一种基于权重的城市内河生态系统健康评价方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于权重的城市内河生态系统健康评价方法，包括以下步骤：(1)区分参照点和受损点；(2)建立候选微生物参数指标库；(3)筛选核心微生物参数及参数赋分；(4)计算微生物完整性指数及划分评价等级；(5)检验微生物完整性指数评价结果的可靠性。本发明专利技术融合主成分赋权法、熵权法和生物完整性指数法以微生物为研究对象对城市内河进行评价，具有较强的敏感性，可以快速、灵敏、准确、全面客观地反映城市内河生态系统健康状况。

【技术实现步骤摘要】
一种基于权重的城市内河生态系统健康评价方法
本专利技术涉及环境污染监测和环境保护
，具体涉及一种基于Ba-IBI的城市内河生态系统健康评价方法。
技术介绍
生态城市的建设发展与水资源密不可分，居民生活必须要有充分的用水保障,工业生产必须水资源充足，优美的城市环境更离不开清洁良好的水生态系统，而河流在水运交通、改善气候、稀释污水、排除雨水以及美化环境等方面发挥着重要作用。而城市内河正是建设生态城市的关键一环。然而随着经济的发展，人民生活水平的提高，使得城市内河的水质状况恶化、形态结构破坏、水文条件改变和生境退化等等。因此，要解决城市内河污染严重的问题，首先要建立一个有效的评价方法，对城市内河的污染程度进行有效地定义，进而形成针对性的解决方案，进行高效的污染治理。生物完整性指数的出现将对城市内河的可持续利用和促进城市内河生态健康发展具有重大意义。生物完整性指数自1981年提出至今有37年的历史，通过几近四十年的发展，生物完整性指数变得越来越完善。最初，生物完整性指数以鱼类为指示生物，逐渐大型底栖动物、浮游生物和硅藻等动植物也被列入指示生物研究对象中，然而随着城市化的发展，河流污染越来越严重，水质严重恶化，以上生物的生存环境受到威胁，甚至在某些等级为劣V类的城市内河中鱼类基本不存在，而微生物作为食物链中的分解者，能适应恶劣的生存环境，在自然界中广泛存在。并且以上指示生物个体和微生物个体比起来生长周期长，耐受程度高，生存环境的轻微变化对这些指示生物的种群丰度影响不大，而微生物个体生存生存时间短，生长速度快，故而与鱼类、藻类、大型底栖类生物等比起来，对生存环境的变化反应敏感。同时，微生物具有体型小，采样便于携带等优点。综合以上几点，以微生物作为生物完整性指数的指示生物所得到的结果会更准确。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术目的是提供一种基于权重的城市内河生态系统健康评价方法，本专利技术具有较强的敏感性，可以快速、灵敏、准确、全面客观地反映城市内河生态系统健康状况。为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：本专利技术的一种基于权重的城市内河生态系统健康评价方法，包括以下步骤：(1)区分参照点和受损点：在待评价的城市内河设置若干采样点，监测各采样点的物理指标(即浊度、温度、总悬浮颗粒)和化学指标(即总氮、总磷、氨氮、PH)；利用主成分分析得到权重的方法对所有的所述物理指标及化学指标进行计算，得到各指标的权重，筛选出权重大的多个物理指标及化学指标，构建综合水质参数；对所述综合水质参数进行赋分，并以综合总分值区间的a分位和b分位作为阈值划分为三级，分别为最小污染点、中度污染点和严重污染点，其中，a、b为正整数；各采样点累加所得的综合总分对应至每个等级分值区间，得到最终的参照点和受损点；(2)建立候选微生物参数指标库：计算不同水平的微生物群落丰富度指数；将不同水平的微生物群落丰富度指数、多样性指数参数、耐受性参数以及功能性参数作为计算生物完整性指数的候选参数，建立候选微生物参数指标库；(3)筛选核心微生物参数及参数赋分：首先筛选分布范围，分析判别能力，检验变异系数CV值，然后分析箱体图，筛选冗余性，最后分析权重；(4)计算微生物完整性指数及划分评价等级；(5)检验微生物完整性指数评价结果的可靠性。步骤(1)中，所述综合水质参数具体的构建方法如下：A1.对原始数据矩阵Xn×p进行转置，得到n×p转置矩阵XT，其中n表示采样点的个数，p表示水质参数个数；B1.对矩阵XT进行标准化处理，用于避免指标量纲影响协方差矩阵，即其中，Xij表示第i个采样点处第j个水质参数的数值；Xj表示第j个水质指标的均值，Sj表示第j个指标的方差；C1.建立标准化后的相关系数矩阵R，即其中，rij表示相关系数，sij，sii，sjj表示对应元素的方差；D1.求相关系数矩阵R的特征值，即λ1≥λ2≥…≥λn>0相应的特征向量为Aj＝(a1j,a2j,…,anj)T,j＝1,2,…,n其中，aij表示第j个水质指标在第i个采样点的特征值；E1.计算主成分的方差贡献率αk和累计方差贡献率α(k)，即其中，λi表示矩阵X的协方差矩阵S的第i个特征根；F1.确定主成分个数及其表达式：根据少的主成分获取多的原始信息这一原则来确定主成分的个数，即当前k个主成分的累计方差贡献率α(k)≥85％时，即确定k为主成分个数，表达式为，Fi＝a1jx1+a2jx2+…+anjxn,j＝1,2,…,n其中，xi表示第j个水质参数在第i个采样点的数值；G1.构建权重向量，利用下式计算p个指标的综合得分，归一化后作为原数据矩阵各指标的权重：其中，λ1,λ2,…,λk为矩阵X的协方差矩阵S的特征根。步骤(2)中，所述微生物群落丰富度指数具体的计算方法如下：收集各采样点的微生物细胞，提取微生物基因组DNA和RNA，以DNA为模板，针对16sRNA的V4-V5可变区进行PCR扩增；检测得到的PCR产物，切割目的条带进行纯化，定量所得PCR产物，进行测序；过滤掉低质量序列并挑选代表性序列进行聚类与注释，随机从每个样品中挑选出相同数目的序列，进行稀有化分析并计算微生物群落不同水平的丰富度指数。步骤(2)中，所述多样性指数参数用来分析菌群中微生物的物种种类和多样性程度；所述耐受性参数是对环境因子的变化反应灵敏的物种；所述功能性参数是指在物质循环中作用重大的物种。步骤(3)中，筛选核心微生物参数具体方法如下：a)筛选分布范围，将采样点在70％的采样点内相对丰度均为0的物种剔除；b)分析判别能力，利用利用SPSS软件对参数进行Mann-WhitneyU检验，即P<0.05，得到参照点和受损点差异明显的物种；c)检验变异系数CV值，对参照点内的差异物种进行CV值检验，剔除CV＜1的物种；d)敏感性检验，利用箱体图分析通过步骤c)筛选出的物种的敏感性，剔除IQ＜2的物种；e)冗余性检验，检验步骤d)筛选出物种的信息重叠程度，以r＝0.7为基准，若r≥0.7，则表明两指标信息重叠程度大，剔除其中之一，若r＜0.7，则表明两指标信息重叠程度小，二者皆可保留；权重分析，将最终筛选出的指标进行熵值法权重分析，得到每个指标的重要程度。步骤(3)中，所述分布范围是指参数在各个采样点的分布情况；若参数在70％的采样点内的相对丰度均为0，说明该参数分布范围低，不能作为有效的评价指标，则删除该物种；若参数在超过70％的采样点内出现，则初步认定可作为有效的评价指标，予以保存，进入下一步筛选；判别能力分析是指筛选出对人为干扰的影响反应敏感的参数，将初步筛选出的指标数据分为参照组和受损组，对参数进行Mann-WhitneyU检验，通过对比参照组和受损组的指标数据，将P值小于0.05的参数筛选出来，进入下一步筛选；所述变异系数CV值的检验方法如下；将变异系数CV值用于分析参照点参数数据的离散情况，筛选出离散程度小的物种参数，从而确保参数在参照点的稳定性，设定CV值的阈值，若CV≥1，表明该参数在参照点处的离散程度大，不稳定，筛除该参数；若CV＜1，表明该参数在参照点的稳定性好，进入下一步筛选。上述箱体图具体的分析方法如下：将经过筛选所得到的参数分为参照组和受损组，绘制箱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于权重的城市内河生态系统健康评价方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)区分参照点和受损点：在待评价的城市内河设置若干采样点，监测各采样点的物理指标和化学指标；利用主成分分析得到权重的方法对所有的所述物理指标及化学指标进行计算，得到各指标的权重，筛选出权重大的多个物理指标及化学指标，构建综合水质参数；对所述综合水质参数进行赋分，并以综合总分值区间的a分位和b分位作为阈值划分为三级，分别为最小污染点、中度污染点和严重污染点，其中，a、b为正整数；各采样点累加所得的综合总分对应至每个等级分值区间，得到最终的参照点和受损点；(2)建立候选微生物参数指标库：计算不同水平的微生物群落丰富度指数；将不同水平的微生物群落丰富度指数、多样性指数参数、耐受性参数以及功能性参数作为计算生物完整性指数的候选参数，建立候选微生物参数指标库；(3)筛选核心微生物参数及参数赋分：首先筛选分布范围，分析判别能力，检验变异系数CV值，然后分析箱体图，筛选冗余性，最后分析权重；(4)计算微生物完整性指数及划分评价等级；(5)检验微生物完整性指数评价结果的可靠性。

【技术特征摘要】
1.一种基于权重的城市内河生态系统健康评价方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)区分参照点和受损点：在待评价的城市内河设置若干采样点，监测各采样点的物理指标和化学指标；利用主成分分析得到权重的方法对所有的所述物理指标及化学指标进行计算，得到各指标的权重，筛选出权重大的多个物理指标及化学指标，构建综合水质参数；对所述综合水质参数进行赋分，并以综合总分值区间的a分位和b分位作为阈值划分为三级，分别为最小污染点、中度污染点和严重污染点，其中，a、b为正整数；各采样点累加所得的综合总分对应至每个等级分值区间，得到最终的参照点和受损点；(2)建立候选微生物参数指标库：计算不同水平的微生物群落丰富度指数；将不同水平的微生物群落丰富度指数、多样性指数参数、耐受性参数以及功能性参数作为计算生物完整性指数的候选参数，建立候选微生物参数指标库；(3)筛选核心微生物参数及参数赋分：首先筛选分布范围，分析判别能力，检验变异系数CV值，然后分析箱体图，筛选冗余性，最后分析权重；(4)计算微生物完整性指数及划分评价等级；(5)检验微生物完整性指数评价结果的可靠性。2.根据权利要求1所述的基于权重的城市内河生态系统健康评价方法，其特征在于，步骤(1)中，所述综合水质参数具体的构建方法如下：A1.对原始数据矩阵Xn×p进行转置，得到n×p转置矩阵XT，其中n表示采样点的个数，p表示水质参数个数；B1.对矩阵XT进行标准化处理，用于避免指标量纲影响协方差矩阵，即其中，Xij表示第i个采样点处第j个水质参数的数值；Xj表示第j个水质指标的均值，Sj表示第j个指标的方差；C1.建立标准化后的相关系数矩阵R，即其中，rij表示相关系数，sij，sii，sjj表示对应元素的方差；D1.求相关系数矩阵R的特征值，即λ1≥λ2≥…≥λn>0相应的特征向量为Aj＝(a1j,a2j,…,anj)T,j＝1,2,…,n其中，aij表示第j个水质指标在第i个采样点的特征值；E1.计算主成分的方差贡献率αk和累计方差贡献率α(k)，即其中，λi表示矩阵X的协方差矩阵S的第i个特征根；F1.确定主成分个数及其表达式：根据少的主成分获取多的原始信息这一原则来确定主成分的个数，即当前k个主成分的累计方差贡献率α(k)≥85％时，即确定k为主成分个数，表达式为，Fi＝a1jx1+a2jx2+…+anjxn,j＝1,2,…,n其中，xi表示第j个水质参数在第i个采样点的数值；G1.构建权重向量，利用下式计算p个指标的综合得分，归一化后作为原数据矩阵各指标的权重：其中，λ1,λ2,…,λk为矩阵X的协方差矩阵S的特征根。3.根据权利要求1所述的基于权重的城市内河生态系统健康评价方法，其特征在于，步骤(2)中，所述微生物群落丰富度指数具体的计算方法如下：收集各采样点的微生物细胞，提取微生物基因组DNA和RNA，以DNA为模板，针对16sRNA的V4-V5可变区进行PCR扩增；检测得到的PCR产物，切割目的条带进行纯化，定量所得PCR产物，进行测序；过滤掉低质量序列并挑选代表性序列进行聚类与注释，随机从每个样品中挑选出相同数目的序列，进行稀有化分析并计算微生物群落不同水平的丰富度指数。4.根据权利要求1所述的基于权重的城市内河生态系统健康评价方法，其特征在于，步骤(2)中，所述多样性指数参数用来分析菌群中微生物的物种种类和多样性程度；所述耐受性参数是对环境因子的变化反应灵敏的物种；所述功能性参数是指在物质循环中作用重大的物种。5.根据权利要求1所述的基于权重的城市内河生态系统健康评价方法，其特征在于，步骤(3)中，筛选核心微生物参数具体方法如下：a)筛选分布范围，将采样点在70％的采样点内相对丰度均为0的物种剔除；b)分析判别能力，利用利用SPSS软件对参数进行Mann-WhitneyU检验，即P<0.05，得到参照点和受损点差异明显的物种；c)检验变异系数CV值，对参照点内的差异物种进行CV值检验，剔除CV＜1的物种；d)敏感性检验，利用箱体图分析通过步骤c)筛选出的物种的敏感性，剔除IQ＜2的物种；e)冗余性检验，检验步骤d)筛选出物种的信息重叠程度，以r＝0.7为基准，若r≥0.7，则表明两指标信息重叠程度大，剔除其中之一，若r＜0.7，则表明两指标信息重叠程度小，二者皆可保留；权重分析，将最终筛选出...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛丽华，高琳，李轶，张文龙，杨楠，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32