基于改进熵权法的湿地水体富营养化评价

邢海燕，张　浩，周绪申，缪萍萍

（1.海河水利委员会引滦工程管理局，河北 唐山　064309；2.海河流域水资源保护局，天津　300170；3.海河流域水环境监测中心，天津　300170；4.河北省水利水电勘测设计研究院，天津　300250）



基于改进熵权法的湿地水体富营养化评价

邢海燕1，张浩2，周绪申3，缪萍萍4

（1.海河水利委员会引滦工程管理局，河北 唐山064309；2.海河流域水资源保护局，天津300170；3.海河流域水环境监测中心，天津300170；4.河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

摘 要：湿地水体富营养化形势日益严峻，引入距离函数将主观权重与客观权重结合，改进了传统的熵权法。根据白洋淀12个水域2015年5月监测数据，由改进熵权法得到的评价结果表明：圈头水域轻度富营养化；郭里口、大张庄、留通、枣林庄、光淀张庄、关城、前塘和采蒲台8个水域为中度富营养化；王家寨、安新桥和端村3个水域为重度富营养化。

关键词：富营养化评价；熵权法；距离函数；白洋淀湿地

湿地是地球三大生态系统之一，是重要的生态资源，具有涵养水源、净化水质、蓄洪防旱、调节气候、固碳释氧和维护生物多样性等功能。海河流域［1-3］湿地类型较多、分布较广，生物种类繁多。然而，工农业生产、人类生活、社会发展等各类人为活动，都向湿地水体环境中排放大量的废物，含有氮磷的废物会破坏原有的水体环境。如果排入水体的氮磷量过大，超出水体降解、缓冲能力，便会引起水体富营养化现象［4］。笔者选取水体富营养化评价常用的4个关键指标：总磷、总氮、叶绿素α和高锰酸盐指数，采用改进的熵权法对白洋淀湿地水体12个采样点监测数据进行了分析评价。

1　熵权法［5-6］

熵是系统无序程度的度量，可用于度量已知数据所包含的有效信息量和确定权重。富营养化评价指标值相差较大时，熵值较小，则该评价指标提供的有效信息量较大，其权重也应较大；反之则其权重较小。采用熵权法确定富营养化评价指标权重的步骤如下：

（1）构建评价矩阵。根据m个采样点的n个富营养化评价指标数据，构建矩阵：

式中：x为指标值；m为采样点个数；n为监测指标个数。

（2）数据标准化。将矩阵X按照如下规则进行标准化处理：

式中：bij为标准化的指标值；xmax，xmin分别为各指标的最大和最小值。

（3）计算评价指标熵H。根据熵的定义，m个评价数列、n个富营养化评价指标可以确定评价指标的熵为：

式中：Hj为评价指标熵；m为评价样本数；bij为标准化的指标值。

（4）计算各指标权重。根据上述熵值，可以得到权重值W：

式中：Wj为指标权重；Hj为评价指标熵；n为指标个数。

2　熵权法的改进

熵权法作为确定客观权重的代表性方法，突出了实测数据信息特征，计算的权重具有客观性。由于主客观权重之间评定权重原理存在差异，在实际应用中往往需要与体现人为经验的主观权重相结合，以兼顾主观经验和客观数据，得到更为科学和易于接受的指标权重。为了使指标权重与不同方法计算权重的分配系数相符合，笔者引入距离函数对熵权法进行改进，得到组合权重。

设主观权重与客观权重之间的距离函数可表示为：

对主观权重w1与客观权重w2进行线性加权，得组合权重为：

式中：α、β分别为w1与w2的分配系数。

如果使不同权重之间的差异程度与分配系数之间的差异系数一致，那么存在：

根据上述公式，可求得不同权重的分配系数，进而求得指标的组合权重。

3　实例应用

3.1研究区概况

白洋淀是华北平原最大的湖泊型湿地，是我国重要淡水水产品生产基地之一，是大清河河系重要的蓄水枢纽，承担着缓洪、治涝、蓄水等任务，同时对调节小气候、维护河北平原的生态平衡起着不可忽视的作用。本次评价在淀区内布设采样点12个，同时采用泰森多边形将白洋淀划分为12个水域（如图1所示），于2015年5月进行了采样和监测。

图1　白洋淀采样点位及水域划分示意

3.2富营养化评价

根据白洋淀12个水域的监测结果和湖库营养状态评价标准，将富营养化评价各指标标准化（见表1）。客观权重采用熵权法计算；主观权重采用专家评分法，由水文、水生态领域的专业人员打分确定；通过引入距离函数的改进熵权法计算各指标权重（见表2），进而对12个水域的富营养化情况进行评分（见表3）。

表1　白洋淀各采样点监测指标标准化成果

表2　熵权法和改进熵权法计算的指标权重

表3　白洋淀水体富营养化评分成果

圈头水域轻度富营养化；郭里口、大张庄、留通、枣林庄、光淀张庄、关城、前塘和采蒲台8个水域为中度富营养化；王家寨、安新桥和端村3个水域为重度富营养化，具体情况如图2所示。

图2　白洋淀不同水域富营养化程度示意

4　结论与建议

通过距离函数和主观权重对熵权法的修正，将主客观权重合理地结合起来，应用于白洋淀12个水域富营养化评价。结果表明，圈头水域轻度富营养化；郭里口、大张庄、留通、枣林庄、光淀张庄、关城、前塘和采蒲台8个水域为中度富营养化；王家寨、安新桥和端村3个水域为重度富营养化。

保护白洋淀水环境，防治水体富营养化，要严厉打击淀区环境违法行为，严禁工业企业排水入淀；妥善解决淀区群众生活垃圾、污水污染问题；清理非法

中图分类号：X832

文献标识码：A

文章编号：1004-7328（2016）01-0036-03

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.013

收稿日期：2015—11—18

作者简介：邢海燕（1974—），女，高级工程师，主要从事水资源保护与水质监测工作。

Eutrophication Evaluation of Wetland Based on Improved Entropy Weight

XING Hai-yan1，ZHANG Hao2，ZHOU Xu-shen3，MIAO Ping-ping4
（1.The Administration of Luanhe Diversion Project HRCM W.R.，Tangshan 064309，China；2.Water Resources Protection Bureau of HaiHe River Basin，Tianjin 300170，China；3.Haihe River Water Environmental Monitoring Center，Tianjin 300170，China；4.Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

Abstract：Wetland eutrophication situation was increasingly serious.The integration of subjective and objective weights was achieved and the traditional entropy weight method was improved with the distance function.According monitoring data in may，2015，12 areas of Baiyangdian wetland，the evaluation results showed：Quantou was light eutrophication；Guolikou、Dazhangzhuang、Liutong、Zaolinzhuang、Guangdianzhangzhuang、Guancheng、Qiantang and Caiputai were moderate eutrophication；Wangjiazhai、Anxinqiao and Duancun were severe eutrophication.

Key words：evaluation of eutrophication；entropy weight method；distance function；Baiyangdian Wetland