基于模糊數學的漢源湖水體富營養(yǎng)化綜合評價

何 俊

(雅安市漢源生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，四川 雅安 625300)

漢源湖為西南地區(qū)最大人工湖，位于大渡河干流漢源段，是大渡河流域梯級水電站第17級電站——瀑布溝水電站主庫區(qū)。大渡河是長江上游的二級支流，岷江最大的支流，隨著近年來社會經濟的快速發(fā)展，流域水環(huán)境質量面臨巨大壓力，特別是湖庫富營養(yǎng)化趨勢加劇[1-2]。水質狀況為水環(huán)境保護和環(huán)境治理提供依據，因此，科學評價漢源湖富營養(yǎng)化狀況對推進大渡河流域重要湖泊保護，筑牢長江上游生態(tài)屏障具有重要意義。

目前，我國湖泊富營養(yǎng)化評價主要采用營養(yǎng)狀態(tài)綜合指數法[3-4]、評分法[5]、模糊數學法[6-9]、灰色評價法[3]等。其中，模糊數學評價法是在富營養(yǎng)化評價中引入模糊性概念，運用模糊數學方法來處理水體營養(yǎng)等級和營養(yǎng)狀態(tài)分級界限模糊性問題[8]。該方法通過函數關系把各水質指標濃度轉化為水質優(yōu)劣程度的質量值，克服了其他水質富營養(yǎng)化評價法中人為清晰化的不足，對湖泊富營養(yǎng)化評價更具科學性和合理性[6]。因此，本文采用模糊數學評價法對漢源湖富營養(yǎng)化程度進行綜合評判，并與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法進行比較，以期為大渡河流域湖泊水環(huán)境保護和環(huán)境治理提供依據。

1 構建模糊數學評價法模型

1.1 確定評價因素集和評價集

設影響水體富營養(yǎng)化狀態(tài)的因素為xij(i=1，2，3，…n)，由這n個因素構成評價因素集合為X= {x1，x2，…，xn}。根據金相燦等[10]《中國湖泊環(huán)境》中富營養(yǎng)化狀態(tài)指標與水質參數的關系，參考國內部分湖泊水庫評價標準，即極貧營養(yǎng)、貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、輕富營養(yǎng)、重富營養(yǎng)，評價因子及分級標準見表1。設最終可能得出的評價結果為yij(i=1，2，3，4，5)，構成評價集合Y= {y1，y2，y3，y4，y5}。

表1 湖泊富營養(yǎng)化評價參數及分級標準

1.2 構造隸屬函數

在模糊評價法中，構造合理的隸屬函數對描述模糊性非常重要[6]。本文根據吳琳娜[3]和嚴云等[6]湖泊模糊評價法中各評價指標值和評價標準，構造各單項指標對各評價等級的隸屬度函數。對于評價因子中葉綠素a(Chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(IMn)4項濃度越小越優(yōu)型評價指標，其隸屬度函數采用下列線性函數表示：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

對于越大越優(yōu)型評價指標—透明度(SD)，構建如下隸屬度函數：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

上式中，uij為影響水體富營養(yǎng)化的評價因子i對j級富營養(yǎng)化的隸屬度，Ci為評價因子i的監(jiān)測濃度值，Sij為評價因子i的第j級富營養(yǎng)化的分級標準。

1.3 建立模糊關系矩陣

將各評價因子的實測值和富營養(yǎng)化分級標準分別帶入公式(1)-(10)，可求得單因素模糊關系矩陣U：

1.4 確定評價因子的權重向量

本文采用文獻[3, 6, 11]中的加權計算權重法，該方法計算權重的一般公式為：

(11)

式中：Ri為第i個因子的權重，Ci評價因子i的監(jiān)測濃度值，Si=(Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ)/5，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ為評價因子i的各級評價標準值。

1.5 模糊綜合評價模型

單因子模糊評價不能反映出所有因子的綜合影響[6]，因此，水體富營養(yǎng)化的綜合評價主要通過權重向量R與模糊關系矩陣U進行合成算子運算來完成，模糊綜合評價模型為：

(12)

式中：“?！北硎灸：P系矩陣合成算子，B中結果必須歸一化，即：

(13)

2 漢源湖水質監(jiān)測

2.1 漢源湖概況

2009年，漢源湖因瀑布溝水電站下閘蓄水正式形成，地跨漢源、石棉、甘洛三縣境區(qū)，控制流域面積6.85×104km2，其多年平均流量1230 m3/s，年徑流量388×108m3。正常蓄水位850.00 m時，干流水庫回水至石棉縣城南椏河與大渡河匯口處，庫長為72 km，支流流沙河回水至漢源縣唐家鎮(zhèn)，庫長12 km。壩前最高壅水高度173 m，水庫面積84 km2，相比較天然水面增大約6倍，總庫容53.9×108m3，為原來河槽水體體積的80多倍，其中調洪庫容10.5×108m3，調節(jié)庫容38.8×108m3，為不完全年調節(jié)水庫，并且每年水體交換量達到7次以上。庫面寬度表現為庫首及庫尾狹窄，而庫中段逐漸變寬，平均寬約500～800 m。水庫進行不完全年調節(jié)時，水位在死水位(790 m)～正常蓄水位(850 m)之間運行，水位變幅60 m。

2.2 水質監(jiān)測斷面

為盡可能綜合全面評價漢源湖富營養(yǎng)化狀況，按照漢源湖水體的流動方向并結合均勻布點原則，在湖泊范圍內布設三星村、青富、流沙河入口、大樹大橋、白巖河入口、三谷莊、黑馬營地共7個水質監(jiān)測斷面，各監(jiān)測斷面布點圖見圖1。

圖1 漢源湖水質富營養(yǎng)化綜合評價監(jiān)測斷面布點圖

2.3 監(jiān)測因子及方法

根據金相燦等[10]《中國湖泊環(huán)境》和中國環(huán)境監(jiān)測總站《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價方法及分級技術規(guī)定》(總站生字[2001]090 號)中富營養(yǎng)化狀態(tài)指標與水質參數的關系，本次監(jiān)測因子主要選取葉綠素a(chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(IMn)共5項水體富營養(yǎng)化評價常用指標，監(jiān)測分析方法見表2。

表2 各指標監(jiān)測方法來源

2.4 監(jiān)測結果

2021年1—12月期間，每月10日前對7個監(jiān)測斷面按照HJ/T 91-2002《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》[12]開展采樣監(jiān)測，并統(tǒng)計各監(jiān)測斷面年均值進行評價，監(jiān)測結果見表3。

表3 漢源湖2021年水質監(jiān)測年均值

3 漢源湖富營養(yǎng)化綜合評價

3.1 模糊評價法

3.1.1 計算模糊關系矩陣

將表3各監(jiān)測斷面年均值數據代入公式(1)-(10)，計算出各監(jiān)測斷面模糊關系矩陣：

3.1.2 計算評價因子的權重

將表3中各監(jiān)測斷面年均值數據帶入公式(11)計算出各評價因子的權重，見表4。

表4 漢源湖2021年各監(jiān)測斷面評價因子權重

3.1.3 模糊綜合評價

將模糊關系矩陣和評價因子權重代入公式(12)進行模糊矩陣合成運算，運算結果歸一化處理后得出各監(jiān)測斷面水體富營養(yǎng)化模糊綜合評判結果，見表5。

表5 漢源湖2021年各監(jiān)測斷面模糊綜合評價結果

由表5可知，經過模糊綜合評價計算，按照最大隸屬度原則確定湖泊富營養(yǎng)化等級，漢源湖7個監(jiān)測斷面水體富營養(yǎng)狀態(tài)均屬于中營養(yǎng)水平。其中，黑馬營地監(jiān)測斷面的中營養(yǎng)和輕富營養(yǎng)隸屬度值僅相差 0.005，表明該斷面趨于輕富營養(yǎng)水平。綜上可見，模糊評價法通過隸屬度值能更直觀的表征相關評價水體趨于富營養(yǎng)化相應等級的程度。

3.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法(TLI)

相較于模糊評價法主要通過隸屬度值表征相關評價水體趨于富營養(yǎng)化相應等級的程度，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法主要以葉綠素a(chla)為基準參數，將各評價指標按相關性加權計算，分級評價水體富營養(yǎng)化狀態(tài)。根據王明翠等[4]研究結果，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數公式為：

(13)

上式中，TLI(∑)表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數，TLI(j)代表第j種參數的營養(yǎng)狀態(tài)指數，Wj為第j種參數的營養(yǎng)狀態(tài)指數的相關權重。

以chla作為基準參數，則第j種參數的歸一化的相關權重計算公式為：

(14)

表6 我國湖泊部分參數與chla的相關關系rij及數值表[10]

表7 綜合營養(yǎng)指數評價等級表[4]

各指標營養(yǎng)狀態(tài)計算公式為：

(15)

將表3各監(jiān)測斷面年均值數據代入公式(13)-(15)，計算出各監(jiān)測斷面各指標分指數及綜合營養(yǎng)指數，見表8。

表8 漢源湖2021年各監(jiān)測斷面指標分指數及綜合營養(yǎng)指數

由表8可知，通過綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法評價，漢源湖7個監(jiān)測斷面均屬于中營養(yǎng)水平，與模糊評價法結果一致。其中，三星村、青富和三谷莊等3個斷面的總氮和透明度兩項指標對綜合營養(yǎng)指數貢獻最大，可能是該三個斷面所處回水彎區(qū)，水流流速緩慢，且附近輸入性農業(yè)面源較多所致。流沙河入口、大樹大橋、白巖河入口和黑馬營地等4個斷面的總磷和透明度兩項指標對綜合營養(yǎng)指數貢獻最大，主要原因可能是流沙河接納上游九襄鎮(zhèn)片區(qū)約12萬人口生活污水，白巖河上游為漢源萬里工業(yè)園區(qū)，而黑馬營地斷面位于甘洛縣阿茲覺鄉(xiāng)附近，該鄉(xiāng)污水處理設施較滯后，斷面指標主要受生活污水排放影響。

4 結論

本文通過對漢源湖7個監(jiān)測斷面進行模糊綜合評價，并與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法評價結果進行比較?？梢缘贸鲆韵陆Y論：

(1)漢源湖7個監(jiān)測斷面均屬于中營養(yǎng)水平，其中，黑馬營地監(jiān)測斷面的中營養(yǎng)和輕富營養(yǎng)隸屬度值僅相差 0.005，表明該斷面趨于輕富營養(yǎng)水平。

(2)模糊評價法與綜合狀態(tài)營養(yǎng)指數法評價結果一致。模糊評價法通過隸屬度值能更直觀的表征相關評價水體趨于富營養(yǎng)化相應等級的程度。

(3)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數法評價結果表明，三星村、青富和三谷莊等3個斷面的總氮和透明度兩項指標對綜合營養(yǎng)指數貢獻最大。流沙河入口、大樹大橋、白巖河入口和黑馬營地等4個斷面的總磷和透明度兩項指標對綜合營養(yǎng)指數貢獻最大。因此，當地政府應加強漢源湖周邊生活污水和工業(yè)廢水收集處理，嚴控農業(yè)面源輸入性污染，防止水體富營養(yǎng)化程度加劇。