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1、深圳杯数学建模ct题4.2基于PSR模型福田红树林生态系统健康评价指标体系由于最终评价结果将采用公式(2.1)分别就压力子系统、状态子系统、响应子系统分别得出DI压力、DI状态、DI响应，并对三个子系统的结果进行合成，得出生态系统综合得分DI综合,因此需要使各子系统评价得分正向化，即得分越高，表明其状态越好。就各子系统而言，即：压力子系统得分越高，表明生态系统所受到的压力越小，对生态系统的干扰作用就越小；状态子系统得分越高，表明生态系统健康状态越好；响应子系统得分越高，表明人类通过改变响应手段来减缓生态系统退化进程的成效越明显，有利于改善生态系统的状态。据此，本文分别就各个指标设立相应的评价标

2、准。4.2.1深圳湾近海生态系统健康压力评价由于指标体系中各指标的类型复杂，且不同指标的量纲不同，为使评价指标具有可比性和可度量性，需对各评价指标的原始数据进行标准化处理，按正指标和负指标将原始数据无量纲化处理。考虑到各指标评价值与指标实际监测值之间存在着模糊隶属的关系，因此，本文结合模糊数学中的隶属度概念，针对评价指标参照相关文献设立评价标准（一般分为5级），按照评价标准和指标特征采用模糊理论选择相应的隶属函数，计算指标对应标准的生态健康隶属度(取值范围：实数0-1)，然后根据操作指标的权重，利用加权计算获得具体隶属度值。隶属度根据指标评价值和实际值之间的关系，可分为三种类型，即递增型、中间

3、型和递减型。递增型即正相关关系，指标实际值越高，对应评价值也增加。递减型即指标实际值和评价值呈负相关关系。中间型隶属度函数是指在某个指标监测值最高，小于或大于这个值则分别呈现递增型或递减型变化递增型隶属度函数曲线，模型方程为:递减性隶属度函数曲线，模型方程为:式中，L表示某指标的隶属度；X表示该指标的实际值；、表示该指标的两个标准参照值，表示点对应的隶属度；表示点对应的隶属度。中间型隶属度函数曲线，模型方程为：其中，L表示该指标隶属度；X表示该指标的实际值；、表示该生态指标的另外两个参照值; 、分别为、对应的隶属度， 、。表示该生态指标的理想值，此时隶属度最大， （A）递增型（B）递减型（C）

4、中间型隶属度函数曲线示意图本文采用综合评价法来对评价的结果进行分级，评价结果共分为5级，在(0-1)的区间范围内进行划分，评价结果值越高，其所承受的压力就越大，反之，值越小则说明其所承受的压力越小。压力评价值等级划分数值范围压力等级划分0-0.2压力轻微0.2-0.4压力较小0.4-0.6压力屮等0.6-0.8压力较大0.8-1.0压力很大4.2.1.1自然压力（1）年极端温度天数极端低温一般在-5C以上。一般低温事件对于红树植物的生长和维护都会产生深远的影响，因此极端低温事件将会造成更大的危害。实验证实,红树植物幼苗阶段对低温特别敏感。海桑种子在30 35发芽最佳,幼苗在27.6 28.6时

5、生长最好;红树胚轴在15中储藏2个月能种植成活和正常生长,在10中储藏1个月,顶芽开始变黑坏死;海莲胚轴在5中储藏15d全部死亡,在10中储藏1个月形态保持正常;秋茄胚轴在5 8中储藏1个月造林成活率为93.3%对气温阈值的确定可采用绝对值阈值法，即定义日最低气温低于5C为极端温度日；并当年极端低温天数达到25天时，赋予其隶属度为0.8，没有发生极端温度事件时为0。（2）年风暴潮次数年风暴潮次数风暴潮是由于剧烈的大气扰动,导致海水异常升降,使受其影响的海区的潮位大大地超过平常潮位的自然现象。根据诱发风暴潮的天气系统特征,通常将风暴潮分为台风咫风风暴潮和温带风暴潮两大类。它常伴随天文潮（正常潮位

6、、短周期（数秒）的海浪而来，若风暴潮恰与天文高潮相遇叠加，则造成毁灭性灾害。暴潮灾害发生。根据19522008年影响深圳市热带气旋的气候特征,如表所示，1952 2008年57年间共有233个热带气旋影响深圳,年均4.1个,其中严重影响的87个,年均1.5个。其中19611970这10年里数量最多，平均每年5.0个。19811990年这10年里数量最少，平均每年3.3个。取57年内平均风暴潮次数(4.1)为中等偏上压力作用程度，隶属度可为0.8，无台风风暴潮时隶属度为0.表 影响深圳热带气旋年代际统计特征年 代总 数一般影响严重影响个 数比例/%个 数比例/%1952-196042296913

7、311961-197050295821421971-198043276316371981-199032206212381991-200033185515452001-20083323701030（3）赤潮发生次数赤潮发生次数赤潮，又叫红潮，是一种水华现象。它是海洋灾害的一种，是指海洋水体中某些微小的浮游植物、原生动物或细菌，在一定的环境条件下突发性增殖和聚集，引发一定范围和一段时间内水体变色现象。参考“中国海岛生态系统评价”(908-02-04-08)项目中的评价标准，如表4.6所示。表4.6 赤潮发生状况区域性评价隶属度标准表赤潮发生次数隶属度赤潮发生面积隶属度三次以上0.81.0（压力很大

8、）大于80km20.81.0（压力很大）三次0.60.8（压力较大）6080 km20.60.8（压力较大）两次0.40.6（压力中等）4060 km20.40.6（压力中等）仅发生一次0.20.4（压力较小）2040 km20.20.4（压力较小）没有发生00.2（压力轻微）20 km2以下00.2（压力轻微）（4）、红树林病虫害近年来发现多种虫害在红树林中蔓延和大面积暴发成灾。害虫特别是鳞翅目的昆虫缺少天敌,使这一专食红树林植物白骨壤的害虫近3年来大量发生,每年4至6月份白骨壤的叶子被吃光,1994年还出现成片白骨壤枯死的现象.在病虫方面，深圳福田红树林发现红树林主要虫害鳞翅目种类最为丰富

9、，包含 11 个科 31 个种，分别占 19. 3% 和27. 4%。通过调查发现，造成该区红树植物严重受害的优势种类为海榄雌瘤斑螟、八点广翅蜡蝉和报喜斑粉蝶。本文采用病虫害发生面积比值来评价红树林病虫害的危害程度，评价标准如下表：红树林病虫害指标评价标准表病虫害发生面积比重（%）隶属度0-10-0.21-50.2-0.45-100.4-0.610-150.6-0.8150.8（5）外来入侵生物外来植物入侵给自然和半自然生态系统带来风险,包括替代当地植物,改变当地生态系统的主要功能,改变群体的演替规律,导致农业动植物产量大量降低等。外来入侵物种导致入侵地生物多样性减少、生物均匀化和生态系统及其

10、功能的退化,致使区域物种组成简单化。1993年10月，国家“八五”攻关项目红树林课题组将海桑和无瓣海桑从海南引种到深圳湾并取得成功。随着海桑和无瓣海桑对深圳湾生境的适应，至2006年夏季以后，在保护区观鸟屋两侧均发现大片幼苗的扩散和暴发，导致天然林和海桑林下的生物多样性有所降低。目前，海桑和无瓣海桑已经成为西乡、宝安等区域的优势种，对本地红树种的生长造成了一定的威胁。外来入侵物种指标从外来入侵物种种类数进行评价。具体评价标准见下表：外来入侵物种种类数指标评价标准入侵生物种类数隶属度0010.220.430.640.84.2.1.2人类压力（1）人口密度人口密度是单位面积内的人口数。它是表示地方

11、人口的密集程度的指标。海岸带是人口密集的地方，若人口密度超过其人口容量范围，则意味着该海岸带环境不能提供高质量的居住环境。根据2011年中国统计年鉴，全国有4个省份人口密度低于50人/km2,有13个省份人口密度在50-300人/km2之间，其余地区人口密度在300-4000人/km2之间，高人口密度区域均集中在东部沿海地带，是中国的经济发达地区，其中上海市人口密度最高，达到了3654人km2,可以看出，离海岸带地区较近的区域，其人口密度越高，对生态系统的压力越大。本文以全国人口密度140人/km2为较小压力作用的阈值(隶属度0.2),去上海市人口密度3654人/km2为较大压力作用的阈值(隶

12、属度0.8)。（2）陆源污染物陆源污染物是污染海洋的最大因素，控制陆源污染物对保护海洋环境至关重要。陆源污染物对海洋环境造成的危害主要有：1引发赤潮。赤潮是在特定的环境条件下，因为原生动物或者细菌爆发性增殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害生态现象。究其根本原因是因为大量的工农业污水和生活污水排入海洋，导致近海水域富营养化程度增大。2. 破坏了海洋生物资源。生产和生活中产生的废物进入海洋，就会散播到海洋生物生存的空间，生命力较弱的海洋生物会因环境的改变而死亡，造成物种消失，生命力强的生物也会因为环境的改变而发生变异，引起海洋生态环境的连锁反应。对于陆源污染物排放量该指标，考虑到目前没有具体的评

13、价标准可以参考，本文采用定性描述评价。（3）围填海面积本文以围填海面积占海湾面积比例表征其压力水平。认为围填海面积占海湾面积比例不超过1%时压力隶属度为1，超过20%隶属度为0。（4）噪声污染居住声环境是居住环境的重要组成部分,居住声环境指住宅内外对人们生活构成影响的声音环境,它直接影响人们的居住舒适度。据国家环保总局的调查显示,对噪声污染的投诉在各大城市的环境污染投诉中连续数年居第一位,在绝大部分城市占投诉量的60%以上。深圳市滨海大道和广深高速等快速路上车辆行驶和人类活动所产生的城市噪声污染程度较强，鸟类的迁徙、觅食和栖息都受到干扰。本文选用评分模式法，对深圳地区声环境质量进行评价。根据评

14、分指数值的大小对照下大小对照下表指数一栏分级标准,求得该地区功能区噪声环境质量状况。根据城市区域环境噪声标准(GB 3096-93)中功能区环境噪声限值进行假定:凡噪声测定值达到标准值时,规定该噪声值为百分制的60,即及格,测定值超过此值为不及格,差或恶。居住社区声环境质量评价表以1、2类功能区昼夜限值标准进行设定,中间数值用内差法计算。表3.22类功能区昼间声级评分分数100908070605040302010声级评价80很好好一般差恶根据压力评价值等级划分，（很好，好，一般，差，恶）分别对应的数值范围为（0-0.2，0.2-0.4，0.4-0.6，0.6-0.8，0.8-1.0），中间数值

15、用内插法计算。2010-2014深圳声环境质量监测数据年份20102011201220132014全市区域环境噪声平均值(dB) 56.7 56.756.956.856.84.2.2深圳湾近海生态系统健康状态评价评价的结果采用综合指数法确定评价结果等级，和压力评价结果一样，将状态评价结果分为5级，在（0-1）的区间范围内进行划分。状态评价等级划分评价值状态意义0.8-1.0优生态系统具有稳定的结构和功能，系统恢复再生力强0.6-0.8良生态系统功能较为完善，受到干扰后一般可以恢复0.4-0.6中受到一定程度破坏，尚可维持其基本功能，受干扰后易恶化0.2-0.4差生态系统结构和功能退化，生物多样

16、性降低，环境问题突出0-0.2劣生态系统结构和功能几乎崩溃，生态环境遭到严重破坏4.2.2.1环境质量（1）水环境质量评价本文采用单因子环境质量指数加超标率和综合指标法结合的方法进行计算，单因子环境质量指数加超标率法说明如下:设评价因子为i指标,其单因子环境质量指数的公式可写为：Pi=Ci/Si式中：Pi为环境质量指数；Ci为i因子在环境中的浓度；Si为该因子的环境质量标准值。溶解氧和PH值采用如下计算。溶解氧：Pi= (DOiDOs)Pi=10-9（）DOf=式中Pi为i点的溶解氧质量指数；DOf为饱和溶解氧浓度；T为水温()；DOi为i点溶解氧浓度；DOs为溶解氧评价标准。pH值指数：Pi

17、= (pH7.0)式中：Pi为i点的pH环境质量指数；pHi为i点上的pH检测值；pHsd为评价标准中规定的pH下限；pHsu为评价标准中规定的pH上限。当Pi1时，表示未超标；当Pi1时表明已超标，此时(Pi-1)100%表示超标倍数。样品超标率为样品中的超标样品个数与所有样品个数比。环境质量综合指数法说明如下：水质综合指数WQI的计算公式：式中：Wi为第i参数的权重值，在01之间。该指数通过权重来体现不同污染物的环境效应，Qi为第i种因子的单因子环境质量指数分值，通过将单因子环境质量指数Pi进行正向化和标准化得到。本文单因子环境质量指数Pi分值标准化依据为：以Pi小于1为清洁，超过2.5时

18、为严重污染，得到指数标准化公式为Qi=1-。但当Pi2.5时，根据上述标准化公式，Qi会出现负值。因此，对于Pi2.5的严重污染情况，直接按Pi=2.5代入公式，使其Qi=0 本文执行海水水质标准(GB3097-1997)中二类水质标准。海水环境质量评价方法 （单位：除pH外，均为mg/L）指标标准一类二类三类四类计算方法及说明pH值7.8-8.56.8-8.8-单因子评价指数法H1:采用平均浓度指数和单项指标超标率两个指标综合打分。计算方法为：平均浓度值A：未超标，则打分0.5，超标则打分0.超标率分值B：计算超标率a，打分结果为0.5(1-a)计算分值为：H1=A+B溶解氧6543COD2

19、345无机氮0.20.30.40.5活性磷酸盐0.0150.030.045-石油类0.050.30.5-铜0.0050.010.05-铅0.0010.0050.010.05锌0.020.050.10.5镉0.0010.0050.01-汞000.001-砷0.020.030.05-综合评价指数法综合评价指数法H2: 综合评价;H1，H2分别为单因子和综合评价指数分值（2）沉积物质量评价海洋沉积物质量评价标准及评价方法（单位：mg/Kg）标准指标一类二类三类计算方法及说明有机物(10-2)234单因子评价指数法H1:采用平均浓度指数和单项指标超标率两个指标综合打分。计算方法为：平均浓度值A：未超标

20、，则打分0.5，超标则打分0.超标率分值B：计算超标率a，打分结果为0.5(1-a)计算分值为：H1=A+B硫化物(10-6)300500600石油类(10-6)50010001500铅(10-6)60130250砷(10-6)206593铜(10-6)35100200综合评价指数法综合评价指数法H2:H2=WQI=综合评价，H1，H2分别为单因子和综合评价指数分值4.2.2.2生物与生态（1）（2）（3）浮游植物、浮游动物、潮间带大型底栖动物，本文采用多样性指数和均匀度指数结合法，具体参考潮间带生物评价方法。1 浮游植物关于浮游植物群落结构的要素如种类数、丰度、多样性指数等通常被用来作为生态

21、系统健康状况的指示指标2 浮游动物浮游动物群落结构要素如种类数、多样性指数及均匀度通常被用来作为生态系统评价的指标3 大型潮间带底栖动物浅海底栖动物的群落指标常用于评价海洋底质环境健康状况。本文采用Shannon-Weaver指数(H)、Pielous均匀度指数(J)分析深圳湾潮下带大型底栖动物群落的变化以指示和评价环境污染状况。在上述诸多多样性指数中，Shannon-Weaver指数(H)在国内外普遍被用来描述生物群落的生态结构特征和评价水环境质量与污染程度的工具.潮间带生物主要以潮间带底栖动物为主，本文采用生物多样性指数及均匀度指数法进行评价，具体计算公式如下：Shannon-Weaver

22、物种多样性指数(H)计算公式：其中，Pi为群落中第i种个体的比例，若总个数为N，第i种的个体数为ni，则Pi=ni/N。Pielous均匀度指数(J)计算公式：其中，H为Shannon-Weaver物种多样性指数，S为物种种类数。本文将评价结果根据污染程度划分为5级标准，具体如下表所示。均匀度则采用五级评价方法，如下表生物多样性指数评价标准表生物多样性指数生态系统状况隶属度无底栖动物很差0-0.1H1差0.1-0.41H2一般0.4-0.72H3良0.7-1.03优1.0均匀度指数评价标准表均匀度指数J生态系统状态隶属度0-0.2很差0-0.20.2-0.4差0.2-0.40.4-0.6一般0

23、.4-0.60.6-0.8良0.6-0.80.8-1.0优0.8-1.0将上述Shannon-Weaver物种多样性指数计算得到的H作为H1,均匀度指数J值作为H2,采用综合评价方法得到最终的综合评价结果。（4）珍稀鸟类鸟类是福田红树林生态系统的重要组成部分，是其生物多样性的重要指标。珍惜鸟类种类数和个体数的多少，可以在一定程度上反映福田红树林生态系统的健康状况。本文采用相对定性评价的方法对鸟类进行评价，评价方法如下：福田红树林珍惜鸟类评价方法指标标准计算方法和说明分值珍惜鸟类种类数增加对福田红树林生态系统内各种珍惜的鸟类种类数和个体数变化情况进行评价1不变0.7减少0.3珍惜鸟类个体数量上升

24、1不变0.7下降0.34.2.2.3生物生产力（1）初级生产力叶绿素a是海洋生态调查中必不可少的调查项目，是反应浮游植物生物量乃至初级生产力水平的最直接有效的指标。参考胡文佳(2009)的评价标准，如下表所示:初级生产力(叶绿素a)评价标准指标测量值评价结果分值叶绿素a(mg/m-3)10-200优11-10中0.61差0.3（2）营养级间的转换效率营养级之间的转换效率等于该营养级输出和被摄食的量之和与其总流量的比值，可反映生态系统的能量利用率的高低。林德曼定律表明，生态系统各营养级的平均能量转换效率在10%左右。参考南海水产研究所提供的数据资料，20世纪60年代时生态系统的总转换效率为7.1

25、%，20世纪90年代生态系统总转换效率为9.4%，平均值为8.25%，以此数值为中等状态参数值。（3）总初级生产量/总呼吸量总初级生产量(TPP)/总呼吸量(TR)。总初级生产量/总呼吸量是描述系统成熟度的重要指标。一般认为，在系统发育早期，生产量会超过呼吸量，因此TPP/TR大于1;当系统受到有机污染的严重影响时，该比值小于1；而在一个成熟的系统中，该比值接近于1.因此，本文采用隶属度的概念对TPP/TR进行评价。首先将TPP/TR值Pi标准化及正向化，将数值1作为最优状态，大于1或小于1都不是最佳状态，再将数值绝对化后即可得到一个正向值，公式为Pi=|P0-1|其中P0为TPP/TR原始计

26、算值。20世60年代的TPP/TR值为1.013,20世纪90年代TPP/TR值为2.184，将历时值得平均值标准化及正向化后得到值为0.59，将其作为中等状态参数值。4.2.2.4生境质量评价深圳湾中的滩涂湿地、红树林等重要生境对海湾生态系统结构的完整、功能的稳定以及生物多样性都具有重要影响，其面积和质量是生态系统健康状态的重要表征。本文采用相对定性评价的方法对生境进行评价，评价方法如下：福田红树林生境质量评价方法指标标准计算方法及说明分值生境面积增加主要针对深圳湾内具有重要生态价值的代表性生境如滩涂湿地。红树林等的面积和质量变化情况进行打分1不便0.7减少0.3生境质量上升1不变0.7下降

27、0.34.2.3深圳湾近海生态系统健康响应评价（1）湿地管理水平保护区的管理水平反映了对重要生境资源的保护力度。将评价指标量化：指标分值0.8-1.00.6-0.80.4-0.60.2-0.40-0.2湿地管理水平自然保护区，严格管理，科研关注度高；较认真管理，少量科研关注度有相关湿地保护政策，简单管理简单管理，无湿地保护相关政策无相关部门管理，无相关政策法规（2）宣传教育宣传教育指标评价标准指标标准隶属度宣传教育面向公众宣传保护区相关知识的书刊、声像、图片资料种类丰富，治疗较高，发放或使用面广；作为教学实习基地、爱国主义教育基地和社区环境教育、技术培训基地，发回了较好作用，社会影响很好。1在

28、宣传和社区教育培训上开展了相关工作，宣传教育活动具有一定的参与社会影响并得到有效的回应，能够改善当地居民对保护区工作的认识。0.7未开展社区环境教育和技术培训，或宣传教育社会影响有限，未达到实际期望效果。0.4仅有少部分宣传工作，无明显社会影响。0.1（3）现有政策、法规及其执行力度态系统健康是当今环境问题的重要方面。环境问题通常都是同其它领域的发展和政策相关的。该项指标可以从直接反应政府相关部门对于海洋环境的政策和法规是否完善，以及对其的重视程度。通过咨询相关专家，得到评价该指标的隶属度范围。现有政策、法规及其执行力度指标评价标准0.8-1.00.6-0.80.4-0.60.2-0.40-0.2现有政策、法规及其执行力度全面贯彻，积极落实；法规制度非常健全，相关机构依法进行管理，能都杜绝违法行为发生比较认真的贯彻了应有的政策法规；法规制度较健全，绝大数违法活动能得到制止部分政策法规得到落实。贯彻；法规制度不完整，违法活动未得到有效查处简单对付，不认真对待；法规较为缺乏，管理机构设置不合理，违法行为较普遍完全搁置；无相关法律法规