熵權綜合健康指數(shù)法在魯湖健康評價中的應用*

楊　林, 萬曉安, 魏小煕

(1 湖北工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，湖北　武漢　430068；2 河湖生態(tài)修復與藻類利用湖北省重點實驗室，湖北　武漢　430068；3 三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北　宜昌　443002;4 湖北工業(yè)大學建筑與土木工程學院，湖北　武漢　430068)

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熵權綜合健康指數(shù)法在魯湖健康評價中的應用*

楊林1,2, 萬曉安2,3, 魏小煕3,4

(1 湖北工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，湖北武漢430068；2 河湖生態(tài)修復與藻類利用湖北省重點實驗室，湖北武漢430068；3 三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北宜昌443002;4 湖北工業(yè)大學建筑與土木工程學院，湖北武漢430068)

2014年秋季，對魯湖的水質和水生生物(浮游動物、浮游植物和底棲動物)狀況進行了一次考察，結合綜合健康指數(shù)法分析了湖泊的生態(tài)系統(tǒng)健康。結果表明，湖內深水區(qū)水體水質狀況相對較好，入湖水體、人類活動干擾強度較大的淺水區(qū)域水體健康狀態(tài)較差，表現(xiàn)為水質營養(yǎng)物質嚴重超標，底棲動物密度較低、多樣性單一；出湖水體健康狀態(tài)也較差，主要是因為附近區(qū)域有人類活動的干擾，與上覆水的水質監(jiān)測結果一致。

水質；水生生物；綜合健康指數(shù)；評價；魯湖

近年來隨著生態(tài)環(huán)境問題的日益突出，生態(tài)系統(tǒng)健康評價成為生態(tài)學和環(huán)境學等領域的研究熱點之一[1-14]。湖泊是非常重要的水資源儲藏地，為人類社會提供了多種服務功能，然而隨著人類活動的干擾，湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能正在逐漸退化，因而，保證湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康顯得尤為重要[15-17]。只有通過對湖泊生態(tài)系統(tǒng)進行可靠的、有效的健康評價才能為有效的治理或保持湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康[18]。目前國內外對生態(tài)系統(tǒng)健康評價方面的研究很多，但仍處于發(fā)展階段，沒有形成統(tǒng)一的評價指標和方法，而評價是否正確的關鍵在于評價方法的選用和評價指標的選取。

在評價方法方面的研究，近年來湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價主要有指示物種法和指標體系法。指示物種法依據(jù)對環(huán)境變化較敏感的動植物種群，如浮游動物[19-20]、魚類[21]和底棲動物[22-28]等，利用其群落結構、生物量、物種豐度和多樣性等[4]指標來判定湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。指標體系法主要是借助數(shù)學模型[5, 29]和數(shù)學方法[30-33]，依據(jù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的特征和功能結構，選取多種指標來綜合確定其健康狀況[34, 35]，逐漸成為當前比較常用的方法。

評價指標方面的研究成果，主要包括兩個方面的指標：單一性指標和綜合性指標。單一性指標包括浮游植物群落[36]、浮游動物群落[20]、底棲動物群落[15, 37-38]和魚類群落[39]等。綜合性指標包括生物完整性指標、能質[40-42]、生物緩沖容量[42]、環(huán)境承載力[43]、綜合健康指數(shù)[44-46]等。本文在總結已有研究的基礎上，結合魯湖生態(tài)系統(tǒng)的特點，嘗試從水質和水生生物指標兩個方面對魯湖生態(tài)系統(tǒng)健康進行分析。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域與采樣點設置

魯湖地處亞熱帶季風氣候區(qū)，位于武漢市中心城區(qū)及新城區(qū)交接處，距長江僅7 km，屬沉溺型河跡洼地湖，原面積77.1 km2，經(jīng)圍墾后現(xiàn)有面積44.9 km2，長10.2 km，最大寬7.4 km，平均寬3.9 km；最大水深3.5 m，平均水深2.7 m，蓄水量1.09億m3。入湖河流主要是區(qū)間溪流，調蓄后經(jīng)新河口由魯家閘入金水河排入長江。

依據(jù)魯湖的地形特征，在研究區(qū)內共設置11個采樣點，其中湖內采樣點為LH01-LH07，出水口采樣點為LH08和LH09，進水口采樣點為LH10和LH11。湖內采樣點中LH01為淺水區(qū)(水深<1 m)，其余采樣點為視為深水區(qū)(水深>1 m)。

圖1　魯湖采樣點布置圖Fig.1　Sampling point layout of Lu lake

1.2樣品采集與處理

2014年11月26日-12月5日對研究區(qū)域進行一次樣品采集。現(xiàn)場采集1L表層水體進行理化指標監(jiān)測，分析指標包括總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)葉綠素a(Chla)和高錳酸鹽指數(shù)(CDDMn)。使用多參數(shù)水質測量儀(YSI-EXO2)現(xiàn)場測定水溫、pH值、電導率和溶解氧和水深。透明度(SD)用塞氏盤法現(xiàn)場測定。根據(jù)pH、DO、CODMn、NH3-N、TP和TN等6項指標，根據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)，采用單因子評價法對研究區(qū)水質進行等級劃分，6項指標中等級最低的指標決定水質等級。

依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)[47]的要求進行底棲動物和浮游動植物的采集和保存，在顯微鏡(10×40倍)下對浮游植物進行計數(shù)，根據(jù)《中國淡水藻類：系統(tǒng)、分類及生態(tài)》進行鑒定。底棲動物采用定量采集和定性采集相結合的方法，定量采集使用1/16 m2的彼得遜采泥器，每個樣點采集三個重復樣品，后合為一個樣品分析。同時進行定性采集，使用手抄網(wǎng)(40目)采集3個小樣方，約1 m2。根據(jù)研究區(qū)的現(xiàn)有研究結果，在LH01、LH02、LH05和LH06處采集底棲動物。浮游植物標本鑒定至科，底棲動物標本鑒定至屬，并記錄每個分類單元出現(xiàn)的個體數(shù)。

基于以上數(shù)據(jù)，計算浮游植物多樣性指數(shù)、浮游植物生物量、浮游動物生物量、底棲動物生物量和底棲動物多樣性指數(shù)。

很多文獻中采用底棲動物完整性指數(shù)(B-IBI)對河流進行健康評價[48]，但是溪流中常見的如EPT等(Ephemoptera浮游目、Plecoptera積翅目、Tricoptera毛翅目)在湖泊中很少見，所以本文引用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)He和底棲動物密度來反映底棲動物的均勻程度。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)He[24]:

(1)

式中:ni——第i種物種的密度

N——總密度

Shannon-Wiener指數(shù)規(guī)定的水質標準為He>2為清潔；1～2為輕度污染；0～1為重度污染[27]。

1.3基本數(shù)據(jù)

表1中列出的監(jiān)測結果表明，研究區(qū)表現(xiàn)為典型的營養(yǎng)物超標。氟化物、氰化物濃度和pH值穩(wěn)定，所有樣點的監(jiān)測值都在I類水質標準以下，其余監(jiān)測指標變化范圍較大，說明研究區(qū)水質整體表現(xiàn)不穩(wěn)定，而TP、TN、NH3-N和CODMn的濃度值在部分樣點達到V類水質標準，表明這些區(qū)域水體污染較嚴重。

表1　監(jiān)測結果基本信息Table 1　Basic information of the test results

有研究表明淺水湖泊中，水-泥界面的相互作用強烈[49]，為了進一步分析研究區(qū)上覆水與表層水體營養(yǎng)物質之間的相互關系，選取湖內具有代表性的樣點進行上覆水水質監(jiān)測，將上覆水和表層水的TN和TP監(jiān)測值對比(圖2)。

圖2　上覆水和表層水中TN和TP的含量Fig.1　Content of overlying water and surface water of TN and TP

1.4指標篩選

將表1中所列候選指標進行Pearson相關性分析，檢驗個指標所反映的信息獨立性。文中以|r|>0.8表示兩指標間高度相關，篩選出高度相關指標中的一個作為參考指標。分析結果列于表2中，TP與TN高度相關，兩者均為重要的水化學評價指標，予以保留；NH3-N與TN、TP和CODMn均高度相關，應刪除；底棲動物密度與浮游植物密度高度相關，但兩者都是重要生物指標，予以保留；pH值與浮游植物密度及DO均高度相關，應予以刪除。最終確定以TP、TN、CODMn、SD、SpCond、Chla、氟化物、DO、浮游動物密度、浮游植物密度、和底棲動物密度等11個指標對研究區(qū)水質健康進行評價。文中的Pearson相關性分析使用SPSS 18.0軟件進行分析。

表2　候選指標間的Pearson相關分析Table 2　Pearson correlation analysis between the candidate indicators

1.5評價方法

綜合健康指數(shù)法能定量地評價湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)，在0～1之間取值。為了更清楚地描述健康狀態(tài)，將CHI 值劃分為5個區(qū)間：0～0.2；0.2～0.4；0.4～0.6；0.6～0.8；0.8～1.0， 它們分別對應著病態(tài)、一般病態(tài)、亞健康、健康、很健康共5個健康狀態(tài)。計算公式如下：

(2)

式中：n——評價指標個數(shù)

ωi——指標i的權值

Ii——指標i的歸一化值

在確定評價指標的權重時，采用熵權法盡量消除各指標權重的主觀性，使評價結果更符合實際。計算步驟如下：

(1)構建n個樣本m個評價指標的標準化矩陣R=(xji)n×m(i=1,2,…,n;j=1,2,…m)。

(2)將標準化矩陣歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣B，B中元素的表達式為:

(3)

式中：xmax、xmin——同指標下不同樣本中最滿意者或最不滿意者(越小越滿意或越大越滿意)

(3)根據(jù)熵的定義，n個樣本m個評價指標，可確定評價指標的熵為:

(4)

(5)

為使lnfji有意義，當fji=0時，根據(jù)水質評價的實際意義，可以理解fji為一較大的數(shù)值，與fji相乘趨于0，故可認為也等于0，這顯然與熵所反映的信息無序化程度相悖，不切合實際，故需對fji進行修正，將其定義為：

(6)

(4)計算評價指標的熵權W

W=(ωi)1×n

(7)

2　結果與分析

2.1綜合健康指數(shù)

根據(jù)前文綜合健康指數(shù)的計算方法和篩選出的各評價指標對研究區(qū)各樣點進行評價，結果列于表3中。樣點LH02-LH07亞健康狀態(tài)，其余各樣點均為一般病態(tài)。其中，進水口樣點LH10和LH11評分最低，其次是淺水區(qū)樣點LH01及出水口樣點LH08和LH09。結合研究區(qū)水質指標可知，入湖水體攜帶較高濃度的氮、磷等營養(yǎng)物質進入湖區(qū)，經(jīng)過湖區(qū)生態(tài)系統(tǒng)很大程吸度的收利用后，湖內區(qū)域水體整體呈現(xiàn)出優(yōu)于入湖水體的一般病態(tài)狀況，表現(xiàn)為亞健康，由于出水口處的人為干擾導致出湖水體健康狀況下降。

2.2水質指標

結合本次監(jiān)測指標項目和《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)表1中規(guī)定的基本項目，水質指標中，研究區(qū)的主要主要污染因子是TP、TN、NH3-N和CDOMn。樣點LH01和LH10水質類別均為V類或劣V類，TP和TN超標近9倍，NH3-N超標近7倍，而LH01是靠近進水口LH10的樣點，這說明研究區(qū)的進水水體污染較嚴重。其余樣點中，除LH09為V類水外，均為III類或IV類水，整體水質較差。LH09為出水口樣點，水質差主要是因為該點附近有捕魚活動，底質擾動劇烈，導致該區(qū)域的水質較差。其余各樣點因處于中心區(qū)域，水深相對較深(1.5～2.5 m)，湖泊生態(tài)系統(tǒng)受干擾程度較小，因此相對較好。對于所有樣點而言，除以上四個主要污染因子外，其余如氟化物、氰化物等指標濃度較低，滿足I類水質要求。

2.3生物指標

2.3.1浮游植物指標

表4　浮游植物密度、底棲動物密度及其多樣性與水質條件的關系Table 4　Relationships of phytoplankton density, density and diversity of benthie fauna and water guality conditions

續(xù)表4

LH0923.51.04--輕度污染LH1034.21.11--輕度污染LH1136.31.47--輕度污染

經(jīng)形態(tài)鑒定，各樣點浮游植物共檢出8門，10綱，22目，32科，52屬。其中，種類最為豐富的是綠藻門和硅藻門，分別占總數(shù)的48%和25%。所有樣點中主要的優(yōu)勢種為小環(huán)藻、舟形藻、針桿藻和直鏈藻。

通過分析水質監(jiān)測數(shù)據(jù)、浮游植物密度及浮游植物多樣性之間的關系(表4)，發(fā)現(xiàn)盡管研究區(qū)浮游植物密度整體上差距很大(23.5×105～331.5×105ind/L)，但是浮游植物多樣性卻保持在1～2之間與通過多指標的綜合健康指數(shù)分析得出的結果不一致，這是由于入湖水體與出湖水體的流速較大，浮游植物密度受到很大影響。

2.3.2底棲動物指標

由于底棲動物長期生活在底質中，遷移能力弱，生存環(huán)境相對穩(wěn)定，當生活環(huán)境受到干擾和外來壓力發(fā)生改變乃至退化時，其群落結構會發(fā)生相應的改變。不同種類的底棲動物對生活環(huán)境的敏感性和耐污能力不同，因此，利用底棲動物的群落結構、生物量及多樣性等參數(shù)可以從一定程度上客觀的反應水環(huán)境的污染情況。本次研究共采集并堅定出的底棲動物分類單元共13種，包括3門(環(huán)節(jié)動物、軟體動物、節(jié)肢動物)，3綱，4目，13屬，其中軟體動物門1種，寡毛類2種，雙翅目9種，毛翅目1種。檢測結果顯示，底棲動物種類較少，優(yōu)勢種突出，搖蚊生物量在底棲動物總量中的比例高達97%，其中長足搖蚊屬占42.6%。

通過比較底棲動物密度、底棲動物多樣性和水質條件(表4)，可以發(fā)現(xiàn)通過底棲動物密度和底棲動物多樣性得出的水質條件與綜合健康指數(shù)法得出的結果較一致，說明可以考慮用底棲動物可以作為指示物種對本研究區(qū)進行水質健康評價。

3　討　論

本研究選取了11個具有代表性的監(jiān)測樣點對魯湖的水質和水生生物進行了分析，并從這些指標中篩選出11個相對獨立的指標，通過綜合健康指數(shù)法對水質進行健康評價。結果表明，研究區(qū)整體水質都受到一定程度的污染，表現(xiàn)出氮磷等營養(yǎng)物質超標、浮游植物多樣性低、底棲動物密度小多樣性單一等問題。其中入湖水體、淺水區(qū)和出湖水體表現(xiàn)為一般病態(tài)，其余湖內水體表現(xiàn)為亞健康狀態(tài)。結合各樣點上覆水(表2)和表層水的水質指標，出水口LH09處TN和TP含量均比最近的兩個樣點LH06和LH07的含量高，附近區(qū)域捕魚活動引起沉積物的營養(yǎng)物質釋放是主要原因。淺水區(qū)LH01處表層水體與上覆水的TP、TN含量相差不大，說明這片區(qū)域水體可能經(jīng)常有人類活動干擾，這也可以通過該樣點底棲動物密度低和多樣性單一得到驗證，同時說明底棲動物指標與綜合健康指數(shù)法在研究區(qū)具有較好的一致性。但是，考慮到研究區(qū)局部區(qū)域人類活動干擾強度大、頻率高、底棲動物物種較單一等因素，是否能結合底棲動物完整性指數(shù)來綜合評價水質健康，還需要在后期開展的工作中進一步研究。

4　結　論

本文以武漢魯湖為研究區(qū)，對水質和水生生物進行了分析和討論，并篩選出部分具有代表性的指標進行綜合健康分析。結果表明本次研究期間，入湖水體引入高含量的N、P等營養(yǎng)物質，同時由于部分區(qū)域捕魚活動劇烈，導致淺水區(qū)域和出水口附近水質狀況較其他區(qū)域差；淺水區(qū)的人類活動使得底棲動物密度降低、多樣性單一。

由于局部區(qū)域的人類活動干擾強度較大，底棲動物多樣性較單一，以底棲動物作為指示物種來評價研究區(qū)水體健康具有一定的局限性。本文用基于熵權的綜合健康指數(shù)法原理簡單、計算方便，各指標權重的確定比較客觀，適用于本研究區(qū)的水生態(tài)系統(tǒng)健康評價。

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Health Assessment of Lu Lake Ecosystem Based on Entropy Weight Comprehensive Health Index Method*

YANGLin1,2,WANXiao-an2,3,WEIXiao-xi3,4

(1 School of Resources and Environmental Engineering, Hubei University of Technology, Hubei Wuhan 430068;2 Key Laboratory of Ecological Restoration of Rivers and Lakes and Algae Utilize of Hubei Province,Hubei Wuhan 430068; 3 College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Hubei Yichang 443002; 4 School of Civil Engineering and Architecture, Hubei University of Technology, Hubei Wuhan 430068, China)

There are many studies on health assessment of lake ecosystem both at home and abroad, but has not yet formed a unified assessment index and method. The reason is that the lake ecosystem is a complex system. Some people use the unity of indicators, such as water quality indicators or biological factors, to analyses lake ecosystem. But, it is often one-sided, therefore, much more researches tend to use multiple types of indicators to undertake a comprehensive analysis in recent years. 11 representative water quality indicators and aquatic organism indicators combined with the actual situation of Lu Lake were filtered, and Lu Lake ecosystem health status based on entropy weight comprehensive health index method was analyzed. The results showed that the water quality in the study area were subject to a certain degree of pollution, where inlet water, shallow water and outlet water presented a general sick, while the rest of lake water showed subhealth. Combined with the overlying water and benthic index, human disturbance intensity in some portions had played a major role, but also indicated that this assessment method was suitable for Lu Lake ecosystem health evaluation.

water quality; aquatic organism; comprehensive health index; assessment; Lu Lake

國家重點基礎研究發(fā)展計劃—具有地方特色的資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護基礎研究(2014CB460601)；科技部2014年國際科技合作與交流專項—河道型水庫水華機理及防控技術合作研究(2014DFE70070)；湖北省水利廳2015年水利重點科研項目—魯湖水生態(tài)環(huán)境調查及生態(tài)系統(tǒng)健康評價(HBSLKY201505)。

楊林(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為生態(tài)修復。

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A

1001-9677(2016)08-0146-06