基于投影尋蹤的湖泊生態(tài)健康評價

薛聯(lián)青,朱祎真,王思琪,遲藝俠, 3

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京　210098; 2.石河子大學水利建筑工程學院,新疆 石河子　832003;3.河海大學文天學院,安徽 馬鞍山　243031)

基于投影尋蹤的湖泊生態(tài)健康評價

薛聯(lián)青1,2,3,朱祎真1,王思琪1,遲藝俠1, 3

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098; 2.石河子大學水利建筑工程學院,新疆 石河子832003;3.河海大學文天學院,安徽 馬鞍山243031)

摘要：提出基于投影尋蹤的模糊模式識別模型進行湖泊生態(tài)健康評價,介紹其主要的4個步驟:①篩選能夠反映湖泊健康狀況的指標體系;②建立評價標準;③用投影尋蹤法確定各指標權重;④采用模糊模式識別模型評價湖泊健康等級,將此模型應用于洪澤湖生態(tài)健康評價。結果表明:洪澤湖健康狀態(tài)處于微病態(tài)狀態(tài),TN、TP含量過高是影響洪澤湖健康的主要原因;基于投影尋蹤的模糊模式識別模型的評價結果符合湖泊實際生態(tài)健康狀況;模型可推廣應用于其他生態(tài)系統(tǒng)評價。

關鍵詞：生態(tài)健康;評價指標;投影尋蹤;模糊模式識別模型;洪澤湖

湖泊作為自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有水資源供給、徑流調節(jié)、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等多種服務功能,其健康狀況與人類生存和發(fā)展密切相關。如何全面、科學地評價湖泊的健康狀況,成為湖泊研究領域的熱點之一,對湖泊監(jiān)測和管理有重要的意義,同時為湖泊生態(tài)系統(tǒng)修復和功能開發(fā)利用也提供指導。

國內外在湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康方面已陸續(xù)開展了一些研究。就評價指標體系而言,Rapport等[1]提出了生態(tài)系統(tǒng)壓力與響應指標,Karr等[2]提出了生物完整性指標IBI(index of biological integrity);劉永等[3]在對滇池的研究中建立了包含外部指標、環(huán)境要素狀態(tài)指標和生態(tài)指標的指標體系,徐福留等[4-5]提出包含湖泊生態(tài)系統(tǒng)結構、功能等方面的綜合生態(tài)指標,2004年對巢湖、青海湖的研究中提出以能質、結構能質和生態(tài)緩沖能力為主的指標體系。這些研究主要分析了生態(tài)類的指標,注重湖泊自身健康狀態(tài)的評價,沒有考慮湖泊所具有的社會服務功能,在有些情況下不能很好地反映湖泊的健康狀況。在評價方法方面,趙臻彥等[6]在對意大利湖群進行生態(tài)健康評價時提出了一個0～100的生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)EHI(ecosystem health index),用于評價湖泊生態(tài)健康狀況,盧志娟等[7]提出營養(yǎng)狀態(tài)-綜合指數(shù)TSI-CI(trophic state-comprehensive index)法,并對西湖生態(tài)健康狀況進行評價,許文杰等[8]采用熵權綜合健康指數(shù)法評估了滇池生態(tài)健康。上述方法在許多類型的生態(tài)系統(tǒng)中得以應用。然而,這些方法基本都需要對指標賦權,存在一定的主觀性和人為干擾性,對處理高維度數(shù)據(jù)難度較大。

本文的目的在于:①基于對湖泊生態(tài)健康內涵的理解,構建涵蓋湖泊水文特征、水質狀況、水生態(tài)、物理形態(tài)結構、湖濱景觀等5個方面的生態(tài)健康指標體系;②建立基于投影尋蹤的模糊模式識別模型進行生態(tài)健康評價;③將構建的生態(tài)健康指標體系及評價方法應用于洪澤湖生態(tài)健康評價。

1湖泊生態(tài)健康評價指標體系

1.1指標體系建立原則

為了保證評價指標體系的建立構建在科學、客觀的基礎上,根據(jù)洪澤湖生態(tài)健康的內涵,在構建評價指標體系時,遵循以下原則:

a. 完整性。評價指標應能夠全面、準確地反映湖泊的健康程度,針對洪澤湖生態(tài)系統(tǒng)結構、功能等特點,選取的指標應盡可能包括影響其生態(tài)健康的所有因素,構成一個完整的評價指標體系。

b. 獨立性。影響洪澤湖健康評價的因素眾多,為避免指標出現(xiàn)重復疊加,指標之間盡可能互相獨立或弱關聯(lián)性,對于關聯(lián)性較強的指標,應選取最具有代表性的指標。

c. 層次性。指標體系應具有一定的合理性和清晰的層次結構,因此,在進行湖泊指標體系的構建時應采用分層的方法,不僅可以降低系統(tǒng)的復雜度,還可以更為直觀地從不同的角度判斷湖泊的健康狀況。

d. 可操作性。指標體系應針對所要解決的問題,不僅科學上有充分依據(jù),并且技術上可行和有效,所需數(shù)據(jù)應相對容易獲得或測量,并盡可能與社會經濟、環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)等結合。

e. 定性定量結合。在進行湖泊健康評價時,往往會涉及一些描述性的指標,這些指標具有重要意義卻很難做到量化,這種情況下,應采取定性與定量結合的原則,使得指標體系保持其完整性。

1.2評價指標篩選

湖泊健康是指湖泊系統(tǒng)在自身維持生態(tài)環(huán)境平衡的同時能夠穩(wěn)定和持續(xù)地為人類社會提供資源、服務等,并且對自然干擾或人類的脅迫具有抵抗力和恢復力。因此,湖泊生態(tài)健康的核心內容是湖泊生態(tài)系統(tǒng)結構的健康和功能的健康。研究湖泊的健康狀況,應從湖泊生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能兩方面入手,了解生態(tài)系統(tǒng)的形成、演變、發(fā)展規(guī)律及其與環(huán)境因子的作用機制,然后選用能夠表征生態(tài)系統(tǒng)主要特征的指標。本文以洪澤湖為例,通過對其生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的分析,構建適宜洪澤湖的生態(tài)健康評價指標體系。

洪澤湖是一個水庫型湖泊,同時兼具供水、防洪、水產養(yǎng)殖和景觀功能,具體來說,健康的洪澤湖應具有足夠的調蓄能力、較強的水體自凈能力、較豐富的生物多樣性,保障防洪安全和飲用水安全,滿足生活、生產對水量水質的要求;以健全的水體功能、自然穩(wěn)定的湖泊形態(tài)、優(yōu)良的水質、結構優(yōu)化與功能完善的生態(tài)系統(tǒng)保障社會經濟可持續(xù)發(fā)展?；诖?筆者主要從湖泊水文特征、水質狀況、水生態(tài)、物理形態(tài)結構、湖濱景觀等5個方面進行分析,篩選能夠反映洪澤湖生態(tài)健康狀況的指標。

a. 水文特征指標。湖泊的水文特征既包括水量也包括水文過程,入湖河流的水文情勢及湖泊水情動態(tài)變化是影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)的主導因子。洪澤湖屬于過水性水庫型湖泊,淮河上游15.8萬km2的洪水匯集到洪澤湖,經調蓄后入海,湖水的季節(jié)性變化劇烈,年際變化也很大,變差系數(shù)較大。河流補給狀況對湖泊水位變化、泥沙沉積、動植物生長分布、湖泊演變至關重要。水位的大起大落對濕地及水生動植物的生長與分布有很大的影響,枯水年份,水位過低會造成湖泊水生動物棲息地銳減,而低水位則有利于水生高等維管束植物的大量生長,引起水流不暢,長期發(fā)展會加劇湖泊的沼澤化過程,不利于湖泊健康發(fā)展。因此,入湖徑流量以及湖泊蓄水量是湖泊生態(tài)健康的關鍵因子。另外,湖泊換水循環(huán)周期也是湖泊作為一個完整系統(tǒng)表現(xiàn)出來的特征。

表1　洪澤湖健康評價指標體系

c. 水生態(tài)指標。水體是水生生態(tài)系統(tǒng)的主要承載形式,為大量的魚類、兩棲類水生植物和微生物提供了棲息地。物種是生物分類的基本單位,物種的多樣性指標是反映群落結構和功能特征的有效指標,也是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的量度指標。浮游動植物是反映水體質量的一個重要的指示生物,浮游動植物的群落結構、種類和數(shù)量的變化能反映水質污染狀況。底棲動物長期生活于水體底部,水體發(fā)生的變化,都直接影響它們的生長、繁殖和存活,因此,底棲動物能確切地反映水體的質量狀況。

d. 物理形態(tài)結構指標。湖泊空間物理結構包括湖盆、湖岸的物理穩(wěn)固性,岸線形態(tài),河湖水系的連通性等。湖盆、湖岸的淤積及沖刷穩(wěn)定性,反映了湖泊維持期形態(tài)結構的能力。河湖水系連通是維持湖泊濕地生境的重要條件,同時也影響到河湖水質狀況及流域水資源的利用。如果水系不連通,濕地將會消失,河湖的蓄泄能力就沒有保障,水資源開發(fā)利用也無法深入進行；水系的連通性好,水流的自凈能力和納污能力就會增強。

e. 景觀指標。景觀指標反映了湖泊能否為人類提供適宜的生存環(huán)境質量,主要包括湖濱綠化帶寬度、植被覆蓋情況、景觀多樣性指數(shù)等。

基于以上的分析,從生態(tài)系統(tǒng)健康內涵出發(fā),刪除極難獲得數(shù)據(jù)的指標,并且在相關性較強的指標中擇優(yōu)選擇,建立了洪澤湖生態(tài)健康評價指標體系(表1)。

1.3評價等級確定

將洪澤湖生態(tài)健康狀況劃分為5個級別,分別為“很健康、健康、亞健康、微病態(tài)、病態(tài)”,可以比較全面地概括湖泊生態(tài)健康的各種狀況[11]。綜合全國及淮河流域研究中的指標取值范圍,參考相關文獻,對洪澤湖生態(tài)健康各項評價指標的標準值進行確定。各指標等級的劃分依據(jù)如下:①有國家明確規(guī)定的適用標準,優(yōu)先采用國家、行業(yè)制定的相關標準,如水質狀況指標依據(jù)GB3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》進行劃定;②參考國內外相關文獻及研究成果,如水生態(tài)指標、景觀指標等;③如無相關標準或成果,查閱當?shù)貧v史資料并結合洪澤湖區(qū)典型特征值,選取一個適宜的數(shù)值作為健康的標準,選取最差的數(shù)值作為微病態(tài)的標準,向上、向下浮動一定比例劃分其他等級,如水文特征指標等。洪澤湖生態(tài)健康評價標準如表2所示,其中定性指標物理穩(wěn)固性分級標準如表3所示。

2湖泊生態(tài)健康評價方法研究

針對湖泊健康評價中指標體系層次多且復雜,具有高維、非線性、非正態(tài)的特點,本文選用一種新型的多指標數(shù)據(jù)降維處理方法——投影尋蹤模型[12]。另外,由于生態(tài)健康程度是一種外延模糊的概念,所以對其的評價也具有模糊性,模糊集理論和方法也比較多地被應用于生態(tài)健康評價中。事實上,在評價指標確定后,生態(tài)健康評價的過程是把這些指標的現(xiàn)狀值與標準值進行分析和比較,在此基礎上判斷其與哪一級分類標準更接近。因此,生態(tài)健康評價屬于模糊模式識別問題。

鑒于此,本研究將投影尋蹤法與模糊模式識別模型相結合,用投影尋蹤法確定樣本的指標權重,并以此為基礎構造模糊模式識別模型對洪澤湖生態(tài)健康進行評價[13]。

表2　洪澤湖生態(tài)健康評價標準

表3　湖泊物理穩(wěn)固性分級標準

a. 數(shù)據(jù)預處理。對樣本評價指標集進行歸一化處理,消除各指標值的量綱和統(tǒng)一各指標值的變化范圍。

對于越大評價等級越高的指標:

(1)

對于越小評價等級越高的指標:

(2)

式中:xmax(j)、xmin(j)分別為第j個指標的最大值、最小值。

(3)

式中,A為單位長度向量。

(4)

(5)

(6)

式中:Sz為投影值z(i)的標準差;Rzy為z(i)和y(i)的相關系數(shù)；Ez、Ey分別為序列{z(i)}和{y(i)}的均值。

c. 優(yōu)化投影指標函數(shù)。當各指標值的樣本集給定時,投影指標函數(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)結構特征,可以通過求解投影指標函數(shù)最大化問題來估計最佳投影方向,即

(7)

(8)

這是一個以a(j)=(a(1),a(2),…,a(P))為優(yōu)化變量的復雜非線性優(yōu)化問題,用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法較難處理,因此,筆者應用模擬生物優(yōu)勝劣汰與群體內部染色體信息交換機制的基于實數(shù)編碼的加速遺傳算法(RAGA)來解決其高維全局尋優(yōu)問題。

(9)

(10)

同理可以得到第② 類指標以及h級指標標準特征值對A的相對隸屬度為

(11)

(12)

式中,Shj為級別h指標j的標準特征值對A的相對隸屬度,0≤shj≤1;rij為樣本i指標j對A的相對隸屬度,0≤rij≤1。

(13)

對uih求偏導并解方程,得樣本集對各個健康級別的相對隸屬度矩陣U為

(14)

然后按式(15)可計算樣本i的污染評價級別特征值Hi。

(15)

3實例應用

洪澤湖匯水面積15.8萬km2,是淮河流域最大的泄洪蓄水湖泊,也是南水北調東線工程重要的水利樞紐,對流域中下游的工農業(yè)生產和自然生態(tài)環(huán)境具有十分重要的作用,同時作為平原區(qū)的大型淺水湖泊型水庫,也是蘇北地區(qū)的重要供水水源。社會經濟發(fā)展、圍網養(yǎng)殖的增多以及南水北調工程的實施對洪澤湖生態(tài)系統(tǒng)健康產生了不同程度的影響,導致了洪澤湖生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的退化,因此對其生態(tài)進行健康評價十分重要。

采用基于投影尋蹤的模糊模式識別模型對洪澤湖生態(tài)健康進行評價,評價指標個數(shù)為16個,15個定量指標,1個定性指標。定量指標中湖泊蓄水量、湖泊水循環(huán)周期和年平均流量偏差率通過現(xiàn)狀年水位流量資料計算得到;各水質指標濃度、浮游植物生物量、浮游動物生物量、水生植被覆蓋率根據(jù)現(xiàn)狀年洪澤湖水環(huán)境調查統(tǒng)計而得;植被覆蓋率、景觀多樣性指數(shù)、景觀破碎度通過衛(wèi)星遙感圖及洪澤湖周邊土地利用圖統(tǒng)計計算得到。定性指標(物理穩(wěn)固性)根據(jù)洪澤湖岸坡結構類型,按照分值量化標準(表3)給定分值,具體指標值見表4。

表4　洪澤湖生態(tài)健康評價指標值

在表2各等級指標取值范圍內均勻隨機產生10個指標值,得到50組樣本,將其與對應的健康等級標準值一起組成樣本系列,代入投影尋蹤模型進行優(yōu)化計算,得到最大投影指標函數(shù)為1.087 5,最佳投影方向(0.247 6 0.283 7 0.169 5 0.264 8 0.249 9 0.265 2 -0.137 3 0.260 2 0.294 3 0.200 8 0.288 7 0.313 0 0.300 7 0.200 1 0.273 9 0.162 3),可得到權重向量為W=(0.063 3 0.072 5 0.043 3 0.067 7 0.063 9 0.067 8 0.035 1 0.066 5 0.075 2 0.051 3 0.073 8 0.080 0 0.076 9 0.051 2 0.070 0 0.041 5),將現(xiàn)狀年各指標帶入模糊模式識別模型中,得到現(xiàn)狀年洪澤湖健康等級為4.131 2,即洪澤湖健康狀態(tài)處于微病態(tài)狀態(tài),該評價結果符合洪澤湖的實際情況。

由投影方向和權重向量可以看出各評價指標對湖泊健康的影響程度從大到小依次為:植被覆蓋率、景觀多樣性指數(shù)、水生植物覆蓋率、物理穩(wěn)固性、TN、DO、浮游動物生物量、Chl-a、底棲動物多樣性指數(shù)、浮游植物生物量、湖泊水循環(huán)周期、河湖連通性、湖泊蓄水量、TP、SD、入湖流量偏差率。對比各單項指標評價結果(表4)可知,洪澤湖TN、TP質量濃度過高,超過了湖體的自凈能力,根據(jù)湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評價標準,達到富營養(yǎng)水平,是導致洪澤湖健康狀況較差的主要原因。通過查閱文獻,對比以往洪澤湖的水生植被的分布情況發(fā)現(xiàn),洪澤湖水生植被的面積呈逐年遞減的趨勢,植物群落、生物量及分布面積的減少也是導致湖區(qū)自凈能力減弱、水質變差的重要原因。另外,湖泊的水循環(huán)周期也是影響湖泊水環(huán)境質量及各項服務功能的重要因素。由于泥沙淤積及人類過度的圍墾、圍網養(yǎng)殖,洪澤湖面積與容積不斷減小,湖區(qū)水流速度也受到一定的影響,湖泊水循環(huán)周期變長,湖泊的自凈能力也隨之減弱。

4結語

本文基于洪澤湖水文特征、水質狀況、水生態(tài)、物理形態(tài)結構、湖濱景觀5個方面,構建洪澤湖生態(tài)健康評價指標體系,并建立了全面體現(xiàn)洪澤湖生態(tài)健康狀況的評價等級標準。構建了基于投影尋蹤的模糊模式識別模型對洪澤湖生態(tài)健康進行評價。該模型采用投影尋蹤法確定各指標權重,確保了權重分配的客觀合理性;基于健康評價的外延模糊性,選用模糊模式識別模型判別湖泊生態(tài)健康等級。將評價指標體系和評價模型應用于洪澤湖,得到洪澤湖健康狀況處于微病態(tài)狀態(tài),影響洪澤湖整體健康的限制因子主要是TP、TN,湖泊水循環(huán)周期和水生植被覆蓋率等指標。

本文對洪澤湖生態(tài)健康的評價結果與洪澤湖實際情況相符,驗證了文中所采用的基于投影尋蹤的模糊模式識別模型的可行性、可靠性,該模型可推廣應用于其他的生態(tài)系統(tǒng)評價問題中。

鑒于洪澤湖目前的健康狀況,建議應加強洪澤湖區(qū)水環(huán)境治理,嚴格控制污染物排放總量;實施退網、退耕還湖及河湖疏浚工程,增強湖泊調蓄功能;對洪澤湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)進行科學有效區(qū)劃,進行濕地植被恢復與重建,逐步恢復其健康狀況。

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Lake ecosystem health assessment based on projection pursuit

XUE Lianqing1,2,3, ZHU Yizhen1,WANG Siqi1,CHI Yixia1, 3

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.CollegeofWaterandArchitecturalEngineering,ShiheziUniversity,Shihezi832003,China;3.WentianCollege,HohaiUniversity,Maanshan243031,China)

Abstract：A fuzzy pattern recognition model based on projection pursuit for lake ecosystem health evaluation is proposed in this paper. There are four procedures in this method: (1) screening a set of indicators that can reflect the health status of lake ecosystem, (2) building the evaluation criteria, (3) determining the index weight using the projection pursuit method, and (4) evaluating the lake health status through adoption of the fuzzy pattern recognition model. The model was applied to the health assessment of Hongze Lake. The results suggest that Hongze Lake was in a slightly polluted state. The high concentrations of TN and TP were the main factors that affected the health status of Hongze Lake. The evaluation results of the model corresponded with the lake’s actual health status. Therefore, the model can be widely applied to the evaluation of other ecosystems.

Key words：ecosystem health; assessment indicators; projection pursuit; fuzzy recognition model; Hongze Lake

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.02.014

基金項目:國家自然科學基金(41371052,U1203282);水利部公益性行業(yè)專項(201501059);江蘇省“青藍”工程項目

作者簡介:薛聯(lián)青(1973—),女,教授,博士生導師,主要從事水資源規(guī)劃與生態(tài)水文方面的研究。E-mail: lqxue@hhu.edu.cn

中圖分類號：X52

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)02-0067-06

(收稿日期：2015-12-28編輯：徐娟)