吳易雯，李瑩杰，張列宇，過龍根，李 華，席北斗，王 雷，李曹樂

(1：中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)(2：中國科學(xué)院水生生物研究所，武漢 430072)(3：武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070)(4：廣東省浩藍(lán)環(huán)保水污染治理院士工作站，廣州 510000)

基于主客觀賦權(quán)模糊綜合評價(jià)法的湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)

吳易雯1,4，李瑩杰1,3，張列宇1，過龍根2，李 華2，席北斗1，王 雷1，李曹樂1

(1：中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)(2：中國科學(xué)院水生生物研究所，武漢 430072)(3：武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070)(4：廣東省浩藍(lán)環(huán)保水污染治理院士工作站，廣州 510000)

運(yùn)用湖泊營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)判斷湖泊的富營養(yǎng)化狀態(tài)，并根據(jù)湖泊的水質(zhì)、沉積物和水生生物群落的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，運(yùn)用主觀賦權(quán)法中的層次分析法和客觀賦權(quán)法中的熵權(quán)法結(jié)合模糊綜合評價(jià)法，對長江中游地區(qū)江漢湖群37個(gè)湖泊的水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行健康狀態(tài)評價(jià). 對湖泊富營養(yǎng)化的調(diào)查結(jié)果表明，?？诤幱谥袪I養(yǎng)狀態(tài)，18個(gè)湖泊處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，18個(gè)湖泊處于超富營養(yǎng)化狀態(tài). 湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的研究結(jié)果表明， 37個(gè)湖泊中，處于健康狀況“優(yōu)”的湖泊只有?？诤幱诮】禒顩r“良”的湖泊有5個(gè)，分別為東西汊湖、花馬湖、梁子湖、童家湖和漲渡湖，其余31個(gè)湖泊均處于健康狀況“差”的狀態(tài). 經(jīng)過與湖泊營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的對照，本研究結(jié)果表明，由主觀賦權(quán)的專家評分的層次分析法結(jié)合模糊綜合評價(jià)法對江漢湖群湖泊水生態(tài)健康狀態(tài)的評價(jià)效果相比客觀賦權(quán)的熵權(quán)模糊綜合評價(jià)法更貼合實(shí)際.

營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；熵權(quán)法；層次分析法；模糊綜合評價(jià)；健康評價(jià)；江漢湖群

湖泊為人類提供水資源、生物資源和環(huán)境資源，在供給水源、調(diào)節(jié)徑流、漁業(yè)生產(chǎn)等方面起著不可替代的作用，是人類生產(chǎn)生活的重要基礎(chǔ)之一[1-2]. 我國長江中下游地區(qū)湖泊分布密集，其中面積大于1 km2的湖泊總面積占相同級別中國湖泊總面積的24.2%[3]. 該地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及人類活動導(dǎo)致湖泊水體富營養(yǎng)化的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，湖泊水生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，這最終將反饋給人類并制約社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[4]. 因此，對湖泊進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)，將有助于我們掌握湖泊的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能現(xiàn)狀，為湖泊水體修復(fù)和保護(hù)以及湖泊生態(tài)安全管理提供理論依據(jù)和支持.

“生態(tài)系統(tǒng)健康”這個(gè)概念自Schaeffer等于1988年提出后，已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)管理研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題[5]. 目前關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)健康的定義，廣為接受的是Costanza等的理論，即如果一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)是穩(wěn)定和持續(xù)的，并且能夠維持其組織結(jié)構(gòu)，在一段時(shí)間后能夠自動從脅迫狀態(tài)恢復(fù)過來，那么這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)就是健康的[6]. 在眾多生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的方法中，多指標(biāo)綜合評價(jià)法能夠通過各指標(biāo)的權(quán)重確定多個(gè)指標(biāo)的排序[7]，進(jìn)而對事物有一個(gè)全面而客觀的評價(jià). 權(quán)重的計(jì)算方法主要包括主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法，其中主觀賦權(quán)法有層次分析法、直接構(gòu)權(quán)法和極值迭代法等；客觀賦權(quán)法有熵權(quán)法、均方差法和極差法等[8]. 主觀賦權(quán)法根據(jù)決策者的主觀意向確定權(quán)重，受決策者的主觀經(jīng)驗(yàn)影響較大，因此主觀性較強(qiáng). 在構(gòu)造判斷矩陣時(shí)，標(biāo)度值的確定易受評價(jià)者的經(jīng)驗(yàn)等個(gè)人因素的影響[9]. 客觀賦權(quán)法是根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)學(xué)理論和算法確定權(quán)重，不受決策者主觀因素的影響[10]. 但是客觀賦權(quán)法評價(jià)時(shí)沒有考慮到評價(jià)指標(biāo)間的差異性，與人們比較認(rèn)可的評價(jià)結(jié)果常存在較大差異[11]. 為了觀察主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法對于淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)過程中的適用性，本研究以長江中游地區(qū)江漢湖群為例，調(diào)查現(xiàn)階段江漢湖群37個(gè)湖泊的水質(zhì)及水生態(tài)現(xiàn)狀，運(yùn)用富營養(yǎng)化指數(shù)法(trophic state index,TSI)判斷湖泊的富營養(yǎng)化狀態(tài)，然后使用主觀賦權(quán)法中的層次分析法和客觀賦權(quán)法中改進(jìn)的熵權(quán)法分別結(jié)合模糊綜合評價(jià)法對湖泊水生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行健康狀態(tài)評價(jià). 希望通過本研究和評價(jià)結(jié)果對主觀賦權(quán)的層次分析賦權(quán)法和客觀賦權(quán)的熵權(quán)法進(jìn)行比較，得出適合富營養(yǎng)化淺水湖泊的水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的方法，并為湖泊的生態(tài)系統(tǒng)健康管理和修復(fù)提供一定的理論依據(jù).

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況和樣點(diǎn)設(shè)置

所調(diào)查的湖泊主要位于長江中游地區(qū)的江漢平原(29°05′～33°20′N，108°21′～116°07′E)，年平均氣溫為16～16.8℃. 漢江和長江在此地區(qū)交匯，調(diào)查的湖泊主要分布于兩江沿岸處. 這些湖泊主要是受河流的沖擊作用(如洪湖)和地殼運(yùn)動 (如梁子湖和斧頭湖等)[12]影響而形成的. 棕紅壤，黃棕壤和水稻土是該區(qū)域的主要土壤類型[13]. 本研究于2014年8月至9月初(夏末秋初)調(diào)查了37個(gè)面積大于10 km2的湖泊(圖1). 每個(gè)湖泊采集3個(gè)水樣和2個(gè)沉積物樣本，共采集到111個(gè)水樣和74個(gè)沉積物樣品.

圖1 本研究調(diào)查湖泊的分布(1-保安湖，2-豹澥湖，3-策湖，4-赤東湖，5-崇湖，6-磁湖，7-大冶湖，8-東西汊湖，9-斧頭湖，10-海口湖，11-漢陽東湖，12-洪湖，13-后湖，14-花馬湖，15-黃蓋湖，16-梁子湖，17-龍感湖，18-魯湖，19-牛浪湖，20-牛山湖，21-三湖，22-三山湖，23-上津湖，24-上涉湖，25-太白湖，26-湯遜湖，27-童家湖，28-網(wǎng)湖，29-武湖，30-西涼湖，31-野潴湖，32-淤泥湖，33-玉湖，34-長湖，35-漲渡湖，36-鐘祥南湖，37-朱婆湖；圖中除6-磁湖、10-?？诤?、15-黃蓋湖、28-網(wǎng)湖、32-淤泥湖、33-玉湖、34-長湖和36-鐘祥南湖外，其余湖泊位點(diǎn)與文獻(xiàn)[14]相同)Fig.1 Distribution of the investigated lakes

1.2 樣品采集及處理

采樣位點(diǎn)使用GPS定位，用1.0 L的柱狀采水器采集水體表面以下0.5 m處水樣，用1/16 m2彼得森采泥器采集表層沉積物樣品. 用于浮游植物鑒定的水樣使用魯哥試劑現(xiàn)場固定，用于浮游動物鑒定的水樣使用甲醛固定，帶回實(shí)驗(yàn)室靜置用于后續(xù)分析. 底棲動物的調(diào)查采用彼德森采泥器采樣后，現(xiàn)場用 60目鋼篩淘洗泥樣后挑出底棲動物，裝入100 ml 聚乙烯瓶，加入 8%福爾馬林液固定樣品后帶回實(shí)驗(yàn)室鑒定[15]. 水生植被覆蓋度和生物量的調(diào)查采用目測法[16]. 用于水體化學(xué)指標(biāo)檢測的水樣，現(xiàn)場添加濃硫酸并調(diào)整到pH<2后帶回實(shí)驗(yàn)室分析. 用于理化分析的湖泊沉積物樣品經(jīng)過真空干燥機(jī)干燥后，儲存在4℃的冰箱內(nèi)備用.

反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如浮游植物、浮游動物和底棲動物生物量)指標(biāo)的計(jì)數(shù)和鑒定方法參照文獻(xiàn)[17-19]，反映系統(tǒng)多樣性的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)計(jì)算公式為[20]：

(1)

式中，S為物種總數(shù)，pi為物種i的重要值.

1.3 評價(jià)方法

1.3.1 湖泊的富營養(yǎng)化狀態(tài)評價(jià) 湖泊的富營養(yǎng)化狀態(tài)評價(jià)，采用相崎守弘等的修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSIM)法[26]. 該方法采用指數(shù)0～100對湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分級，TSI(∑)<40為貧營養(yǎng)，40 ≤TSI(∑)<50為中營養(yǎng)，50≤TSI(∑)<70為富營養(yǎng)，TSI(∑)≥70為超富營養(yǎng)[27]. 修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSIM)法評價(jià)湖泊營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的計(jì)算公式為:

(2)

(3)

(4)

TSI(∑)=0.54TSIM(Chl.a)+0.297TSIM(SD)+0.163TSIM(TP)

(5)

式中，Chl.a為水體葉綠素a濃度(μg/L)，SD為湖泊水體透明度(m)，TP為水體總磷濃度(mg/L).

1.3.2 湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)評價(jià)

1)評價(jià)指標(biāo)體系的建立

歐盟水框架指令(EU Water Framework Directive，簡稱 WFD)[28]的水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)體系主要包括3大類因素，12類質(zhì)量要素和23項(xiàng)參數(shù)，涵蓋水生態(tài)系統(tǒng)中的生物因素、物理化學(xué)因素和水利形態(tài)因素. 該指標(biāo)體系涵蓋指標(biāo)數(shù)量眾多，在湖泊調(diào)查過程中指標(biāo)全部獲取過程較為繁瑣. 美國國家環(huán)境保護(hù)局(U. S. Environmental Protection Agency，簡稱EPA)[29]關(guān)于水生態(tài)的健康評價(jià)體系包括水質(zhì)、生物學(xué)、棲息地和微生物4大類指標(biāo)，13個(gè)詳細(xì)指標(biāo). 該指標(biāo)體系對水體的水文狀況以及水力形態(tài)因素沒有過多涉及，但加入了微生物的生態(tài)毒理學(xué)指標(biāo). 本研究主要參照歐盟WFD和美國EPA水生態(tài)的健康評價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合江漢湖群淺水湖泊現(xiàn)狀，建立了一套水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的候選指標(biāo)體系(表1).

表1 健康評價(jià)候選指標(biāo)體系

根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，最終篩選出9個(gè)具有代表性的獨(dú)立指標(biāo)，即水體TN濃度、水體TP濃度、浮游植物藍(lán)藻比例、底棲動物多樣性指數(shù)、橈足類平均生物量、水生植被覆蓋度、沉積物TN含量、沉積物NaOH-P/TP 百分比和LOI含量. 由于我國現(xiàn)階段尚沒有一個(gè)系統(tǒng)的湖泊健康評價(jià)指標(biāo)體系的分型標(biāo)準(zhǔn)，因此本研究的水質(zhì)理化指標(biāo)TN、TP濃度和水生生物學(xué)指標(biāo)Chl.a濃度的指標(biāo)分型采用歐盟水框架指令中對湖泊分型的結(jié)果. 沉積物的3個(gè)理化指標(biāo)是根據(jù)調(diào)查長江中下游位于湖北、湖南、安徽、江西和江蘇5個(gè)省份的100個(gè)面積大于10 km2湖泊后采用聚類分析后的結(jié)果，計(jì)算其95%的置信區(qū)間來確定各健康狀態(tài)分型的臨界值. 水生生物指標(biāo)中的橈足類浮游動物平均生物量、水生植物覆蓋度、底棲動物多樣性指數(shù)主要是調(diào)查了上述100個(gè)湖泊的現(xiàn)狀后根據(jù)其生態(tài)學(xué)意義進(jìn)行劃分來確定各健康狀態(tài)分型的臨界值. 本研究將湖泊健康狀況分為“優(yōu)”、“良”、“中”和“差”4級，對應(yīng)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類，各分項(xiàng)指標(biāo)如表2所示.

2)指標(biāo)權(quán)重的確定方法

A)層次分析法：層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種把復(fù)雜問題劃分為相互聯(lián)系的層次的分析法，它可以降低很多因素的不確定程度，使復(fù)雜問題條理化，使決策者保持思維過程和決策過程原則的一致性[30]. 基于湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康的評價(jià)要求，本研究建立起一套關(guān)于水生態(tài)系統(tǒng)的各因子遞進(jìn)層次結(jié)構(gòu)模型(圖2)，由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對每一層次上的因素進(jìn)行逐對比較，得到其關(guān)于上一層次因子重要性比較的標(biāo)度.

表2 湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康評價(jià)體系

根據(jù)指標(biāo)優(yōu)選的結(jié)果，按照AHP法的思想建立起一個(gè)3層次的湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)指標(biāo)體系(圖2). 第1層是目標(biāo)層，即湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康程度；第2層是要素層，包括水環(huán)境質(zhì)量、沉積物環(huán)境質(zhì)量、水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能等；第3層是標(biāo)準(zhǔn)層，即每一個(gè)評價(jià)要素由哪些具體指標(biāo)來表達(dá). 其中目標(biāo)層由要素層和標(biāo)準(zhǔn)層共同決定. 在AHP法的評估應(yīng)用中，要素層是在目標(biāo)與指標(biāo)之間建立聯(lián)系的中間層，主要用于將目標(biāo)分解到指標(biāo)并確定指標(biāo)權(quán)重. 根據(jù)層次模型(圖2)，分別邀請中國科學(xué)院水生生物研究所和中國環(huán)境科學(xué)研究院浮游植物、浮游動物、底棲動物領(lǐng)域的專家對各要素層逐層逐項(xiàng)進(jìn)行比較和評分. 矩陣中各元素的重要性由相應(yīng)的因素i和j進(jìn)行比較來確定(即采用1～9分的重要性比較標(biāo)度). 重要性比較標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)專家意見評分確定. 使用層次分析軟件Yaahp 6.0確定權(quán)重，最后綜合各專家針對各指標(biāo)的權(quán)重值后，匯總計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的平均權(quán)重.

圖2 層次分析法模型Fig.2 Analytic hierarchy process model

B)改進(jìn)的熵權(quán)法：在信息論中，熵是系統(tǒng)無序程度的一種度量，系統(tǒng)的無序程度越小，其信息熵越大，信息的效用值越大[30]. 熵權(quán)法即是一種客觀的、利用信息熵法計(jì)算權(quán)重的方法，它能盡量消除各因素權(quán)重的主觀性，使評價(jià)結(jié)果符合實(shí)際. 運(yùn)用改進(jìn)的熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重的主要步驟參見余波等[31]的方法.

3)評價(jià)模型

模糊綜合評價(jià)法(fuzzy comprehensive evaluation method)是模糊數(shù)學(xué)中最基本的數(shù)學(xué)方法之一，是以隸屬度來描述模糊界限的. 該方法最早是由我國學(xué)者汪培莊[32]提出的，其優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)學(xué)模型簡單，容易掌握，對多因素、多層次的復(fù)雜問題評判效果比較好. 湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康是一個(gè)動態(tài)性的綜合概念，采用模糊綜合評價(jià)具有明顯的優(yōu)勢. 具體的評價(jià)程序參見潘峰等[30]的方法，其中隸屬度用隸屬函數(shù)f(x)表示，且0≤f(x)≤1. 根據(jù)各指標(biāo)評價(jià)等級選取降半梯形分布法來計(jì)算隸屬分布函數(shù)[33].

2 結(jié)果與討論

2.1 江漢湖群富營養(yǎng)化狀態(tài)評價(jià)

調(diào)查的37個(gè)湖泊的富營養(yǎng)化評價(jià)結(jié)果(表3)表明，僅?？诤腡SI(∑)<50，屬于中營養(yǎng)狀態(tài)湖泊. 其余36個(gè)湖泊均為不同程度的富營養(yǎng)化狀態(tài)湖泊，其中18個(gè)湖泊的TSI(∑)在50～70范圍之間，屬于富營養(yǎng)狀態(tài)湖泊，分別為豹澥湖、東西汊湖、梁子湖、三湖、童家湖、西涼湖、漲渡湖、保安湖、崇湖、大冶湖、斧頭湖、花馬湖、黃蓋湖、龍感湖、魯湖、牛山湖、三山湖和武湖. 其余18個(gè)湖泊的TSI(∑)≥70，屬于超富營養(yǎng)化湖泊，分別為赤東湖、玉湖、野潴湖、磁湖、策湖、太白湖、淤泥湖、上涉湖、牛浪湖、湯遜湖、洪湖、長湖、朱婆湖、網(wǎng)湖、上津湖、后湖、漢陽東湖和鐘祥南湖.

表3 湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評價(jià)

*表示SD、Chl.a濃度和TP濃度數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[14].

2.2 基于熵權(quán)-模糊綜合評價(jià)法的湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)評價(jià)

信息熵確定權(quán)重的計(jì)算，參照文獻(xiàn)[31]，結(jié)合取得的9個(gè)評價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)以及信息熵的計(jì)算模型，經(jīng)過計(jì)算得到NaOH-P/TP、沉積物TN含量、有機(jī)質(zhì)含量、水體TP濃度、水體TN濃度、橈足類平均生物量、浮游植物Chl.a濃度、底棲動物多樣性指數(shù)和沉水植物覆蓋度9個(gè)指標(biāo)的權(quán)重分別為0.0906、0.0766、0.0729、0.1044、0.0484、0.1969、0.0999、0.0396和0.2706.

評價(jià)結(jié)果舉例：保安湖的隸屬函數(shù)計(jì)算結(jié)果B=[0.09467 0.45384 0.22650 0.22497].

根據(jù)最大隸屬度原則，保安湖在第Ⅱ類湖泊即健康狀態(tài)為“良”的隸屬度為0.45384，在4個(gè)隸屬度中最大，故保安湖的健康狀況確定為“良”. 其余36個(gè)湖泊，均按照此方法計(jì)算和判斷得到.

由改進(jìn)的熵權(quán)法結(jié)合模糊綜合評價(jià)法評價(jià)得到，37個(gè)湖泊中，處于健康狀況“優(yōu)”的湖泊有1個(gè)，即太白湖. 處于健康狀況“良”的湖泊有7個(gè)，分別為保安湖、花馬湖、梁子湖、龍感湖、三山湖、武湖和野潴湖. 處于健康狀況“中”的湖泊有5個(gè)，分別為東西汊湖、?？诤ⅫS蓋湖、童家湖和玉湖. 其余24 個(gè)湖泊均處于健康狀況“差”的狀態(tài)，分別為豹澥湖、策湖、赤東湖、崇湖、磁湖、大冶湖、斧頭湖、漢陽東湖、洪湖、后湖、魯湖、牛浪湖、牛山湖、三湖、上津湖、上涉湖、湯遜湖、網(wǎng)湖、西涼湖、淤泥湖、長湖、漲渡湖、鐘祥南湖、朱婆湖(圖3).

圖3 熵權(quán)模糊綜合評價(jià)結(jié)果Fig.3 The results of entropy weight combined with fuzzy comprehensive evaluation

2.3 基于層次分析-模糊綜合評價(jià)法的湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)評價(jià)

根據(jù)各指標(biāo)的重要性進(jìn)行專家評分后，利用層次分析軟件Yaahp 6.0來確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重. 計(jì)算結(jié)果如表4所示.

表4 層次分析法確定的項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重

由層次分析法結(jié)合模糊綜合評價(jià)法評價(jià)結(jié)果可知，處于健康狀況“優(yōu)”的湖泊僅1個(gè)，即?？诤? 處于健康狀況“良”的湖泊有5個(gè)，分別為東西汊湖、花馬湖、梁子湖、童家湖和漲渡湖. 沒有處于健康狀況“中”的湖泊. 其余31個(gè)湖泊均處于健康狀況“差”的狀態(tài)，分別為保安湖、豹澥湖、策湖、赤東湖、崇湖、磁湖、大冶湖、斧頭湖、漢陽東湖、洪湖、后湖、黃蓋湖、龍感湖、魯湖、牛浪湖、牛山湖、三湖、三山湖、上津湖、上涉湖、太白湖、湯遜湖、網(wǎng)湖、武湖、西涼湖、野豬湖、淤泥湖、玉湖、長湖、鐘祥南湖、朱婆湖(圖4).

圖4 層次分析模糊綜合評價(jià)結(jié)果Fig.4 The results of analytic hierarchy process with fuzzy comprehensive evaluation

2.4 兩種賦權(quán)評價(jià)方法的比較

兩種權(quán)重賦值法結(jié)合模糊綜合評價(jià)法對湖泊健康程度的評價(jià)結(jié)果比較得知，在兩種算法下，湖泊狀況一致的湖泊共計(jì)25個(gè). 沒有處于健康狀況“優(yōu)”和“中”的湖泊. 處于健康狀況“良”的湖泊有2個(gè)，分別為梁子湖和花馬湖. 處于健康狀況“差”的湖泊有23個(gè).

張紅葉等對洱海流域湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)的研究結(jié)果表明，在響應(yīng)型生態(tài)系統(tǒng)中，生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)EHI評價(jià)的結(jié)果與營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價(jià)結(jié)果一致[34]. 這也為本研究中以湖泊營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為參照提供了參考依據(jù). 以TSI(∑)標(biāo)準(zhǔn)值分類，對評價(jià)結(jié)果不同的湖泊進(jìn)行判斷選擇. 調(diào)查的37個(gè)湖泊中，處于超富營養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊有18個(gè). 用對于層次分析模糊綜合評價(jià)為“優(yōu)”的?？诤碚f，其綜合營養(yǎng)指數(shù)為49.81，屬于中營養(yǎng)化狀態(tài)，水質(zhì)指標(biāo)較為良好，信息熵模糊綜合評價(jià)中是狀態(tài)“中”. 對用改進(jìn)的熵權(quán)模糊綜合評價(jià)為“優(yōu)”狀態(tài)的湖泊，例如太白湖來說，其綜合營養(yǎng)指數(shù)為74.53，屬于超富營養(yǎng)化狀態(tài)，水質(zhì)指標(biāo)較差，而層次分析模糊綜合評價(jià)中是狀態(tài)“差”. 而對于層次分析模糊綜合評價(jià)為“差”，而信息熵模糊綜合評價(jià)中狀態(tài)為“良”的湖泊，龍感湖、三山湖、武湖和野潴湖來說，其TSI(∑)分別為67.79、60.75、61.82和73.49，由此可以看出，前3個(gè)湖泊處于富營養(yǎng)化中期階段，野潴湖已經(jīng)處于超富營養(yǎng)化階段. 顯然，層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重更適合江漢湖群湖泊的健康評價(jià). 同時(shí)，針對層次分析模糊綜合評價(jià)為“良”的湖泊，東西汊湖、花馬湖、梁子湖、童家湖和漲渡湖來說，其TSI(∑)分別為52.71、62.30、56.28、55.76和56.63，均在63以下. 而信息熵模糊綜合評價(jià)中狀態(tài)為“良”的湖泊，保安湖、花馬湖、梁子湖、龍感湖、三山湖、武湖和野潴湖，其TSI(∑)分別為 67.83、62.30、58.28、67.79、60.75、61.82和73.49，其TSI(∑)的范圍在58～74之間，相比層次分析法的范圍要寬泛許多. 通過比較，本研究結(jié)果表明對于江漢湖群來說，由專家評分的層次分析模糊綜合評價(jià)法對于湖泊健康狀態(tài)評價(jià)的效果好于客觀賦權(quán)的熵權(quán)模糊綜合評價(jià)法.

3 討論

長江中下游地區(qū)分布著眾多淺水湖泊，湖泊的富營養(yǎng)化問題是該區(qū)域湖泊水環(huán)境面臨的主要問題. 湖泊富營養(yǎng)化導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改變和功能退化，進(jìn)而影響到人類的生產(chǎn)生活環(huán)境. 因此，對該地區(qū)處于不同富營養(yǎng)化階段湖泊的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行健康評價(jià)非常有必要. 依照Costanza生態(tài)系統(tǒng)健康理論的 6 個(gè)方面，即自我平衡、沒有疾病、多樣性和復(fù)雜性、穩(wěn)定性、活力和系統(tǒng)組成成分平衡[34]，本研究構(gòu)建了包含表征湖泊水質(zhì)、沉積物和生物群落的9個(gè)指標(biāo)的健康評價(jià)指標(biāo)體系. 由于所調(diào)查的湖泊均為淺水湖泊，水深不超過6 m，且湖泊面積不大，漁業(yè)養(yǎng)殖在湖泊中較為普遍. 作為湖泊水生態(tài)系統(tǒng)中重要的生物指標(biāo)，魚類種類及其生物量受人為影響較大，因此本研究中未將該指標(biāo)納入指標(biāo)體系內(nèi). 魚類作為淡水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在河流健康評價(jià)中作為指示生物被應(yīng)用得較多. 但是在淺水湖泊中，漁業(yè)養(yǎng)殖作業(yè)，由于養(yǎng)殖網(wǎng)格導(dǎo)致的風(fēng)浪阻滯使得污染物不易擴(kuò)散和餌料不易投加，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，浮游動植物群落以及水生植被組成發(fā)生改變，進(jìn)而影響到湖泊的經(jīng)濟(jì)價(jià)值. 因此，在湖泊管理的過程中，可以在分析湖泊健康狀態(tài)“中”和“差”成因的過程中，考慮將魚類指標(biāo)納入管理范圍內(nèi).

在多指標(biāo)綜合評價(jià)體系中，指標(biāo)體系的篩選會根據(jù)評價(jià)對象和背景數(shù)據(jù)所指示的時(shí)空狀態(tài)的不同而改變， 指標(biāo)權(quán)重的確定也對健康評價(jià)有重要的影響[2]. 本研究使用了主觀賦權(quán)法中的專家評分層次分析法和客觀賦權(quán)法中的改進(jìn)的熵權(quán)法確定權(quán)重，然后結(jié)合模糊綜合評價(jià)法對富營養(yǎng)化湖泊進(jìn)行健康評價(jià). 由于信息熵法確定權(quán)重是在客觀條件下，由評價(jià)指標(biāo)值構(gòu)成的判斷矩陣來確定指標(biāo)權(quán)重，它能盡量消除各因素賦權(quán)的主觀性. 對于某項(xiàng)指標(biāo)，指標(biāo)值間的差異越大，該指標(biāo)信息熵就越小，被賦予的權(quán)重值就越高，表明該指標(biāo)在綜合評價(jià)中所起的作用越大[36]，如果差異為零，則該指標(biāo)在綜合評價(jià)中不起作用. 在本研究中，由于水生植物覆蓋度這個(gè)指標(biāo)數(shù)值之間差異過大，使得該指標(biāo)用熵權(quán)法計(jì)算所得的權(quán)重為0.2706，在所有指標(biāo)中權(quán)重最大，進(jìn)而對湖泊的健康評價(jià)計(jì)算的結(jié)果影響也比較大. 但是，此時(shí)的熵權(quán)并不表示該指標(biāo)在生態(tài)系統(tǒng)中的實(shí)際重要性系數(shù)，而是各指標(biāo)在競爭意義上的相對激烈程度[37]，顯然與實(shí)際生態(tài)系統(tǒng)中水生植物對生態(tài)系統(tǒng)健康的影響作用不符. 如太白湖和野潴湖的沉水植物覆蓋度分別為76.17%和72.1%，熵權(quán)法的評價(jià)結(jié)果分別為“優(yōu)”和“良”，然而這兩個(gè)湖泊的其他8個(gè)參評指標(biāo)的數(shù)值均處于評價(jià)體系(表2)的Ⅲ類和Ⅳ類. 湖泊的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)也分別達(dá)到了74.53和73.49，處于超富營養(yǎng)化狀態(tài). 相比之下，專家評分的層次分析法確定的各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重結(jié)合了專家的深厚經(jīng)驗(yàn)，雖然會帶有個(gè)人主觀性[38]，但是可以通過增加不同領(lǐng)域的專家的數(shù)量統(tǒng)計(jì)專家對生態(tài)系統(tǒng)的共同認(rèn)知，進(jìn)而使得指標(biāo)之間的重要性更貼近于客觀情況. 本研究中，層次分析法目標(biāo)層的3個(gè)要素和標(biāo)準(zhǔn)層次的9個(gè)指標(biāo)的條理清晰，所得指標(biāo)權(quán)重層層相扣. 層次分析法結(jié)合模糊綜合評價(jià)法對37個(gè)湖泊的評價(jià)結(jié)果表明，31個(gè)健康狀態(tài)為“差”的湖泊囊括了調(diào)查的所有處于超富營養(yǎng)化狀態(tài)的湖泊，評價(jià)結(jié)果更貼近客觀實(shí)際. 而營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)主要是基于水體SD、Chl.a濃度和TP濃度 3個(gè)指標(biāo)綜合計(jì)算得出，主要反映湖泊水體的營養(yǎng)狀態(tài)和生產(chǎn)力水平[26]. 對于湖泊水生態(tài)系統(tǒng)來說，雖然水體的營養(yǎng)狀態(tài)只表征了生態(tài)系統(tǒng)的一部分，但是水體營養(yǎng)鹽的改變能夠誘導(dǎo)引起一系列生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和功能變化. 因此，本研究嘗試通過湖泊營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的評價(jià)作為湖泊的水生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況評價(jià)的參照和初步判斷.

從評價(jià)結(jié)果來看，所評價(jià)的37個(gè)湖泊中，84%的湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康狀況都令人堪憂. 分析其原因有三：一是生物群落構(gòu)成的時(shí)間差異性. 湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的生物組分與非生物組分的組成和結(jié)構(gòu)特征在不同時(shí)間尺度上具有較大差異. 本研究采樣時(shí)間為2014年夏末秋初，溫度較高，湖泊初級生產(chǎn)力也較高，而水生植物也具有一定的生長周期，其分布和生物量還受水深、基質(zhì)、水動力和水體透明度等多種自然因素的控制[39]，這些都影響著健康評價(jià)的結(jié)果. 二是評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的影響. 本研究的層次分析法評價(jià)指標(biāo)體系中，水質(zhì)的指標(biāo)權(quán)重為0.4540，在目標(biāo)層的3個(gè)要素中所占權(quán)重最大. 這其中，TN 和TP 的權(quán)重均為0.2270.由此可見，湖泊外源污染物的輸入，包括漁業(yè)養(yǎng)殖[40]的餌料和營養(yǎng)鹽的投放，通過影響湖泊水體N和P對湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的影響也是最為嚴(yán)重的. 第三，從評價(jià)方法上來說，健康評價(jià)的指標(biāo)體系主要是根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的活力、生產(chǎn)力、組織和恢復(fù)力3個(gè)方面建立的[6]，其中反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)恢復(fù)力的生態(tài)學(xué)指標(biāo)如種群恢復(fù)時(shí)間、抗干擾能力和生長范圍等是較不容易獲取的[41]，本研究也沒有將其納入考慮范圍，從一定程度上來說評價(jià)還是受到了限制. 在后續(xù)指標(biāo)體系的建立過程中，還可以考慮加入反映生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合指標(biāo)(如優(yōu)勢度和生物完整性指數(shù))[34]，作為生態(tài)系統(tǒng)中生物群落健康狀態(tài)的表征. 同時(shí)，對于指標(biāo)權(quán)重的確定，在后續(xù)研究過程中，可以考慮將將主觀的專家經(jīng)驗(yàn)同客觀的數(shù)學(xué)分析方法進(jìn)一步結(jié)合，例如使用主觀的層次分析法，將人類的思維加工整理融入其中，根據(jù)客觀實(shí)際建立一個(gè)較為貼切的層次結(jié)構(gòu)，然后將主觀的專家評分法和客觀的熵權(quán)法或主成分分析法等結(jié)合起來確定各個(gè)層次指標(biāo)的權(quán)重. 也可以考慮將主、客觀方法確定的權(quán)重結(jié)合起來計(jì)算出一個(gè)組合權(quán)重[37]，以減少和克服兩種權(quán)重各自的局限性.

致謝：本研究實(shí)驗(yàn)樣品采集及處理得到了中國科學(xué)院水生生物研究所多位老師和同學(xué)以及中國科學(xué)院武漢植物園的常鋒毅師兄的大力幫助，在此表示感謝.

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Assessment of lakes ecosystem health based on objective and subjective weighting combined with fuzzy comprehensive evaluation

WU Yiwen1,4, LI Yingjie1,3, ZHANG Lieyu1**, GUO Longgen2, LI Hua2, XI Beidou1, WANG Lei1& LI Caole1

(1:StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofSimulationandControlofGroundwaterPollution,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,P.R.China)(2:InstituteofHydrobiology,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430072,P.R.China)(3:CollegeofResourceandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,P.R.China)(4:CnhomelandEnvironmentalProtectionWaterPollutionGovernanceAcademicianWorkstation,Guangzhou510000,P.R.China)

This study investigated 37 lakes of the Jianghan lake group in the middle reach of the Yangtze River. Trophic state index (TSI) was applied to define the trophic status of the lakes. According to water quality, sediment quality and aquatic biological communities, the analytic hierarchy process (AHP) and entropy weight method combined with fuzzy comprehensive evaluation based on fuzzy mathematics methods were applied to evaluate the aquatic ecosystem health. The lakes trophic evaluation showed that Lake Haikou was in the mesotrophic status, 18 lakes were in eutrophic status, and 18 lakes were in hyper-eutrophic status. The assessment of lake ecosystem health turned out that only Lake Haikou was in the “high” health status. Five lakes were in “good” health status: Lakes Dongxicha, Huama, Liangzi, Tongjia and Zhangdu. The rest 31 lakes were all in “poor” health status. According to theTSI, for the ecosystem health assessment of the Jianghan lake group, AHP combined with fuzzy comprehensive evaluation was proved to be a better method than the entropy weighting method.

Trophic state index; entropy weight method; analytic hierarchy process; fuzzy comprehensive evaluation; health assessment; Jianghan lake group

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07101-002)資助. 2016-03-30收稿；2016-11-21收修改稿. 吳易雯(1985～)，女，博士； E-mail： wu_yiwen@163.com.

； E-mail： zhanglieyu@163.com.

DOI 10.18307/2017.0507