東三省數(shù)學(xué)建模比賽C題一等獎(jiǎng)

1、2015 年?yáng)|北三省數(shù)學(xué)建模一等獎(jiǎng)?wù)撐母Ｌ锛t樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)模型框架的構(gòu)建及應(yīng)用實(shí)例研究摘要目前福田紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況日益脆弱，迫切需要建立一個(gè)完整的保護(hù)管理數(shù)字化支撐平臺(tái)。問(wèn)題一，我們建立了集動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和健康評(píng)估及預(yù)警于一身的模型框架，該模型框架的建立基于BP-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PSR模型，然后將EWE莫型里的魚(yú)類捕撈這一環(huán)節(jié)去掉，改為在自然條件下的水生動(dòng)物數(shù)量變化，利用改進(jìn)后EWE莫型分析生態(tài)系統(tǒng)里的各級(jí)生物能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)等生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部功能， 并確立一個(gè)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。利用各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的能量流動(dòng)關(guān)系, 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的物種依存、競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)描述。用層次分析法對(duì)影響生態(tài)系

2、統(tǒng)的外界因素進(jìn)行綜合識(shí)別并建立三層權(quán)重指標(biāo)體系得出相應(yīng)權(quán)重指標(biāo)，以單項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)平均法來(lái)獲取綜合評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)等級(jí)的確定，模型會(huì)自動(dòng)反饋，并根據(jù)權(quán)重大小逐級(jí)查找問(wèn)題來(lái)源，并根據(jù)問(wèn)題來(lái)源找到合理的解決辦法。從而構(gòu)建整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)壓力，狀態(tài)，響應(yīng)為一體化的監(jiān)督管理系統(tǒng)。問(wèn)題二，基于以上模型框架，我們利用3s 技術(shù)對(duì)該濕地生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析評(píng)估預(yù)警，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案。問(wèn)題三，選取水污染作為迫切解決的問(wèn)題，對(duì)目前相關(guān)數(shù)據(jù)代入建立好的模型框架進(jìn)行分析，確定評(píng)價(jià)等級(jí)，對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，給出了合理的建議。關(guān)鍵詞：PSRg型；改進(jìn)EW葭型；層次分析法 ；3s技術(shù)；一、問(wèn)題重述深圳福田紅樹(shù)林濕地自

3、然保護(hù)區(qū)是我國(guó)唯一處于城市腹地的國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)對(duì)調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)丨h(huán)境具有極其重要的功能；但是在深圳經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的30 多年時(shí)間里，福田紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)受城市擴(kuò)張和環(huán)境污染影響較為嚴(yán)重，濕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)健康更加脆，為此，保護(hù)區(qū)的監(jiān)測(cè)管理尤為重要。目前的生態(tài)健康評(píng)價(jià)主要采用基于抽樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)的靜態(tài)方法，僅僅圍繞主要生物因子開(kāi)展調(diào)查而沒(méi)有覆蓋到噪聲、大氣等環(huán)境因子，而且監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息的時(shí)間、空間離散度較大（時(shí)間間隔較長(zhǎng)、測(cè)點(diǎn)密度過(guò)于稀疏）， 致使難以完全滿足福田紅樹(shù)林自然保護(hù)區(qū)科學(xué)管理的實(shí)際需要。因此，構(gòu)建新型的生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和健康評(píng)估及預(yù)警科學(xué)管理支撐體系尤為重要。問(wèn)題：1 、構(gòu)建濕地

4、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估及預(yù)警系統(tǒng)的模型框架。2 、基于所建立的模型，設(shè)計(jì)保護(hù)區(qū)未來(lái)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案，并完善模型框架。3、選取一個(gè)當(dāng)下福田紅樹(shù)林最迫切需要解決的生態(tài)系統(tǒng)問(wèn)題，對(duì)其生態(tài)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，并給出具體的保護(hù)、管理建議。二、問(wèn)題的分析2.1 問(wèn)題一：在構(gòu)建濕地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估及預(yù)警的模型框架時(shí)，首先要考慮到影響該濕地生態(tài)系統(tǒng)的外界因素，由于影響該濕地生態(tài)系統(tǒng)的外界因素比較多，所以選擇一些對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)影響較大的且具有代表性的因素進(jìn)行分析，如噪聲污染，光污染，大氣污染，水污染，病蟲(chóng)害爆發(fā)，外來(lái)物種入侵等因素，這些因素會(huì)使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)內(nèi)的各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物大量死亡，從而嚴(yán)重破壞整個(gè)濕地

5、保護(hù)區(qū)的生態(tài)平衡。對(duì)于外界影響因素的大小的判斷，我們利用層次分析法來(lái)確定；而在外界因素影響下，該濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的各種生物都會(huì)受到相應(yīng)影響，會(huì)使得一些生物數(shù)量增加或減少，這樣就會(huì)導(dǎo)致該濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能發(fā)生相應(yīng)變化，所以，我們利用改進(jìn)后的EWE莫型，對(duì)各營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物能量流動(dòng)進(jìn)行描述，確定一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，然后根據(jù)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量的總體變化建立對(duì)應(yīng)的反饋查找機(jī)制，找到問(wèn)題來(lái)源進(jìn)行解決。這樣我們就建立好了模型框架。2.2 問(wèn)題二：根據(jù)問(wèn)題一所建立的生態(tài)系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)要求，對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，量化之后代入模型框架判斷出目前的健康等級(jí)，利用模型的反饋查找機(jī)制，找到問(wèn)題根源，根據(jù)情況采取相應(yīng)反應(yīng)對(duì)

6、問(wèn)題進(jìn)行處理，從而得出完整的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估預(yù)警方案。2.3 問(wèn)題三：選取水污染問(wèn)題，監(jiān)測(cè)水質(zhì)得出數(shù)據(jù)，代入模型得出對(duì)應(yīng)健康等級(jí)，確定其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)目前的影響程度，推斷出未來(lái)一段時(shí)間生態(tài)系統(tǒng)的變化，并提出相應(yīng)治理措辦法。三、問(wèn)題假設(shè)1 . 數(shù)據(jù)的處理只考慮主要因素的影響。2 . 保護(hù)區(qū)自然狀況短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有遭遇重大的自然變故。3 .保護(hù)區(qū)周圍人類活動(dòng)基本保持不變。4 .監(jiān)測(cè)地點(diǎn)選取均勻且隨機(jī)。5 .當(dāng)預(yù)警某一生態(tài)系統(tǒng)影響因素影響生態(tài)系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，其他影響因素對(duì)生 態(tài)系統(tǒng)的影響程度不變。四、符號(hào)說(shuō)明第i個(gè)功能組生物濕重第i個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)向下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)能量流動(dòng)參數(shù)第i個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)向環(huán)境能量流動(dòng)參數(shù)第i個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能

7、流損失量第i個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)向第j營(yíng)養(yǎng)級(jí)傳遞的能量目標(biāo)層壓力判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率判斷矩陣的般一致性指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化分值所在分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)化分值最小值所在分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)化分值最大值指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值x所在分級(jí)的最小數(shù)值x所在分級(jí)的最大數(shù)值綜合評(píng)價(jià)指數(shù)跨度值，研究取 0. 2福田濕地生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)第i評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重第i指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化分值評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)五、模型的建立與求解5.1 問(wèn)題一5.1.1 PSR模型的引用我們從外界因素與濕地生態(tài)系統(tǒng)之間的相互作用、相互影響的角度出發(fā)，對(duì)福 田紅樹(shù)林濕地評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分類和組織具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性。外界因素對(duì)福田紅樹(shù)林 濕地生態(tài)環(huán)境施加一定

8、的壓力，導(dǎo)致福田濕地生態(tài)系統(tǒng)改變了其原有的性質(zhì)或自然 資源的數(shù)量(狀態(tài))變化；管理人員通過(guò)監(jiān)測(cè)到濕地生態(tài)環(huán)境、各生物數(shù)量等變化作 出響應(yīng)，以恢復(fù)福田紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量或防止其進(jìn)一步退化。它具有 3 個(gè)方面既相聯(lián)系又相區(qū)別的指標(biāo)1 ,由此，我們想到基于BP-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PSR莫型。壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型(Pressure-State -Response,PSR)是目前最廣泛應(yīng)用的濕地評(píng)價(jià)指標(biāo)體系之一，最初是由Tony Friend和David Rapport提出的，20世紀(jì)70年代， 歐洲經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織 (Organization for Economic Co2operation an

9、d Development,OECD)對(duì)PS版型進(jìn)行了修改并用于環(huán)境報(bào)告，80年代末90年代初，OECD在進(jìn)行環(huán)境指標(biāo)研究時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了試用性和有效性的評(píng)價(jià)2 o PSR莫型的優(yōu)勢(shì)在于，因果關(guān)系清晰，充分考慮了外界的壓力干擾、流域的狀態(tài)變化和人類的響應(yīng)措施3個(gè)方面3, 一般意義的PS/型結(jié)中如圖1所示：1 壓力 - 狀態(tài) - 響應(yīng)模型圖5.1.2 PSR 模型改進(jìn)在本文中，福田濕地生態(tài)系統(tǒng)受到許多外來(lái)因素的影響，有自然因素，人為因素，這些因素正好對(duì)應(yīng)PSR莫型的壓力部分。而濕地生態(tài)系統(tǒng)的各級(jí)生物因?yàn)槭芡饨缬绊懀?競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系、生存狀態(tài)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，從而造成各營(yíng)養(yǎng)級(jí)的能流變化，因此，我們選取各營(yíng)養(yǎng)

10、級(jí)能流變化作為在外界影響下的濕地生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)反應(yīng)。最后紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)的管理者根據(jù)相應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行合理的應(yīng)對(duì)，作為PSR1型的響應(yīng)部分。構(gòu)建的基于BP-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PSR1型如圖2所示：圖2 BP-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PSR改進(jìn)模型示意圖5.1.2.1 壓力因素分析對(duì)于壓力因素，我們選擇了幾個(gè)對(duì)該濕地生態(tài)系統(tǒng)影響較大的因素，分別是噪聲污染，光污染，大氣污染，水污染，病蟲(chóng)害爆發(fā)，外來(lái)物種入侵6 個(gè)較為主要的影響因素。5.1.2.2 狀態(tài)分析1 . 生境的空間結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能分析根據(jù)福田紅樹(shù)林濕地保護(hù)區(qū)官網(wǎng)資料4 ，該紅樹(shù)林濕地中生境空間主要是由兩部分組成，一部分是較濕潤(rùn)陸地，一部分是被海水淹沒(méi)的空間。生態(tài)結(jié)構(gòu)

11、主要以桐花樹(shù)、秋茄、海欖雌、海桑、浮游植物為生產(chǎn)者，甲殼動(dòng)物、軟體動(dòng)物、彈涂魚(yú)類、多毛類、其他底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物、鳥(niǎo)類為消費(fèi)者，各種真菌、細(xì)菌為分解者；空間結(jié)構(gòu)主要以陸海交界邊境為主。2 .EWE模型的引用及改進(jìn)EwE5 模型方法最早用來(lái)評(píng)估穩(wěn)定狀態(tài)水域生態(tài)系統(tǒng)組成的生物量和食物消耗，后經(jīng)發(fā)展用以分析生態(tài)系統(tǒng)各功能組間的物流以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和成熟度，是利用營(yíng)養(yǎng)動(dòng)力學(xué)原理直接構(gòu)造水域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，描述生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)以及確定生態(tài)參數(shù)的能量平衡的模式。本文對(duì)EW膜型進(jìn)行一定程度的改進(jìn)，去掉魚(yú)類被捕撈因素，并且本文中不考慮各生物年齡組成，僅考慮自然因素下，各生物的數(shù)量變化情況，及各個(gè)小生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定

12、與否。改進(jìn)后的EW定義的生態(tài)系統(tǒng)是由一系列有生態(tài)關(guān)聯(lián)的功能組（group或box）組成，這些功能組包括有機(jī)碎屑、浮游生物、一種魚(yú)類或一類生態(tài)特性（如攝食 ） 相同的魚(yú)種、一種植物等等，所有功能組要能夠覆蓋該生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的全部過(guò)程。1）功能組劃分我們將生態(tài)位（ 食物組成、攝食方式、個(gè)體大小、年齡組成等） 重疊度高的種類進(jìn)行合并以簡(jiǎn)化食物網(wǎng)。將福田紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)劃分為15個(gè)功能組，分別為：桐花樹(shù)、 秋茄 （6 年 ） 、 秋茄 （20年 ）、 海欖雌、 無(wú)瓣海桑、海桑、 甲殼動(dòng)物、軟體動(dòng)物、彈涂魚(yú)類、多毛類、其他底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物、浮游植物、鳥(niǎo)類和碎屑。在本研究所建立的EW模型中，能量的流

13、動(dòng)用能量形式生物濕重（t km2）來(lái)表示，t表示時(shí)間， km2每平方千米。表1福田紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng) EW膜型基本參數(shù)表（t km2 ）6Sfflj七功能組B (生物量)(? 2)1桐花樹(shù)300.12秋茄（6年）433.13秋茄（20年）347.84海欖雌11.075無(wú)瓣海桑638.26海桑345.47甲殼動(dòng)物7.8348軟體動(dòng)物7.7859彈涂魚(yú)類1.23810多毛類0.7711其他底棲動(dòng)物0.049312浮游動(dòng)物0.68213浮游植物2.05914鳥(niǎo)類0.47815碎屑2147注：生物濕重：生物細(xì)胞離心完直接稱重的含水量2）福田濕地生態(tài)系統(tǒng)各功能組之間相互影響關(guān)系表2深圳灣紅樹(shù)林濕地生態(tài)系

14、統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)關(guān)系數(shù)據(jù)表71234567891-0.03-0.010.060.06-0.061-0.2-0.2-0.0320.140.230.230.30.15-0.060.06-0.220.033-0.030.030.060.06-0.010.06-0.01-0.07-0.024-0.01-0.01-0.010.070.4-0.01-0.01-0.010.045-0.0200.02-0.10.060-0.01-0.03-0.0160.060.160.020.030.10.30.70.090.27-0.14-0.16-0.010.07-0.4-0.40.35-0.10.1780.40.70.90.6-

15、0.03-0.350.030.50.159-0.17-0.14-0.5-0.6-0.0300.03-0.22-0.08A:甲殼動(dòng)物；B:軟體動(dòng)物；C:彈涂魚(yú)類；D:多毛類；E其他底棲動(dòng)物；F:浮游 動(dòng)物；G:浮游本t物；H:鳥(niǎo)類I:碎屑.3）各營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間的能量流動(dòng)整合為簡(jiǎn)化復(fù)雜的食物網(wǎng)關(guān)系，用聚合營(yíng)養(yǎng)級(jí)的方法將來(lái)自深圳灣紅樹(shù)林濕地生態(tài) 系統(tǒng)的15個(gè)不同功能組的營(yíng)養(yǎng)流合并為 6個(gè)整合營(yíng)養(yǎng)級(jí)，按照生態(tài)系統(tǒng)功能劃分，第 一到第六營(yíng)養(yǎng)級(jí)分別是，第一：碎屑 ；第二：桐花樹(shù)、秋茄（6年）、秋茄（20年）、浮 游植物、海欖雌、無(wú)瓣海桑、海桑；第三：浮游動(dòng)物；第四：甲殼動(dòng)物、軟體動(dòng)物； 第五：彈涂魚(yú)類、其他底

16、棲動(dòng)物；第六：多毛類、鳥(niǎo)類。整合后的能流表如下：表3福田紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)總能流 （t km 2y 1）網(wǎng)營(yíng)養(yǎng)攝食消耗輸出（T ）流入瑣屑呼吸（C ）總流量級(jí)(p)(R)(Q)VI0.000830.000060.0006650.002490.00329V0.003450.001840.01950.07140.0962IV0.10.05130.5321.9432.627m2.7981.40210.9834.9550.14n55.6317.38112.168.95253.5i101.93749003851160.53768123.6105.44158注：t km2y 1表示一年的生物濕重值。3 .

17、生態(tài)系統(tǒng)平衡狀態(tài)解確立1）應(yīng)用系統(tǒng)分析方法9,將能量流動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)化，形成福田濕地生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)過(guò) 程的分室模型（如圖3）。由于在EW模型中，I級(jí)為流向瑣屑的能流，故在此不做考慮。故分室Xi、X2、X3、X4、X5分別代表n、m、iv、v、VI級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)能流。Uoi為生態(tài)系統(tǒng)輸入的總能流，Lq表示各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能流損失量，F(xiàn)j表示各營(yíng)養(yǎng)級(jí)向下一營(yíng) 養(yǎng)級(jí)傳遞的能流量。根據(jù)圖3中箭頭的方向，由第i個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)定向流入下一個(gè)組分的能量流動(dòng)參數(shù)為ai,由第i個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)分流向環(huán)境的能流參數(shù)為bi, Xi為狀態(tài)向量，逐項(xiàng)計(jì)算這些參數(shù),公式如下:aiF12Xia2旦aX34F45八XT5X5bi10X1b2X°b

18、3X2L40X?b5L50引入矩陣表示的一階常微分方程組,可得到一個(gè)連續(xù)時(shí)間定常的線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，即濕地生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型圖（如圖3） 能流量傳遞的一階線性方程組為:答 FX HU(t)Y(t) HX(t)式中Y為輸出向量，F(xiàn)為能量轉(zhuǎn)移量。輸入向量:狀態(tài)向量: 由于上一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的輸出就是下一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的輸入，因此各輸出向量:單位矩陣: 將能量流動(dòng)參數(shù)值計(jì)算代入，即可構(gòu)成福田濕地生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的一階常微分方 程組：dx3 23X3 (a3 b3)X3 X3 27.308X3(5)dt由上式可以得到系數(shù)矩陣：2)分室模型求解與穩(wěn)定性分析：福田濕地植被生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)過(guò)程的平衡態(tài)，在數(shù)學(xué)上意味

19、著微商取0,即 8 0 (i 1,2,3,4,5)這表明系統(tǒng)的平衡態(tài)不依賴于時(shí)間dtt的狀態(tài)。若初始時(shí)刻to的狀態(tài)給定為x(to) Xo ,則數(shù)學(xué)模型存在唯一確定的解，其 解表達(dá)式為：X(t) X(t)X 1 (0)( Xo Xe) Xe(9其中X 1(0)為X(0)的逆矩陣。則該植被生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型的解為：系統(tǒng)的平衡態(tài)解：由系數(shù)矩陣F構(gòu)造的特征方程為|F H| 0,求解得到特征根(程序見(jiàn)附錄一)：顯然，特征方程的所有特征根均具有負(fù)實(shí)部，根據(jù)李亞普諾夫穩(wěn)定性原理10, 該生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)過(guò)程中的平衡態(tài)是漸近穩(wěn)定的，這是由系統(tǒng)特征根的性質(zhì)決定的。這種平衡態(tài)的穩(wěn)定性機(jī)制為負(fù)反饋機(jī)制，表明該系統(tǒng)

20、具有抵抗干擾和保持系統(tǒng) 平衡態(tài)的自我調(diào)節(jié)能力。從生態(tài)學(xué)角度 ，能量流動(dòng)的平衡態(tài)意味著系統(tǒng)的能量輸入 與輸出相等。據(jù)此，我們得到了描述福田濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的狀態(tài)模型，如果我們想分析福田濕地生態(tài)系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，只需測(cè)出各營(yíng)養(yǎng)級(jí)能流，代入方程，即可求得相對(duì)系統(tǒng)平衡解，然后與我們系統(tǒng)平衡解做比較，我們就能判斷出濕地生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)。5.1.3 利用用層次分析法分析壓力與狀態(tài)關(guān)系5.1.3.1 利用AHP莫型確定各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重1. AH分層 11 :首先將壓力狀態(tài)所涉及的因素分層, 第一層6個(gè)因素包括噪聲污染、光污染、 大氣污染、病蟲(chóng)害爆發(fā)、外來(lái)物種入侵、水污染，即：U =u1, u2, u3,u

21、4,u5,u6 第二層包含5個(gè)因素，包括第n級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)、第田級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)、第iv級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)、第v級(jí)營(yíng) 養(yǎng)級(jí)、第VI級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)，即：u1 = u11,u12, u13, u14,u15 第三層包括14個(gè)因素，即桐花樹(shù)、秋茄（6 年 ） 、秋茄 （20 年 ）、海欖雌、無(wú)瓣海桑、海桑、甲殼動(dòng)物、軟體動(dòng)物、彈涂魚(yú)類、多毛類、其他底棲動(dòng)物、浮游動(dòng)物、浮游植物、鳥(niǎo)類，即：u11=u111,u112,u113,u114,u115,u116,u117, u12=u121,u13=u131,u132, u14=u141,u142, u15=u151,u152定義第一層次權(quán)重集為：A 為但自居自自第二層次權(quán)重集為：A a

22、il, a12 , a13, a14, a15弟二層次權(quán)重集為：A11 a111, a112 , a113, a114, a115 , a116, a1172.根據(jù)表1數(shù)據(jù)，確定各層次判斷矩陣 P。構(gòu)造第一層次的判斷矩陣 P，如表4所示。構(gòu)造第二層次的判斷矩陣P,如表5所示。構(gòu)造第三層次的判斷矩陣P,如表6所示:表4第一層次判斷矩陣數(shù)據(jù)表12Tu1u2u3u4u5u6u11246810u21/213579u31/41/31468u41/61/51/4157u51/81/71/61/516u61/101/91/81/71/61表5第二層次判斷矩陣數(shù)據(jù)表T1u11u12u13u14u15u1113

23、545u120.31111-0.37u130.28111-0.76u140.38111-0.58u150.67-3-5-41表6第三層次判斷矩陣數(shù)據(jù)表T2u111u112u113u114u115u116u117u11110.031-0.20.25-0.10.2u112-0.0310.01-0.01-0.30.62-0.31u1130.07-0.0710.070.060.10.07u1140.50.0301-0.2-0.20.24u115-0.140.270.090.171-0.04-0.03u1160.060.39-0.08-0.070.41-0.01u1170.4-0.40.040.230.

24、06-0.2213.求解特征向量W根據(jù)方根法求解,以第一層次的Uz u1, u2, u3,u4,u5,u6 為例，其判斷矩陣具體形式如下：利用MATLAB算判斷矩陣P每一行元素的乘積M ?并且計(jì)算M ?的3次方根？?；對(duì)向量WVVi,VV2,VV3,VV4,VV5,VV6作歸一化或正規(guī)劃處理，即6Wi Wi/( Wi)i1(7)則W （Wi,W2,W3,W4,W5,W6）即為所求特征向量。根據(jù)以上步驟可以算出Uz u1,u2,u3,u4,u5,u6（程序見(jiàn)附錄二）判斷矩陣的特征向量為：W （Wi,W2,W3,W4,W5,W6）= （0.4363, 0.3645, 0.1478 , 0.0411

25、, 0.0088,0.0016）4. 一致性檢驗(yàn)以上特征向量是否就是合理的權(quán)重分配，還需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。其方法如下：計(jì)算判斷矩陣的最大特征值K max：（程序見(jiàn)附錄三）K 6 (PW)i 1 6 (PW)imax i 1 W n i 1 W(8)式中，（PWi表示PWJ第i個(gè)元素，且門(mén)=6。代入已知數(shù)據(jù)計(jì)算得Kmax= 3.0940 。致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)使用公式：CR CI/RI,CI(Kmax n)/(n 1)(9)代入 n = 6, RI = 0. 58,Kmax= 3.094 0 得CR =0. 081 0< 0. 1表明判斷矩陣式P具有滿意的一致性，因此W （四,川2州3

26、,川4,川5,川6）的各個(gè)分量可以作為U (Ui,U2,U3,U4,U5,U6)的權(quán)重系數(shù)，即A 為但向冏電9 = (0.112,0.016,0.227,0.324,0.120)5 .計(jì)算第二，三層次的權(quán)重集。按照上述方法，可以計(jì)算出第二，第三層次權(quán)重集如下：A an,a12,a13,a14,a15 = (0.67,0.224,0.102,0.003,0.001)A1= (0.102,0.096,0.075,0.086,0.087,0.079,0.096,0.079,0.068,0.071,0.056,0.051,0.019,0.025)6 .各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重表根據(jù)以上結(jié)果各指標(biāo)層權(quán)重賦值見(jiàn)表7。

27、表7深圳福田濕地生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系表項(xiàng)目層一級(jí)指標(biāo)二級(jí)指標(biāo)三級(jí)指標(biāo)外界影響因素噪聲污染(0.112)n級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)(0.67)桐花樹(shù)(0.102)秋茄(6 年)(0.096 )光污染(0.016)秋茄(20 年)(0.075 )浮游植物(0.086 )海欖雌(0.087 )病蟲(chóng)害爆發(fā)(0.227)無(wú)瓣海桑(0.079 )海桑(0.096 )大氣污染(0.324)田級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)(0.224)浮游動(dòng)物(0.079 )IV級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)(0.102?)甲殼動(dòng)物(0.068 )外來(lái)物種影響(0.120)軟體動(dòng)物(0.071 )V級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)(0.003)彈涂魚(yú)類(0.056 )水污染0.201其他底棲動(dòng)物(0.0

28、51 )VI級(jí)營(yíng)養(yǎng)級(jí)多毛類(0.019 )(0.001)鳥(niǎo)類(0.025 )5.1.3.2評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化分值計(jì)算指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化分值計(jì)算是將不同數(shù)量級(jí)和不同量綱的各指標(biāo)計(jì)算值統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化為 0到1之間，使各指標(biāo)具有可比性。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理大致可分定量和定性兩種情形13 o1 .定量指標(biāo)：對(duì)于指標(biāo)計(jì)算值在01之間且為等分標(biāo)準(zhǔn)(即各分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的跨度均為0. 2)的因子不進(jìn)行任何處理，直接使用實(shí)際數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)化分值，如水質(zhì)清 澈度指數(shù)；對(duì)于其它的定量化指標(biāo)，如岸線人工化指數(shù)或沉積物重金屬污染指數(shù) 等，對(duì)它們進(jìn)行歸一化處理，歸一化公式如下：正指標(biāo)：Xi MinV (X MinX)/(MaxX MinX ) 4V

29、s(10)負(fù)指標(biāo)：Xi MaxV (X MinX )/(MaxX MinX ) Vs(11)式中：Xi為該指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化分值，MinV為所在分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)化分值最小值，MaxV為所在分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)化分值最大值，x為該指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值，MinV為xi所在分級(jí)的最小數(shù)值，MaxV為x所在分級(jí)的最大數(shù)值，Vs為綜合評(píng)價(jià)指數(shù)跨度值，研究取 0. 2。2.定性指標(biāo)：對(duì)于定性指標(biāo)，如調(diào)整監(jiān)測(cè)點(diǎn)和制定相應(yīng)管理法規(guī)等，直接根據(jù)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)給出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化分值o5.1.3.3綜合評(píng)價(jià)方法得到各個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)值和指標(biāo)權(quán)重之后，就要對(duì)福田濕地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。采用各單項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)平均法來(lái)獲取福田濕地生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)14

30、 :D；Wi Xi(12)式中 防福田濕地生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，其值在O-1之間,Wi為第i評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，Xi為第i指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化分值，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。評(píng)價(jià)指 標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)15如表8。表8福田紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)表16標(biāo)準(zhǔn)化。0.20.2 0.40.4 0.60.6 0.80.8分值1.0分級(jí)標(biāo)一級(jí)二級(jí)三級(jí)四級(jí)五級(jí)準(zhǔn)噪聲污<100100200200300300400400染(dB)500光污染<1010 2020 3030 4040 50(cd)水污染<0.20.2 0.40.4 0.60.6 0.80.81.0病蟲(chóng)害基本無(wú)蟲(chóng)害輕度蟲(chóng)害中度蟲(chóng)害較重蟲(chóng)害嚴(yán)重蟲(chóng)爆發(fā)

31、害大氣污<30030060060090090012001200 染mg/1500m3外來(lái)物基本沒(méi)有輕度入侵中度入侵入侵較嚴(yán)入侵嚴(yán)種影響重重鳥(niǎo)類數(shù)無(wú)明顯變化略有減少減少較多明顯減少顯著減量變化少浮游植密集較密集稀疏非常稀物密度疏變化潮間帶無(wú)明顯變化略有減少減少較多明顯減少顯著減大型底少棲動(dòng)物數(shù)量變化紅樹(shù)植>0.80.8 0.60.6 0.40.4 0.20.2 0物生長(zhǎng)狀況昆蟲(chóng)數(shù)無(wú)明顯變化略有減少減少較多明顯減少顯著減量變化少濕地自1.0 0.80.8 0.60.6 0.40.4 0.20.2 0然性水質(zhì)清清澈較清澈渾濁非常渾澈度濁I級(jí)生>3851385133513351285

32、12851 2351 物能流23511851n級(jí)生>253.5253.5 233.5 213.5 193.5 物能流233.5213.5193.5173.5田級(jí)生物能流>50.1450.14 45.1445.14 40.1440.14 35.1435.14 30.14IV級(jí)生>2.6272.627 2.427 2.227 2.027 物能流2.4272.2272.0271.827調(diào)整監(jiān)測(cè)點(diǎn)完全調(diào)整調(diào)整大部分一般調(diào)整微小調(diào)整無(wú)調(diào)整管理?xiàng)l規(guī)完善較完善不完善無(wú)至恥匕，我們的福田紅樹(shù)林濕地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、評(píng)估、預(yù)警及管理平臺(tái)的模型框架建立完成，根據(jù)所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，代入我們建立的模型，實(shí)

33、時(shí)測(cè)算，推測(cè)濕地 生態(tài)系統(tǒng)其它能級(jí)的狀況，然后根據(jù)我們制定的標(biāo)準(zhǔn)，我們就能很清晰的看出是哪 個(gè)方面發(fā)生問(wèn)題，針對(duì)具體發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，制定或采取相應(yīng)措施，協(xié)調(diào)好整個(gè)濕地生 態(tài)系統(tǒng)各級(jí)生物之間關(guān)系。5.2 問(wèn)題二5.2.1 設(shè)計(jì)保護(hù)區(qū)未來(lái)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案1 .基于問(wèn)題一中已經(jīng)建立的模型，同時(shí)為了全面的對(duì)福田生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估預(yù)警，我們建立了以下監(jiān)測(cè)方案：1）濕地的位置與面積的監(jiān)測(cè)：采用 3s （GIS,RS,GP9衛(wèi)星遙感影像技術(shù)并且輔助適當(dāng)?shù)膶?shí)地調(diào)查和測(cè)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。2）濕地自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)：主要指標(biāo)有洪澇頻率、火災(zāi)、蟲(chóng)害、臺(tái)風(fēng)災(zāi)害等。3）濕地水體監(jiān)測(cè): 根據(jù)濕地實(shí)際情況，我們選取鳳塘河河口，

34、觀鳥(niǎo)屋，沙嘴碼頭這三個(gè)具有代表性的監(jiān)測(cè)地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。4）大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)：主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括氣溫、降水量、空氣濕度、CO和CH4放速率與通量、氮氧化物的排放量等。5）濕地土壤監(jiān)測(cè)：主要指標(biāo)有土壤類型與分布、質(zhì)地、容重、 pH含鹽量、含 水量、氮、磷、有機(jī)質(zhì)含量等。6）濕地生物監(jiān)測(cè)：主要指標(biāo)包括植被類型、分布與面積，群落種類組成，葉面積指數(shù)、建群種和優(yōu)勢(shì)種、濕地景觀類型面積變化、濕地景觀格局變化、濕地生物量和初級(jí)生產(chǎn)力，濕地水禽、魚(yú)類、獸類、爬行類、兩棲類動(dòng)物種類和種群數(shù)量，濕地浮游植物、浮游動(dòng)物、底棲生物的種類與生物量，昆蟲(chóng)的種類與數(shù)量等。7）周邊人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)：濕地周邊城區(qū)的建設(shè)，光污染，噪聲污染，

35、生活垃圾的排放處理，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，化肥農(nóng)藥的施用等。分別監(jiān)測(cè)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的這些相關(guān)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，需要量化的數(shù)據(jù)量化之后代入問(wèn)題一建立的生態(tài)模型框架中，確定評(píng)價(jià)等級(jí)程度，然后模型會(huì)根據(jù)評(píng)估等級(jí)返回查找具體狀態(tài)，之后根據(jù)狀態(tài)再查找壓力來(lái)源，根據(jù)不同的壓力采取不同措施。流程圖如圖5。圖 5 反饋查找具體壓力流程圖反饋查找方法：由于一個(gè)狀態(tài)變化可能是由多個(gè)因素共同影響，查找問(wèn)題來(lái)源變得復(fù)雜；為此我們通過(guò)分析對(duì)比其影響因素的相應(yīng)權(quán)重大小依次查尋，方法如下：模型中反饋查找是根據(jù)各監(jiān)測(cè)指標(biāo)所占權(quán)重大小，依次從權(quán)重高的指標(biāo)往權(quán)重低的查詢，采用逐個(gè)確認(rèn)，逐個(gè)排查同時(shí)與正常狀態(tài)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比的方法，如果與正常指

36、標(biāo)相差不大，則排除該指標(biāo)；如果偏差較大，則根據(jù)偏差程度和指標(biāo)權(quán)重共同計(jì)算影響程度。找到出現(xiàn)問(wèn)題的狀態(tài)指標(biāo)之后，查找外界影響壓力方法同理。這樣能很快查找出相關(guān)問(wèn)題來(lái)源，對(duì)相應(yīng)的影響因素采取對(duì)應(yīng)的解決辦法，如查到是水污染，就在今后提高對(duì)水質(zhì)的檢測(cè)及控制排污；是病蟲(chóng)害爆發(fā)，就對(duì)該濕地進(jìn)行滅蟲(chóng)處理?？傊梅答佌{(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)，我們能準(zhǔn)確找出原因并針對(duì)性解決問(wèn)題。以上是我們基于新型的福田濕地生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和健康評(píng)估及預(yù)警的模型框架設(shè)計(jì)的福田生態(tài)保護(hù)區(qū)未來(lái)的監(jiān)測(cè)方案，監(jiān)測(cè)內(nèi)容合理全面，具有較高科學(xué)性。5.3 問(wèn)題三如下：我們發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)排放的生活污水對(duì)福田紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)影響較大，相關(guān)數(shù)據(jù)表 9 水質(zhì)影響表1

37、6水質(zhì)指標(biāo)豐水期鳳塘河沙嘴觀鳥(niǎo)屋COD40.1737.561.665BOD58.065.611.725總磷0.861.080.695總氮8.4258.9751.575注：COD化學(xué)需氧量，是指在一定嚴(yán)格的條件下，水中的還原性物質(zhì)在外加的 強(qiáng)氧化劑的作用下，被氧化分解時(shí)所消耗氧化劑的數(shù)量；BOD5 5日生化需要量,主要代表污水中容易生化降解的指標(biāo)。把以上數(shù)據(jù)代入到我們已建立的生態(tài)模型框架(我們假定其他影響因素對(duì)生態(tài) 系統(tǒng)的穩(wěn)定影響程度不變)得出評(píng)價(jià)因子數(shù)為：W 1=(0.0025 0.002600 )W2=(0.0052 0.00430 0.073 )W 3=(0.0092 0.0083 0.0136 0.252 )W 4 =(0.0141 0.0151 0.0153 0.153 )W 5 =（0.0220 0.0240 0.040 0.140 ）代入式子：nD Wi X i i i i（ 13）利用MATLABC件計(jì)算（程序見(jiàn)附錄）得出結(jié)果如下：將算出結(jié)果代入評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表得出鳳塘河，觀鳥(niǎo)屋水質(zhì)為三級(jí)，沙嘴水質(zhì)為二級(jí)。分析評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)表明福田紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)污染狀況嚴(yán)重，氮磷含量較高，表明是生活污水排量放過(guò)大導(dǎo)致。如不采取有效措施加以控制，隨著時(shí)間的增加，生態(tài)系統(tǒng)的水污染所影響的生物種類和數(shù)量會(huì)逐漸增加，產(chǎn)生