CC BY
44
ГЕОГРАФИЯ
УДК 577.4
Ю. Н. Сергеев, Сулин Лю
ЦИФРОВЫЕ МОДЕЛИ ТРОФИЧЕСКОГО СТАТУСА И КАЧЕСТВА ВОД МОРЯ БОХАЙ.
П. МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТРОФНОСТИ И КАЧЕСТВА ВОД
Настоящая статья продолжает серию публикаций, посвященных диагностике трофического статуса и качества вод моря Бохай. Рассмотренные в [1] однокритериальные классификации трофности и качества вод не лишены погрешностей, связанных со значительной пространственно-временной изменчивостью компонент экосистемы. Внутригодовая и внут-рисезонная изменчивость характеристик выражается в весенней, летней и осенней вспышках развития фитопланктона, летних экстремумах биомасс зоопланктеров и бактерий са-профитов, зимних стагнационных минимумах численностей и биомасс планктонных организмов, весенне-летнем изъятии из среды биогенных элементов на нужды биосинтеза водорослей, осенне-зимнем накоплении органических и минеральных соединений, кратковременном пересыщении воды кислородом в периоды максимального развития водорослей, снижении концентрации кислорода в осенне-зимний период, вызванном процессами минерализации органического вещества. Пространственная неоднородность полей гидрофизических характеристик, таких как температура воды, мутность, освещенность, скорость и направление течения и т. д., обусловливает неоднородный, пятнистый характер пространственного распределения компонент биоценоза и биотопа [2]. Асинхронность, межгодовые колебания сроков наступления и величины экстремумов развития гидробионтов, а также пятнистый характер их распределения затрудняют организацию репрезентативного экологического мониторинга.
Вероятность ошибочной идентификации трофического статуса и качества воды может быть очень высокой при использовании малоинформативных для данного типа водоема (замкнутый или проточный) сезона года или климатической зоны классификационных признаков и их градаций. К существенным ошибкам может привести определение трофности по данным наблюдений одной экспедиционной съемки, сезона или года [3]. Для этой цели предпочтительно применять многолетние ряды наблюдений или карты, построенные путем осреднения таких рядов.
Дефицит и неопределенность информации, связанные со значительной внутригодовой и внутрисезонной изменчивостью экологических характеристик, могут быть частично преодолены при использовании для оценки уровня трофности и качества вод метода сводных показателей, который был впервые предложен акад. А. Н. Крыловым и применен для многопараметрического анализа живучести проектируемых военных кораблей. Он стал широко использоваться в квалиметрии - области знания, изучающей и реализующей методы коли-
© Ю. Н. Сергеев, Сулин Лю, 2004
чественной оценки качества продукции и услуг, а также в теории экономических индексов, оценивающих единым числом многопараметрические объекты и явления [4, 5]. Применительно к экологическим задачам этот метод адаптирован исследователями СПбГУ в работах [4-6].
Задача определения трофического статуса и качества вод моря Бохай в многомерном пространстве признаков по своей сути относится к области интересов статистической теории распознавания образов, конечной целью которой является создание распознающих систем. В самых общих чертах распознавание - это соотнесение объектов или явлений на основе анализа их характеристик с одним из нескольких заранее установленных классов. Систему распознавания степени трофности и качества вод, основанную на методе сводных показателей, можно подразделить на две подсистемы: обучающую и опознающую.
Алгоритм обучающей подсистемы. Он состоит из следующих действий:
1. Выбор алфавитов классов трофности и качества вод
О)
где А - множество классов; А,„ - некоторый конкретный класс; т - текущий номер класса; М- общее число классов.
Для моря Бохай алфавит классов в многокритериальных классификациях принят таким же, как в однокритериальных: М= 5 (табл. 1).
2. Выбор совокупности признаков, характеризующих принятый алфавит классов,
У = УиГ2,...,Уп,...,У„,
(2)
здесь У - множество классификационных признаков; У„- некоторый признак; п - его текущий номер; N - общее число признаков.
Для моря Бохай перечень признаков в многокритериальных классификациях принят таким же, как в однокритериальных: Мроф = 8, ЛЦч= 11 (табл. 1).
3. Выбор совокупности градаций для каждого признака. Для признака У„ такую совокупность обозначим множеством
у{п)-у\п\у[п),
л*.....
(3)
в котором - некоторая градация; г - ее текущий номер; Л - общее число градаций признака У„.
Для моря Бохай градации признаков в многокритериальных классификациях приняты такими же, как в однокритериальных (табл. 1).
4. Формирование матриц градаций многокритериальных пространств классификационных признаков вида
у?ку?:.:ж...:уу
у?\уф....
ЛЮ (Л') (Щ (ЛО
У1 Л
(4)
где у^ - значение г-й градации п-го классификационного признака; Л - число градаций; N- число признаков.
Для моря Бохай в общем случае, когда распознавание трофического статуса предполагается приводить в восьмикритериальном пространстве признаков с пятью градациями у каждого, матрица (4) содержит 8 строк (Л' = 8) и 5 столбцов (/? = 5). В общем случае распознавания качества вод моря в одиннадцатикритериальном пространстве признаков имеем ¿V —11, Л = 5. В частных случаях распознавания по гидрохимическим показателям матрица (4) имеет размерность N - 3, Я = 5; по гидробиологическим показателям - N = 4, Л = 5; по антропогенным поллютан-там - N = 3, Л = 5. В простейшем случае при распознавании по одному гидрофизическому показателю - прозрачности воды - матрица (4) вырождается в вектор-строку размерностью Л = 5.
Таблица 1. Классификационные признаки и алфавит классов, принятые для оценки трофического статуса и качества вод моря Бохай
Классы трофности и градации ее признаков
Классификационные признаки трофического статуса Олиго- трофный (1) Мезо- трофный (2) Мезотрофно- эвтрофный (3) Эвтрофный (4)
Гидрофизические характери-ч стики Прозрачность воды по диску Секки, м 4-10 2-4 1-2 0,5-1
Гидро- химические характери- Концентрация фосфора фосфатов (РОД мгР/л 0,001-0,005 0,005-0,015 0,015-0,03 0,03-0,1
>> і Концентрация азота нитритов (ЫОг), мг!\7/л 0,0-0,0? 0,02-0,05 0,05-0,1 0,1-0,2
35 Я * О « стики Концентрация азота нитратов (N03), мгН/л 0,01-0,05 0,05-0,2 0,2-0,5 0,5-1,0
2 § са У 5 •в* О г0* Продукция фитопланктона, мг/л 0,0-0,05 0,05-0,5 0,5-2 2-4
се І 3" Л Г идробио-логические Концентрация хлорофилла «а», мкг/л 0-2 2-9 9-12 12-15
характери- стики Биомасса фитопланктона, мг/л * 0,0-0,1 0,1-0,5 0,5-1,0 1,0-5,0
Биомасса зоопланктона, мг/л 0-1 1-2 2-3,5 3,5-5
Концентрация нефтепродуктов, мг/л 0-0,01 0,01-0,05 0,05-0,3 0,3-0,6
9 1 ч Антропогенные поллютанты Концентрация свинца (РЬ), мг/л 0-10 10-20 20-50 50-100
1 і Концентрация кадмия (Сё), мг/л 0-3 3-5 5-10 10-20*
і і Классификационные признаки качества вод Очень чистые (О Чистые (2) Умеренно-загрязненные (3) Загряз- ненные (4)
Iі Классы качества водц и градации его признаков
5. Формирование матриц нормированных градаций классификационных признаков вида
с(1) с(1) с(1) с(1)
,¿2 *•••*»*#
с(2) «¡.(2) ,¡,(2) с(2)
с(п) е(и) і ’ 2 ’•
:(Л05(Л0
5(и)> ^(п)
с(^) е(Л')
* * * Ґ
(5)
или
У г — Утп >
г = 1,2,..„Л.
Функция (6) используется в тех случаях, когда числовые значения градаций классификационных признаков возрастают с увеличением степени трофности или качества вод. Это имеет место у большинства признаков, таких как биомасса и продукция организмов, концентрации биогенных элементов и антропогенных поллютантов. Однако существуют признаки, численные значения градаций которых уменьшаются с возрастанием трофности и качества вод. К ним относится, например, прозрачность. Для нормирования градаций данных признаков используется функция (7). В результате выполнения процедуры нормирования все элементы матрицы (5) находятся в пределах
6. Оценка значимости отдельных классификационных признаков. Признаки эвтрофирования и качества вод неравнозначны. Их значимость определяется региональными особенностями конкретного водоема и прилегающих к нему территорий. Игнорирование этого обстоятельства может привести к существенным ошибкам при распознавании классов, особенно классов трофности.
Совокупность весовых коэффициентов классификационных признаков обозначим множеством
где Р„ - весовой коэффициент некоторого признака; п - его текущий номер; N - общее число коэффициентов. Размерности (2) и (8) совпадают.
Возможны два пути определения численных значений весовых коэффициентов: экспертные оценки и имитационное моделирование. Экспертные оценки формируются на основе коллективного опыта квалифицированных специалистов или метода аналогий. Наиболее перспективным, но весьма трудоемким и дорогостоящим способом оценки значимости признаков является реализация на модели экосистемы водоема серии сценариев, имитирующих степень воздействия внешних факторов на процесс эвтрофирования. Попытка такой оценки предпринята в работе
При решении классификационных задач для моря Бохай будем рассматривать два уровня многокритериальной оценки трофического статуса и качества вод. На первом, низком, уровне оценка приводится по отдельным группам классификационных признаков: гидрофизической, гидрохимической, гидробиологической и антропогенным поллютантам. Весовые коэффициенты в этих группах задаются для каждого из классификационных признаков. На втором, высоком, уровне многокритериальная оценка проводится по совокупности групп признаков. Весовые коэффициенты здесь задаются для каждой группы признаков.
Изменение трофического статуса - это видимый результат сукцессии экосистемы, перехода ее в новое качество, который происходит под влиянием внешних воздействий: поступления растворенных биогенных элементов с промышленными, сельскохозяйственными и бытовым^ стоками; замутненности вод органическими и минеральными взвесями аллох-тонного происхождения; глубины бассейна и степени его проточности. Различные внешние воздействия оказывают прямое или косвенное, стимулирующее или ингибирующее влияние на интенсивность процессов экологического метаболизма во всех или лишь в некоторых звеньях трофической цепи.
Пространственная структура задачи распознавания позволяет при задании весовых коэффициентов учитывать региональные особенности внешних воздействий на экосистему. Результаты распознавания считаются достоверными лишь для тех районов моря, для кото-
0<^<1 •
(8)
13].
рых приняты экологически обоснованные значения весовых коэффициентов классификационных признаков.
Рассмотрим вначале смысловые варианты оценки значимости весовых коэффициентов по группам классификационных признаков. Поскольку гидрофизические признаки представлены только одной характеристикой - прозрачностью воды, примем Р прозр = 1.
Известно, что среди биогенных элементов основным лимитантом развития автотрофного звена водных экосистем и индикатором трофности водоемов является фосфор [7]. Поэтому при распознавании трофности моря Бохай по комплексу гидрохимических признаков положим Рр04 ~ > ^N02 — Лч03 - ® ,25. Сумма весовых коэффициентов гидрохимических
признаков Рг_х = РР0} +РШ2 +РШз = 1.
Среди гидробиологических признаков основными показателями эвтрофирования являются биомасса фитопланктона и величина первичных продукций. Поэтому примем Рфит ~ Рпрод = 0,33. Концентрация хлорофилла «а» также относится к важным показателям трофности [7]. Однако для моря Бохай он имеет,, по-видимому, второстепенное значение. Известно, что все таксономические группы водорослей содержат хлорофиллы группы «а». Хлорофилл «в» представлен у зеленых и эфгленовых водорослей. У бурых и диатомовых водорослей вместо хлорофилла «в» присутствует хлорофилл «с», а у красных водорослей -хлорофилл «с}». В фотосинтезирующих бактериях найдены различные бактериохлорофил-лы. Хлорофиллы очень слабо поглощают лучи оранжевой и желтой частей спектра и совсем не поглощают зеленой и инфракрасные. Синезеленые водоросли, красные морские водоросли и некоторые морские криптомонады, помимо хлорофилла «а», содержат пигменты фикобилины. Наиболее известные представители фикобилинов - фикоцианобилины и фи-коэритробилины. Первые преобладают у синезеленых водорослей, а вторые - у красных и определяют их цвет. Максимумы поглощения света у фикобилинов находятся между двумя максимумами поглощения у хлорофилла: в оранжевой, желтой и зеленой частях спектра [8]. Таким образом, у водорослей фикобилины являются дополнительными пигментами, выполняющими функции светособирательного комплекса. Значение такого распределения максимумов поглощения света в процессе эвтрофирования моря Бохай становится понятным, если учесть спектральный состав света в толще его вод, обусловленный рассеиванием и поглощением света лёссовыми частицами. Крупные частицы могут вызывать суммарный эффект рассеяния, примерно в 200 раз превышающий эффект молекулярного рассеивания. Благодаря этому обратный поток света в индикатрисе рассеяния по абсолютной величине в 44 раза больше, чем при молекулярном рассеивании, характерном для незамутненных вод. Одновременно с рассеиванием возрастает и поглощение света крупными частицами, что вызывает общее увеличение суммарного ослабления более длинных волн. Если для чистой океанской воды этот минимум приходится на волны 0,470 мк, то для прибрежных замутненных вод он смещается к 0,570 мк, т.е. в желто-оранжевую часть светового спектра [9]. В воде с высокой мутностью в поверхностном метровом слое моря ослабление света в хорошо усваиваемых хлорофиллом голубой (0,4-0,5 мк) и красной (0,61-0,69 мк) частях спектра составляет 80-90%. В то же время в желто-оранжевой части свет ослабляется только на 35-40%. Таким образом, в море Бохай фотосинтез осуществляется главным образом за счет не хлорофилла «а», слабо поглощающего желтые лучи, а фикобилинов, имеющих максимум поглощения в желтой части спектра солнечного излучения. Поэтому положим Ры <<а» = 0,17.
Биомасса зоопланктеров является вторичным признаком трофности, так как в значительной мере определяется ассимилированной фитофагами первичной продукцией. Поэтому примем Я300 = 0,17. Сумма весовых коэффициентов гидробиологических признаков Рг.6 =
Рпрод Рфит Рхп. «а» Рзоо 1 •
Морская вода не используется для питьевого снабжения населения и орошения полей. Поэтому ее качество следует оценивать не с антропоцентрических, а с геоцентрических позиций. Среди антропогенных поллютантов наиболее опасным, с такой точки зрения, представляется нефтяное загрязнение моря [10]. Поэтому положим РнефТ = 0,6, РРЪ = Рса = 0,2. Сумма весовых коэффициентов антропогенных поллютантов Рг-п Рнефт РрЬ Ра 1 •
Рассмотрим теперь смысловые сценарии оценки значимости весовых коэффициентов для совокупности групп признаков.
В сценарии с равнозначными гидрофизической, гидрохимической и гидробиологической группами признаков, условно названном «Т-единый показатель I», примем: Рг.ф = Рг.х = Рт.б = 0,33. Хотя группы признаков и равнозначны, отдельные признаки в совокупности групп не равнозначны. Придавая весовым коэффициентам вероятностный смысл и воспользовавшись следствиями теории сложения и умножения вероятностей для задачи распознавания трофического статуса моря Бохай, запишем
Р прозр Р г-ф + (^Р04 + РЫ02 + РКОъ ) Р Г-Х + (Р проя + Р фит+ Р*л. «а» + Р зоо) Р г-б = 1 - (9)
Подставляя принятые ранее значения весовых коэффициентов в выражение (9), найдем Р' прозр = 0,33, Рр'о4 = 0,165, Р'02 = 0,08 25, Р^0} = 0,0825, Р' ^ = 0,1089, Р' фит = 0,189,
Р' хя. «а» = 0,0561, Р' зоо = 0 ,0561. Неравнозначность отдельных признаков трофности в совокупностях групп следует учитывать во всех последующих сценариях.
В сценарии с идентификатором «Т-единый показатель II» и во всех последующих сценариях принято г-ф = 0,1- Такое значение весового коэффициента в значительной мере элиминирует классификационный признак «прозрачность вода», поскольку высокая мутность вод моря Бохай в первую очередь связана с речным выносом лёссовых частиц и лишь во вторую - с внутрисистемными процессами накопления живого и мертвого органического вещества в водной толще. Весовые коэффициенты гидрохимических и гидробиологических признаков в этом сценарии приняты равнозначными: Р г.х ~Р г-ф = 0,45.
В мелководных приустьевых районах заливов Ляодунского, Бохайвань и Лайчжоувань, относящихся к разряду акватории с большой проточностью вод, классический подход к определению степени трофности, по-видимому, неприменим. В таких экотопах морской экосистемы нарушается закон 10% Линдемана-Одума. За счет высокой нагрузки выносимого реками взвешенного и растворенного органического вещества возникает деформация трофической структуры биоценоза, выражающаяся в нарушении естественного соотношения между продукцией автотрофного и гетеротрофных звеньев пищевой сети. Консументы и деструкторы получают дополнительный источник пищи. Первичная продукция, биомасса фитопланктеров и концентрация хлорофилла «а» перестают быть репрезентативными показателями уровня трофности [11]. Приоритетными становятся гидрохимические признаки. Поэтому в сценарии «Т-единый показатель III» приняты следующие значения весовых коэффициентов: РГ^=РГ.6 = 0,1, .Рг_х = 0,8.
В мористых, более глубоководных районах заливов масса аллохтонного органического вещества уменьшается и постепенно восстанавливается естественное соотношение между продукцией автотрофного и гетеротрофного звеньев биоценоза. Поэтому для таких районов моря в сценарии «Т-единый показатель IV» принято: Р г.ф = 0,1, Р г.х = 0,6, Р г.б = 0,3.
В центральной глубоководной и слабопроточной части моря Бохай продукционные процессы в автотрофном и гетеротрофных звеньях биоценоза протекают в естественном пастбищном режиме, и гидробиологические показатели здесь являются репрезентативными классификационными признаками. Поэтому в сценарии «Т-единый показатель V» приняты следующие значения весовых коэффициентов: Р г.ф = Р г.х = 0,1, Р г.б = 0,8.
При оценке качества воды мутность и тесно связанная с ней прозрачность, независимо от их происхождения, наряду с концентрациями антропогенных поллютантов приобретают первостепенное значение. Вес гидрохимических и гидробиологических показателей, по крайней мере в олиготрофных и мезотрофных водоемах, имеет меньшее значение. Поэтому в сценарии комплексной оценки качества вод моря Бохай принято: Р г.ф = Р загр = 0,3,
г-6 = 0,2.
7. Снижение мерности пространства классификационных признаков. Оно достигается введением комплексного показателя степени трофности или качества вод Д&р>- Он записывается в виде линейной свертки классификационных признаков с весовыми коэффициентами Р„:
N
5,Я) = ' <10)
п=1
На этом процедура обучения распознающей системы завершается. В результате обучения для каждого из принятых сценариев определяются градации комплексного показателя трофности или качества вод. Для моря Бохай такая информация представлена в табл. 2.
Таблица 2. Градации комплексных показателей степени трофности и качества вод моря Бохай
Классы трофности / качества вод
Сценарии Весовые коэффициенты Олиготроф-ные / очень чистые Мезотроф-ные / чистые Мезотрофно-эвтрофные / умеренно загрязненные Эвтрофные / загрязненные
Г идрофизические признаки 0,000-0,632 0,632-0,842 0,842-0,947 0,947-1,000
Г идрохимические признаки ^ио2 ~ -^Шз = 0,25; =0,5 0,000-0, 055 0,055-0,181 0,181-0,393 0,393-1,000
Г идробиологиче-ские признаки Рхл «а»— ~ 0,17; Рфт = Лфод = 0,33 0,000-0,067 0,067-0,244 0,244-0,486 0,486-1,000
Антропогенные поллютатны Ра — /*рь = 0,20; Рнефт = 0,60 0,000-0,060 0,060-0,140 0,140-0,500 0,500-1,000
Т-единый показатель I Рг-п - рг-к = Рг-6 = 0,33 0,000-0,252 0,2529-0,423 0,423-0,611 0,611-1,000
Т-единый показатель II Рг-п = 0,1; Ргх = Рг-6 = 0,45 0,000-0,118 0,1184), 276 0,276-0,491 0,491-1,000
Т-единый показатель III Рг.л = 0,1;Л-х = 0,8; Рг.б = 0,1 0,000-0,114 0,114-0,254 0,254-0,460 0,460-1,000
Т-единый показатель IV Рг-л = 0,1;^г-х = 0,б; Рг-б = 0,3 0,000-0,116 0,116-0,266 0,266-0,478 0,478-1,000
Т-единый показатель V Рг-л = 0,1; Рг.х — 0,1; Рг-6 = 0,8 0,00-0,123 0,123-0,298 0,298-0,523 0,523-1,000
К-единый показатель Рг-л = 0,3; Рг.х = 0,2; Рг-6 = 0,2; Рзагр = 0,3 0,000-0,232 0,232-0,380 0,380-0,610 0,610-1,000
Алгоритм опознающей системы. Он состоит из следующих этапов:
1. Формирование матриц исходных данных, принятых для распознавания степени трофности и качества вод:
где Xin> - значение rt-й характеристики i-го порядкового номера; т - число значений характеристики (для моря Бохай т = 105 - числу точек сеточной области моделирования); N- число классификационных признаков.
Для оценки пространственной изменчивости трофического статуса и пространственно-временной изменчивости качества вод моря Бохай использована картографическая информация из атласов [12-14], в которых для четырех сезонов года приведены карты распределения значений гидрофизических переменных, концентраций и биомасс гидрохимических и биологических компонент морской экосистемы, а также карты распределения антропогенных поллютантов на различных глубинах. Карты составлены по многолетным рядам наблюдений. Распределение характеристик на них представлено в изолиниях (масштаб карт 1:7000 ООО).
Мелководность моря Бохай, малая прозрачность его вод, препятствующая развитию первичных продуцентов на глубине, интенсивное конвективное, ветровое и приливное перемешивание вод позволяют в первом приближении не проводить осреднения характеристик по вертикали, а ограничиться рассмотрением карт их распределения на поверхности моря. Эти карты использованы для построения цифровых моделей полей характеристик с помощью ГИС-технологий.
Ввод картографической информации в ГИС (Mapinfor) выполнен в матричной форме с помощью сканера, процедура векторизации изолиний характеристик - с использованием экрана монитора. В ходе ее выполнения в памяти ПЭВМ формируется совокупность триад (значение характеристики, широта, долгота), в итоге определяющая пространственную изменчивость поля векторизуемой характеристики. Такие совокупности были применены при построении цифровых моделей полей характеристик для сеточной области, с шагом по широте 31,8 км, по долготе 33,7 км, аппроксимирующей конфигурацию береговой линии моря Бохай. Сеточная область содержит 105 узловых точек. Значения характеристики в узлах сетки определялись путем интерполяции данных соответствующих триад в ГИС (Arc View). По такой методике построены 44 цифровые модели полей физических (прозрачность воды по белому диску), гидрохимических (концентрации нитратного, нитритного азота, фосфатов), биологических (первичная продукция, концентрация хлорофилла «а», биомасса фитопланктона и зоопланктона) характеристик, а также полей промышленных загрязнений (нефтепродукты,, концентрации свинца и кадмия) в море Бохай для четырех сезонов года.
Для определения трофического статуса использованы данные о среднем многолетнем пространственно-временном распределении характеристик в море Бохай, полученные путем поточечного осреднения цифровых моделей сезонных полей одноименных характеристик. Поскольку качество воды моря во многом определяется загрязненностью речного и поверхностного стоков, имеющих большую внутригодовую и межгодовую изменчивость, для его идентификации применялись цифровые модели осредненных за многолетний период сезонных полей характеристик.
2. Формирование матриц нормированных значений характеристик
(12)
41)>-
«,(2)
,(Л0
«Г'',?2Л°-"*Г
Переход от матрицы (11) к матрице (12) осуществляется с помощью нормирующих функций вида (6), (7) путем формальной замены идентификаторов 5 на ц и у на х с сохранением подстрочных индексов.
3. Расчет комплексных показателей трофности и качества вод по формуле
N
0(а.р) ~ • (13)
п~\
4. Распознавание класса трофности и качества вод в узловых точках сеточной области, аппроксимирующей конфигурацию береговой черты моря Бохай и создание цифровых моделей этих характеристик. Оно состоит в установлении принадлежности значений комплексного показателя (13), рассчитанного для точек сеточной области по некоторому сценарию, к тому или иному классу в соответствии с определенными в процессе обучения градациями
ЛЮ
,áN)
Рис. 1. Цифровые модели многокритериальной оценки трофического статуса Бохай. Статус: / - олиготрофный, 2 - мезотрофный, 3 - мезотрофно-эвтрофный. а-в- комплексы показателей: а - гидрохимических, б - гидробиологических, в - антропогенных; г-з- сценарии «Т-единый показатель»: г- I, д - II, е - III, ж- IV, з- V.
Рис. 2. Цифровые модели многокритериальной оценки качества воды Бохай.
Воды: 1 - очень чистые, 2 - чистые, 3 - умеренно загрязненные; а- г- сценарии «К-единый показатель»: а - весна, б - лето, в - осень, г - зима.
сводного показателя (см. табл. 2). Рисунки 1, 2 иллюстрируют результаты распознавания пространственного распределения комплексных показателей степени трофности и качества вод моря Бохай.
Рассмотрим вначале результаты многокритериальной оценки по группам признаков трофности и качества вод. Поскольку гидрофизические признаки представлены только одной характеристикой - прозрачностью, оценки степени трофности совпадают с результатами однокритериальной классификации по признаку «прозрачность вод» [1]. По комплексу гидрохимических признаков заливы Ляодунский, Бохайвань и западная часть залива Лой-чжоувань относятся к мезотрофным водоемам, а центральная часть моря и зона проливов -к олиготрофным (см. рис. 1). По комплексу гидробиологических признаков море Бохай следует считать олиготрофным водоемом. Лишь западный район залива Бохайвань относится к мезотрофному классу (см. рис. 1).
По комплексу антропогенных поллютантов во все сезоны года качество вод в Чжилий-ском заливе относится к классу «чистые», а в заливах Бохайвань, Лайчжоувань - «умеренно загрязненные» и «загрязненные». В центральной части моря и в зоне проливов вода оценивается как «чистая» и «очень чистая».
Результаты распознавания пространственной изменчивости трофности моря Бохай по смысловым сценариям значимости весовых коэффициентов для совокупности групп признаков оказались почти идентичными. Воды заливов Ляодунского, Бохайвань и Лойчжо-увань во всех пяти сценариях относятся к мезотрофному типу, а в центральной части моря и в районе проливов - к олиготрофному (см. рис. 1).
Пространственно-временную изменчивость качества вод моря Бохай иллюстрирует рис. 2. Весной воды заливов и район проливов относятся к классу «чистые», а центральные части моря - «очень чистые». Летом ареал очень чистых вод расширяется и захватывает
мористую часть заливов и проливы. Осенью качество вод моря снижается, и они классифицируются почти повсеместно как «чистые». Зимой вся морская акватория занята «умеренно загрязненными» водами.
Для интегральной оценки трофического статуса и качества вод моря Бохай, как и в случае однокритериальных классификаций, воспользуемся простейшей формой распределения дискретных случайных величин - рядами распределения. Эмпирические вероятности встречаемости классов трофности и качества вод приведены в табл. 3, 4. Из них следует, что по гидрохимическим и гидробиологическим показателям море Бохай в целом можно отнести к мезотрофным водоемам; эмпирические вероятности трофности, рассчитанные по различным смысловым сценариям, позволяют сделать вывод, что экосистема моря находится в стадии перехода от олиготрофного класса к мезотрофному.
Таблица 3. Эмпирические вероятности встречаемости классов трофности по методу сводных показателей
Категории Олиготрофный (1) Мезотрофный (2) Мезотрофно-эвтрофный (3) Эвтрофный (4) Математическое ожидание
Гидрохимические признаки 0,486 0,514 1,51
Гидробиологические признаки 0,952 0,048 1,05
Г идрофизические признаки 0,219 0,467 0,276 0,038 2,13
Т-единый показатель I 0,324 0,676 1,68
Т-единый показатель II . 0,600 0,400 1,40
Т-единый показатель III 0,352 0,648 1,65
Т-единый показатель IV 0,514 0,486 1,49
Т-единый показатель V 0,857 0,143 1,14
Таблица 4. Эмпирические вероятности встречаемости классов качества воды по методу сводных показателей
Категории Очень чистые (1) Чистые (2) Умеренно загрязненные (3) Загрязненные (4) Математическое ожидание
Зимой 1,000 2,00
Гидро- Весной 0,546 0,455 1,46
химические Летом 0,889 0,111 1,11
признаки Осенью 0,313 0,687 1,69
Зимой 0,975 0,025 1,03
Гидро- Весной 0,944 0,056 1,06
биологические Летом 0,864 0,101 0,035 1,17
признаки Осенью 1,000 1,00
Зимой 0,066 0,349 0,586 3,52
Гидро- Весной 0,172 0,439 0,182 0,207 2,42
физические Летом 0,631 0,283 0,086 1,46
признаки Осенью 0,025 0,283 0,424 0,268 2,93
Весной 0,116 0,647 0,237 2,12
генные Летом 0,419 0,561 0,020 1,60
поллютанты Осенью 0,359 0,500 0,141 1,78
Весной 0,359 0,636 0,005 1,65
К-единый Летом 0,722 0,278 1,28
показатель Осенью 0,111 0,889 1.89
Sergeyev Yu. N., Liu Suling. Digital models of the tropic status of the sea Bohai. II. Multicriteria estimation of the water quality and trophic status.
A multicriteria account of spatial distribution of water trophic status and time-spatial distribution of water quality in the sea Bohai is presented. The data are obtained on a set of hydrophysical, hydrochemical, hydrobiological indexes and on those of industrial pollution.
Литература
1. Сергеев Ю. H„ Лю Сулин. Цифровые модели трофического статуса и качества вод моря Бохай. I. Однокритериальные классификации// Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7: Геология, география. 2004. Вып. 3 (№ 23). 2. Сергеева Л. Л. Использование статистической теории распознавания образов для характеристики антропогенного эвтро-фирования водоемов // Охрана окружающей среды от загрязнения промышленными выбросами ЦБП: Науч. труды С.-Петерб. технол. ин-та. 1993. 3. Дмитриев В. В., Мякишева И. В., Третьяков В. Ю., Хованов Н. В. Многокритериальная оценка экологического состояния и устойчивости геосистем на основе метода сводных показателей. И. Трофический статус водных экосистем // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7: Геология, география. 1997. Вып. 1 (№ 7). 4. Хованов Н. В. Статистические модели теории квалиметрических школ. Л., 1986. 5. Хованов Н. В. Анализ и синтез показателей при информационном дефиците. СПб., 1996. 6. Интегральная оценка экологического состояния и качества вод городских территорий / Под ред. А. К. Фролова. СПб., 1999. 7. Хендерсон-Селлерс Б., Мор-клондХ. Р. Умирающие озера/Пер. с англ.; Под ред. К. Я. Кондратьева и Н. Н. Филатова. Л., 1990. 8. Полевой В. В. Физиология растений. М., 1989. 9. Егоров Н. И. Физическая океанография. Л., 1966. 10. Немсон-Смит А. Нефть и экология моря / Пер. с англ.; Под ред. А. И. Симонова. М., 1977.11. Шишкин Б. А., Никулина В. Н., Максимов А. А., Силина Н. И. Основные характеристики биоты вершин Финского залива и ее роль в формировании качества воды. Л., 1989. 12. Marine atlas of Bohai Sea Yellow Sea East China Sea, Biology /Ed. by Chen Guozhen. Beijing, 1991. 13. Marine atlas of Bohai Sea Yellow Sea East China Sea, Chemistry /Ed. by Wang Yuheng. Beijing, 1991. 14. Marine atlas of Bohai Sea Yellow Sea East China Sea, Physics / Ed. by Li Quanxing. Beijing, 1991.
Статья поступила в редакцию 15 января 2004 г.
