基于多级灰关联法的博斯腾湖水生态健康评价

刘　江，贾尔恒·阿哈提，程　艳，姜国强

1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052

2.新疆环境保护科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830011

3.环境保护部华南环境科学研究所，广东 广州 510655

新疆博斯腾湖是中国最大的内陆淡水湖，是孔雀河的源头和开都河的尾闾。对地处干旱区的新疆来讲，博斯腾湖是极为重要的自然资源和经济资源[1]。近年来，湖区周围土地开垦面积、畜牧业发展规模及工业排污量的不断增大，导致博斯腾湖部分湖区出现了水质恶化、水体咸化及局部水体富营养化的状况，使湖泊水生态健康受到严重威胁[2]。合理评价博斯腾湖水生态健康状况，对于掌握湖区水生态健康现状，找出恶化原因，及时采取有效措施，维持和改善博斯腾湖生态健康有重要的指导意义。

由于水生生物观测资料具有不连续性以及湖泊生态系统具有复杂性等特点，对湖泊水生生态的长系列评价较为困难。如何根据现有长系列监测数据合理评价湖泊水生态健康状态十分必要。单因子水质评价通常能够反映湖泊水质的好坏，水体富营养化程度是影响湖泊水生生物多样性的重要指标，而多级灰关联综合评价方法的结果准确度要优于传统的模糊评价法直接用最大从属度作为评价结果的准确度，评价结果具有连续性，能更准确地反映系统状况，特别适用于系统状况变化不明显的情况。同时该方法根据实测数据确定权重，减少了人为主观因素的影响，使权重的确定更确切，较其他综合评价方法更适用于较复杂的湖泊生态系统。为此，笔者将处理系统广义不确定性问题的多级灰关联理论引入系统综合评价之中，将水环境子系统和水生态子系统的得分加权平均，并依据湖泊水生态系统健康综合指数评估标准，得出博斯腾湖水生态健康综合指数(EHCI)，从而实现对博斯腾湖的水生态健康状况的综合评估。

1　研究区域概况

博斯腾湖地处我国西北干旱-半干旱地区，位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境内，平均海拔高度1 046 m，曾是中国最大的内陆淡水湖泊[3]。博斯腾湖既是上游开都河、黄水沟等水系的尾闾，又是下游孔雀河水系的源头，相当于一个巨大的“调节水库”，是开孔河流域的“心脏”(图1)。博斯腾湖由大湖区、小湖区和苇沼区3部分组成，大湖水面面积为972.2 km2(水位1 048 m时)，小湖水面面积44.5 km2，苇沼面积约280 km2。博斯腾湖是巴音郭楞各族儿女的“母亲湖”，它的存亡关系到巴州乃至新疆维吾尔自治区的经济发展。

图1　博斯腾湖流域地理位置图

博斯腾湖流域也称为开孔河流域，主要由开都河流域(也可称为焉耆盆地，包含博斯腾湖泊湿地)和孔雀河流域组成[4]。流域范围包括焉耆盆地及其外围山区和塔里木河下游段以北的大部分地区，和静县、和硕县、焉耆县、博湖县和库尔勒市及新疆生产建设兵团所属21～30团的10个农业团场。随着该湖流域尤其是流域汇水区的社会经济发展，博斯腾湖面临的环境压力越来越大，目前“水少、水脏、水咸”成为影响湖泊生态健康的主要问题。

2　评价指标体系与评价方法

2.1评价指标体系构建

采用生态系统健康结构和功能指标体系评价方法，建立由物理化学指标体系、生态指标体系2个二级指标体系组成的生态系统健康评价指标体系。其中，物理化学指标体系反映了博斯腾湖水环境质量状况，生态指标体系反映了博斯腾湖水生态健康水平。将湖泊浮游植物数量、浮游动物数量、底栖动物生物量、细菌总数、浮游植物多样性指数作为参考的生态评价指标，见表1。

表1　博斯腾湖水生态系统健康综合评估指标体系

2.2评价方法和标准

采用多级灰关联评价法[5-10]和综合营养状态指数评价法[11]，依据地表水环境质量标准和综合营养状态分级标准，对湖泊水环境子系统(理化指标)和水生态子系统(生态指标)分别给定指标分类标准，并参考自2001年以来的代表年浮游植物数量、浮游动物数量、底栖动物生物量、细菌总数、浮游植物多样性指数等指标，计算博斯腾湖水环境及水生态系统评价得分及结果；再将水环境子系统和水生态子系统的得分加权平均，依据湖泊水生态系统健康综合指数评价标准，得出博斯腾湖的EHCI值，以评估博斯腾湖的水生态健康状况。各系统的评价分类标准见表2～表4。

表2　水环境子系统指标分类标准　mg/L

表3　湖泊营养状态分级

表4　生态系统健康综合指数分级

2.2.1水环境子系统评价方法

将多级灰关联理论引入系统综合评价之中，以此确定待评价系统的优劣。

首先对各指标进行归一化处理。对评价指标的样本矩阵和标准矩阵进行归一化，得到归一化的样本矩阵和标准矩阵；将单因子水质级别与归一化所得样本矩阵中单因子测值建立函数关系，获得水质因子与评价级别的映射关系。归一化采用分段线性变化方法，对于数值愈大表明状况愈严重的指标采用式(1)、式(2)进行变换。

(1)

(2)

对于数值愈小表明状况愈严重的指标可采用式(3)、式(4)进行变换。

(3)

(4)

对于数值处于某一区间(x1，x2)内表明状况愈严重的指标采用式(5)进行变换。

(5)

将单因子水质级别(Sij)与归一化后的样本矩阵(Am×n)中单因子测值建立函数关系，获得水质因子与评价级别的映射关系。

Sji=c-(c-1)aji，aji∈[0，1.0]，Sji∈[1，c]

式中：n为监测样本点的个数，m为监测指标的个数，c为标准级别数,Sij为单因子水质级别，CRc×m为标准矩阵，aij为样本矩阵中的元素，bti为标准矩阵中的元素。

其次对系统综合评价的主成分分析赋权。根据实际监测样本这一赋权的基本信息源，求取反映系统内部各因子间关联性的关联信息矩阵，然后进行主成分信息的提取，由主成分分析计算关联信息矩阵特征值的方差贡献，利用关联信息矩阵和主因子荷载矩阵建立回归方程，得出系数向量的解，将其与对应的特征值的方差贡献进行组合，得到环境因子的权重值，将得到的权重值归一化得到最终的标准权重向量值。

1)计算关联信息矩阵(Γm×m)

根据实际监测样本求取反映系统内部各因子间关联性的关联信息矩阵。

Γm×m=Gm×nT×Gn×m+Im×m=

式中：Im×m为单位矩阵，γij为Γm×m中的元素，Gn×m为1.0与An×m之差的样本信息矩阵，即：

2)提取主成分信息

主成分分析是利用关联信息矩阵的主成分信息，提取系统中各因子的贡献信息，从而由它们客观的决定各因子权重。主成分分析的主要方法是求出Γm×m的特征值(λi)及对应的特征向量矩阵Q=(q1,q2,…,qm)，由此进一步确定主因子荷载矩阵(Dm×m)。

3)计算原始因子集权重

由于主因子荷载矩阵描述了原始因子和主因子间的联系，由主成分分析计算Γm×m的λi的方差贡献(Ei)。

再利用Γm×m和主因子荷载矩阵建立回归方程。

将得到的权重值归一化即得到最终的标准权重向量值(Wi)。

最后进行系统多级灰关联综合评价。求出样本向量与标准向量指标的绝对差，计算样本向量与标准向量的关联系数，将权重与关联系数组合计算出参考序列与被比较序列的关联度。

为了使评价结果更准确，更具连续性，引入关联差异度，以此反映监测样本和各级标准之间的差异程度，数值越小，表明样本与标准越相似。再以监测样本与各级标准之间的灰色从属度为权的加权关联差异度表征环境监测样本和标准之间的差异程度，构造目标函数，在求得环境对水的灰色从属度后，进一步构造水质标准级别向量，得到环境评价的灰色综合指数。计样本向量与标准向量中第i个指标的绝对差[Δt(i)]为

Δt(i)=|aji-bti|

选用式(6)或式(7)计算样本向量与标准向量第i个指标的关联系数[ξi(aj,bt)]。

(6)

(7)

式中：ρ为分辨系数，0<ρ<1，一般ρ取0.5；aj为aij中第j列元素；bt为bti中第t行元素。

将权重与关联系数用式(8)组合计算得到参考序列与被比较序列的关联度[γjt(aj,bt)]。

(8)

用已监测样本与各级标准之间的灰色从属度(ujt)为权的加权关联差异度来表征环境监测样本和标准之间的差异程度[d(aj,bt)]，即：

为了综合确定与环境标准最接近的环境级别，构造目标函数F(ujt)，全体监测样本与标准之间的加权关联差异度平方和最小，即：

构造拉格朗日函数，求满足条件的极值，从而解得：

在求得环境第j个样本对第t级水的灰色从属度后，进一步构造水质标准级别向量：

ST=(1,2,…c)

则可得环境评价的值介于1和c之间的灰色综合指数[GC(j)]为

2.2.2水生态子系统评价方法

主要是采用卡尔森综合营养状态指数法[TLI(∑)]，以叶绿素a的状态指数TLI(chl-a)为基准，选择并计算TP、TN、SD和CODMn的营养状态指数，同TLI(chl-a)进行加权综合，获得评价水体的综合营养状态指数，并根据其湖泊营养状态分级标准评定湖泊各年的营养状态级别。

2.2.3生态健康综合评价方法

将生态评价得分和理化评价得分加权平均，并依据湖泊水生态系统EHCI评价标准，得出博斯腾湖EHCI值，评价博斯腾湖的生态健康状况。

3　数据来源与评价结果分析

3.1数据来源

数据主要来自2001—2010年博斯腾湖水质监测数据、《巴音郭楞统计年鉴》[12]和全国水资源调查评价的相关历史资料。

3.2评价结果分析

3.2.1湖泊水环境子系统评价结果

博斯腾湖水环境子系统的评价结果见图2，水环境子系统综合评分见表5。由图2可以看出，湖泊咸化未得到有效遏制，有机污染和营养盐问题开始显现，TSD指标是博斯腾湖理化指标中最差指标，其次是TN和CODMn，TN指标有向Ⅲ类水质发展的趋势，CODMn开始突破Ⅱ类水质标准限值。

由表5可以看出，博斯腾湖水环境质量介于Ⅱ类水体与Ⅲ类水体之间，近年有向Ⅲ类水体恶化的趋势。

图2　博斯腾湖理化指标单因子历年变化趋势

表5　博斯腾湖理化指标综合评价结果

3.2.2博斯腾湖水生态指标评价结果

根据博斯腾湖自2001年以来营养状态相关参数值，运用TLI(∑)法评价博斯腾湖营养状态等级结果，见表6。

表6　博斯腾湖营养状态评价结果

由表6可以看出，自2001年以来博斯腾湖营养状态为中营养水平，自2007年以来有向轻度富营养水平发展的趋势。

3.2.3博斯腾湖生态系统健康综合评价结果

依据EHCI评价方法得到博斯腾湖2001—2010年健康综合指数趋势见图3，水生态健康综合评价结果见表7。图3显示，EHCI指数呈一定的下降趋势。表7显示，自2001年以来博斯腾湖的生态系统健康状态总体情况为中等。

图3　博斯腾湖水生态系统健康综合指数

表7博斯腾湖生态系统健康综合评价结果

年份2001200220032004200520062007200820092010EHCI×10057595858565557555455健康状态中等中等中等中等中等中等中等中等中等中等

3.3结论

依据博斯腾湖生态健康评价可知，博斯腾湖生态健康处于中等状态。主要影响因素是TSD，这主要是由于近年来博斯腾湖面积一直处于萎缩状态，湖泊进出水量不平衡所导致。由于湖泊水位持续下降，湖泊调蓄水功能减弱，TSD持续上升，而流域人口的持续增加，工农业产业结构的不合理导致湖泊生态环境日益变差，再加上流域土地过度开垦、湿地退化严重，污染负荷加剧，生态健康压力变大，有机污染问题开始出现。

4　结语

对博斯腾湖的生态健康进行评价，可以为充分认识博斯腾湖生态健康状况和可持续管理及保护提供理论依据。TSD较高是博斯腾湖流域水环境面临的普遍而且严重的问题，博斯腾湖已经由淡水湖发展为微咸水湖，因此，大力发展水生植被，加强生物排盐作用是改善博斯腾湖水生态健康的重要措施。调整流域产业结构，减少工农业污染，加快节水灌溉制度的实施，大力发展特色畜牧业及水产养殖业非常必要。

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