(biāo)主要反映衡水湖水質(zhì)、水量的健康程度。衡水湖濕地自然保護(hù)區(qū)是我國鳥類保護(hù)的重要基地，同時對于調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)貧夂蛴兄匾饔?，濕地生態(tài)環(huán)境中的指標(biāo)主要反映衡水湖濕地的生態(tài)環(huán)境以及物種多樣性。人類活動中的指標(biāo)反映了人類活動對于衡水湖濕地的正面影響以及負(fù)面影響。

采用的指標(biāo)值數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[6-7]，對于指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的制定采取以下兩種方式:對于DO、COD、BOD5、TP、TN、CODMn、NH3-N、透明度等指標(biāo)，按照GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的標(biāo)準(zhǔn)值劃分為5個等級;對于其他指標(biāo)，結(jié)合衡水湖歷史曾出現(xiàn)過的最大值或最小值，均勻地劃分為5個等級。

2 投影尋蹤評價模型

采用投影尋蹤模型[8-10]對衡水湖濕地健康狀況進(jìn)行評價。其基本算法步驟如下。

2.1 原始數(shù)據(jù)歸一化處理

定義濕地健康評價中各樣本各指標(biāo)值的集合為

式中:x(i，j)為第i個樣本的第j個指標(biāo)值;n為樣本的個數(shù);p指標(biāo)的個數(shù)。

表1 衡水湖濕地健康評價指標(biāo)體系

表2 定性指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)

對于指標(biāo)值越大越優(yōu)的指標(biāo)采用式(2)進(jìn)行歸一化:

對于指標(biāo)值越小越優(yōu)的指標(biāo)采用式(3)進(jìn)行歸一化:

影響沙集站發(fā)電效率的主要原因是相對水輪機(jī)工況發(fā)電時的水頭較低，要提高發(fā)電效率必須降低電機(jī)轉(zhuǎn)速。技術(shù)上主要有以下幾種方案:

2.2 構(gòu)建投影指標(biāo)函數(shù)

其中:

式中:z(i)為投影值;a(j)為單位向量;Q(a)為投影指標(biāo)函數(shù);SZ為z(i)的標(biāo)準(zhǔn)差;DZ為z(i)的局部密度;E(z)為序列z(i)的平均值;R為局部密度的窗口半徑，根據(jù)試驗，一般取0.1Sz;r(i，j)為樣本之間的距離;u(t)為單位階躍函數(shù)，當(dāng)t≥0時，其值為1，當(dāng)t＜0時，其函數(shù)值為0。

2.3 優(yōu)化投影目標(biāo)函數(shù)

當(dāng)各指標(biāo)值給定時，投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)只隨著投影方向的變化而變化，不同的投影方向反映不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，而最大可能暴露高維數(shù)據(jù)某類特征結(jié)構(gòu)的投影方向就是最佳投影方向。因此，可通過求解投影指標(biāo)函數(shù)的最大化問題來估計最佳投影方向，繼而最大可能揭示高維數(shù)據(jù)某類特征結(jié)構(gòu)。

這是一個以a(j)為優(yōu)化變量的復(fù)雜非線性優(yōu)化問題，采用遺傳算法[11-12]來解決其高維全局尋優(yōu)問題。

衡水湖濕地健康指標(biāo)值歸一化成果見表3，采用投影尋蹤模型對衡水湖濕地健康狀況進(jìn)行評價，在各個等級區(qū)間隨機(jī)生成了100個樣本。按照遺傳算法優(yōu)化投影方向，計算得到最優(yōu)投影向量及健康等級劃分的一維投影值，結(jié)果見表4。

最優(yōu)投影方向為:

a*=(0.280，0.247，0.233，0.071，0.258，0.041，0.164，0.274，0.228，0.096，0.105，0.153，0.301，0.112，0.153，0.274，0.246，0.275，0.301，0.117)

表3 衡水湖濕地健康指標(biāo)值及歸一化成果

表4 衡水湖濕地健康等級劃分的一維投影值

按照a*計算衡水湖濕地健康指標(biāo)的投影值為2.969，健康狀態(tài)為較健康，表明衡水湖濕地生態(tài)結(jié)構(gòu)均衡，能夠維持自身恢復(fù)力和服務(wù)功能。濕地管理水平較高，人類活動對衡水湖濕地的壓力在其承載力范圍之內(nèi)。

3 結(jié)語

基于遺傳算法的投影尋蹤評價模型能將高維數(shù)據(jù)通過最佳投影方向映射到低維空間，便于對濕地健康指標(biāo)體系進(jìn)行直觀的綜合評價。筆者對衡水湖濕地健康狀況的評價綜合考慮了各影響因素特性，對指標(biāo)體系進(jìn)行合理的等級劃分，結(jié)果表明衡水湖濕地處于較健康的狀態(tài)。該評價為衡水湖濕地的管理和保護(hù)工作提供了新的思路和科學(xué)依據(jù)。

在維護(hù)衡水湖濕地健康的工作中，應(yīng)注重以下幾個方面。

a.做好引調(diào)水工作，保障衡水湖濕地水量。1994年引黃入冀工程實施以來，衡水湖共引黃河水6.26億m3，對于維護(hù)湖區(qū)正常生產(chǎn)生活用水，改善周邊環(huán)境起了重要作用。遇到干旱年份時，應(yīng)適當(dāng)延長引黃時間，保障衡水湖生態(tài)補(bǔ)水。

b.加大環(huán)境治理力度，增加環(huán)保資金投入。衡水湖主要污染源是湖內(nèi)水生植物過度繁殖以及渠道徑流的匯入，因此一方面要及時收割湖內(nèi)水生植物，清除底泥;另一方面要改善入湖水質(zhì)，尤其要避免引黃水在引黃途中的二次污染。

c.提高衡水湖管理水平。要對衡水湖濕地進(jìn)行定期、定點(diǎn)監(jiān)測，監(jiān)測項目應(yīng)涉及水質(zhì)、水體營養(yǎng)狀態(tài)、生物多樣性等方面，通過及時、準(zhǔn)確、詳細(xì)的資料采集，在今后的工作中可以建立衡水湖濕地健康預(yù)警系統(tǒng)。

本文的研究對衡水湖濕地的保護(hù)進(jìn)行了一定的探索，但仍存在不足之處。對于衡水湖健康的評價，由于資料所限，并沒有進(jìn)行分區(qū)探討，在今后的研究中應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步完善。

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