太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害程度評(píng)價(jià)方法

劉聚濤,高俊峰,趙家虎,黃佳聰,姜加虎(.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 20008；2.中國科學(xué)院研究生院,北京 00049)

太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害程度評(píng)價(jià)方法

劉聚濤1,2,高俊峰1*,趙家虎1,2,黃佳聰1,2,姜加虎1(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008；2.中國科學(xué)院研究生院,北京 100049)

通過對(duì)太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害分析,借鑒赤潮災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo),采取藍(lán)藻水華面積和Chla濃度作為災(zāi)害程度分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo),應(yīng)用層次分析法確定權(quán)重,結(jié)合隸屬度函數(shù),采用模糊綜合評(píng)價(jià)建立太湖藍(lán)藻水華災(zāi)度分級(jí)評(píng)價(jià)方法,定量描述藍(lán)藻水華災(zāi)害程度.結(jié)合2008年太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害事件對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明,2008年太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害規(guī)模主要為小型、中型和大型,無重大和特大藍(lán)藻水華災(zāi)害發(fā)生;其中小型藍(lán)藻水華災(zāi)害在各月都有分布,中型和大型藍(lán)藻水華災(zāi)害主要分布在5月和7～9月.評(píng)價(jià)結(jié)果表明該方法具有一定的科學(xué)性和適用性.

藍(lán)藻水華災(zāi)害；災(zāi)害程度；評(píng)價(jià)方法；太湖

Abstract：Referring to the indices of red tide hazard evaluation, cyanobacteria bloom area and Chla concentration was took as evaluation indices and a hazard degree evaluation method was established based on the analysis of cyanobacteria bloom hazard in Taihu Lake. AHP method was applied to determine the weights and fuzzy comprehensive evaluation method was adopted to quantitatively estimate the hazard degree. Cyanobacteria bloom hazards in Taihu Lake in 2008 were evaluated through the above method. The hazards of Taihu Lake in 2008 were mainly small, medium and large, and there were no significant and serious cyanobacteria bloom. In the different hazards, the small hazard distributed each month, and the medium and large hazards were mainly distributed in May and from July to December. The evaluation method could be successfully applied in the scientific research and field operation.

Key words：cyanobacteria bloom hazard；hazard degree；evaluation method；Taihu Lake

從20世紀(jì)80年代后期開始,太湖北部的梅梁灣頻繁暴發(fā)藍(lán)藻水華[1-2],2000年以來,藍(lán)藻水華的持續(xù)時(shí)間增加,幾乎全年都有發(fā)生.2001年開始,南部沿岸藍(lán)藻水華頻發(fā),且集聚面積逐年擴(kuò)大,持續(xù)時(shí)間越來越長.2003年之后,藍(lán)藻水華開始向湖心擴(kuò)散[3].

災(zāi)害程度分級(jí)是災(zāi)害預(yù)防和災(zāi)后減災(zāi)措施實(shí)施的重要依據(jù).目前對(duì)于藍(lán)藻水華的研究多集中于其發(fā)生機(jī)理研究[4-7],尚未有關(guān)于藍(lán)藻水華災(zāi)害程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)方法的研究.本研究采用藍(lán)藻水華面積和Chla濃度作為災(zāi)害程度分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo),應(yīng)用層次分析法確定權(quán)重,結(jié)合隸屬度函數(shù),采用模糊綜合評(píng)價(jià)建立太湖藍(lán)藻水華災(zāi)度分級(jí)評(píng)價(jià)方法,并以2008年太湖部分藍(lán)藻水華災(zāi)害事件驗(yàn)證該評(píng)估方法的適用性,定量描述藍(lán)藻水華災(zāi)害程度,為藍(lán)藻水華預(yù)防、減災(zāi)提供依據(jù).

1 太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害程度評(píng)價(jià)方法

1.1太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

借鑒與藍(lán)藻水華災(zāi)害性質(zhì)和類型相似的赤潮災(zāi)害研究成果確定藍(lán)藻水華災(zāi)害程度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.在赤潮災(zāi)害評(píng)價(jià)中,通常采用赤潮面積、中毒人數(shù)和經(jīng)濟(jì)損失3個(gè)指標(biāo)來劃分[8-9].與赤潮災(zāi)害相比,藍(lán)藻水華暴發(fā)時(shí),對(duì)人類直接影響是藍(lán)藻水華堆積腐爛形成異味,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致湖區(qū)水廠停水,造成飲用水源危機(jī),而在其他情況下,藍(lán)藻水華暴發(fā)的直接影響是湖泊水環(huán)境和水生態(tài)惡化,因此,在藍(lán)藻水華災(zāi)害評(píng)價(jià)僅選取藍(lán)藻水華面積為評(píng)價(jià)指標(biāo).同時(shí),Chla可表征水體藻類的生物量大小和水華暴發(fā)的趨勢[10-11],因此,采用藍(lán)藻水華面積和Chla濃度2個(gè)指標(biāo)來對(duì)藍(lán)藻水華災(zāi)害程度進(jìn)行評(píng)價(jià).

1.2太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1987～2003年,太湖Chla濃度1987年最低(7mg/m3),1990年最高(43mg/m3),其中1993,2000, 2002年分別為30,39,33mg/m3,其他年份都小于30mg/m3[12-16].根據(jù)太湖藍(lán)藻水華面積調(diào)查,并結(jié)合實(shí)地調(diào)查資料和數(shù)據(jù),同時(shí)征詢不同專家意見,對(duì)太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害進(jìn)行分級(jí),如表1所示.

表1 太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害程度分級(jí)體系Table 1 Grading system of cyanobacteria bloom hazard degree in Taihu Lake

1.3權(quán)重確定方法

采用層次分析法(AHP)[17]確定權(quán)重.在專家確定法的基礎(chǔ)上,進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,判斷最大特征值的一致性,當(dāng)一致性檢驗(yàn)值(CR)＜ 0.10時(shí),認(rèn)為層次總排序結(jié)果具有較滿意的一致性并接受該分析結(jié)果,從而確定指標(biāo)的權(quán)重.

1.4隸屬度函數(shù)

以隸屬度大小表達(dá)隸屬度資格時(shí),隸屬度數(shù)值愈大,隸屬資格愈高.常用的求隸屬度方法為隨等級(jí)升高因子標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值增大的因子用“降半梯形分布圖”法[18-19],評(píng)價(jià)因子相應(yīng)于不同級(jí)別的隸屬度函數(shù)表達(dá)式如下.

式中: rij表示因子i對(duì)j級(jí)藍(lán)藻水華災(zāi)害程度的隸屬度; Ci表示第i個(gè)因子的實(shí)測指標(biāo);Sij表示第i個(gè)因子的第j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值.

1.5綜合評(píng)估模型

在確定單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣R和權(quán)重集W之后,采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法[18-19]進(jìn)行計(jì)算.

B=W·R=[b1,b2,…,bm] (4)

根據(jù)最大隸屬度原則,若bj=max(b1,b2,…,bm),則評(píng)價(jià)對(duì)象級(jí)別應(yīng)該為第j級(jí).

2 太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害程度評(píng)估實(shí)例

2.1數(shù)據(jù)

藍(lán)藻水華面積通過頻率為每天1次的分辨率為250m×250m的MODIS遙感影像,采用近紅外波段Band2＞0.1,并且Band2/Band4＞1的方法[20]提取.Chla濃度來源于太湖生態(tài)站每周2次常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù),根據(jù)藍(lán)藻水華預(yù)報(bào)模型[21]模擬監(jiān)測日期后2～3d的Chla濃度分布,結(jié)合遙感影像統(tǒng)計(jì)藍(lán)藻水華面積范圍內(nèi)Chla濃度,并計(jì)算其均值,從而確定該天藍(lán)藻水華暴發(fā)時(shí)Chla濃度.

2.2權(quán)重確定

在太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,通過藍(lán)藻水華面積和Chla濃度指標(biāo)的對(duì)比,構(gòu)造判斷矩陣,該矩陣的一致性檢驗(yàn)值CR為0.0000＜0.10,權(quán)重的確定具有可信性,太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害指標(biāo)中,藍(lán)藻水華面積、Chla濃度權(quán)重分別為0.69,0.31.則太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害指標(biāo)權(quán)重的矩陣為:W=[0.69 0.31].

2.3隸屬度函數(shù)計(jì)算

由于隸屬度函數(shù)無法對(duì)沒有上限的分級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià),因此對(duì)于特大災(zāi)害的隸屬度的確定存在一定問題.根據(jù)藍(lán)藻水華暴發(fā)狀況,分別設(shè)1200km2和150mg/m3作為面積和Chla濃度的上限,如果超過該數(shù)值,則對(duì)于特大災(zāi)害的隸屬度為1,其他災(zāi)害級(jí)別的隸屬度為0;若面積屬于(900,1200]范圍內(nèi)和Chla濃度位于(120,150]區(qū)間,則分別計(jì)算該指標(biāo)對(duì)于重大藍(lán)藻水華災(zāi)害和特大藍(lán)藻水華災(zāi)害的隸屬度.

以2008年5月5日為例,藍(lán)藻水華面積為462 km2, Chla濃度為107.8mg/m3,根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)模型中隸屬度函數(shù),藍(lán)藻水華面積指標(biāo)分別隸屬于中型藍(lán)藻水華災(zāi)害和大型藍(lán)藻水華災(zāi)害,Chla濃度分別隸屬于大型藍(lán)藻水華災(zāi)害和重大藍(lán)藻水華災(zāi)害,采用式(1)～式(3)分別計(jì)算藍(lán)藻水華面積和濃度的隸屬度,則2008年5月5日實(shí)測指標(biāo)隸屬度矩陣為:

2.4太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害程度評(píng)估

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)方法,采用W=·BR計(jì)算各次藍(lán)藻水華災(zāi)害事件對(duì)各級(jí)別災(zāi)害的隸屬度.2008年5月5日的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為:

根據(jù)最大隸屬度原則,2008年5月5日藍(lán)藻水華災(zāi)害應(yīng)屬于中型藍(lán)藻水華災(zāi)害.

其他日期藍(lán)藻水華災(zāi)害事件計(jì)算方法相同.根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,結(jié)合最大隸屬度原則,2008年不同類型藍(lán)藻水華災(zāi)害評(píng)價(jià)結(jié)果見表2.由表2可見,2008年太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害程度主要為小型、中型和大型藍(lán)藻水華災(zāi)害,并無重大和特大藍(lán)藻水華災(zāi)害發(fā)生.這可能是由于2007年5月份太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害發(fā)生后,太湖流域采取了如人工撈藻、引江濟(jì)太等措施[22]來削減和稀釋太湖藍(lán)藻水華暴發(fā)所需營養(yǎng)物質(zhì)濃度,同時(shí),采取一定的措施來密切關(guān)注和監(jiān)測藍(lán)藻水華狀況,一定程度上減小了大面積藍(lán)藻水華災(zāi)害發(fā)生的機(jī)率和風(fēng)險(xiǎn),因此2008年藍(lán)藻水華災(zāi)害規(guī)模并無重大和特大型藍(lán)藻水華災(zāi)害.

表2 2008年不同類型藍(lán)藻水華災(zāi)害程度評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Evaluation of different types of cyanobacteria bloom hazard degree in Taihu Lake in 2008

根據(jù)2008年4～9月太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表3),小型藍(lán)藻水華災(zāi)害在各月都有分布,中型和大型藍(lán)藻水華災(zāi)害主要分布在5月和7～9月.4月份,太湖藍(lán)藻水華屬于復(fù)蘇階段[7],藍(lán)藻生物量處于增加階段,并且溫度相對(duì)較低,藍(lán)藻水華災(zāi)度較小;由于太湖流域受季風(fēng)氣候影響,6月份多陰雨天氣,降雨量較大,太湖水位相對(duì)較高,對(duì)藍(lán)藻密度具有一定的稀釋作用,一定程度上減小了藍(lán)藻大規(guī)模聚集的程度,因此6月份藍(lán)藻水華災(zāi)度較小;5月、7～9月,由于藻類生物量較大,并且有適合藻類生長的溫度,因此藍(lán)藻水華災(zāi)害災(zāi)度相對(duì)較大.

表3 2008年藍(lán)藻水華災(zāi)害類型統(tǒng)計(jì)Table 3 Temporal distribution of different types of cyanobacteria bloom hazards in Taihu Lake in 2008

3 結(jié)語

借鑒赤潮災(zāi)害分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo),通過對(duì)藍(lán)藻水華災(zāi)害指標(biāo)分析,確定太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害程度分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)以及評(píng)價(jià)方法,并采用2008年太湖不同類型藍(lán)藻水華災(zāi)害對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明,2008年太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害程度主要為小型、中型和大型,無重大和特大藍(lán)藻水華災(zāi)害發(fā)生,其中小型藍(lán)藻水華災(zāi)害在各月都有分布,中型和大型藍(lán)藻水華災(zāi)害主要分布在5月和7～9月.該評(píng)價(jià)結(jié)果表明該方法具有一定的科學(xué)性和適用性.

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Method of cyanobacteria bloom hazard degree evaluation in Taihu Lake.

LIU Ju-tao1,2, GAO Jun-feng1*, ZHAO Jia-hu1,2, HUANG Jia-cong1,2, JIANG Jia-hu1(1.Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：829～832

X524

A

1000-6923(2010)06-0829-04

劉聚濤(1983-),男,河南舞陽人,中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所博士研究生,主要研究生態(tài)環(huán)境災(zāi)害評(píng)估.發(fā)表論文4篇.

2009-11-16

國家“973”項(xiàng)目(2008CB418106);中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大交叉項(xiàng)目(KZCX1-YW-14-6);水專項(xiàng)(2008ZX07101-014);江蘇省科技廳太湖水污染治理科技專項(xiàng)(BS2007162).

* 責(zé)任作者, 研究員, gaojunf@niglas.ac.cn