CN117390466B - 一种基于相似性度量的湖泊稳态判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相似性度量的湖泊稳态判别方法，其方法步骤为：构建湖泊监测体系，获取拟判别湖泊基础数据；依据拟判别湖泊基础数据，选取参考湖泊；筛选湖泊稳态判别评价指标；采用数据标准化公式，对湖泊稳态判别评价指标进行标准化处理，去除湖泊稳态判别评价指标的量纲；基于新权重确定方法确定湖泊稳态判别评价指标的权重；采用非平权距离系数法进行相似性度量，评估湖泊稳态。本发明的有益效果是：基于系统属性和特征的相似理论，考虑了湖泊生态系统演化规律，以及湖泊富营养化评价方法中各指标的重要性，采用非平权距离方法进行相似性度量，可定量化、动态化评估湖泊水环境因子对湖泊稳态变化的影响。
Description
技术领域
本发明涉及河湖水生态环境技术领域，具体而言，涉及一种基于相似性度量的湖泊稳态判别方法。
背景技术
浅水湖泊存在两种不同的稳定状态，一种是以大型水生植物为主导的清水稳态，沉水植物覆盖度高，水质清澈；一种是以藻类为主的浊水稳态，沉水植物覆盖度低甚至消失，浮游植物占优势，水质浑浊甚至夏季有蓝藻水华暴发。这两种状态下湖泊的主要初级生产力分别为水生植物和藻类，随着湖泊的生态演替，湖泊在景观上表现为草型或藻型。伴随着湖泊富营养化的发生，许多湖泊由沉水植物丰富的清水状态转变为藻类占主导的浊态。而湖泊稳态判别是人们对湖泊生态系统运动过程进行分析并据以制定湖泊管理策略与实施评估的有效工具，也是探索浅水富营养化湖泊治理的一个非常有效的途径。
目前，较多的研究从沉水植物的覆盖度判断湖泊稳态，而采用数学方法对湖泊稳态判别的研究较少。其中，基于统计学方法的判别方法，主要针对基础资料较多、时间序列长的湖泊。对于水生态环境数据缺少或时间序列稀疏的湖泊，尚无合适的稳态判别方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于相似性度量的湖泊稳态判别方法，能够克服当前湖泊稳态评价中水生态环境数据缺少、监测时间短等困难，基于相似性评价方法，打破现有技术应用的局限性，提高评价结果的准确性和客观性，为浅水湖泊的治理和清水环境的恢复提供理论指导和技术支持。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于相似性度量的湖泊稳态判别方法，包括以下步骤：
步骤S1：构建湖泊监测体系，获取拟判别湖泊基础数据，并筛选湖泊稳态判别评价指标；
步骤S2：依据步骤S1的拟判别湖泊基础数据，选取参考湖泊；
步骤S3：采用数据标准化公式，对步骤S1的湖泊稳态判别评价指标进行标准化处理，去除湖泊稳态判别评价指标的量纲；
步骤S4：基于新权重确定方法，对步骤S3的标准化完成数据进行权重计算，确定湖泊稳态判别评价指标的权重；
步骤S5：采用非平权距离系数法，对步骤S3的标准化完成数据进行相似性度量，评估湖泊稳态。
进一步的，步骤S1中，拟判别湖泊基础数据包括地理、气候、水文、水质和水生生物指标数据，具体为：
地理指标数据至少包括经度、纬度，气候指标数据至少包括气温、太阳辐射、风速和风向，水文指标数据至少包括水位、水深和流速，水质指标数据至少包括总磷(TP)、总氮(TN)、透明度、叶绿素a浓度(Chl-a)和化学需氧量，水生生物指标数据至少包括沉水植物覆盖度和浮游植物密度。
进一步的，步骤S1中，湖泊稳态判别评价指标基于多种湖泊富营养化评价方法中评价指标的使用频率确定，多种湖泊富营养化评价方法具体为：
卡尔森营养状态指数(TSI)、修正的营养状态指数、综合营养状态指数(TLI)、营养度指数法和评分指数法(M)。
进一步的，步骤S1中，湖泊稳态判别评价指标具体包括总磷、总氮和叶绿素a浓度，其中总磷、总氮和叶绿素a浓度湖泊稳态判别评价指标需要拟判别湖泊和参考湖泊分别提供三个采样点以上的样本数据，用于求取总磷、总氮和叶绿素a浓度湖泊稳态判别评价指标的平均值。
进一步的，步骤S2中，选取参考湖泊，具体为：
参考湖泊具备超过连续二十年的水体理化因子和水生生物数据，且在连续二十年期间湖泊稳态需要发生转变。
进一步的，步骤S3中，采用数据标准化公式如公式（1）所示，具体为：
（1）；
其中：i表示第i个评价指标，j表示第j个湖泊；Xij表示第j个湖泊的第i个评价指标的标准化值，xij表示第j个湖泊的第i个评价指标的实测值，ximax表示第i个评价指标的实测最大值；
评价指标标准化值的范围为(0,1]，使评价指标的值具有可比性，保证计算结果的一致性。
进一步的，步骤S4中，新权重确定方法，具体为：
综合分析多种权重确定方法，湖泊在各评价指标特征属性上具有不一致性，并且不一致性超过50%的评价指标特征属性对相似性评价结果造成偏差，基于偏差赋予评价指标新的权重系数；
其中，多种权重确定方法包括二项系数法、模糊数学法、层次分析法、德尔菲法、主成分分析法、关联系数法和熵权法。
进一步的，步骤S4中，确定湖泊稳态判别评价指标的权重，具体为：
步骤S41，将第j个湖泊的第i个评价指标的标准化值Xij 按从大到小降序排列形成新数据集Xnm，依据公式（2），求每一个评价指标的平均差值：
（2）；
其中，表示评价指标的平均差值，m表示行数，其中m=j，n表示列数，其中n=i；
[ ]为求整符号，u为前项和中新数据集Xnm的个数，t为后项和中新数据集Xnm的个数；Xnu表示
从1到[m/2]的新数据集，Xnt表示从[(m+3)/2]到m的新数据集，其中前项和为新数据集Xnu从
1到[m/2]的累加和，后项和为评价指标标准化值Xnt从[(m+3)/2]到m的累加和；
步骤S42，基于公式（3），得到每一个评价指标的权重：
（3）；
其中，表示评价指标的权重，k表示评价指标的总个数。
进一步的，步骤S5中，受限于传统距离系数法在相似度量中的局限性，并考虑到湖泊各个属性特征对系统相似度的影响差异，采用非平权距离系数法进行相似性度量，其中非平权距离系数法，计算方法如下：
步骤S51，基于数据标准化公式（1）得到的湖泊评价指标标准化数据，计算湖泊评价指标的欧式距离如公式（4）所示，具体为：
（4）；
其中，dij表示第j个湖泊第i个评价指标的欧式距离，Ximin表示j个湖泊中第i个评价指标标准化的最小值；
步骤S52，湖泊评价指标的综合距离如公式（5）所示，具体为：
（5）；
其中，zij表示第j个湖泊第i个评价指标的综合距离；
步骤S53，湖泊的相似度如公式（6）所示，具体为：
（6）；
其中，θij表示第j个湖泊第i个评价指标的湖泊相似度。
进一步的，湖泊稳态包括清水、草藻共存、藻草共存、藻型浊水和黑臭五个阶段。
本发明的有益效果是：基于湖泊生态系统属性和特征的相似性理论，考虑湖泊生态系统演化规律，以及湖泊富营养化评价方法中各指标的重要性，采用非平权距离方法进行相似性度量，可定量化、动态化评估湖泊水环境因子对湖泊稳态变化的影响；同时，其能够克服当前湖泊稳态评价中水生态环境数据缺少、监测时间短等困难，其基于相似性评价方法，打破现有技术应用的局限性，提高评价结果的准确性和客观性，为浅水湖泊的治理和清水环境的恢复提供了理论指导和技术支持。
附图说明
图1为本发明湖泊稳态判别流程图；
图2为实施例鄱阳湖采样点布置图；
图3为实施例总氮随时间变化趋势及稳态阶段其平均值变化图；
图4为实施例总磷随时间变化趋势及稳态阶段其平均值变化图；
图5为实施例叶绿素a浓度随时间变化趋势及稳态阶段其平均值变化图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
本发明一种基于相似性度量的湖泊稳态判别方法如图1所示，以鄱阳湖为研究对象开展评价过程。
鄱阳湖丰枯水位变幅较大，根据水位变化特征，分别设置丰水期和平水期监测点，其中丰水期设置44个监测点，枯水期25个监测点，如图2所示。
为避免单一年份水生态环境状态突变的可能，采用连续三年(2013-2015年)的数据进行鄱阳湖湖泊稳态判别，全年指标值采用丰水期和枯水期的平均值进行计算。
根据鄱阳湖的地理、气候、水文、水质和水生生物指标，选取太湖作为参考湖泊，并以太湖1981-2008年水生态环境数据作为样本。
具体的，鄱阳湖和参考湖泊太湖湖泊稳态转换评价因子变化趋势如图3-图5所示。
根据权重计算方法，总氮、总磷和叶绿素a浓度三个指标的权重分别为0.207、0.234和0.559。
具体的，指标权重表示对湖泊稳态转换的影响程度不同，其中叶绿素a浓度对湖泊稳态转换起着重要作用。
根据数据标准化方法和非平权距离计算方法，判别湖泊稳态类型(表1)。
表1鄱阳湖及参考湖泊太湖水环境数据标准化及综合距离评价
具体的，根据表1可知，参考湖泊太湖1981年水生态环境特征综合距离为0，表示该年份水生态环境特征值在各年份中为最小值，则该年份为时间序列综合距离评价的目标年份。
按照时间序列，各年份与目标年份的距离分别用de表示，其中e表示评价时间排序，综合距离均表示该年份水生态环境特征与太湖1981年的水环境特征的相似性，综合距离越小，水生态环境特征越相似。
根据评价结果，鄱阳湖2013年至2015年的水生态环境特征与目标年的综合距离d24、d25和d26分比为9.866、11.543和9.686，大于太湖水生态环境特征与目标年的综合距离d1~d4以及d6、d7，但均小于其它年份与目标年份的综合距离。
具体的，结合湖泊稳态连续性和突变共存特征，鄱阳湖2013至2015年的湖泊状态处于参考湖泊太湖1992与1993年之间的状态。
参考湖泊太湖在1981年至1987年间属于草藻共存阶段，接近于清水稳态，1988~1996年间属于藻草共存阶段，1997~2008年间为藻型浊水稳态阶段。
具体的，太湖在三个阶段的综合距离平均值分别为0.625,13.507和22.895。
鄱阳湖2013年至2015年的平均综合距离为10.365，介于太湖第一阶段和第二阶段之间，并且太湖在1992至1993年同属于第二阶段藻草共存稳态阶段。
由此推断，鄱阳湖湖泊稳态属于藻草共存阶段，并且接近于藻草共存湖泊稳态。
综上所述，基于相似性度量的湖泊稳态判别方法可以很好的适用于湖泊稳态的评价。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于相似性度量的湖泊稳态判别方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：构建湖泊监测体系，获取拟判别湖泊基础数据，并筛选湖泊稳态判别评价指标；
步骤S2：依据步骤S1的拟判别湖泊基础数据，选取参考湖泊；
步骤S3：采用数据标准化公式，对步骤S1的湖泊稳态判别评价指标进行标准化处理，去除湖泊稳态判别评价指标的量纲；
步骤S4：基于新权重确定方法，对步骤S3的标准化完成数据进行权重计算，确定湖泊稳态判别评价指标的权重；
步骤S5：采用非平权距离系数法，对步骤S3的标准化完成数据进行相似性度量，评估湖泊稳态；
步骤S3中，采用数据标准化公式如公式（1）所示，具体为：
（1）；
其中：i表示第i个评价指标，j表示第j个湖泊；X ij 表示第j个湖泊的第i个评价指标的标准化值，x ij 表示第j个湖泊的第i个评价指标的实测值，x imax 表示第i个评价指标的实测最大值；
评价指标标准化值的范围为(0,1]，使评价指标的值具有可比性，保证计算结果的一致性；
步骤S4中，新权重确定方法，具体为：
综合分析多种权重确定方法，湖泊在总磷、总氮和叶绿素a浓度特征属性上具有不一致性，并且不一致性超过50%的评价指标特征属性对相似性评价结果造成偏差，基于偏差赋予评价指标新的权重系数；
其中，多种权重确定方法包括二项系数法、模糊数学法、层次分析法、德尔菲法、主成分分析法、关联系数法和熵权法；
步骤S4中，确定湖泊稳态判别评价指标的权重，具体为：
步骤S41，将第j个湖泊的第i个评价指标的标准化值X ij 按从大到小降序排列形成新数据集X nm ，依据公式（2），求每一个评价指标的平均差值：
（2）；
其中，表示评价指标的平均差值，m表示行数，其中m=j，n表示列数，其中n=i；[ ]为求整符号，u为前项和中新数据集X nm 的个数，t为后项和中新数据集X nm 的个数；Xnu表示从1到[m/2]的新数据集，Xnt表示从[(m+3)/2]到m的新数据集，其中前项和为新数据集X nu 从1到[m/2]的累加和，后项和为评价指标标准化值X nt 从[(m+3)/2]到m的累加和；
步骤S42，基于公式（3），得到每一个评价指标的权重：
（3）；
其中，表示评价指标的权重，k表示评价指标的总个数；
步骤S5中非平权距离系数法，计算方法如下：
步骤S51，基于数据标准化公式（1）得到的湖泊评价指标标准化数据，计算湖泊评价指标的欧式距离如公式（4）所示，具体为：
（4）；
其中，d ij 表示第j个湖泊第i个评价指标的欧式距离，X imin 表示j个湖泊中第i个评价指标标准化的最小值；
步骤S52，湖泊评价指标的综合距离如公式（5）所示，具体为：
（5）；
其中，z ij 表示第j个湖泊第i个评价指标的综合距离；
步骤S53，湖泊的相似度如公式（6）所示，具体为：
（6）；
其中，θ ij 表示第j个湖泊第i个评价指标的湖泊相似度。
2.根据权利要求1所述的一种基于相似性度量的湖泊稳态判别方法，其特征在于：步骤S1中，拟判别湖泊基础数据包括地理、气候、水文、水质和水生生物指标数据，具体为：
地理指标数据至少包括经度、纬度，气候指标数据至少包括气温、太阳辐射、风速和风向，水文指标数据至少包括水位、水深和流速，水质指标数据至少包括总磷、总氮、透明度、叶绿素a浓度和化学需氧量，水生生物指标数据至少包括沉水植物覆盖度和浮游植物密度。
3.根据权利要求2所述的一种基于相似性度量的湖泊稳态判别方法，其特征在于：步骤S1中，湖泊稳态判别评价指标基于多种湖泊富营养化评价方法中评价指标的使用频率确定，多种湖泊富营养化评价方法具体为：
卡尔森营养状态指数、修正的营养状态指数、综合营养状态指数、营养度指数法和评分指数法。
4.根据权利要求3所述的一种基于相似性度量的湖泊稳态判别方法，其特征在于：步骤S1中，湖泊稳态判别评价指标具体包括总磷、总氮和叶绿素a浓度，其中总磷、总氮和叶绿素a浓度湖泊稳态判别评价指标需要拟判别湖泊和参考湖泊分别提供三个采样点以上的样本数据，用于求取总磷、总氮和叶绿素a浓度湖泊稳态判别评价指标的平均值。
5.根据权利要求4所述的一种基于相似性度量的湖泊稳态判别方法，其特征在于：步骤S2中，选取参考湖泊，具体为：
参考湖泊具备超过连续二十年的水体理化因子和水生生物数据，且在连续二十年期间湖泊稳态需要发生转变。
6.根据权利要求5所述的一种基于相似性度量的湖泊稳态判别方法，其特征在于：湖泊稳态包括清水、草藻共存、藻草共存、藻型浊水和黑臭五个阶段。
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