博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)與水位關(guān)系研究

周孝德，郭夢京，陳勇民，程圣東

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048; 2.新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

湖泊是全球環(huán)境變化的敏感區(qū)，受環(huán)境變化的影響極為復(fù)雜，不同區(qū)域的湖泊環(huán)境影響具有顯著差異[1-2]。在干旱地區(qū)，湖泊為區(qū)域經(jīng)濟(jì)生活和生態(tài)環(huán)境發(fā)展提供了有限的且最優(yōu)價值的水資源。隨著全球氣候變化和人口壓力增大，湖泊的水文循環(huán)受到干擾，從而導(dǎo)致其生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，進(jìn)而影響到區(qū)域的發(fā)展[3]。近年來湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評估成為國內(nèi)外學(xué)者共同關(guān)注的焦點(diǎn)，針對湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的研究也越來越多，如巢湖[4]、太湖[5]、滇池[6]、鄱陽湖[7]等，但多數(shù)都集中在濕潤地區(qū)，而干旱區(qū)內(nèi)湖泊的相關(guān)研究較少。本文在前人研究的基礎(chǔ)上[8-9]，采用熵權(quán)的概念對新疆博斯騰湖近20年的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)進(jìn)行評估，并結(jié)合水位數(shù)據(jù)，對其健康狀態(tài)在水位變化下的動態(tài)發(fā)展趨勢及相關(guān)性進(jìn)行探討。評估結(jié)果可用于博斯騰湖不同時空健康狀態(tài)的對比，了解生態(tài)系統(tǒng)的演替趨勢，為博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)的管理、保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

博斯騰湖(北緯41°56′～42°14′，東經(jīng)86°40′～87°26′)位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古族自治州境內(nèi)，屬于中生代斷陷湖，曾是我國最大的內(nèi)陸淡水湖(圖1)。其水域遼闊，東西長達(dá)55 km，南北寬約25 km，形似一把不規(guī)則的鐮刀，在水位為1 048.5 m時，水面面積為1 210.5 km2，容積為9.0×109m3，平均水深8 m，最深為17 m。湖盆呈深碟狀，中間底平，靠近湖岸水深急劇變淺，總蓄水量8.8 km3，湖泊平均停留時間4.8 a。博斯騰湖流域氣候主要受夏季西風(fēng)帶影響，蒸發(fā)率高、降水低。湖水地區(qū)年平均氣溫6.3℃，潛在蒸發(fā)量高達(dá)2 000 mm，年平均降雨量僅為70 mm。

圖1 博斯騰地理位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)主要為水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)。水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)包括1993—2012年博斯騰湖17個監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測值(見圖2)。

圖2 博斯騰湖水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)分布圖

其中1993—2008年期間進(jìn)行了1#～14#監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測，2009和2012年又增加了3個監(jiān)測點(diǎn)。該部分?jǐn)?shù)據(jù)由博斯騰湖研究所、巴州環(huán)境監(jiān)測站以及新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院提供。水位數(shù)據(jù)由新疆塔里木河流域管理局提供。

2 研究方法

2.1 評估指標(biāo)體系

各國湖泊專家學(xué)者相繼開展了有關(guān)湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康評估方面的研究并取得了一定的成果，提出了一系列的指標(biāo)，主要包括兩方面指標(biāo)：綜合性指標(biāo)和單一性指標(biāo)[10]。本文在借鑒相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)健康評估指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合博斯騰湖生態(tài)的系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)和功能特征，篩選10項(xiàng)評估指標(biāo)，主要包含物理化學(xué)指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)，其中物理化學(xué)指標(biāo)包括透明度(SD)、溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(CODMn)、氨氮(NH4-N)、生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)和總氮(TN)七個評估指標(biāo)。生態(tài)指標(biāo)包括浮游植物數(shù)量、浮游動物數(shù)量和底棲動物數(shù)量三個評估指標(biāo)。

2.2 權(quán)重-熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法。它利用信息論中熵值的概念反映不同指標(biāo)中信息無序化的程度，以此來度量某項(xiàng)指標(biāo)所攜帶信息的多少，確定其對決策所起作用的大小。按照信息論基本原理的解釋，信息是系統(tǒng)有序程度的一個度量，熵是系統(tǒng)無序程度的一個度量；如果指標(biāo)的信息熵越小，該指標(biāo)提供的信息量越大，在綜合評價中所起作用理當(dāng)越大，權(quán)重就應(yīng)該越高[11-12]；反之則權(quán)重就應(yīng)該越小。本文利用熵權(quán)法來評估博斯騰湖的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，其具體計(jì)算步驟詳見文獻(xiàn)[13]。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)

生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)應(yīng)當(dāng)遵循生態(tài)系統(tǒng)的一般規(guī)律，在生態(tài)系統(tǒng)健康理論的基礎(chǔ)上，對建立的評估指標(biāo)體系，按照從上到下的順序，逐層對評估指標(biāo)進(jìn)行整合，從而得到湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)(Ecosystem Health Comprehensive Index, EHCL)[13-17]。具體計(jì)算公式如下：

(1)

式中，EHCI為生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)，其值在0～1之間，Wi為評估指標(biāo)在綜合評估指標(biāo)體系中的權(quán)重值，其值在0～1之間，Ii為評估指標(biāo)的歸一化值，其值在0～1之間。

2.4 生態(tài)健康綜合指數(shù)分級

綜合指數(shù)數(shù)值大小本身并無形象意義，必須通過對一系列數(shù)值大小的意義進(jìn)行限值界定，這樣才能表達(dá)其形象的含義。目前關(guān)于生態(tài)健康綜合指數(shù)中，評估標(biāo)準(zhǔn)分級的方法并沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)可分為很好、好、中等、較差、很差五個等級，具體劃分詳見文獻(xiàn)[18]、[19]。

3 結(jié)果分析

3.1 指標(biāo)的確定

依據(jù)評估指標(biāo)體系，采用1993—2012年博斯騰湖的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合已有的文獻(xiàn)資料[12,17]，運(yùn)用上述的生態(tài)系統(tǒng)健康評估方法對歷年博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)進(jìn)行評估分析。數(shù)據(jù)資料缺失的年份，對其進(jìn)行插補(bǔ)處理，以保證數(shù)據(jù)的完整性。

3.2 熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

3.2.1 指標(biāo)歸一化

基于1993—2012年的數(shù)據(jù)，構(gòu)建博斯騰湖水生態(tài)系統(tǒng)健康評估體系20個樣本10個指標(biāo)的判斷矩陣R。同時，對判斷矩陣R歸一化處理，得到歸一化矩陣B及評估指標(biāo)歸一化值,見表1。

3.2.2 確定和評估指標(biāo)的熵Hi

3.2.3 計(jì)算評估指標(biāo)熵權(quán)Wi

3.3 生態(tài)健康綜合指數(shù)計(jì)算與分析

將表1中評估指標(biāo)的歸一化值及以上計(jì)算的熵權(quán)代入式(1)可以得到博斯騰湖所選時間序列的生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)(見圖3)。

由圖3可知，博斯騰湖1993—2012年水生態(tài)系統(tǒng)綜合健康指數(shù)呈現(xiàn)波動式遞減趨勢，表明其水生態(tài)健康狀態(tài)呈下降趨勢。

圖3 1993—2012年博斯騰湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)

整體來看，博斯騰湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)保持在中等水平，其中1995年、1998年、2001年以及2005年其生態(tài)健康狀態(tài)略好于其它年份，屬于較好水平；而2010年、2011年以及2012年生態(tài)健康狀態(tài)低于其它年份，屬于較差水平。依據(jù)吳敬祿、謝貴娟等人的研究成果[20-21]，博斯騰湖歷年水質(zhì)變化趨勢處于III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其富營養(yǎng)化狀態(tài)也保持在中營養(yǎng)水平。本文中生態(tài)健康狀態(tài)計(jì)算結(jié)果與其水質(zhì)狀況及富營養(yǎng)化水平基本相符，表明本文的計(jì)算結(jié)果比較可信。

3.4 生態(tài)健康狀態(tài)對湖泊水位變化的響應(yīng)

3.4.1 生態(tài)健康狀態(tài)與水位的關(guān)系

圖4為博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)綜合指數(shù)值與其水位的相關(guān)關(guān)系。由圖可知，當(dāng)水位升高時綜合指數(shù)隨之增大，博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)較好；當(dāng)水位下降時綜合指數(shù)也隨之減少，其生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)較差。從近20年的變化過程來看，其生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)可分為三個階段：上升階段(1993—1999年)，穩(wěn)定階段(2000—2005年)，下降階段(2006—2012年)。其中1993—1999年湖泊水位從1 046.2 m上升到1 047.7 m，綜合指數(shù)也迅速增長，其值從40上升至63。而2000—2005年水位持續(xù)升高，但其綜合指數(shù)相對比較穩(wěn)定不隨水位的升高而增長。在2006—2012年期間，水位迅速下降影響了湖體的水環(huán)境質(zhì)量，從而導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)逐漸下降?？傮w來看，當(dāng)水位低于1 046.2 m時，其生態(tài)健康狀態(tài)較差，而水位超過1 046.8 m時，生態(tài)健康狀態(tài)較好。

圖4 博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)與水位變化趨勢及相關(guān)關(guān)系

通過計(jì)算Pearson相關(guān)系數(shù)，進(jìn)一步驗(yàn)證博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)與其水位變化的相關(guān)關(guān)系見表2。計(jì)算結(jié)果表明，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.778，且在99%置信水平上表現(xiàn)顯著。說明博斯騰湖水位變化對其生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)有著重要的影響。

表2 博斯騰湖生態(tài)健康狀態(tài)與水位的相關(guān)關(guān)系

3.4.2 生態(tài)健康狀態(tài)變化的原因分析

湖泊水位的波動，使得水體的物理化學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化。近年來由于全球氣候變暖，博斯騰湖流域氣溫顯著升高(見圖5)，冰川融雪快速消融，河流隨之進(jìn)入豐水期，使得入湖淡水量大幅增加。

圖5 博斯騰湖1993—2012年平均氣溫變化趨勢

1993—1999年期間由于湖泊蓄水量增大、水位上升，湖體的水環(huán)境質(zhì)量得到改善，其生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)也隨之轉(zhuǎn)好[20]。在2002年湖泊水位達(dá)到歷史最高，湖泊水量為7.420×109m3。而2000—2005年湖泊綜合指數(shù)相對比較穩(wěn)定，不隨水位的升高而增大。其原因可能是大量的入湖淡水雖然改善了水體中化學(xué)需氧量、氨氮等物理化學(xué)指標(biāo)，但是較高的水位影響了水生生物的繁殖和生長，導(dǎo)致浮游植物數(shù)量、底棲動物數(shù)量等生態(tài)指標(biāo)的降低，影響總體評估結(jié)果[21]，使得綜合指數(shù)相對比較穩(wěn)定。在2006—2012年期間，博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)逐漸下降。可能是由于2005年后隨著氣溫再次升高，一些中小冰川由于前期的消融而逐漸消失，使得湖泊水量出現(xiàn)快速下降(2012年湖泊水量約為5.36×109m3)，促使湖泊水環(huán)境惡化，影響了博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)。

此外，人類活動造成大量的污染物排泄量對湖泊水環(huán)境也造成了一定的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)[20-21]，每年大約有2.0×107m3的超標(biāo)工業(yè)廢水和生活污水，以及4.8×108m3的農(nóng)田排水直接或間接地排入博斯騰湖，引起了湖泊水體污染和富營養(yǎng)化，加劇了湖水水質(zhì)的惡化，對博斯騰湖的生態(tài)環(huán)境造成雙重壓力。因此，博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的變化是區(qū)域氣候和人類活動共同影響的結(jié)果。

4 結(jié) 語

綜上分析博斯騰湖水生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)整體保持在中等水平，并且其水位變化對生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)有著重要的影響，兩者的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.778，且在99%置信水平上表現(xiàn)顯著。博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的變化是區(qū)域氣候和人類活動共同影響的結(jié)果。此外，在實(shí)際評估過程中，由于數(shù)據(jù)不全、數(shù)據(jù)缺少時間序列以及標(biāo)準(zhǔn)值缺失等問題，對評估結(jié)果存在一定的影響。本文中底棲動物及浮游動植物數(shù)據(jù)，歷史資料欠缺完整，因此對其進(jìn)行插補(bǔ)或賦予數(shù)學(xué)期望值。在評估結(jié)果中，單點(diǎn)數(shù)據(jù)差異對權(quán)重影響不顯著，主要數(shù)據(jù)的波動對指標(biāo)權(quán)重有一定影響，從而干擾到評估結(jié)果的整體水平。補(bǔ)齊后的底棲生物及浮游動植物數(shù)據(jù)變化相對比較平穩(wěn)，故對評估結(jié)果的影響較小。

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