基于熵权综合健康指数法的瀛湖水生态系统健康评估

王 佳，郭新超，薛旭东，孙长顺，，王西锋，邓 彦，张振文

1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安 710055

2.陕西省环境科学研究院，陕西 西安 710061

生态系统健康研究起源于20世纪70年代，此后在河流、湖泊和森林生态系统健康评价等领域取得了一定进展［1］。根据 Costanza等［2］关于生态系统健康的定义，湖泊生态系统健康可理解为湖泊内的关键生态组分和有机组织完整且没有疾病，受突发的自然或人为扰动后能保持原有的功能和结构，物质循环、能量和信息流动未受到损害，整体功能表现出多样性、复杂性和活力［3-4］。为了使生态系统健康的概念有实际操作性，需要对其进行评价［5］。

瀛湖位于陕西省安康市汉滨区，汉江穿湖而过，是南水北调丹江口水库重要的水源涵养区，承担着丹江口水库60%的供水量，是国家南水北调和沿线乡镇、安康中心城区的重要水源地，同时又是陕西省省级自然保护区汉江上第一个湿地自然保护区，具有重要的生态服务功能和生物多样性保护价值，对保护汉江水质、涵养水源、调节气候和改善城市生态环境有着重要作用。瀛湖水质的变化将直接影响丹江口水库水质及瀛湖下游多个乡镇和安康中心城区饮用水水质。

近年来随着安康市社会经济的快速发展，人口增长、旅游资源大力开发、渔业养殖大规模发展，瀛湖的水生态健康同时面临人为活动频繁和经济快速发展的双重压力，极大地影响着瀛湖水质的稳定性。因此，对瀛湖的水生态系统健康进行客观评估，可以为瀛湖的科学化管理及污染防治提供决策依据，对瀛湖的可持续健康发展具有重要意义。

1 实验部分

目前针对湖泊生态系统健康评价的方法比较多［6］，其中比较常用的方法是指标体系法，即要根据生态系统健康的概念和内涵，选取可定量的、可操作的、可广泛推广的指标作为评价指标，切实反映出被评估对象的生态环境特点［7］。生态系统健康应包含2方面内涵，满足人类社会合理需求的能力和生态系统自我维持与更新的能力［8］。因此，在选择瀛湖的水生态系统健康评价指标和评价方法时，应综合考虑社会因素、经济因素和自然因素。

1.1 确立评价指标体系

瀛湖水生态系统是结合了自然、社会和经济等方面于一体的复杂系统。参考国内外诸多有关湖泊生态系统健康评价的方法［9-12］，对瀛湖水生态系统进行健康评价时，全面考虑瀛湖的水生态系统现状，同时考虑了诸多因素的影响变化，最终构建了瀛湖水生态系统健康评价指标体系。该评价指标体系主要包括物理化学指标、生态学指标和社会经济指标3方面共15个指标。

物理化学指标有透明度(SD)、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、高锰酸盐指数(CODMn)、总氮(TN)、氨氮(NH+4-N)、总磷(TP);生态学指标包括叶绿素 a(Chl-a)、浮游植物生物量、浮游动物生物量;社会经济指标包括污水处理率、化肥施用强度、农药施用强度、湖泊环境保护意识、人口密度。

1.2 评价指标权重的确定

权重是用一个数值来衡量被评价事物总体中各个因素的相对重要程度。在应用多个指标对被评价事物进行综合评价时，如何比较客观、准确地确定各指标权重显得至关重要，权重的确定将会直接影响评价的结果。在多指标评价问题中，确定权重的方法大致可分为主观赋权法和客观赋权法2大类。主观赋权法是专家根据各指标的重要性来确定权重，容易受专家主观意识的影响而出现偏差，而且不能反映各指标之间的相互关系;熵权法是一种客观赋权法，其原理是在客观条件下，由评价指标值构成的判断矩阵来确定指标权重，其优点是能尽量消除各评价因素权重的主观性，使评价结果更可靠也更符合实际［13］。研究采用客观赋权法确定各评价指标的权重，计算步骤如下［14-19］:

构建n个样本m个评价指标的判断矩阵，将判断矩阵归一化处理，得到归一化判断矩阵(B)，B中元素的表达式为

式中，Xjin×m为第 j年度第 i项评价指标的归一化值。

在实际决策中，评价指标通常分为越大越优型(如 DO、SD等)和越小越优型(如 COD、TN、TP等)，各类指标对优的相对隶属度的计算公式为

式中，Xmax和Xmin为同指标下不同样本中最满意者和最不满意者。根据式(1)和式(2)可将评价指标特征值矩阵转换为其对优的相对隶属度矩阵:

式中，rij为方案j指标i的特征值对优的相对隶属度。

根据熵的定义，n个样本m个评价指标，可确定评价指标的熵(H)为

式中，0≤Hi≤1，为使lnfij有意义，假定fij=0，fijlnfij=0，i=1，2，… m;j=1，2，… n。

利用熵值计算评价指标的熵权(W):

1.3 熵权综合健康指数计算公式及指数分级

1.3.1 计算公式

生态系统综合健康指数［20］的计算公式为

式中，EHCI为生态系统健康的综合指数值;Ii为评价指标的归一化值，范围为0～1之间。

1.3.2 指数分级

EHCI数值大小的本身并无意义，必须通过对一系列数值大小的意义的限值界定，才能表达其含义［21］。根据水生态系统健康评价标准，把生态系统健康状态分为5级，分别为很健康、健康、亚健康、一般病态和疾病，详见表1。

表1 EHCI分级

2 结果与分析

2.1 瀛湖水生态健康评价标准体系

选取瀛湖 1986、1990、1995、2000、2005、2009—2012年的有关指标数据(表2)，对瀛湖水生态系统的健康状况进行了评价。

表2 瀛湖水生态健康评价指标值

2.2 指标权重

2.2.1 构建样本判断矩阵

构建瀛湖水生态健康评价9个样本15个指标的判断矩阵(R):

2.2.2 判断矩阵归一化 将R归一化处理，得到归一化判断矩阵(B):

根据熵的定义及计算方法，确定评价指标体系的熵(H):

根据熵值确定瀛湖水生态系统健康评价体系中各个指标的权重(W):

2.3 瀛湖的EHCI值

将评价指标的归一化值及其熵权代入EHCI的计算公式，可得瀛湖所选时间序列的EHCI值，见表3，其变化趋势如图1所示。

表3 瀛湖水生态系统综合健康评价结果

图1 瀛湖EHCI变化趋势图

2.4 评价结果分析

从表3及图1可以看出，1986年瀛湖的EHCI为0.72，为所选时间序列中健康指数值最高，健康状态为健康。1986—2005年，瀛湖 EHCI呈逐渐下降趋势，且下降趋势比较明显，健康状态由健康降至一般病态。1995年瀛湖水生态健康状态开始变为亚健康，至2005年，EHCI下降为0.27，为所选时间序列中健康指数最低，健康状态为一般病态。分析该阶段瀛湖EHCI下降的主要原因有:①村镇生活污染问题突出，污水处理设施落后。随着城镇化水平和人民生活水平的提高，瀛湖岸边人口聚居区污水的排放量逐年增加，生活废水未经处理无序排放，大部分直接排入水体。1986年，瀛湖地区生活污水排放量为12万立方米，没有污水处理设施。2005年，瀛湖地区生活污水排放量25万立方米，污水集中处理率仅为5%。②农业面源污染严重。许多坡度较缓地段的农田直接与瀛湖和河流水面连在一起，农药、化肥施用量的增加，使得面源污染加重。在施用化肥的过程中未被利用的养分通过径流、淋溶扩散、吸附等方式进入水体。畜禽粪便简单处理后直接进入湖体，造成湖体COD及氮磷浓度升高，影响水质。每年畜禽粪便入湖形成的COD为2 500 t、TN为500 t，TP为69 t，COD污染量占总入湖污染量的50%以上，氮磷占20%以上，成为影响瀛湖水质的另一重要污染源。③旅游开发、航运污染。此阶段瀛湖旅游业发展较快，景点集中，景区类型为码头、生态湿地、岛屿生态公园等，区内污水大多未通过处理直接排放，同时船只泄漏的燃料和排放物也对水体造成污染，影响瀛湖水质。

2005—2012年之间，瀛湖 EHCI值总体呈上升趋势，健康状态除2010年为一般病态外，其余均为亚健康状态。分析该阶段瀛湖EHCI上升的主要原因有2个方面。

农业面源污染有所控制。“十一五”期间，当地政府开展了农村环境综合整治工作，削减化肥、农药的施用量，逐步提高农村地区生活污水和畜禽粪便集中处理率。通过实施瀛湖径流区农业面源污染控制工程，对集中式农业生态园污水处理实施升级改造，可每天处理废水3 200 m3，对散养的畜禽养殖户建设小型沼气池，实现畜禽粪便的综合利用，集中式养殖区实施养殖区域内雨污分流、干湿分离、配套兼性滤池等措施，实现减排COD 508.61 t/a，TN 138.63 t/a，TP 9.01 t/a。进行水产养殖业结构调整，对瀛湖湖区内网箱投饵养殖逐年取缔，扩大自然养殖，实现减排 COD 350.0 t/a，TN 406.0 t/a，TP 48.3 t/a。

群众环保意识增强。近年来，当地政府积极宣传瀛湖的重要性以及保护瀛湖的必要性，开展各种形式的环保主题活动，使得瀛湖周边地区群众环保意识明显增强。2010、2012年 EHCI较上一年略有降低，这与化肥、农药施用量比上年稍有增长有关，增长的原因为当年农作物长势不好，加之化肥、农药价格比往年价格低，部分农民为了提高产量，加大了化肥农药的施用量。

3 结论

采取熵权综合健康指数法对瀛湖1986—2012年的水生态健康状况进行了评价，评价指标体系选取了物理化学指标、生态学指标和社会经济指标3方面15个指标。评价结果显示，1986—2005年，瀛湖EHCI呈比较明显的下降趋势，健康状态由健康降至一般病态。2005—2012年之间，瀛湖EHCI总体呈上升趋势，健康状态除2010年为一般病态外，其余均为亚健康状态。

农业面源污染和村镇污染问题是影响瀛湖水生态健康状况的主要因素，瀛湖周边村镇环保设施落后，生活污水大部分未经处理直接排放，畜禽养殖、渔业养殖、农药化肥的过量施用是导致农业面源污染的直接原因。因此，若要改善瀛湖水生态健康状况，应重点控制瀛湖地区农业面源污染和村镇生活污染。可采取的措施有逐年削减农药和化肥的施用量;因地制宜地设计流域内城镇和乡村的污水处理工艺，建设和完善流域内城镇及乡村的管网设施，提高城乡污水的收集及处理率;实施渔业养殖结构调整，取缔投饵式网箱养殖;控制湖面燃油船的数量，部分替代燃油船。

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