一种海洋生态环境质量评价及退化诊断方法

摘要

本发明涉及海洋生态系统健康评价技术领域，具体来说，是一种海洋生态环境质量评价及退化诊断方法。所述方法包括如下步骤：步骤1，统计海洋生态环境质量评价指标数据；步骤2，计算每项海洋生态环境质量评价指标数据的权重；步骤3，对每项海洋生态环境质量评价指标数据进行标准化处理；步骤4，计算海洋生态综合指数和系统协调度指数，从而对海洋生态环境质量进行评价。本发明依据海区或研究区的特点可对模型指标进行替换或调整，根据搜集到的数据，可得到所研究海域长时间序列的海洋生态环境质量动态变化规律，对提高当前海洋生态问题的认识理解以及退化海域生态修复的总体规划具有指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋生态系统健康评价技术领域，具体来说，是一种海洋生态环境质量评价及退化诊断方法。

背景技术

海洋具有丰富海洋油气资源、海盐资源、滩涂资源、港口资源及滨海旅游资源等。但自20世纪60年代以来，由于人类对环境的破坏和不合理利用，渔业的海产品产量和质量明显降低，过度捕捞导致渤海渔业捕捞强度已超过其资源再生能力，严重制约着渔业的可持续发展，同时过度的人类活动也给海洋渔业带来了严重的环境问题，包括但不局限于以下几个方面：①污染突出。污染面积逐年增大，陆源污染长期严重并居高不下；②盐度持续升高，由于河流入海量锐减，海水盐度持续升高，低盐区面积进一步萎缩；③营养盐结构失衡，氮磷比失衡，富营养化面积进一步扩大；④生物资源锐减，渔业资源减少，渔业活动管理困难，渔业资源日益枯竭；⑤群落结构退化，渤海优势种发生更替，生物群落结构趋于单一，生物多样性降低，鱼龄低龄化；⑥生态系统萎缩，滨海湿地、河口、海湾、海岸等重要生态系统面积萎缩，海洋生态系统被破坏和侵占，海洋机能的丧失加快；⑦灾害频发，外来物种入侵，赤潮、褐潮、绿潮、水母灾害频发等。

清晰地认识到当前海洋的生态环境质量状态、退化和恢复的程度，以及变化的趋势方向是海洋生态保护面临的亟待解决的难点问题，但目前关于海洋生态环境质量的讨论和研究多局限于定性讨论，定量研究稍显不足，更加缺乏对海洋生态环境质量状态诊断的定量研究。因此有必要使用一种定量的模型来对海洋生态系统环境质量和退化进行定量的评估，为近海生态保护和资源养护提供理论指导。

发明内容

针对现有海洋生态环境质量及问题研究缺少定量长时间序列分析的不足，本发明实施例提供一种新的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法，该方法能快速诊断海洋生态系统生态及环境质量水平，并诊断当前状态与研究的起始年相比的退化程度。

为了达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一种海洋生态环境质量评价及退化诊断方法，包括如下步骤：步骤1，统计n项指标的海洋生态环境质量评价指标数据；步骤2，计算每项海洋生态环境质量评价指标数据的权重；步骤3，对每项海洋生态环境质量评价指标数据进行标准化处理；步骤4，计算海洋生态综合指数和系统协调度指数，从而对海洋生态环境质量进行评价。

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，所述海洋生态环境质量评价指标数据包括三个层次，由大到小分别为准则层、中间层和指标层；所述准则层包括压力、状态和响应三个子系统；其中：所述压力子系统包括还包括三个中间层，分别为自然压力、污染压力和渔业压力；所述状态子系统包括三个中间层，分别为活力、组织力和恢复力；所述响应子系统包括两个中间层，分别为生态保护与建设和生态环境管控。

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，所述自然压力中间层包括四项指标，分别为海水温度、风暴潮直接经济损失、海平面与常年相比上升值、赤潮面积；

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，所述污染压力中间层包括四项指标，分别为废弃物倾倒量、海上油田生产污水排放量、主要河流污染物入海量和大型特大型漂浮垃圾；

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，所述渔业压力中间层包括两项指标，分别为海洋捕捞总量和海洋养殖总量；

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，所述活力中间层包括两项指标，分别为单位捕捞努力量生物量BPUE和海洋的初级生产力NPP；

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，所述组织力中间层包括八项指标，分别为夏季一二类水质所占比例、无机氮超标率、活性磷酸盐超标率、石油类超标率、pH超标率、浮游植物多样性指数、浮游动物多样性指数和底栖动物多样性指数；

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，所述恢复力中间层的指标为生态能质；

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，所述生态保护与建设中间层包括两项指标，分别为增殖放流总量和MPA海洋保护区面积；

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，所述生态环境管控中间层包括两项指标，分别为陆源排污口达标率和执法船只数量。

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，所述统计海洋生态环境质量评价指标数据部分缺失数据可使用插值法替代，所述插值法通过利用函数f(x)在某区间中插入若干点的函数值，作出适当的特定函数，在这些点上取已知值，在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f(x)的近似值。

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，所述权重为综合权重，所述综合权重为通过层次分析法和熵权法获得的权重的平均值，所述层次分析法采用YAAHP软件完成；所述熵权法通过对指标提供的信息熵值的大小来确定其在综合评价中权重的一种方法，公式如下：

其中，e

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，步骤3中，对数据采取标准化处理的方法为极差法，

若指标为正向影响，即该指标值越高，生态环境质量越佳，则采用以下公式：

若指标为负向影响，即生态环境质量与该指标成反比，则采用以下公式：

式中：x

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，步骤4中，采用加权函数合成海洋生态综合指数，所述海洋生态综合指数的计算公式如下：

式中，MEI为海洋生态综合指数；n为指标个数；x

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，根据MEI和不同年份海洋生态综合指数变化值ΔMEI的数值进行分级，从而用来判断海洋生态的质量状态水平和生态系统的退化及恢复诊断：

判断方式一，当0≤MEI<0.2时，为低质量状态；当0.2≤MEI<0.4时，为较低质量状态；当0.4≤MEI<0.6时，为中质量状态，当0.6≤MEI<0.8时，为较高质量状态，当0.8≤MEI<1时，为高质量状态；

判断方式二，当ΔMEI≥0.10时，为与比较年相比有好转；当-0.10≤ΔMEI<0.10时，为与比较年相比无明显的变化；当ΔMEI<-0.1时，为与比较年相比有所退化。

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，步骤4中，采用协调度函数C计算系统协调度指数，具体公式如下：

式中：C为协调度指数，P、S、R分别代表压力、状态、响应子系统的得分，为各子系统中对应指标的权重与该指标标准化值的乘积之和除以该子系统中所含指标的权重之和；a、b、c分别为压力、状态、响应子系统中指标的个数；ω

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，当压力、状态、响应子系统的得分相同时，达到最优值1.732；

上述的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，若所述压力、状态、响应子系统的得分同升同降保持同速，或者三者的得分逐渐趋近时，则整体系统的协调；若压力、状态、响应三个子系统升降不同速，或者三者的得分差异较大，则各系统发展不协调

借由上述技术方案，本发明提出的一种海洋生态环境质量评价及退化诊断方法的制备方法及其制备方法至少具有下列优点：

1)本发明该方法能快速诊断海洋生态系统生态及环境质量水平，并诊断当前状态与研究的起始年相比的退化程度；

2)本方法通过综合权重兼顾了主观性与客观性，较为全面的对指标体系赋予权重；

3)本发明提供了一种可靠的海洋生态环境质量评价的方法模型，依据海区或研究区的特点可对模型指标进行替换或调整，根据搜集到的数据，可得到所研究海域长时间序列的海洋生态环境质量动态变化规律，对提高当前海洋生态问题的认识理解以及退化海域生态修复的总体规划具有指导意义。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下结合附图以本发明的较佳实施例详细说明如后。

附图说明

图1为渤海压力状态响应指数年际变化图；

图2为渤海压力状态响应模型系统协调度变化图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种海洋生态环境质量评价及退化诊断方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

本实施例公开了一种海洋生态环境质量评价及退化诊断方法，是基于压力状态响应模型的设计思路，设计了符合我国国情的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法，使用者通过搜集研究区基础资料和数据，即可应用本申请的评价及退化诊断方法进行评价和诊断。所述海洋生态环境质量评价及退化诊断方法，包括如下步骤：

步骤1，统计n项指标的海洋生态环境质量评价指标数据；

步骤2，计算每项海洋生态环境质量评价指标数据的权重；

步骤3，对每项海洋生态环境质量评价指标数据进行标准化处理；

步骤4，计算海洋生态综合指数和系统协调度指数，从而对海洋生态环境质量进行评价。

所述海洋生态环境质量评价指标数据包括三个层次，由大到小分别为准则层、中间层和指标层；所述准则层包括压力子系统、状态子系统和响应三个子系统；其中：所述压力子系统包括还包括三个中间层，分别为自然压力、污染压力和渔业压力；所述状态子系统包括三个中间层，分别为活力、组织力和恢复力；所述响应子系统包括两个中间层，分别为生态保护与建设和生态环境管控。

所述自然压力中间层包括四个指标层，分别为海水温度、风暴潮直接经济损失、海平面与常年相比上升值和赤潮面积；所述污染压力中间层包括四个指标层，分别为废弃物倾倒量、海上油田生产污水排放量、主要河流污染物入海量和大型特大型漂浮垃圾；所述渔业压力中间层包括两个指标层，分别为海洋捕捞总量和海洋养殖总量；所述活力中间层包括两个指标层，分别为单位捕捞努力量生物量BPUE和海洋的初级生产力NPP；所述组织力中间层包括八个指标层，分别为夏季一二类水质所占比例、无机氮超标率、活性磷酸盐超标率、石油类超标率、pH超标率、浮游植物多样性指数、浮游动物多样性指数和底栖动物多样性指数；所述恢复力中间层的指标层为生态能质；所述生态保护与建设中间层包括两个指标层，分别为增殖放流总量和MPA海洋保护区面积；所述生态环境管控中间层包括两个指标层，分别为陆源排污口达标率和执法船只数量。

本实施例所公开的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法本着科学性、综合性、可操作性、动态性等评价指标体系构建原则，结合研究区域的环境资源现状特点(以渤海海区为例)，根据数据的可获得性，建立由“压力－状态－响应”三类共计25个基层指标构成的海洋生态环境质量评价指标体系，指标名称及数据获取来源如表1所示。

表1海洋生态环境状态质量评价指标体系

所述统计海洋生态环境质量评价指标数据部分缺失数据可使用插值法替代，该方法可近似替代少量的数据缺失。

所述统计海洋生态环境质量评价指标数据部分缺失数据可使用插值法替代，所述插值法通过利用函数f(x)在某区间中插入若干点的函数值，作出适当的特定函数，在这些点上取已知值，在区间的其他点上用这特定函数的值作为函数f(x)的近似值。常用方法为线性插值法，即使用连接两个已知量的直线来确定在这两个已知量之间的一个未知量的值的方法，该方法简单便捷有效，但受到各种偶然因素的影响会存在一定的误差值。

单位捕捞努力量生物量BPUE(Catch per Unit Effort)是在规定时期内，平均一个作业单位捕获的重量或数量，该指标与渔业资源丰度成正比例，计算公式为：BPUE＝Y/FE，FE＝N×d/365

式中，Y为捕捞量(吨)，FE为为捕捞强度(马力*天)；N为渔船的总吨位数，d为捕捞天数。

海洋的初级生产力(Net Primary Productivity，NPP)根据Ryther and Yentsch提出的在光饱和条件下浮游植物光合速率和叶绿素浓度之间的相关表达式为：NPP＝R/K×C×Q

式中，NPP为浮游植物光合速率(mg/(m2·h))，C为叶绿素浓度(mg/m3)，K为海水消光系数(m-1)，R为海面光强的相对光合速率，Q为同化数，为单位时间内同化的碳量，取平均值3.7g C/m2/h。

生态能质(eco-exergy，Ex)是一个热力学指标，可用于表征生态系统的抵抗力和恢复力，根据jorgensen等提出的相关表达式计算，公式如下：

式中，βi是指生态系统中第i个生物组分的权重；Ci是第i个生物组分的生物量；n是所选择生物组分的个数。其中βi根据

表2生态能质中各生物组分的权重

进一步地，为了兼顾主观性与客观性，较为全面的对指标体系赋予权重。本实施例的权重为综合权重，所述综合权重为通过层次分析法和熵权法获得的权重的平均值。

本发明中赋权方法采用层次分析法(AHP)及熵权法结合方法，计算综合海洋生态指数(Marine Ecology Index，MEI)对海洋生态系统状况进行判断。

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)，具有系统化、层次化的特点，在处理复杂的决策问题时，通过专家的经验判断将结果定量化，具有一定的主观性和灵活性，可采用YAAHP软件完成。熵权法(Entropy WeightMethod)，是通过对指标提供的信息熵值的大小来确定其在综合评价中权重的一种方法，其原理是某项指标值间的差异程度越大，信息熵越小，表明该指标在综合评价中提供的信息量越大，相应权重越大，反之，权重越小。权重结果仅受原始评价数据的影响，具有很强的客观性。

所述熵权法公式如下：

其中，e

由于本实施例公开的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法的体系中，不同指标的单位不同，量纲、数量级、数量变化幅度以及指标的正负取向均存在差异，考虑到数据之间的可比性，必须统一量纲才能进行数据处理与分析，因此，本海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，对数据采取标准化处理，具体地，本实施例的对数据进行标准化处理的方法为极差法。

具体地，在进行标准化处理时，依据指标对MEI海洋生态综合指数的影响不同，若指标为正向影响，即该指标值越高，生态环境质量越佳，则采用以下公式：

若指标为负向影响，即生态环境质量与该指标成反比，则采用以下公式：

式中：x

进一步地，在步骤4中，采用加权函数合成海洋生态综合指数，所述海洋生态综合指数的计算公式如下：

由于本申请的实例中，所述海洋生态环境质量评价指标体系由25个指标构成。因此，上述公式在具体计算时即为：

式中，MEI为海洋生态综合指数；x

将海洋生态综合指数划定在0～1的区间内，0～0.2(不包含0.2)范围内规定为低质量状态，0.2～0.4(不包含0.4)范围内规定为较低质量状态，0.4～0.6(不包含0.6)范围内规定为中质量状态，0.6～0.8(不包含0.8)范围内规定为较高质量状态，0.8～1范围内规定为高质量状态。该分级标准用于判断渤海生态系统所处的质量状态水平。

如表3所示，将不同年份MEI指数的渤海生态综合指数变化值ΔMEI划定为三个等级，当ΔMEI≥0.10时，认为当年渤海生态环境与比较年相比有好转，当-0.10≤ΔMEI<0.10时，认为当年渤海生态环境与比较年相比无明显的变化；当ΔMEI<-0.1时，认为当年渤海生态环境与比较年相比有所退化。该分级标准用于渤海生态系统的退化及恢复诊断。

表3海洋生态环境状态质量评价退化诊断标准

本实施例所公开的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法中，渤海的生态环境状态是一个动态的变化过程，会随着压力、状态、响应各子系统之间的相互协调程度变化而变化，为了评估各子系统之间的内在联系，本发明中使用协调度函数C，依据各系统之间的离散程度来衡量子系统之间的协调状况，协调度越接近最优值，说明各个子系统的发展速度或当前状态越趋向和谐一致，采用协调度函数C计算系统协调度指数，利用该年份压力状态响应子系统得分P/S/R直接带入公式计算出协调度，具体公式如下：

式中：C为协调度指数，当压力、状态、响应子系统的得分相同时，

最优值是固定的，即为1.732。最优值为三项得分相等或极为接近时(P＝S＝R)，协调度指数C＝3P/(√3P)＝3/√3＝1.732。协调度越趋近最优值1.732，三个子系统得分越相近，说明三个子系统的发展状态越接近，系统越协调。

系统协调度指数用于判断海洋生态内部子系统的发展速度是否协调，依据各子系统之间的离散程度来衡量子系统之间的协调状况，协调度越接近1.732，说明各个子系统的发展速度或当前状态越趋向和谐一致。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种可靠的海洋生态环境质量评价的方法模型，依据海区或研究区的特点可对模型指标进行替换或调整，根据搜集到的数据，可得到所研究海域长时间序列的海洋生态环境质量动态变化规律，对提高当前海洋生态问题的认识理解以及退化海域生态修复的总体规划具有指导意义。

具体地，为了进一步说明本实施例所公开的海洋生态环境质量评价及退化诊断方法，下面通过渤海生态环境为例，对所述方法进行进一步说明。具体的步骤如下：

(1)搜集数据及数据标准化处理

依据所设计的模型，从《中国海洋生态环境状况公报》、《中国近岸海域环境质量公报》、《北海区环境公报》、国家渔业数据网站等文件及材料搜集历年数据，并对搜集的数据进行数据标准化处理。以一个正向指标——浮游动物多样性及一个负向指标-无机氮超标率为例，对计算方法进行说明。

浮游动物多样性的原始数据如表4所示，对于正向指标而言，该指标数值越大，对生态环境积极作用越强，应采用公式3进行计算标准化值为(第i年的数据值-历年最小值)与(历年最大值-历年最小值)的比值，以2002年为例，2002年的标准化值为(1.403-0.690)/(1.9375-0.690)＝0.2833。历年数据的标准化值均处于0-1的区间内，标准化值越大，说明对生态环境的积极作用越高。

表4浮游动物多样性指数标准化值计算结果

无机氮超标率的原始数据如表5所示，对于负向指标而言，该指标数值越小，对生态环境积极作用越强，应采用公式4进行计算标准化值为(历年最大值-第i年的数据值)与(历年最大值-历年最小值)的比值，以2002年为例，2002年的标准化值为(1.403-0.690)/(1.9375-0.690)＝0.2833。历年数据的标准化值均处于0-1的区间内，标准化值越大，说明对生态环境的积极作用越高。

表5无机氮超标率标准化值计算结果

对所有指标的历年数据进行标准化处理，以统一不同指标的量纲。

(2)渤海PSR模型权重计算

渤海海区的环境特点符合本发明所设计的模型，故不再对模型进行调整和修改。对原始数据进行标准化处理后，其次要计算模型指标的权重，本发明将层次分析法及熵权法的计算结果结合得到综合权重，层次分析法需要收集专家意见整合，采用yaahp软件进行权重计算，计算结果如如表6所示。

熵权法需要采用所述熵权法公式计算，

首先套用公式

表6渤海生态环境状态质量评价指标体系及权重

(3)渤海海区数据搜集整理及海洋生态综合指数MEI计算

结合标准化处理结果和权重计算结果，按照公式

根据计算结果进行分析，从MEI综合指数来看，渤海整体生态环境状况先短暂下降后波动上升，整体呈现从中质量向较高质量迈进趋势，其中2002-2015年处于中质量状态及较低质量状态，2016-2018年上升为较高质量状态，并持续平稳向好发展，但仍存在较大的上升空间。

渤海的压力指数变化较大，先后经历了较高质量-中质量--较低质量-中质量-较高质量的变化历程，到2018年为止，污染压力得到较好控制，渔业压力有所减缓，但仍不能掉以轻心，需要注意海表温度、养殖、海上采油活动等方面。

渤海的状态指数缓慢波动下降，逐渐进入较低质量状态，主要表现在活力和恢复力的快速降低，水质等环境指标状态恢复明显，但生物类指标目前处于低值，是下一步的治理重点。

渤海的响应指数快速上升，从开始的低质量水平上升至现今的高质量水平，生态保护建设及环境管控均有了较大提升，但由于目前渤海生物量状态处于低值，仍需要进一步加大投入，尤其是增殖放流等缓解生物资源匮乏的相关活动。

(4)渤海海区生态环境退化诊断及系统协调度计算

总体来看，如图1所示，与初始年份2002年相比，渤海2004年的海洋生态状态质量产生了明显的退化；而与状态最差的2004年相比，渤海在2007年后生态环境质量的恢复有好转趋势，其中2016年及2018年的状态有了明显的好转，说明经过多年的治理，渤海生态环境有一定程度的恢复好转，但仍然存在较大的恢复空间。

将渤海PSR生态环境质量评价模型的压力、状态、响应得分P、S、R带入系统协调度计算公式，如图2所示，渤海压力状态响应模型的协调度指数持续上升，逐渐与代表着协调度最优值的1.732接近，这说明压力-状态-响应三个子系统的分值逐渐趋于协调。但近些年，由于状态指数的持续下降，以及压力指数和响应指数快速向好发展，协调度又出现了偏离1.732的趋势，虽然渤海生态综合指数在不断上升，但压力状态响应的协调度不够稳定，三个子系统的发展速度不均，尤其是状态子系统的不增反减需引起格外重视。

具体地，压力、状态、响应三个子系统同升同降保持同速，或者三者的得分逐渐趋近，都可以表示整体系统的协调(三者之间无过大差距，即处于同一个发展阶段)；如果压力、状态、响应三个子系统升降不同速，或者三者的得分差异较大，则各系统发展不协调。

发展速度可以从图1中压力状态响应得分的年变化率体现；或协调度指数C本身的接远离1.732(或接近)，也说明三者得分出现了差异加大(或差异变小)的变化，本实例中协调度指数逐渐偏离1.732，可以反映压力状态响应三个子系统的得分差异加大，所以即使海洋生态综合指数MEI逐渐上升了，其内部系统间的不协调也仍然在加大。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。