基于投影寻踪法的衡水湖湿地健康评价

张 浩，郭 勇，缪萍萍，李文君

(1.海河流域水资源保护局，天津 300170;2.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

湿地在狭义上一般被认为是陆地与水域之间的过渡地带;广义上则包括沼泽、滩涂、低潮时水深不超过6 m的浅海区、河流、湖泊、水库、稻田等。湿地具有净化水源、蓄洪防旱、调节气候和维护生物多样性等重要生态功能，被称为“地球之肾”。湿地是水陆相互作用形成的独特生态系统，因此湿地的水文条件是湿地属性的决定性因素。湿地水环境是由湿地中的水体、水中溶解物质、悬浮物、水生生物等各环境要素构成的综合系统，为湿地水生生物生存、繁衍提供了栖息场所。近年来，湿地水环境退化逐渐成为影响湿地生态安全的主要因素，开展湿地健康评价，研究指导湿地保护工作，对促进湿地资源可持续利用具有重要意义。

我国湿地面积占世界湿地的10%，位居亚洲第1位，世界第4位。从寒温带到热带、从沿海到内陆、从平原到高原山区都有湿地分布。近年来，我国学者对湿地健康进行了大量研究。2009年张良等[1]分析了洪湖区湿地脆弱性的成因，并采取定量和定性相结合的方法对洪湖区湿地脆弱性进行评价。2010年王秀明等[2]运用模糊综合评价模型对天津滨海新区湿地健康进行了诊断评价。朱智洺等[3]分析了沿海湿地生态系统健康的相关影响因素，构建了湿地生态系统健康预警指标体系。2011年刘晓曼等[4]设计了一套基于环境一号卫星CCD数据的自然保护区生态系统健康评价评价方法、指标体系和技术流程，同时选择向海湿地自然保护区为示范区对其生态系统健康现状进行了评价。刘艳艳等[5]全面总结了了国内外湿地生态安全评价的尺度、指标体系和方法研究进展。

1 湿地健康评价指标体系

湿地健康意味着湿地供水能够得到保障，能够维持湿地生态水位以及正常的水位波动;湿地生态系统能正常发挥功能，能实现湿地的最佳服务;湿地与周边地区人类活动能够形成良性互动。湿地健康是实现湿地服务功能的基础，是开展湿地保护与管理工作的目的;湿地健康的理论为湿地保护与管理工作提供新的途径和技术;良好的湿地健康状况是周边地区经济社会可持续发展的重要支撑。笔者根据湿地健康的理论思想，结合衡水湖湿地实际情况，从水资源禀赋、湿地生态环境、人类活动3个指标集构建了衡水湖湿地健康评价指标体系(表1)。

衡水湖地处内陆，属温带大陆性、半湿润半干旱季风气候，是我国湿地贫乏地区的代表性湿地。水资源禀赋中的指标主要反映衡水湖水质、水量的健康程度。衡水湖湿地自然保护区是我国鸟类保护的重要基地，同时对于调节当地气候有重要作用，湿地生态环境中的指标主要反映衡水湖湿地的生态环境以及物种多样性。人类活动中的指标反映了人类活动对于衡水湖湿地的正面影响以及负面影响。

采用的指标值数据来源于文献[6-7]，对于指标标准值的制定采取以下两种方式:对于DO、COD、BOD5、TP、TN、CODMn、NH3-N、透明度等指标，按照GB3838—2002《地表水环境质量标准》中的标准值划分为5个等级;对于其他指标，结合衡水湖历史曾出现过的最大值或最小值，均匀地划分为5个等级。

2 投影寻踪评价模型

采用投影寻踪模型[8-10]对衡水湖湿地健康状况进行评价。其基本算法步骤如下。

2.1 原始数据归一化处理

定义湿地健康评价中各样本各指标值的集合为

式中:x(i，j)为第i个样本的第j个指标值;n为样本的个数;p指标的个数。

表1 衡水湖湿地健康评价指标体系

表2 定性指标评分标准

对于指标值越大越优的指标采用式(2)进行归一化:

对于指标值越小越优的指标采用式(3)进行归一化:

影响沙集站发电效率的主要原因是相对水轮机工况发电时的水头较低，要提高发电效率必须降低电机转速。技术上主要有以下几种方案:

2.2 构建投影指标函数

其中:

式中:z(i)为投影值;a(j)为单位向量;Q(a)为投影指标函数;SZ为z(i)的标准差;DZ为z(i)的局部密度;E(z)为序列z(i)的平均值;R为局部密度的窗口半径，根据试验，一般取0.1Sz;r(i，j)为样本之间的距离;u(t)为单位阶跃函数，当t≥0时，其值为1，当t＜0时，其函数值为0。

2.3 优化投影目标函数

当各指标值给定时，投影指标函数Q(a)只随着投影方向的变化而变化，不同的投影方向反映不同的数据结构特征，而最大可能暴露高维数据某类特征结构的投影方向就是最佳投影方向。因此，可通过求解投影指标函数的最大化问题来估计最佳投影方向，继而最大可能揭示高维数据某类特征结构。

这是一个以a(j)为优化变量的复杂非线性优化问题，采用遗传算法[11-12]来解决其高维全局寻优问题。

衡水湖湿地健康指标值归一化成果见表3，采用投影寻踪模型对衡水湖湿地健康状况进行评价，在各个等级区间随机生成了100个样本。按照遗传算法优化投影方向，计算得到最优投影向量及健康等级划分的一维投影值，结果见表4。

最优投影方向为:

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 衡水湖湿地健康指标值及归一化成果

表4 衡水湖湿地健康等级划分的一维投影值

按照a*计算衡水湖湿地健康指标的投影值为2.969，健康状态为较健康，表明衡水湖湿地生态结构均衡，能够维持自身恢复力和服务功能。湿地管理水平较高，人类活动对衡水湖湿地的压力在其承载力范围之内。

3 结语

基于遗传算法的投影寻踪评价模型能将高维数据通过最佳投影方向映射到低维空间，便于对湿地健康指标体系进行直观的综合评价。笔者对衡水湖湿地健康状况的评价综合考虑了各影响因素特性，对指标体系进行合理的等级划分，结果表明衡水湖湿地处于较健康的状态。该评价为衡水湖湿地的管理和保护工作提供了新的思路和科学依据。

在维护衡水湖湿地健康的工作中，应注重以下几个方面。

a.做好引调水工作，保障衡水湖湿地水量。1994年引黄入冀工程实施以来，衡水湖共引黄河水6.26亿m3，对于维护湖区正常生产生活用水，改善周边环境起了重要作用。遇到干旱年份时，应适当延长引黄时间，保障衡水湖生态补水。

b.加大环境治理力度，增加环保资金投入。衡水湖主要污染源是湖内水生植物过度繁殖以及渠道径流的汇入，因此一方面要及时收割湖内水生植物，清除底泥;另一方面要改善入湖水质，尤其要避免引黄水在引黄途中的二次污染。

c.提高衡水湖管理水平。要对衡水湖湿地进行定期、定点监测，监测项目应涉及水质、水体营养状态、生物多样性等方面，通过及时、准确、详细的资料采集，在今后的工作中可以建立衡水湖湿地健康预警系统。

本文的研究对衡水湖湿地的保护进行了一定的探索，但仍存在不足之处。对于衡水湖健康的评价，由于资料所限，并没有进行分区探讨，在今后的研究中应当进一步完善。

[1]张良，李妲.洪湖湿地生态脆弱性研究[J].科学技术与工程，2009，19(14):4249-4251.

[2]王秀明，李洪远，孟伟庆.基于模糊综合评价模型的天津滨海新区湿地生态系统健康评价[J].湿地科学与管理，2010，6(3):19-23.

[3]朱智洺，冯步云，刘磊.沿海湿地生态系统健康预警指标体系的设计[J].生态与农村环境学报，2010，26(5):436-441.

[4]刘晓曼，王桥，孙中平，等.基于环境一号卫星的自然保护区生态系统健康评价[J].中国环境科学，2011，31(5):863-870.

[5]刘艳艳，吴大放，王朝晖.湿地生态安全评价研究进展[J].地理与地理信息科学，2011，27(1):69-75.

[6]衡水市环境监测站.衡水市环境质量报告书[R].衡水:衡水市环境监测站，2011.

[7]河北省人民政府.河北省统计年鉴[M].北京:中国统计出版社，2001-2011.

[8]FRIEDMAN J H，TURKEY J W.A projection pursuit algorithm for exploratory data analysis[J].IEEE Trans on Computer，1974，23(9):881-890.

[9]赵小勇，崔广柏，付强.投影寻踪分类模型在小流域治理效益评价中的应用[J].水利学报，2007(增刊):436-440.

[10]陈曜，丁晶，赵永红.基于投影寻踪原理的四川省洪灾评估[J].水利学报，2010，41(2):220-225.

[11]杨晓华，杨志峰，沈珍瑶.水资源可再生能力评价的遗传投影寻踪方法[J].水科学进展，2004，15(1):73-76.

[12]封志明，郑海霞，刘宝勤.基于遗传投影寻踪模型的农业水资源利用效率综合评价[J].农业工程学报，2005，21(3):66-70.