WO2022099852A1 - 一种城市景观湖泊水生态系统健康评价及诊断方法 - Google Patents

一种城市景观湖泊水生态系统健康评价及诊断方法 Download PDF

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WO2022099852A1
WO2022099852A1 PCT/CN2020/136866 CN2020136866W WO2022099852A1 WO 2022099852 A1 WO2022099852 A1 WO 2022099852A1 CN 2020136866 W CN2020136866 W CN 2020136866W WO 2022099852 A1 WO2022099852 A1 WO 2022099852A1
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point
health
urban landscape
layer
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PCT/CN2020/136866
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郑航桅
黄宗亮
钟云娜
程晓薇
黄晓佳
潘伟斌
赵焱
孙国胜
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广东粤海水务股份有限公司
华南理工大学
哈尔滨工业大学水资源国家工程研究中心有限公司
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/152—Water filtration

Definitions

  • the invention relates to the technical field of lake water quality management, in particular to a method for health evaluation and diagnosis of urban landscape lake water ecosystem.
  • the indicator species method is mainly to diagnose the health status of lake ecosystems through the changes of biomass, productivity, certain functions and physiological indicators of single or multiple species in the ecosystem; the indicator system method is to consider the various characteristics required for healthy lakes.
  • the purpose of selecting a plurality of relevant indicators is to comprehensively and comprehensively reflect the changes in the structure, function and service capacity of the lake ecosystem. It is a commonly used evaluation method for lake ecosystems. Evaluation.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to solve the above-mentioned deficiencies of the prior art, and to provide a health evaluation and diagnosis method of the urban landscape lake water ecosystem.
  • the technical solution adopted in the present invention is: a method for health evaluation and diagnosis of urban landscape lake water ecosystem, comprising the following steps:
  • the analytic hierarchy process is used to construct the index system, which is divided into target layer, criterion layer and index layer.
  • the target layer represents the comprehensive index of urban landscape lake water ecosystem health
  • the criterion layer includes the water quality criterion layer, the sediment criterion layer, and the biological community criterion layer.
  • the indicators corresponding to the water quality criterion layer are conventional water quality elements, bottom DO, TLI nutrient state comprehensive index, ammonia nitrogen index;
  • the indicators corresponding to the sediment criterion layer are sediment pH, organic carbon index, total nitrogen index, Total phosphorus index and potential ecological risk coefficient of heavy metals;
  • the indicators corresponding to the biological community criterion layer are phytoplankton density, phytoplankton diversity, phytoplankton community uniformity, submerged plant coverage, and submerged plant growth;
  • the criterion layer of the lakeshore zone corresponds to the lakeshore with indicator;
  • TLI nutritional status comprehensive index TLI ⁇ 30 1 point, 30 ⁇ TLI ⁇ 50 0.8 point; 50 ⁇ TLI ⁇ 60 0.5 point; 60 ⁇ TLI ⁇ 70 0.2 point; TLI>700 point;
  • Ammonia nitrogen index ammonia nitrogen ⁇ 1mg/L 1 point, 1mg/L ⁇ ammonia nitrogen ⁇ 1.5mg/L 0.8 point, 1.5mg/L ⁇ ammonia nitrogen ⁇ 2mg/L 0.5 point, 2mg/L ⁇ ammonia nitrogen ⁇ 4mg/L 0.2 point, ammonia nitrogen >4mg/L 0 points;
  • Bottom sludge pH pH is 6-9 1 points, pH exceeds the proposed range 0 points;
  • Total nitrogen index 1 point for TN ⁇ 1100mg/kg, 0.5 point for 1100mg/kg ⁇ TN ⁇ 1600mg/kg, 0.2 point for 1600mg/kg ⁇ TN ⁇ 2000mg/kg, 0 point for TN>2000mg/kg;
  • Total phosphorus index 1 point for TP ⁇ 730mg/kg, 0.5 point for 730mg/kg ⁇ TP ⁇ 1100mg/kg, 0.2 point for 1100mg/kg ⁇ TP ⁇ 1500mg/kg, 0 point for TP>1500mg/kg;
  • Phytoplankton density density ⁇ 5.0*10 ⁇ 6/L 1 point, 5.0*10 ⁇ 6/L ⁇ density ⁇ 1.0*10 ⁇ 8/L 0.5 point, density>1.0*10 ⁇ 8/L 0 Minute;
  • Submerged plant coverage coverage rate > 75% 1 point, 50% ⁇ coverage rate ⁇ 75% 0.7 points, 25% ⁇ coverage rate ⁇ 50% 0.4 points, coverage rate ⁇ 25% 0 points;
  • Submerged plant growth good growth, no floating and sinking plant residues on the surface 1 point, no submerged plants, submerged plants overgrown or difficult to plant successfully, and floating submerged plant residues on the surface 0 points;
  • the lakeshore is muddy or ecological revetment, most of which are covered by plants, 1 point;
  • the lakeshore is muddy or ecological revetment, part of which is covered by continuous plants, 0.8 points, basically concrete or masonry revetment, part of which is continuous 0.5 points for plant coverage, 0.2 points for mortar masonry revetment and plant growth between masonry, 0 points for hardened concrete revetment and no vegetation growth;
  • the score value of the single index is obtained, and the total ranking weight of the weight of the index is multiplied, and the final urban landscape lake water ecosystem health comprehensive index can be obtained after the summation;
  • the corresponding health status is judged.
  • the state of the lake is determined to be healthy, and a health evaluation of the urban landscape lake is carried out every quarter;
  • the lake When the comprehensive index of water ecosystem health of urban landscape lakes is in the range of 0.6 to 0.8, the lake is considered to be in a sub-health state, and the health state of the lake is unstable at this time, and the water quality of the lake is monitored at least once a week;
  • the lakes are considered to be in a state of disease; intercept pollution, control external pollution, and then improve the conditions of the sediment matrix to make it suitable for the growth of aquatic animals and plants.
  • each index pairwise from top to bottom the relative importance of each evaluation index is determined, and a judgment matrix of all influencing factors at each level is constructed;
  • the relative importance of elements; among them, the results of the pairwise judgments of the importance of each factor in each level by members of the project team are obtained through research or data collection;
  • the maximum eigenvalue ⁇ max of each judgment matrix and the normalized eigenvector ⁇ T are obtained.
  • the element of ⁇ T is the ranking weight of the relative importance of the same level factor to the previous level factor;
  • the consistency index is calculated by CI, and the calculation formula is as follows:
  • n is the order of the judgment matrix
  • ⁇ max is the maximum eigenvalue of the matrix
  • CI 0, there is complete consistency
  • CI is close to 0, there is satisfactory consistency
  • the larger the CI the more serious the inconsistency
  • the eigenvectors normalized by the judgment matrix are used as the weights of the influencing factors, and the weights of the relative importance of all factors at a certain level to the highest level are calculated, which is called the overall ranking of the level.
  • the present invention has the following advantages: the various factors that affect the health of lake water quality are specifically divided and assigned and scored, the evaluation weights of the criterion layer and the index layer are determined by the analytic hierarchy process, and finally the health status of the lake is evaluated, According to different health status, different repair strategies are proposed.
  • a health evaluation index system for the urban landscape lake water ecosystem is constructed.
  • the selection of indicators follows the principles of systematicness, scientificity, representativeness, comparability, operability, practicability and easy availability of data.
  • the index system is designed as a hierarchical structure, which is divided into target layer, criterion layer and index layer.
  • the target layer is a high-level summary of the lake health assessment index system to reflect the overall level of lake health; the criterion layer reflects the attributes and levels of lake health from different aspects, including water quality, sediment, biological community, and lakeshore zone.
  • the indicator layer is composed of several indicators selected under the criterion layer, and the indicator evaluation is mainly quantitative, supplemented by qualitative.
  • the design of the health evaluation index system of urban landscape lake water ecosystem includes one target layer, four criterion layers, and 15 evaluation indicators, as shown in Table 1.
  • the evaluation criteria of the index layer are shown in Table 3.
  • the score range of each index is 0 to 1, and the full score is 1 point.
  • the judgment matrix represents the relative importance of the related elements of this level for an element of the previous level.
  • the element a ij of the judgment matrix is the importance of the factor i relative to the factor j.
  • a matrix judgment scaling method (1-9 scaling method) is introduced, see Table 4 for details.
  • Scaling meaning 1 Indicates that compared to two factors, one factor is as important as the other 3 Indicates that one factor is slightly more important than the other 5 Indicates that compared to two factors, one factor is significantly more important than the other 7 Indicates that compared to two factors, one factor is strongly important to the other 9 Indicates that one factor is extremely important compared to the other reciprocal
  • a questionnaire was designed to collect the pairwise judgment results of the members of the project team on the importance of each factor in each level, and the arithmetic mean of each member's judgment matrix element a ij was obtained. value to obtain the comprehensive judgment matrix of the whole group, see Table 5, Table 6, Table 7, Table 8 for details.
  • the single ranking of the sub-factors at each level is calculated layer by layer.
  • the single-level ranking is to calculate the sub-factor weights of a certain level according to the judgment matrix of the sub-factors of the level.
  • the maximum eigenvalue ⁇ max of each judgment matrix and the normalized eigenvector ⁇ T are obtained by using the eig function in MATLAB software.
  • the elements of ⁇ T are the ranking weights of the relative importance of the factors at the same level to the factors at the previous level.
  • the consistency index is calculated by CI, and the calculation formula is as follows:
  • RI is related to the order of the judgment matrix. In general, the larger the order of the matrix, the greater the possibility of random deviation of consistency. The corresponding relationship is shown in the table. 9.
  • the eigenvectors normalized by the judgment matrix are used as the weights of the influencing factors.
  • the weight of the relative importance of all factors at a certain level to the highest level is calculated, which is called the total ranking of the level. This process is carried out sequentially from the highest level to the lowest level.
  • the weights of all factors in the C layer relative to the A layer can be obtained, that is, the total ranking of the (A-C) weights.
  • the score value of a single index is obtained, and multiplied by the weight of this index in Table 11 (referring to the total ranking weight), and the final urban landscape lake water can be obtained after the summation.
  • Ecosystem health comprehensive index the obtained score is still in the range of 0 to 1, which is used to evaluate the health status of lakes.
  • the lakes are considered to be in a healthy state, and other measures other than normal operation and maintenance work (ie, lake surface garbage cleaning, etc.) do not need to be taken for the lakes.
  • Other measures other than normal operation and maintenance work ie, lake surface garbage cleaning, etc.
  • the lake When the comprehensive index of water ecosystem health of urban landscape lakes is in the range of 0.6 to 0.8, the lake is considered to be in a sub-health state. At this time, the health state of the lake is unstable, and it may develop to an unhealthy state due to factors such as weather, hydrological changes, and pollution input. Therefore, it is necessary to monitor the water quality of the lake regularly (recommended at least once a week), and the indicators with simple measurement methods (such as pH, DO, conductivity, transparency) can be measured daily, so as to keep abreast of the health of the lake water ecosystem. changes and take measures that help maintain or improve the health of lake water ecosystems.
  • simple measurement methods such as pH, DO, conductivity, transparency
  • the monitoring indicators are the indicators covered by the indicator layer under the "water quality” criterion layer in the health evaluation indicator system, including: pH, conductivity, bottom DO, transparency, chlorophyll a concentration, total nitrogen, total phosphorus, permanganate index and ammonia nitrogen .
  • pH, conductivity, bottom DO transparency
  • chlorophyll a concentration total nitrogen, total phosphorus, permanganate index and ammonia nitrogen .
  • the measures that can be taken include: optimizing the configuration mode of submerged plants, and constructing a lakeside water plant community with emergent plants as the main body and a lakeside terrestrial plant community combining trees, shrubs and grasses.
  • the above measures are conducive to the continuous layout of plants from the open water area to the lakeside zone, forming a complete ecological structure.
  • the key measure is to increase the coverage of submerged plants.
  • the lake When the comprehensive index of water ecosystem health of urban landscape lakes is less than or equal to 0.3, the lake is considered to be in a morbid state. At this time, the lake water ecosystem is extremely unsuitable for the survival of aquatic animals and plants. Therefore, the key measures are to improve the lake habitat, and then restore the submerged plants to construct biological structures. community, and gradually build a more complete ecosystem. First of all, it is necessary to intercept pollution and control external pollution to prevent the water quality from continuing to deteriorate. Then, improve the conditions of the sediment substrate to make it suitable for the growth of aquatic animals and plants.
  • the method of environmental protection dredging can be adopted to directly remove the polluting medium; in other cases, it can be drained.
  • the method of pond drying can kill harmful microorganisms in the sediment, reduce the organic matter content of the lake, and appropriately add a sediment conditioner to reduce the release of heavy metals in the sediment. After the completion of the sediment modification, further improve the water quality.
  • the water diversion method can be used to reduce the pollutant concentration; for water bodies with low DO and high COD Mn , artificial aeration and re-oxygenation and hydraulic circulation methods can be used to promote water circulation and inhibit Deterioration of water bodies.
  • the transparency of the water body reaches more than 0.5m, control the density of fish and start planting submerged plants. By restoring the submerged plants, the water quality conditions are further improved, and the lake habitat is gradually optimized.

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Abstract

一种城市景观湖泊水生态系统健康评价及诊断方法，将指标体系设计为层次结构，分为目标层、准则层和指标层，目标层表示城市景观湖泊水生态系统健康综合指数，用以反映城市景观湖泊健康状况的总体水平；准则层从不同侧面反映城市景观湖泊健康状况的属性和水平，包括水质、底泥、生物群落、湖岸带4个方面；在准则层下选择若干指标组成指标层，指标评价以定量为主，定性为辅。将影响城市景观湖泊水质健康的各种因素进行具体划分并赋值评分，采用层次分析法确定准则层和指标层的评价权重，根据各个指标的评分值以及权重获得城市景观湖泊水生态系统健康综合指数，最后根据城市景观湖泊水生态系统健康综合指数判断城市景观湖泊的健康状态并制定相应的修复对策措施。

Description

一种城市景观湖泊水生态系统健康评价及诊断方法 技术领域
本发明涉及湖泊水质管理技术领域，具体涉及一种城市景观湖泊水生态系统健康评价及诊断方法。
背景技术
随着国家“生态文明”战略的实施，环境污染治理以及自然环境生态保护方面得到了更高的关注，人民日益增长的美好生活需求也使人们对城市生态环境有了更高的要求。现代城市的发展倾向于“亲水城市”、“人水和谐”等城市模式，同时城市湖泊又是城市生态景观格局的重要组成要素，因此，营造城市湖泊风景区是城市建设的重点之一。在运维、管理、修复城市景观湖泊的过程中，都需要对城市景观湖泊水生态系统的健康状态进行评估，以便科学制定有效的对策措施，因此需要建立切实可行的城市景观湖泊水生态系统健康评价方法。
目前，我国湖泊生态系统健康评价仍处于起步和发展阶段，研究中常见的健康评价方法主要分为指示物种法和指标体系法。指示物种法主要是通过生态系统内单一或多种物种的生物量、生产力、某些功能和生理指标变化情况来诊断湖泊生态系统的健康状况；指标体系法则是考虑健康湖泊所需要的多方面特征而选定多个相关指标，目的是综合全面地反映湖泊生态系统结构、功能、服务能力等的变化，是目前较为常用的湖泊生态系统评价方法，本发明亦采用了指标体系法的方法进行健康评价。
尽管在本领域内有许多学者提出了各种各样的湖泊健康评价方法，但大多针对大型的自然湖泊建立，并不适用于城市景观湖泊的评价。大型自然湖泊的生态系统结构更为复杂，且大多位于人为干扰相对较少的郊野区域，这类湖泊是许多生物的宝贵栖息地，同时也可能是饮用水源。对这类湖泊进行评价时，需要重点关注其结构与功能是否改变，同时也需要有更严格的评价标准，维护其正常生态功能的发挥。而城市景观湖泊通常是人造湖泊，水面积远小于大型天然湖泊，且生态系统结构功能较简单，抗干扰能力较低，但由于其通常兼具蓄洪排涝、美化环境、休闲娱乐、环境自净等功能，其不可避免地长期及频繁地受到各种外来因素的干扰。城市景观湖泊是相对脆弱的生态系统，一旦外界干扰程度超出其可承受范围时，容易出现藻类爆发、水体黑臭、蚊虫滋生等问题，无法发挥其正常的服务功能。对于城市景观湖泊，需要更关注如何维持其正常的水环境状态，使其保持良好的感官效果。因此，对城市景观湖泊水生态系统进行评价时，需要关注到其自身结构与功能的局限性，同时关注如何尽可能提高其自净能力及生态系统稳定性，使其能够维持正常的感官效果以及实现应有的服务功能。
除此之外，目前已发表的湖泊健康评价方法许多无法提供具体且可执行的操作方法，比如 指标评价标准不明确，或者采用过于复杂的数学模型，使其在实际中不能得到很好的推广与应用。同时，这些评价方法在对湖泊水生态系统健康状态进行评估后，无法提供如何改善湖泊水生态系统健康状态的修复思路。因此，亟需一种针对城市景观湖泊且更简单方便的健康评价方法为城市景观湖泊的管理、修复提供指导。
发明内容
本发明要解决的技术问题是解决上述现有技术的不足，提供一种城市景观湖泊水生态系统健康评价及诊断方法。
为了解决上述现有技术的不足，本发明采用的技术方案为：一种城市景观湖泊水生态系统健康评价及诊断方法，包括如下步骤：
利用层次分析法构建指标体系，其分为目标层、准则层和指标层，其中目标层表示城市景观湖泊水生态系统健康综合指数，准则层包括水质准则层、底泥准则层、生物群落准则层、湖岸带准则层；其中水质准则层对应的指标为常规水质要素、底层DO、TLI营养状态综合指数、氨氮指数；底泥准则层对应的指标为底泥pH、有机碳指数、总氮指数、总磷指数、重金属潜在生态风险系数；生物群落准则层对应的指标为浮游植物密度、浮游植物多样性、浮游植物群落均匀度、沉水植物覆盖度、沉水植物长势；湖岸带准则层对应湖岸带指标；
对各指标进行定量评价、赋值，各指标赋值情况如下：
常规水质要素：pH在6～9，电导率在3400μS/cm范围内1分，pH或电导率超出以上拟定的范围0分；
底层DO：DO≥5mg/L 1分，4mg/L≤DO＜5gmg/L 0.8分，3mg/L≤DO＜4mg/L 0.5分，2mg/L≤DO＜3mg/L 0.2分；DO＜2mg/L 0分；
水质TLI营养状态综合指数：TLI＜30 1分，30≤TLI≤50 0.8分；50＜TLI≤60 0.5分；60＜TLI≤70 0.2分；TLI＞70 0分；
氨氮指数：氨氮≤1mg/L 1分，1mg/L＜氨氮≤1.5mg/L 0.8分，1.5mg/L＜氨氮≤2mg/L 0.5分，2mg/L＜氨氮≤4mg/L 0.2分，氨氮＞4mg/L 0分；
底泥pH：pH在6～9 1分，pH超出拟定的范围0分；
有机碳指数：TOC＜2.6％ 1分，2.6％≤TOC≤3.9％ 0.5分，3.9％＜TOC≤5.2％ 0.2分，TOC＞5.2％ 0分；
总氮指数：TN＜1100mg/kg 1分，1100mg/kg≤TN≤1600mg/kg 0.5分，1600mg/kg＜TN≤2000mg/kg 0.2分，TN＞2000mg/kg 0分；
总磷指数：TP＜730mg/kg 1分，730mg/kg≤TP≤1100mg/kg 0.5分，1100mg/kg＜TP≤1500mg/kg 0.2分，TP＞1500mg/kg 0分；
底泥重金属潜在生态风险系数：RI＜50 1分，50≤RI＜150 0.8分；150≤RI＜300 0.6分，300≤RI＜600 0.4分，600≤RI＜800 0.2分，RI≥800 0分；
浮游植物密度：密度＜5.0*10^6个/L 1分，5.0*10^6个/L≤密度≤1.0*10^8个/L 0.5分，密度＞1.0*10^8个/L 0分；
浮游植物多样性：H’＞3 1分，2＜H’≤3 0.7分，1＜H’≤2 0.4分，H’≤1 0分；
浮游植物群落均匀度：J＞0.5 1分，0.4＜J≤0.5 0.7分，0.3＜J≤0.4 0.4分，J≤0.3 0分；
沉水植物覆盖度：覆盖率＞75％ 1分，50％＜覆盖率≤75％ 0.7分，25％＜覆盖率≤50％ 0.4分，覆盖率≤25％ 0分；
沉水植物长势：长势良好，表面无漂浮沉的植物残体1分，无沉水植物、沉水植物过度生长或难以种植成功、表面漂浮沉水植物残体0分；
湖岸带状况：湖岸为泥质或生态护岸、大部分被植物覆盖1分，湖岸为泥质或生态护岸、部分有连续的植物覆盖0.8分，基本为混凝土或浆砌石护岸、部分有连续的植物覆盖0.5分，浆砌石护岸、砌石之间有植物生长0.2分，混凝土硬质化护岸、无植被生长0分；
采用层次分析法确定准则层和指标层的评价权重；
根据城市景观湖泊各指标的观测数据，获得单项指标评分值，并乘该项指标的权重总排序权重，求和后可获得最终的城市景观湖泊水生态系统健康综合指数；
根据城市景观湖泊水生态系统健康综合指数，判断对应健康状态，
当指数≥0.8，认定湖泊状态为健康，每季度对城市景观湖泊进行一次健康评价；
当城市景观湖泊水生态系统健康综合指数处于0.6～0.8范围内时，认为湖泊处于亚健康状态，此时湖泊的健康状态不稳定，每周至少一次监测湖泊的水质情况；
当城市景观湖泊水生态系统健康综合指数处于0.3～0.6范围内时，认为湖泊处于不健康状态，提高沉水植物覆盖度；
当城市景观湖泊水生态系统健康综合指数≤0.3时，认为湖泊处于病态；进行截污、控制外源污染，再改善底泥基质条件使其适宜水生动植物的生长。
进一步的，由上至下通过对各个指标进行两两比较，确定各评价指标间的相对重要性，构造每层所有影响因素的判断矩阵；判断矩阵表示对于上一层次某个元素，本层次有关元素的相对重要性；其中，项目组内成员对每个层次中各个因素重要性的两两判断结果通过调研或者数据采集获得；
根据某层次子因素的判断矩阵计算该层次的子因素权重；
求解出各个判断矩阵的最大特征值λ max和归一化后的特征向量ω T。ω T的元素为同一层次因素对于上一层次因素相对重要性的排序权值；
接着，进行各层判断矩阵的一致性检验，通过检验后即可将归一化的特征向量作为影响因素的权重，否则需要重新调整判断矩阵的因素取值，直到取得满意结果为止；
一致性指标用CI计算，计算公式如下：
Figure PCTCN2020136866-appb-000001
式中，n为判断矩阵阶数；λ max为矩阵的最大特征值；CI＝0，有完全的一致性；CI接近于0，有满意的一致性；CI越大，不一致越严重；
检验判断矩阵是否具有满意的一致性时，将一致性指标CI和随机一致性指标RI进行比较，得出检验系数CR，计算公式如下：
Figure PCTCN2020136866-appb-000002
一般当CR＜0.1时，则认为该判断矩阵通过一致性检验，即层次单排序的结构满足一致性要求，否则需要调整判断矩阵的元素取值。
将判断矩阵归一化的特征向量作为影响因素的权重，计算某一层次所有因素对于最高层相对重要性的权值，称为层次总排序。
从上述技术方案可以看出本发明具有以下优点：将影响湖泊水质健康的各种因素进行具体划分并赋值打分，采用层次分析法确定准则层和指标层的评价权重，最后评估湖泊的健康状况，并根据不同的健康状态提出不同的修复对策。
具体实施方式
以广东东山湖为例，对本发明的具体实施方式做具体说明。
(1)构建城市景观湖泊水生态系统健康评价指标体系
根据城市景观湖泊水生态系统功能正常发挥的需求，从水生态系统的结构出发，构建城市景观湖泊水生态系统健康评价指标体系。指标筛选遵循系统性、科学性、代表性、可比性、可操作性、实用性和数据易得的原则。
将指标体系设计为递阶层次结构，分为目标层、准则层和指标层。目标层是对湖泊健康评估指标体系的高度概括，用以反映湖泊健康状况的总体水平；准则层从不同侧面反映湖泊健康状况的属性和水平，包括水质、底泥、生物群落、湖岸带4个方面；指标层是在准则层下选择若干指标所组成，指标评价以定量为主，定性为辅。
城市景观湖泊水生态系统健康评价指标体系设计包括一个目标层、4个准则层、15个评价指标，具体如表1。
表1 东山湖健康评价指标体系
Figure PCTCN2020136866-appb-000003
指标层的各指标内涵及测定方法如表2。
表2 各指标内涵及测定方法
Figure PCTCN2020136866-appb-000004
Figure PCTCN2020136866-appb-000005
Figure PCTCN2020136866-appb-000006
Figure PCTCN2020136866-appb-000007
指标层的评价标准如表3，各项指标得分范围为0～1，满分为1分。
表3 各指标评价标准及参考来源
Figure PCTCN2020136866-appb-000008
Figure PCTCN2020136866-appb-000009
Figure PCTCN2020136866-appb-000010
Figure PCTCN2020136866-appb-000011
(2)采用层次分析法确定准则层和指标层的评价权重
由上至下通过对各个评价因素进行两两比较，确定各评价指标间的相对重要性，构造每层所有影响因素的判断矩阵。判断矩阵表示对于上一层次某个元素，本层次有关元素的相对重要性。
在层次分析法中，判断矩阵元素a ij为因素i相对于因素j的重要性。为使矩阵中各要素的重要性能够进行定量显示，引进矩阵判断标度方法(1～9标度法)，详情见表4。
表4 指标重要程度1-9标度表
标度 含义
1 表示两个因素相比，一个因素与另一个因素同样重要
3 表示两个因素相比，一个因素与另一个因素稍微重要
5 表示两个因素相比，一个因素与另一个因素明显重要
7 表示两个因素相比，一个因素与另一个因素强烈重要
9 表示两个因素相比，一个因素与另一个因素极端重要
倒数 因素i与因素j比较得判断a ij，则因素j与因素i比较得判断为a ji＝1/a ij
基于1～9矩阵判断标度方法，设计调查问卷，收集项目组内成员对每个层次中各个因素 重要性的两两判断结果，求取各组员对每个判断矩阵元素a ij的算术平均值，得到整组的综合判断矩阵，具体见表5、表6、表7、表8。
表5 目标层A到准则层B的综合判断矩阵：
Figure PCTCN2020136866-appb-000012
表6 准则层B1到指标层C的综合判断矩阵：
Figure PCTCN2020136866-appb-000013
表7 准则层B2到指标层C的综合判断矩阵：
Figure PCTCN2020136866-appb-000014
表8 准则层B3到指标层C的综合判断矩阵：
Figure PCTCN2020136866-appb-000015
Figure PCTCN2020136866-appb-000016
根据表1所示的层次结构，逐层计算各层次子因素的单排序。层次单排序就是根据某层次子因素的判断矩阵计算该层次的子因素权重。
利用MATLAB软件中的eig函数求解出各个判断矩阵的最大特征值λ max和归一化后的特征向量ω T。ω T的元素为同一层次因素对于上一层次因素相对重要性的排序权值。
接着，进行各层判断矩阵的一致性检验，通过检验后即可将归一化的特征向量作为影响因素的权重，否则需要重新调整判断矩阵的因素取值，直到取得满意结果为止。
一致性指标用CI计算，计算公式如下：
Figure PCTCN2020136866-appb-000017
式中，n为判断矩阵阶数；λ max为矩阵的最大特征值。CI＝0，有完全的一致性；CI接近于0，有满意的一致性；CI越大，不一致越严重。
为衡量CI的大小，引入随机一致性指标RI，RI和判断矩阵的阶数有关，一般情况下，矩阵阶数越大，则出现一致性随机偏离的可能性也越大，其对应关系如表9。
表9 平均随机一致性指标RI标准值
矩阵阶数n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
RI 0 0 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45 1.49
考虑到一致性的偏离可能是由于随机原因造成的，在检验判断矩阵是否具有满意的一致性时，将一致性指标CI和随机一致性指标RI进行比较，得出检验系数CR，计算公式如下：
Figure PCTCN2020136866-appb-000018
一般当CR＜0.1时，则认为该判断矩阵通过一致性检验，即层次单排序的结构满足一致性要求，否则需要调整判断矩阵的元素取值。
具体计算结果如下：
目标层A到准则层B综合判断矩阵的最大特征值λ max＝4.0703，对应归一化后的特征向量ω T＝[0.5463，0.1057，0.2871，0.0610] T，即为目标层A到准则层B的层次单排序，亦为B1，B2，B3，B4的权重值。已知λ max＝4.0703，n＝4，查表知RI＝0.90，计算得CI＝0.023，CR＝0.026＜0.1，具有满意的一致性。
准则层B1到指标层C综合判断矩阵的最大特征值λ max＝4.1031，对应归一化后的特征向 量ω T＝[0.1217，0.1941，0.4731，0.2110] T，即为准则层B1到指标层C的层次单排序，亦为C11，C12，C13，C14的权重值。已知λ max＝4.1031，n＝4，查表知RI＝0.90，计算得CI＝0.034，CR＝0.038＜0.1，具有满意的一致性。
准则层B2到指标层C综合判断矩阵的最大特征值λ max＝5.0431，对应归一化后的特征向量ω T＝[0.1445，0.1979，0.2668，0.2668，0.1239] T，即为准则层B2到指标层C的层次单排序，亦为C21，C22，C23，C24，C25的权重值。已知λ max＝5.0431，n＝5，查表知RI＝1.12，计算得CI＝0.011，CR＝0.012＜0.1，具有满意的一致性。
准则层B3到指标层C综合判断矩阵的最大特征值λ max＝5.0615，对应归一化后的特征向量ω T＝[0.3976，0.2013，0.1373，0.1716，0.0923] T，即为准则层B3到指标层C的层次单排序，亦为C31，C32，C33，C34，C35的权重值。已知λ max＝5.0615，n＝5，查表知RI＝1.12，计算得CI＝0.015，CR＝0.017＜0.1，具有满意的一致性。
以上计算结果总结为表10。
表10 层次单排序及其一致性检验结果
判断矩阵 λ max RI CI CR 一致性检验
A-B 4.0703 0.90 0.023 0.026 通过
B1-C 4.1031 0.90 0.034 0.038 通过
B2-C 5.0431 1.12 0.011 0.012 通过
B3-C 5.0615 1.12 0.015 0.017 通过
将判断矩阵归一化的特征向量作为影响因素的权重。计算某一层次所有因素对于最高层相对重要性的权值，称为层次总排序。这一过程是从最高层次到最低层次依次进行的。
由(A-B)层次单排序结果可得，准则层B中各因素相对于目标层A的权重值b i，i＝1，2，3，4。同样的，由(B1-C)层次单排序结果可得，指标层C中C11，C12，C13，C14因素相对于准则层B1的权重值c 1j，j＝1，2，3，4。则C11，C12，C13，C14对A的权重为：ci＝c ij×b i，i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4。
类似可求得C层中所有因素相对于A层的权重，即(A-C)权重总排序。
各层次权重计算结果如表11。
表11 各层次指标的权重
Figure PCTCN2020136866-appb-000019
Figure PCTCN2020136866-appb-000020
(3)评价城市景观湖泊水生态系统健康状态以及健康诊断
根据城市景观湖泊观测数据，对应表3中的评价标准，获得单项指标评分值，并乘以表11中该项指标的权重(指总排序权重)，求和后可获得最终的城市景观湖泊水生态系统健康综合指数，所得评分仍在0～1范围内，用于评价湖泊健康状态。
表12 城市景观湖泊水生态系统健康综合指数对应健康状态
Figure PCTCN2020136866-appb-000021
当城市景观湖泊水生态系统健康综合指数≥0.8时，认为湖泊处于健康状态，不需要对湖泊采取除正常的运维工作(即湖面垃圾清理等)外的其他措施，可每季度对城市景观湖泊进行一次健康评价，了解其整体健康状况的动态变化情况。
当城市景观湖泊水生态系统健康综合指数处于0.6～0.8范围内时，认为湖泊处于亚健康状态，此时湖泊的健康状态不稳定，有可能由于天气、水文变化、污染输入等因素朝不健康状态发展，因此需要定期(建议每周至少一次)监测湖泊的水质情况，对于测定方法简便的指 标(如：pH、DO、电导率、透明度)可每日测定，以便及时了解湖泊水生态系统健康的动态变化，并采取有助于维持或提高湖泊水生态系统健康的措施。监测指标为健康评价指标体系中“水质”准则层下指标层涵盖的指标，即包括：pH、电导率、底层DO、透明度、叶绿素a浓度、总氮、总磷、高锰酸盐指数和氨氮。(1)当“水质”准则层下指标层的各项指标得分≥0.5、且其涵盖的监测指标变动较小或朝着水质更优的方向发展时，可选择不采取额外措施，维持湖泊现有的健康状态；亦可针对沉水植物群落和湖岸带采取优化措施，逐步完善湖泊生态系统结构，促进湖泊朝健康方向发展。可采取的措施有：优化沉水植物配置模式，构建以挺水植物为主体的湖滨带水域植物群落和乔木灌草相结合的湖滨带陆域植物群落。以上措施有利于敞水区至湖滨带植物的连续性布局，形成完整的生态结构。(2)当出现其他情况时，即水质状态不稳定及水质不好时，主要通过分析是否有藻类爆发的风险而选择是否采取相应措施，目的是尽可能维持水生态系统的稳定性。当总氮、总磷、氨氮超四类水标准，叶绿素a浓度≥10μg/L且呈上升趋势时，有藻类爆发风险，可采用机械或人工打捞方式直接除藻，同时判断营养盐指标升高的原因是来自内源污染或是外源污染。对于外源污染，需要减污控污；对于内源污染，一般由于底泥被扰动而释放，可针对底泥被扰动的原因制定相应对策。
当城市景观湖泊水生态系统健康综合指数处于0.3～0.6范围内时，认为湖泊处于不健康状态，由于此时水生态系统结构的不完整，无法适应过高的污染负荷以及维持水生态系统正常的功能发挥，需要通过适度的工程措施引导其结构的完整性与功能的可持续性，关键措施是提高沉水植物覆盖度。首先，构建利于沉水植物生长的环境条件：控制外源污染，减少湖泊污染负荷；维持适宜的水位条件并减少水文变动；控制鱼类数量。然后，种植适合种植季度生长的本土沉水植物并优化种植配置，增加沉水植物覆盖度。需了解种植的沉水植物的生长周期，人工定期打捞回收，去除湖泊系统中的氮磷营养盐以及防止植物腐败造成污染。通过以上措施，可降低水体营养盐污染负荷、稳定和改善底泥基质、增加水体溶氧、提高水体透明度、抑制藻类生长，有利于湖泊向健康状态发展。
当城市景观湖泊水生态系统健康综合指数≤0.3时，认为湖泊处于病态，此时湖泊水生态系统极不适合水生动植物的生存，因此关键措施是改善湖泊生境，再通过恢复沉水植物构建生物群落，逐步构建较为完整的生态系统。首先，需要截污，控制外源污染，以防水质继续恶化。然后，改善底泥基质条件使其适宜水生动植物的生长。关于改善底泥基质，当底泥有机碳、总氮、总磷和重金属潜在生态风险系数指标得分皆小于0.5时，可采取环保疏浚的方法，直接去除污染介质；其他情况时可选择排干干塘晒塘的方式，杀灭底泥中的有害微生物，降低湖泊有机质含量，并可适当加入底泥调理剂，减少底泥重金属等的释放。完成底质改造后，进一步对水质进行改善。当水体污染物浓度较高时，可通过引水换水法降低污染物浓度； 对于DO较低且COD Mn较高的水体，可采用人工曝气复氧和水力循环法，促进水体循环流动，抑制水体恶化。当水体透明度达到0.5m以上时，控制鱼类密度，并开始种植沉水植物，通过恢复沉水植物，进一步改善水质条件，逐步优化湖泊生境。

Claims (4)

  1. 一种城市景观湖泊水生态系统健康评价及诊断方法，包括如下步骤：
    利用层次分析法构建指标体系，其分为目标层、准则层和指标层，其中目标层表示城市景观湖泊水生态系统健康综合指数，准则层包括水质准则层、底泥准则层、生物群落准则层、湖岸带准则层；其中水质准则层对应的指标为常规水质要素、底层DO、TLI营养状态综合指数、氨氮指数；底泥准则层对应的指标为底泥pH、有机碳指数、总氮指数、总磷指数、重金属潜在生态风险系数；生物群落准则层对应的指标为浮游植物密度、浮游植物多样性、浮游植物群落均匀度、沉水植物覆盖度、沉水植物长势；湖岸带准则层对应湖岸带指标；
    对各指标进行定量评价、赋值，各指标赋值情况如下：
    常规水质要素：pH在6～9，电导率在3400μS/cm范围内1分，pH或电导率超出以上拟定的范围0分；
    底层DO：DO≥5mg/L 1分，4mg/L≤DO＜5gmg/L 0.8分，3mg/L≤DO＜4mg/L 0.5分，2mg/L≤DO＜3mg/L 0.2分；DO＜2mg/L 0分；
    水质TLI营养状态综合指数：TLI＜30 1分，30≤TLI≤50 0.8分；50＜TLI≤60 0.5分；60＜TLI≤70 0.2分；TLI＞70 0分；
    氨氮指数：氨氮≤1mg/L 1分，1mg/L＜氨氮≤1.5mg/L 0.8分，1.5mg/L＜氨氮≤2mg/L 0.5分，2mg/L＜氨氮≤4mg/L 0.2分，氨氮＞4mg/L 0分；
    底泥pH：pH在6～9 1分，pH超出拟定的范围0分；
    有机碳指数：TOC＜2.6％ 1分，2.6％≤TOC≤3.9％ 0.5分，3.9％＜TOC≤5.2％ 0.2分，TOC＞5.2％ 0分；
    总氮指数：TN＜1100mg/kg 1分，1100mg/kg≤TN≤1600mg/kg 0.5分，1600mg/kg＜TN≤2000mg/kg 0.2分，TN＞2000mg/kg 0分；
    总磷指数：TP＜730mg/kg 1分，730mg/kg≤TP≤1100mg/kg 0.5分，1100mg/kg＜TP≤1500mg/kg 0.2分，TP＞1500mg/kg 0分；
    底泥重金属潜在生态风险系数：RI＜50 1分，50≤RI＜150 0.8分；150≤RI＜300 0.6分，300≤RI＜600 0.4分，600≤RI＜800 0.2分，RI≥800 0分；
    浮游植物密度：密度＜5.0*10^6个/L 1分，5.0*10^6个/L≤密度≤1.0*10^8个/L 0.5分，密度＞1.0*10^8个/L 0分；
    浮游植物多样性：H’＞3 1分，2＜H’≤3 0.7分，1＜H’≤2 0.4分，H’≤1 0分；
    浮游植物群落均匀度：J＞0.5 1分，0.4＜J≤0.5 0.7分，0.3＜J≤0.4 0.4分，J≤0.3 0分；
    沉水植物覆盖度：覆盖率＞75％ 1分，50％＜覆盖率≤75％ 0.7分，25％＜覆盖率≤50％ 0.4分，覆盖率≤25％ 0分；
    沉水植物长势：长势良好，表面无漂浮沉的植物残体1分，无沉水植物、沉水植物过度生长或难以种植成功、表面漂浮沉水植物残体0分；
    湖岸带状况：湖岸为泥质或生态护岸、大部分被植物覆盖1分，湖岸为泥质或生态护岸、部分有连续的植物覆盖0.8分，基本为混凝土或浆砌石护岸、部分有连续的植物覆盖0.5分，浆砌石护岸、砌石之间有植物生长0.2分，混凝土硬质化护岸、无植被生长0分；
    采用层次分析法确定准则层和指标层的评价权重；
    根据城市景观湖泊各指标的观测数据，获得单项指标评分值，并乘该项指标的权重总排序权重，求和后可获得最终的城市景观湖泊水生态系统健康综合指数；
    根据城市景观湖泊水生态系统健康综合指数，判断对应健康状态，
    当指数≥0.8，认定湖泊状态为健康，每季度对城市景观湖泊进行一次健康评价；
    当城市景观湖泊水生态系统健康综合指数处于0.6～0.8范围内时，认为湖泊处于亚健康状态，此时湖泊的健康状态不稳定，每周至少一次监测湖泊的水质情况；
    当城市景观湖泊水生态系统健康综合指数处于0.3～0.6范围内时，认为湖泊处于不健康状态，提高沉水植物覆盖度；
    当城市景观湖泊水生态系统健康综合指数≤0.3时，认为湖泊处于病态；进行截污、控制外源污染，再改善底泥基质条件使其适宜水生动植物的生长。
  2. 根据权利要求1所述的城市景观湖泊水生态系统健康评价及诊断方法，其特征在于：由上至下通过对各个指标进行两两比较，确定各评价指标间的相对重要性，构造每层所有影响因素的判断矩阵；判断矩阵表示对于上一层次某个元素，本层次有关元素的相对重要性；其中，项目组内成员对每个层次中各个因素重要性的两两判断结果通过调研或者数据采集获得；
    根据某层次子因素的判断矩阵计算该层次的子因素权重；
    求解出各个判断矩阵的最大特征值λ max和归一化后的特征向量ω T。ω T的元素为同一层次因素对于上一层次因素相对重要性的排序权值；
    接着，进行各层判断矩阵的一致性检验，通过检验后即可将归一化的特征向量作为影响因素的权重，否则需要重新调整判断矩阵的因素取值，直到取得满意结果为止；
    一致性指标用CI计算，计算公式如下：
    Figure PCTCN2020136866-appb-100001
    式中，n为判断矩阵阶数；λ max为矩阵的最大特征值；CI＝0，有完全的一致性；CI接近于0，有满意的一致性；CI越大，不一致越严重；
    检验判断矩阵是否具有满意的一致性时，将一致性指标CI和随机一致性指标RI进行比较，得出检验系数CR，计算公式如下：
    Figure PCTCN2020136866-appb-100002
    一般当CR＜0.1时，则认为该判断矩阵通过一致性检验，即层次单排序的结构满足一致性要求，否则需要调整判断矩阵的元素取值。将判断矩阵归一化的特征向量作为影响因素的权重，计算某一层次所有因素对于最高层相对重要性的权值，称为层次总排序。
  3. 根据权利要求1所述的城市景观湖泊水生态系统健康评价及诊断方法，其特征在于：当城市景观湖泊水生态系统健康综合指数处于0.6～0.8范围内时，监测指标为健康评价指标体系中“水质”准则层下指标层涵盖的指标，即包括：pH、电导率、底层DO、透明度、叶绿素a浓度、总氮、总磷、高锰酸盐指数和氨氮。
  4. 根据权利要求3所述的城市景观湖泊水生态系统健康评价及诊断方法，其特征在于：当“水质”准则层下指标层的各项指标得分≥0.5、且其涵盖的监测指标朝着水质更优的方向发展时，可选择不采取额外措施，维持湖泊现有的健康状态。
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