劉　江，賈爾恒·阿哈提，程　艷，姜國(guó)強(qiáng)

1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052

2.新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011

3.環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510655

新疆博斯騰湖是中國(guó)最大的內(nèi)陸淡水湖，是孔雀河的源頭和開(kāi)都河的尾閭。對(duì)地處干旱區(qū)的新疆來(lái)講，博斯騰湖是極為重要的自然資源和經(jīng)濟(jì)資源[1]。近年來(lái)，湖區(qū)周?chē)恋亻_(kāi)墾面積、畜牧業(yè)發(fā)展規(guī)模及工業(yè)排污量的不斷增大，導(dǎo)致博斯騰湖部分湖區(qū)出現(xiàn)了水質(zhì)惡化、水體咸化及局部水體富營(yíng)養(yǎng)化的狀況，使湖泊水生態(tài)健康受到嚴(yán)重威脅[2]。合理評(píng)價(jià)博斯騰湖水生態(tài)健康狀況，對(duì)于掌握湖區(qū)水生態(tài)健康現(xiàn)狀，找出惡化原因，及時(shí)采取有效措施，維持和改善博斯騰湖生態(tài)健康有重要的指導(dǎo)意義。

由于水生生物觀測(cè)資料具有不連續(xù)性以及湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有復(fù)雜性等特點(diǎn)，對(duì)湖泊水生生態(tài)的長(zhǎng)系列評(píng)價(jià)較為困難。如何根據(jù)現(xiàn)有長(zhǎng)系列監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合理評(píng)價(jià)湖泊水生態(tài)健康狀態(tài)十分必要。單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)通常能夠反映湖泊水質(zhì)的好壞，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度是影響湖泊水生生物多樣性的重要指標(biāo)，而多級(jí)灰關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)方法的結(jié)果準(zhǔn)確度要優(yōu)于傳統(tǒng)的模糊評(píng)價(jià)法直接用最大從屬度作為評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確度，評(píng)價(jià)結(jié)果具有連續(xù)性，能更準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)狀況，特別適用于系統(tǒng)狀況變化不明顯的情況。同時(shí)該方法根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定權(quán)重，減少了人為主觀因素的影響，使權(quán)重的確定更確切，較其他綜合評(píng)價(jià)方法更適用于較復(fù)雜的湖泊生態(tài)系統(tǒng)。為此，筆者將處理系統(tǒng)廣義不確定性問(wèn)題的多級(jí)灰關(guān)聯(lián)理論引入系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)之中，將水環(huán)境子系統(tǒng)和水生態(tài)子系統(tǒng)的得分加權(quán)平均，并依據(jù)湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，得出博斯騰湖水生態(tài)健康綜合指數(shù)(EHCI)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)博斯騰湖的水生態(tài)健康狀況的綜合評(píng)估。

1　研究區(qū)域概況

博斯騰湖地處我國(guó)西北干旱-半干旱地區(qū)，位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)，平均海拔高度1 046 m，曾是中國(guó)最大的內(nèi)陸淡水湖泊[3]。博斯騰湖既是上游開(kāi)都河、黃水溝等水系的尾閭，又是下游孔雀河水系的源頭，相當(dāng)于一個(gè)巨大的“調(diào)節(jié)水庫(kù)”，是開(kāi)孔河流域的“心臟”(圖1)。博斯騰湖由大湖區(qū)、小湖區(qū)和葦沼區(qū)3部分組成，大湖水面面積為972.2 km2(水位1 048 m時(shí))，小湖水面面積44.5 km2，葦沼面積約280 km2。博斯騰湖是巴音郭楞各族兒女的“母親湖”，它的存亡關(guān)系到巴州乃至新疆維吾爾自治區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

圖1　博斯騰湖流域地理位置圖

博斯騰湖流域也稱(chēng)為開(kāi)孔河流域，主要由開(kāi)都河流域(也可稱(chēng)為焉耆盆地，包含博斯騰湖泊濕地)和孔雀河流域組成[4]。流域范圍包括焉耆盆地及其外圍山區(qū)和塔里木河下游段以北的大部分地區(qū)，和靜縣、和碩縣、焉耆縣、博湖縣和庫(kù)爾勒市及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)所屬21～30團(tuán)的10個(gè)農(nóng)業(yè)團(tuán)場(chǎng)。隨著該湖流域尤其是流域匯水區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，博斯騰湖面臨的環(huán)境壓力越來(lái)越大，目前“水少、水臟、水咸”成為影響湖泊生態(tài)健康的主要問(wèn)題。

2　評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法

2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

采用生態(tài)系統(tǒng)健康結(jié)構(gòu)和功能指標(biāo)體系評(píng)價(jià)方法，建立由物理化學(xué)指標(biāo)體系、生態(tài)指標(biāo)體系2個(gè)二級(jí)指標(biāo)體系組成的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其中，物理化學(xué)指標(biāo)體系反映了博斯騰湖水環(huán)境質(zhì)量狀況，生態(tài)指標(biāo)體系反映了博斯騰湖水生態(tài)健康水平。將湖泊浮游植物數(shù)量、浮游動(dòng)物數(shù)量、底棲動(dòng)物生物量、細(xì)菌總數(shù)、浮游植物多樣性指數(shù)作為參考的生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1　博斯騰湖水生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)估指標(biāo)體系

2.2評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)

采用多級(jí)灰關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)法[5-10]和綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)法[11]，依據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)湖泊水環(huán)境子系統(tǒng)(理化指標(biāo))和水生態(tài)子系統(tǒng)(生態(tài)指標(biāo))分別給定指標(biāo)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，并參考自2001年以來(lái)的代表年浮游植物數(shù)量、浮游動(dòng)物數(shù)量、底棲動(dòng)物生物量、細(xì)菌總數(shù)、浮游植物多樣性指數(shù)等指標(biāo)，計(jì)算博斯騰湖水環(huán)境及水生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)得分及結(jié)果；再將水環(huán)境子系統(tǒng)和水生態(tài)子系統(tǒng)的得分加權(quán)平均，依據(jù)湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得出博斯騰湖的EHCI值，以評(píng)估博斯騰湖的水生態(tài)健康狀況。各系統(tǒng)的評(píng)價(jià)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2～表4。

表2　水環(huán)境子系統(tǒng)指標(biāo)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)　mg/L

表3　湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)

表4　生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)分級(jí)

2.2.1水環(huán)境子系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法

將多級(jí)灰關(guān)聯(lián)理論引入系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)之中，以此確定待評(píng)價(jià)系統(tǒng)的優(yōu)劣。

首先對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的樣本矩陣和標(biāo)準(zhǔn)矩陣進(jìn)行歸一化，得到歸一化的樣本矩陣和標(biāo)準(zhǔn)矩陣；將單因子水質(zhì)級(jí)別與歸一化所得樣本矩陣中單因子測(cè)值建立函數(shù)關(guān)系，獲得水質(zhì)因子與評(píng)價(jià)級(jí)別的映射關(guān)系。歸一化采用分段線性變化方法，對(duì)于數(shù)值愈大表明狀況愈嚴(yán)重的指標(biāo)采用式(1)、式(2)進(jìn)行變換。

(1)

(2)

對(duì)于數(shù)值愈小表明狀況愈嚴(yán)重的指標(biāo)可采用式(3)、式(4)進(jìn)行變換。

(3)

(4)

對(duì)于數(shù)值處于某一區(qū)間(x1，x2)內(nèi)表明狀況愈嚴(yán)重的指標(biāo)采用式(5)進(jìn)行變換。

(5)

將單因子水質(zhì)級(jí)別(Sij)與歸一化后的樣本矩陣(Am×n)中單因子測(cè)值建立函數(shù)關(guān)系，獲得水質(zhì)因子與評(píng)價(jià)級(jí)別的映射關(guān)系。

Sji=c-(c-1)aji，aji∈[0，1.0]，Sji∈[1，c]

式中：n為監(jiān)測(cè)樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)，m為監(jiān)測(cè)指標(biāo)的個(gè)數(shù)，c為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別數(shù),Sij為單因子水質(zhì)級(jí)別，CRc×m為標(biāo)準(zhǔn)矩陣，aij為樣本矩陣中的元素，bti為標(biāo)準(zhǔn)矩陣中的元素。

其次對(duì)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的主成分分析賦權(quán)。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)樣本這一賦權(quán)的基本信息源，求取反映系統(tǒng)內(nèi)部各因子間關(guān)聯(lián)性的關(guān)聯(lián)信息矩陣，然后進(jìn)行主成分信息的提取，由主成分分析計(jì)算關(guān)聯(lián)信息矩陣特征值的方差貢獻(xiàn)，利用關(guān)聯(lián)信息矩陣和主因子荷載矩陣建立回歸方程，得出系數(shù)向量的解，將其與對(duì)應(yīng)的特征值的方差貢獻(xiàn)進(jìn)行組合，得到環(huán)境因子的權(quán)重值，將得到的權(quán)重值歸一化得到最終的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重向量值。

1)計(jì)算關(guān)聯(lián)信息矩陣(Γm×m)

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)樣本求取反映系統(tǒng)內(nèi)部各因子間關(guān)聯(lián)性的關(guān)聯(lián)信息矩陣。

Γm×m=Gm×nT×Gn×m+Im×m=

式中：Im×m為單位矩陣，γij為Γm×m中的元素，Gn×m為1.0與An×m之差的樣本信息矩陣，即：

2)提取主成分信息

主成分分析是利用關(guān)聯(lián)信息矩陣的主成分信息，提取系統(tǒng)中各因子的貢獻(xiàn)信息，從而由它們客觀的決定各因子權(quán)重。主成分分析的主要方法是求出Γm×m的特征值(λi)及對(duì)應(yīng)的特征向量矩陣Q=(q1,q2,…,qm)，由此進(jìn)一步確定主因子荷載矩陣(Dm×m)。

3)計(jì)算原始因子集權(quán)重

由于主因子荷載矩陣描述了原始因子和主因子間的聯(lián)系，由主成分分析計(jì)算Γm×m的λi的方差貢獻(xiàn)(Ei)。

再利用Γm×m和主因子荷載矩陣建立回歸方程。

將得到的權(quán)重值歸一化即得到最終的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重向量值(Wi)。

最后進(jìn)行系統(tǒng)多級(jí)灰關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)。求出樣本向量與標(biāo)準(zhǔn)向量指標(biāo)的絕對(duì)差，計(jì)算樣本向量與標(biāo)準(zhǔn)向量的關(guān)聯(lián)系數(shù)，將權(quán)重與關(guān)聯(lián)系數(shù)組合計(jì)算出參考序列與被比較序列的關(guān)聯(lián)度。

為了使評(píng)價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確，更具連續(xù)性，引入關(guān)聯(lián)差異度，以此反映監(jiān)測(cè)樣本和各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之間的差異程度，數(shù)值越小，表明樣本與標(biāo)準(zhǔn)越相似。再以監(jiān)測(cè)樣本與各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之間的灰色從屬度為權(quán)的加權(quán)關(guān)聯(lián)差異度表征環(huán)境監(jiān)測(cè)樣本和標(biāo)準(zhǔn)之間的差異程度，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，在求得環(huán)境對(duì)水的灰色從屬度后，進(jìn)一步構(gòu)造水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別向量，得到環(huán)境評(píng)價(jià)的灰色綜合指數(shù)。計(jì)樣本向量與標(biāo)準(zhǔn)向量中第i個(gè)指標(biāo)的絕對(duì)差[Δt(i)]為

Δt(i)=|aji-bti|

選用式(6)或式(7)計(jì)算樣本向量與標(biāo)準(zhǔn)向量第i個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)[ξi(aj,bt)]。

(6)

(7)

式中：ρ為分辨系數(shù)，0<ρ<1，一般ρ取0.5；aj為aij中第j列元素；bt為bti中第t行元素。

將權(quán)重與關(guān)聯(lián)系數(shù)用式(8)組合計(jì)算得到參考序列與被比較序列的關(guān)聯(lián)度[γjt(aj,bt)]。

(8)

用已監(jiān)測(cè)樣本與各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)之間的灰色從屬度(ujt)為權(quán)的加權(quán)關(guān)聯(lián)差異度來(lái)表征環(huán)境監(jiān)測(cè)樣本和標(biāo)準(zhǔn)之間的差異程度[d(aj,bt)]，即：

為了綜合確定與環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)最接近的環(huán)境級(jí)別，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)F(ujt)，全體監(jiān)測(cè)樣本與標(biāo)準(zhǔn)之間的加權(quán)關(guān)聯(lián)差異度平方和最小，即：

構(gòu)造拉格朗日函數(shù)，求滿足條件的極值，從而解得：

在求得環(huán)境第j個(gè)樣本對(duì)第t級(jí)水的灰色從屬度后，進(jìn)一步構(gòu)造水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別向量：

ST=(1,2,…c)

則可得環(huán)境評(píng)價(jià)的值介于1和c之間的灰色綜合指數(shù)[GC(j)]為

2.2.2水生態(tài)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法

主要是采用卡爾森綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[TLI(∑)]，以葉綠素a的狀態(tài)指數(shù)TLI(chl-a)為基準(zhǔn)，選擇并計(jì)算TP、TN、SD和CODMn的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，同TLI(chl-a)進(jìn)行加權(quán)綜合，獲得評(píng)價(jià)水體的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，并根據(jù)其湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定湖泊各年的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別。

2.2.3生態(tài)健康綜合評(píng)價(jià)方法

將生態(tài)評(píng)價(jià)得分和理化評(píng)價(jià)得分加權(quán)平均，并依據(jù)湖泊水生態(tài)系統(tǒng)EHCI評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，得出博斯騰湖EHCI值，評(píng)價(jià)博斯騰湖的生態(tài)健康狀況。

3　數(shù)據(jù)來(lái)源與評(píng)價(jià)結(jié)果分析

3.1數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)主要來(lái)自2001—2010年博斯騰湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、《巴音郭楞統(tǒng)計(jì)年鑒》[12]和全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)的相關(guān)歷史資料。

3.2評(píng)價(jià)結(jié)果分析

3.2.1湖泊水環(huán)境子系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果

博斯騰湖水環(huán)境子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖2，水環(huán)境子系統(tǒng)綜合評(píng)分見(jiàn)表5。由圖2可以看出，湖泊咸化未得到有效遏制，有機(jī)污染和營(yíng)養(yǎng)鹽問(wèn)題開(kāi)始顯現(xiàn)，TSD指標(biāo)是博斯騰湖理化指標(biāo)中最差指標(biāo)，其次是TN和CODMn，TN指標(biāo)有向Ⅲ類(lèi)水質(zhì)發(fā)展的趨勢(shì)，CODMn開(kāi)始突破Ⅱ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。

由表5可以看出，博斯騰湖水環(huán)境質(zhì)量介于Ⅱ類(lèi)水體與Ⅲ類(lèi)水體之間，近年有向Ⅲ類(lèi)水體惡化的趨勢(shì)。

圖2　博斯騰湖理化指標(biāo)單因子歷年變化趨勢(shì)

表5　博斯騰湖理化指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2.2博斯騰湖水生態(tài)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)博斯騰湖自2001年以來(lái)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)相關(guān)參數(shù)值，運(yùn)用TLI(∑)法評(píng)價(jià)博斯騰湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)等級(jí)結(jié)果，見(jiàn)表6。

表6　博斯騰湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

由表6可以看出，自2001年以來(lái)博斯騰湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)為中營(yíng)養(yǎng)水平，自2007年以來(lái)有向輕度富營(yíng)養(yǎng)水平發(fā)展的趨勢(shì)。

3.2.3博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

依據(jù)EHCI評(píng)價(jià)方法得到博斯騰湖2001—2010年健康綜合指數(shù)趨勢(shì)見(jiàn)圖3，水生態(tài)健康綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表7。圖3顯示，EHCI指數(shù)呈一定的下降趨勢(shì)。表7顯示，自2001年以來(lái)博斯騰湖的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)總體情況為中等。

圖3　博斯騰湖水生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)

表7博斯騰湖生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

年份2001200220032004200520062007200820092010EHCI×10057595858565557555455健康狀態(tài)中等中等中等中等中等中等中等中等中等中等

3.3結(jié)論

依據(jù)博斯騰湖生態(tài)健康評(píng)價(jià)可知，博斯騰湖生態(tài)健康處于中等狀態(tài)。主要影響因素是TSD，這主要是由于近年來(lái)博斯騰湖面積一直處于萎縮狀態(tài)，湖泊進(jìn)出水量不平衡所導(dǎo)致。由于湖泊水位持續(xù)下降，湖泊調(diào)蓄水功能減弱，TSD持續(xù)上升，而流域人口的持續(xù)增加，工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不合理導(dǎo)致湖泊生態(tài)環(huán)境日益變差，再加上流域土地過(guò)度開(kāi)墾、濕地退化嚴(yán)重，污染負(fù)荷加劇，生態(tài)健康壓力變大，有機(jī)污染問(wèn)題開(kāi)始出現(xiàn)。

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)博斯騰湖的生態(tài)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以為充分認(rèn)識(shí)博斯騰湖生態(tài)健康狀況和可持續(xù)管理及保護(hù)提供理論依據(jù)。TSD較高是博斯騰湖流域水環(huán)境面臨的普遍而且嚴(yán)重的問(wèn)題，博斯騰湖已經(jīng)由淡水湖發(fā)展為微咸水湖，因此，大力發(fā)展水生植被，加強(qiáng)生物排鹽作用是改善博斯騰湖水生態(tài)健康的重要措施。調(diào)整流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，減少工農(nóng)業(yè)污染，加快節(jié)水灌溉制度的實(shí)施，大力發(fā)展特色畜牧業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)非常必要。

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