基于熵權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)法的白馬湖生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

吳蘇舒，高士佩，胡曉東，徐季雄

（江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017）

白馬湖作為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其健康狀況和人類生存和發(fā)展密切相關(guān)。當(dāng)前，由于城市化進(jìn)程不斷加快，白馬湖生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)受到了比較嚴(yán)重的生態(tài)破壞與退化。國(guó)內(nèi)外對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的研究已取得了不少進(jìn)展?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)，Rapport等[1]提出了生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)，Karr等[2]提出了從水生生物生物完整性方面提出評(píng)價(jià)指標(biāo)；劉永[3]等建立了考慮水環(huán)境及水生態(tài)的指標(biāo)體系，徐福留等[4]從結(jié)構(gòu)及生態(tài)緩沖能力等方面建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在評(píng)價(jià)方法方面，主要有單因子評(píng)價(jià)法[5]、層次分析法[6]、灰色聚類法[7]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法[8]、投影尋蹤法[9]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[10]等。模糊綜合評(píng)價(jià)法的理論來(lái)源于模糊數(shù)學(xué)，對(duì)受到多個(gè)因素制約的事物或?qū)ο笞龀隹傮w評(píng)價(jià)，在湖泊生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用[11-14]。

1 研究區(qū)概況

白馬湖地處淮河流域下游，是南水北調(diào)東線工程重要的過(guò)境湖泊，也是淮安市第二水源地，湖泊保護(hù)范圍面積113.4 km2，保護(hù)范圍線長(zhǎng)77.05 km。湖泊為平原淺水型湖泊，原屬草型湖泊。白馬湖是江蘇省十大湖泊之一，因20世紀(jì)圍墾造田、圈圩養(yǎng)殖造成湖泊水面明顯萎縮，調(diào)蓄洪澇能力明顯下降。圍墾、圈圩和圍網(wǎng)養(yǎng)殖等開發(fā)利用面積占湖區(qū)水面的92%，湖泊水面明顯減小，調(diào)蓄能力下降；水體污染日益嚴(yán)重，富營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)明顯；無(wú)序、過(guò)度開發(fā)利用，生態(tài)環(huán)境呈逐年下降趨勢(shì)。近年來(lái)，淮安市政府已投入數(shù)十億元，通過(guò)退圩還湖、退漁還湖、尾水截留、環(huán)湖大道建設(shè)、生態(tài)清淤、生態(tài)修復(fù)等工程與非工程措施開展白馬湖生態(tài)建設(shè)。為了解白馬湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，保障南水北調(diào)東線工程及城市飲用水安全，本文開展了對(duì)白馬湖生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估工作。

2 白馬湖生態(tài)狀況

在白馬湖湖區(qū)設(shè)置了11個(gè)采樣點(diǎn)，各采樣點(diǎn)分布詳見(jiàn)圖1，按月調(diào)查浮游植物、浮游動(dòng)物以及底棲動(dòng)物。

2.1 浮游植物現(xiàn)狀調(diào)查

2016年在白馬湖湖區(qū)共觀察到浮游植物65屬，109種，其中綠藻門的種類最多，有26屬50種。2016年白馬湖浮游植物優(yōu)勢(shì)種，春季主要以硅藻門、綠藻門、藍(lán)藻門、金藻門和隱藻門的浮游植物為主，夏季和秋季主要以藍(lán)藻門、硅藻門和隱藻門的浮游植物為主，冬季主要以硅藻門、綠藻門和金藻門的浮游植物為主。

應(yīng)用Pantle～Buck方法（1955）計(jì)算污染指數(shù)，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，公式如下：

式中，SI為污染指數(shù)，s為藻類污染指示等級(jí)，h為該種藻類的估算數(shù)量分級(jí)。

水體污染指數(shù)SI在1.0～1.5之間，為中營(yíng)養(yǎng)水平（輕度污染），1.5～2.5為中—富營(yíng)養(yǎng)水平（中度污染），2.5～3.5為富營(yíng)養(yǎng)水平（重度污染），3.5～4.0為超富營(yíng)養(yǎng)水平（嚴(yán)重污染）。數(shù)據(jù)顯示，白馬湖的平均污染指數(shù)約為2.4，說(shuō)明白馬湖整體處于中—富營(yíng)養(yǎng)（中度污染）狀態(tài)。其中位于生態(tài)養(yǎng)殖和景觀娛樂(lè)區(qū)的的白馬湖北部干南河河口的bmh2和位于中部生態(tài)養(yǎng)殖區(qū)的bmh6樣點(diǎn)的污染指數(shù)最高，均超過(guò)2.5，達(dá)到了富營(yíng)養(yǎng)水平（重度污染）；位于東北部水源地保護(hù)區(qū)的bmh4，南部阮橋河河口資源保留區(qū)的bmh10和景觀娛樂(lè)區(qū)的bmh11樣點(diǎn)，污染指數(shù)最低，均低于2.3，說(shuō)明該區(qū)域水質(zhì)相對(duì)較好。

圖1 2016年度白馬湖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)浮游植物豐度空間分布差異

2.2 浮游動(dòng)物現(xiàn)狀調(diào)查

全年浮游動(dòng)物水樣鏡檢見(jiàn)到的種類共有56種（含橈足類的無(wú)節(jié)幼體和橈足幼體），其中原生動(dòng)物18種，占總種類的32.1%；輪蟲22種，占39.3%；枝角類7種，占12.5%；橈足類9種，占16.1%。

根據(jù)臂尾輪蟲B多是屬于富營(yíng)養(yǎng)型種，異尾輪蟲T多是貧營(yíng)養(yǎng)型種，提出了常用于評(píng)價(jià)水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)情況的B/T指數(shù)。

B/T=B（臂尾輪蟲屬的種數(shù)）/T（異尾輪蟲屬的種數(shù)）。

當(dāng)B/T＜1時(shí)，為貧營(yíng)養(yǎng)型湖泊；當(dāng)B/T在1～2之間時(shí)，為中營(yíng)養(yǎng)型湖泊；當(dāng)B/T＞2時(shí)，為富營(yíng)養(yǎng)型湖泊。2016年白馬湖各站點(diǎn)的QB/T值變化范圍為1.7～3.0，均值為2.2，所以白馬湖整體上為富營(yíng)養(yǎng)型湖泊。

2.3 底棲動(dòng)物現(xiàn)狀調(diào)查

2016年1～12月期間白馬湖共鑒定出底棲動(dòng)物16種（屬），其中搖蚊科幼蟲種類最多，共計(jì)8種；寡毛類次之，共3種，主要為寡毛綱顫蚓科的種類；其次為軟體動(dòng)物，共2種；其他包括蛭類2種，分別為扁舌蛭和八目石蛭，以及中華小長(zhǎng)臂蝦1種。

應(yīng)用Shannon-wiener生物多樣性指數(shù)評(píng)價(jià)白馬湖營(yíng)養(yǎng)及污染狀況。

式中：ni—第i個(gè)種的個(gè)體數(shù)目，N—群落中所有種的個(gè)體總數(shù)。

2016年白馬湖各站點(diǎn)的Shannon-wiener生物多樣性指數(shù)值變化范圍為1.09～2.55，均值為2.06，所以白馬湖整體上為輕污染湖泊。

2.4 白馬湖自由水面率現(xiàn)狀調(diào)查

自由水面率是湖泊自由流動(dòng)的水面占湖泊總面積的比例，是衡量湖泊水資源開發(fā)利用的程度的指標(biāo)，湖泊總面積指正常蓄水位時(shí)的湖泊面積。自由水面率可用下列公式：

自由水面率=[湖泊范圍－（圈圩范圍+圍網(wǎng)范圍）]/湖泊范圍×100%。

經(jīng)調(diào)查，白馬湖2014年及2016年自由水面率分別為0.408及0.683，詳見(jiàn)下圖2。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建及計(jì)算

圖2 白馬湖2014、2016年水域面積測(cè)算圖

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選及計(jì)算

湖泊生態(tài)健康包括湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的健康和功能的健康2個(gè)方面[9]。本文主要從白馬湖水文特征、水質(zhì)狀況、水生態(tài)、物理形態(tài)結(jié)構(gòu)、社會(huì)服務(wù)5個(gè)方面進(jìn)行分析，篩選能夠反映白馬湖生態(tài)健康狀況的指標(biāo)，見(jiàn)表1。

3.3 評(píng)價(jià)等級(jí)確定

為了全面概括白馬湖生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，本文將白馬湖生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)健康狀況分為5個(gè)等級(jí)[15]，1級(jí)為白馬湖生態(tài)系統(tǒng)很健康，5級(jí)為白馬湖生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)為病態(tài)。

上述是對(duì)白馬湖生態(tài)系統(tǒng)健康5個(gè)級(jí)別的定性描述，要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)制定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檫M(jìn)行客觀具體的評(píng)價(jià)需要將各評(píng)價(jià)指標(biāo)量化分級(jí)[16-18]，劃分依據(jù)如下：有國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的，優(yōu)先采用標(biāo)準(zhǔn)；無(wú)明確標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及研究成果，其余查閱以往數(shù)據(jù)資料并結(jié)合白馬湖區(qū)典型特征值。由此制定白馬湖生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示，其中定性指標(biāo)物理穩(wěn)固性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

4 白馬湖生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

建立白馬湖熵權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型主要包括以下幾個(gè)步驟：

①構(gòu)建白馬湖個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣，n為樣本數(shù)，m為模糊數(shù)；對(duì)于成本型指標(biāo)，通過(guò)下式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：其中，經(jīng)修正，由此得到權(quán)重集 W=｛w1，w2，…，wm｝。

⑤模糊合成后可得到白馬湖模糊綜合評(píng)價(jià)模型：

表1 白馬湖生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 白馬湖生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

5 結(jié)果及分析

表3 白馬湖物理穩(wěn)固性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

5.1 熵權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

5.1.1 數(shù)據(jù)處理

選取2014～2016年的數(shù)據(jù)通過(guò)表1的計(jì)算方法得到各指標(biāo)的指標(biāo)值，見(jiàn)表4。

5.1.2 隸屬度確定

由各指標(biāo)的隸屬度函數(shù)計(jì)算得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬矩陣，根據(jù)最大隸屬度原則，選擇隸屬度最大值所對(duì)應(yīng)的等級(jí)作為評(píng)估的最終結(jié)果，得到各指標(biāo)所屬等級(jí)，見(jiàn)表4。

5.1.3 指標(biāo)權(quán)重確定

通過(guò)SPSS軟件對(duì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，建立指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化陣，通過(guò)所建立的判斷矩陣及熵的計(jì)算方法，可得到熵值；根據(jù)熵權(quán)可以計(jì)算各指標(biāo)的差異系數(shù)，由權(quán)重計(jì)算公式，可以得到各指標(biāo)的權(quán)重，見(jiàn)表4。

5.1.4 熵權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)

將所得的隸屬度矩陣及權(quán)重集帶入熵權(quán)模糊綜合評(píng)價(jià)模型，通過(guò)模糊合成，得到2014、2016年對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康5個(gè)等級(jí)的隸屬度，結(jié)果如表5所示。

由表5可得，隸屬度最大值分別為0.4172及0.3835，分別對(duì)應(yīng)于一般病態(tài)及亞健康。這一評(píng)判結(jié)果說(shuō)明白馬湖整體生態(tài)系統(tǒng)健康狀況盡管不是太好，但呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，說(shuō)明近年來(lái)對(duì)白馬湖退圩還湖的治理措施已取得了初步成效。

5.2 結(jié)論和分析

由權(quán)重大小和差異系數(shù)可以得出各評(píng)價(jià)因子對(duì)白馬湖生態(tài)系統(tǒng)健康的影響程度從大到小依次為：調(diào)蓄指數(shù)、TN、TP、自由水面率、底棲動(dòng)物多樣性指數(shù)、物理穩(wěn)固性、DO、浮游動(dòng)物生物量、Chl-a、浮游植物生物量、透明度、水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率、入湖門口通暢率、湖泊蓄水量、湖水交換能力。湖泊的調(diào)蓄指數(shù)是影響湖泊水環(huán)境質(zhì)量及各項(xiàng)服務(wù)功能的重要因素。由于近年來(lái)白馬湖過(guò)度的圍墾、圍網(wǎng)養(yǎng)殖，白馬湖面積與容積不斷減小，湖泊的自凈能力隨之減弱，防洪調(diào)蓄能力也不斷削弱。同時(shí)，白馬湖連續(xù)3年的水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率均不到50%，作為淮安市第二水源地，水質(zhì)狀況較差，社會(huì)服務(wù)功能有待提高。此外，對(duì)比白馬湖2014～2016年的自由水面率可知，白馬湖的自由水面在不斷擴(kuò)大，退圩還湖工程已初見(jiàn)成效。

表4 白馬湖2014～2016年各指標(biāo)年平均值及熵權(quán)

表5 2014、2016年各健康等級(jí)的隸屬度

鑒于此，對(duì)白馬湖提出以下治理建議：①白馬湖環(huán)湖主要分布有大量的農(nóng)田以及村莊，表現(xiàn)為分散非點(diǎn)源污染，目前針對(duì)此類污染源的控制收效甚微?，F(xiàn)階段監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示白馬湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)仍處于中度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，作為淺水型湖泊，富營(yíng)養(yǎng)化治理工作不容懈?。虎谧罱鼛啄?，通過(guò)對(duì)湖內(nèi)養(yǎng)殖圍網(wǎng)進(jìn)行大幅度整治，使得白馬湖圍網(wǎng)占有面積大幅度下降，應(yīng)繼續(xù)推進(jìn)退漁還湖工作，減少圍網(wǎng)養(yǎng)殖，擴(kuò)大自由水域面積，保持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的平衡；③白馬湖湖形為兩頭大、中間小，南北湖區(qū)水體的交換依賴于中間的狹長(zhǎng)通道，白馬湖湖區(qū)內(nèi)存在著大量的資源開發(fā)利用活動(dòng)，嚴(yán)重阻礙了湖水的交換及對(duì)流，應(yīng)優(yōu)先推進(jìn)中部湖區(qū)退漁還湖措施，改善局部富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。