模糊數(shù)學(xué)在西昌邛海富營養(yǎng)化評價(jià)中的應(yīng)用

劉延美,劉守江,曾陽梅

(西華師范大學(xué)國土資源學(xué)院,四川南充 637002)

模糊數(shù)學(xué)方法自美國 1965年提出以來,已經(jīng)有許多人將其成功地應(yīng)用在水質(zhì)評價(jià)中[1～6],但將該方法用于富營養(yǎng)化評價(jià)的研究在國內(nèi)很少。邛海是四川省第二大淡水湖,距西昌市市中心 7km,臥于瀘山東北麓,螺髻山北側(cè),是四川省十大風(fēng)景名勝區(qū)之一。近年來,隨著湖岸旅游餐飲娛樂業(yè)、工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,向邛海里面直接排放的生活污水、工業(yè)廢水、人工網(wǎng)箱養(yǎng)魚污質(zhì)不斷增加,導(dǎo)致水體不斷惡化出現(xiàn)富營養(yǎng)化趨勢。本文運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的評價(jià)方法對邛海湖泊進(jìn)行了評價(jià),評價(jià)結(jié)果和實(shí)際情況大致相同。

1 模糊數(shù)學(xué)評價(jià)方法模型

1.1 確定評價(jià)因素集和備擇集

設(shè)影響營養(yǎng)化狀態(tài)的因素為 xi(i=1,2,3,…, n),由這 n個(gè)因素構(gòu)成評判集合為 X={x1,x2,x3,…,xn}。根據(jù)湖泊營養(yǎng)化評價(jià)參數(shù)及分級標(biāo)準(zhǔn)[7],參照國內(nèi)部分湖泊水庫評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),將邛海水體富營養(yǎng)化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為 5個(gè)等級,即極貧營養(yǎng)、貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、輕富營養(yǎng)、重富營養(yǎng),評價(jià)因子及分級標(biāo)準(zhǔn)見表 1,設(shè)最終可能得出的評價(jià)結(jié)果為 bi(i=1, 2,…,5),bi表示第 i級水體對于極貧營養(yǎng)狀態(tài)水體的隸屬程度,它構(gòu)成評價(jià)備擇集 B=[b1,b2,…,b5]。評價(jià)目標(biāo)是在綜合考慮所有富營養(yǎng)化影響因素 xi對水體作用的條件下,在備擇集中尋求合理的評價(jià)結(jié)果,以確定水體營養(yǎng)狀態(tài)。

1.2 建立隸屬度函數(shù)

隸屬度表示元素 x在其模糊集合 r的程度;也就是對模糊集合的判斷是用元素對此集合從屬程度的大小表達(dá),這就使集合界線模糊不清無關(guān)緊要了。根據(jù)評價(jià)分級標(biāo)準(zhǔn),通過取線性函數(shù)來確定各營養(yǎng)級別的隸屬函數(shù),對于影響因子如透明度、溶解氧,越大越優(yōu)型評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)：

表1 湖泊營養(yǎng)化評價(jià)參數(shù)及分級標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Assessment indexes and grading standard of lake eutrophication

對于數(shù)值越小越優(yōu)的評價(jià)因素 i,如葉綠素 a、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù),其隸屬度函數(shù)為：

1.3 確定評價(jià)因子的權(quán)重向量

由于各影響因子對水體富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)程度不一樣,所以它們的權(quán)重不一樣。設(shè)置權(quán)重的方法有多種。本文采用最常用的方法,即超標(biāo)計(jì)算權(quán)重法,設(shè)評判因素 X={x1,x2,…,xn}的權(quán)重向量為 a= [a1,a2,…,an],則：

(3),(4)式中：ai為影響因子 xi的權(quán)重;ci為 xi的實(shí)測質(zhì)量濃度;sij為 xi的第 j級標(biāo)準(zhǔn)值;k為水體富營養(yǎng)化分級數(shù)。歸一化權(quán)重系數(shù)構(gòu)成權(quán)重系數(shù)矩陣A：

1.4 綜合評價(jià)

單因子模糊評價(jià)只能反映出單個(gè)因子對評價(jià)對象的影響,并不能反映出所有因子的綜合影響。因此必須考慮所有因子的影響,即綜合評價(jià),將模糊權(quán)重集A與單因素模糊評價(jià)矩陣 R復(fù)合。經(jīng)過上述步驟分別求出A和 R后,綜合評價(jià)模型：

記B=(b1,b2,…,bm),式 (6)中：○為模糊數(shù)學(xué)的運(yùn)算符號(hào);得評判結(jié)果B。評判結(jié)果B是備擇集 Y上的模糊子集,b1m是第m個(gè)水體在 n個(gè)因子綜合作用下對于極貧營養(yǎng)的隸屬度。參照備擇集 Y可對每個(gè)水體的富營養(yǎng)化程度作出評價(jià),確定相應(yīng)的營養(yǎng)等級。

2 應(yīng)用實(shí)例

邛海位于四川省西昌市境內(nèi)(東經(jīng) 102°18′,北緯 27°49′),系四川省第一大天然淡水湖,為更新世早期形成的斷陷湖,距今已有 200萬年的歷史。南北長10.3km,東西最寬處 5.6 km,平均湖寬 3.8 km,周長 37.2 km。按湖泊水位 1510.3 m計(jì),湖泊面積為 27.87 km2,最大水深 18.32 m,平均水深10.32 m,蓄水量 3.2 ×108m3,湖水滯留期為834d。流域水系屬金沙江水系,西北部的海河是湖泊的唯一出水通道。邛海已被四川省列為飲用水保護(hù)區(qū)、自然保護(hù)區(qū)和風(fēng)景名勝區(qū),2002年被列為國家級風(fēng)景名勝區(qū)。近年來,隨著湖岸旅游餐飲娛樂業(yè)、工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,向邛海里面直接排放的生活污水、工業(yè)廢水、人工網(wǎng)箱養(yǎng)魚污質(zhì)不斷增加,水土流失造成邛海泥沙淤積,湖面縮小,庫容量降低,湖水交換速率變慢 (正常狀況邛海水交換周期為 2.3年),水體自凈能力減弱,使得邛海水質(zhì)不斷地惡化。

本文收集了 2006年 1月到 2006年 12月每月 5號(hào)之前在監(jiān)測點(diǎn)青龍寺、西昌市第二水廠取水口處、邛海公園、海河口的靠近岸邊 150m處采樣數(shù)據(jù)資料的 5個(gè)參數(shù)作為評價(jià)因子,即構(gòu)成評價(jià)因素集 X=[葉綠素 a,總磷,總氮,高錳酸鹽,透明度]。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的方法對其進(jìn)行分析。由于水體污染程度本身也是一個(gè)模糊概念,所以評價(jià)污染程度的分級標(biāo)準(zhǔn)也具有模糊的特征,本文采用金相燦在 1995年出版的《中國湖泊環(huán)境》中湖泊營養(yǎng)化評價(jià)參數(shù)及分級標(biāo)準(zhǔn),將湖泊富營養(yǎng)化分為 5級,建立評價(jià)集 Y=[極貧營養(yǎng)化,貧營養(yǎng),中營養(yǎng),輕富營養(yǎng),重富營養(yǎng)]。

2.1 計(jì)算各因子的隸屬度,構(gòu)建模糊矩陣 R

計(jì)算數(shù)據(jù)由 2006年 1月到 2006年 12月每月 5號(hào)之前在監(jiān)測點(diǎn)青龍寺、西昌市第二水廠取水口處、邛海公園、海河口的靠近岸邊 150m處采樣得到,如表2。

表2 邛海 2006年 1月～12月監(jiān)測數(shù)據(jù)全年平均值[8]Tab.2 The annual average ofmonitored indexes ofQionghaiLake water in 2006

2.2 構(gòu)建評價(jià)的模糊矩陣 R

將表 2的數(shù)據(jù)帶入公式(1)、(2)則得到 4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處評價(jià)模糊矩陣如下：

2.3 計(jì)算評價(jià)因子的權(quán)重

將表2邛海的4個(gè)地方各個(gè)評價(jià)因子的實(shí)測值代入(4)式和(5)式得到的各級評價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)計(jì)算結(jié)果：

上式中 a11、a12、a13、a14、a15分別代表極貧營養(yǎng)、貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、輕富營養(yǎng)、重富營養(yǎng)的權(quán)重系數(shù)。

則有：

上式中：A11,A12,A13,A14,A15分別代表極貧營養(yǎng)、貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、輕富營養(yǎng)、重富營養(yǎng)的歸一化權(quán)重。

2.4 計(jì)算評價(jià)集B

則：

同理可得：

3 結(jié)果與分析

(1)評價(jià)結(jié)果

根據(jù)以上結(jié)果邛海青龍寺極貧營養(yǎng)隸屬度為0.076,貧營養(yǎng)隸屬度為 0.535,中營養(yǎng)隸屬度為0.187,輕富營養(yǎng)隸屬度為 0.032,重富營養(yǎng)隸屬度為 0。根據(jù)最大隸屬度原則,則邛海青龍寺水質(zhì)為貧營養(yǎng)。同理得到邛海二水廠出水質(zhì)為輕富營養(yǎng),邛海公園處水質(zhì)為貧營養(yǎng),海河口為輕富營養(yǎng)。

(2)原因分析

邛海位于流域斷陷盆地中心區(qū),地勢東、南、北三面高,西北低,是各種污染物最終匯集區(qū),是造成邛海水體富營養(yǎng)化的根本原因。其污染源導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化有下面幾個(gè)方面。①生活污染。生活污染是邛海目前危害最大的污染源,是導(dǎo)致邛海TN、TP營養(yǎng)元素增加的主要原因。首先,生活垃圾不合理堆放,雨季污水隨地表徑流進(jìn)入邛海。其次,邛海周邊的一些大型酒店、度假村、農(nóng)家樂等大小餐飲業(yè)迅速發(fā)展,產(chǎn)生大量生活污水,由于污水處理率低,處理程度不高,或有的污水未經(jīng)處理直接排入邛海。污染源大多集中在邛海西岸,邛海沿岸較大的 26個(gè)排污口中,22個(gè)位于西岸,這也是海河口取水點(diǎn)富營養(yǎng)化水平較高其他取水點(diǎn)的原因。②土壤侵蝕。邛海流域?yàn)樗亮魇?yán)重的地區(qū),在降雨期土地受到強(qiáng)列沖刷,上游的官壩河、鵝掌河、青河、干溝河沖入大量的土壤泥沙到邛海,土壤中的有機(jī)物也隨之進(jìn)入邛海。③農(nóng)業(yè)污染。邛海上游的西效鄉(xiāng)、大箐鄉(xiāng)、海南鄉(xiāng)、大興鄉(xiāng)、川興鄉(xiāng)、高枧鄉(xiāng)等都是以農(nóng)業(yè)為主,而農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的農(nóng)藥化肥未在土壤中分解完就隨地表徑流進(jìn)入邛海,從而適成水體富營養(yǎng)化水平的增高。

(3)水質(zhì)保護(hù)措施

采用法律或行政法規(guī)等強(qiáng)制性手段,控制污染物排放;綜合治理水土流失,合理利用土地資源,減輕環(huán)境壓力;加強(qiáng)西昌城區(qū)“三廢”整治;依靠科技,建立行之有效的監(jiān)測體系;充分依靠地方高校的生物、化學(xué)科技人才,發(fā)揮他們的積極性與聰明才智,對西昌邛海水質(zhì)作長期、有效的監(jiān)測與分析;應(yīng)加大力度控制野生生物 (紫莖澤蘭)對海域附近生物的入侵,作好生物安全防治工作,以改善西昌邛海區(qū)域環(huán)境,保護(hù)邛海;加強(qiáng)對候鳥的跟蹤與疾病防治工作;采取措施規(guī)范旅游業(yè),使旅游業(yè)造成的污染控制在水系的自凈能力范圍內(nèi)。具體的措施如下：①嚴(yán)格實(shí)施邛海管網(wǎng)排污工程。目前在環(huán)邛海湖周現(xiàn)有大賓館已建排污管網(wǎng),各海濱村、農(nóng)家樂住宿和餐飲應(yīng)建立與大賓館相通的支管排污管網(wǎng),各管網(wǎng)污水集中在污水處理廠進(jìn)行處理達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后才準(zhǔn)許排放;部分分散的住宿和餐飲設(shè)施無法聯(lián)通污水管網(wǎng)必須采用活性污泥法、生物塘法等處理污水方法,水質(zhì)達(dá)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)才準(zhǔn)許排放。沿湖環(huán)保部門應(yīng)建立水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng),按有關(guān)規(guī)定嚴(yán)格執(zhí)行。②在邛海涵養(yǎng)保護(hù)區(qū)內(nèi)積極開展泥石流、水土流失的機(jī)理研究,采取合理措施進(jìn)行水土保持,防止大量營養(yǎng)物隨其進(jìn)入湖泊,遏制水體富營養(yǎng)化趨勢。③禁止沿湖的果園、農(nóng)田施用難降減和高殘毒的有機(jī)農(nóng)藥,特別是邛海南岸農(nóng)田和東岸上游坡墾地農(nóng)田農(nóng)藥隨降雨產(chǎn)生的地面徑流污染一定要控制好。④利用生物方法治理水體富營養(yǎng)化。

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