5種綜合方法在湖泊富營養(yǎng)化評價中的對比研究

付江鳳，張代青，程乖梅，馬 森，張 惠，陳藝菁

(昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

湖泊是淡水資源的重要載體，具有調(diào)節(jié)河川徑流、防洪減災(zāi)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、蓄水灌溉、旅游、調(diào)節(jié)氣候和維護生物多樣性等多項生態(tài)服務(wù)功能[1]。湖泊與人類的生產(chǎn)及生活密切相關(guān)，我國湖泊眾多且分布廣泛，但許多湖泊均出現(xiàn)不同程度的富營養(yǎng)化。這將將導(dǎo)致湖泊水質(zhì)惡化、水體使用功能降低，生態(tài)服務(wù)功能減弱，直接威脅區(qū)域供水安全及社會經(jīng)濟發(fā)展。因此，客觀有效評價湖泊富營養(yǎng)化并合理開發(fā)利用湖泊水資源，對人類社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。據(jù)生態(tài)環(huán)境部統(tǒng)計，2020年營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測的110個重要湖泊中，貧營養(yǎng)狀態(tài)湖泊占9.1%，中營養(yǎng)狀態(tài)占61.8%，輕度富營養(yǎng)狀態(tài)占23.6%，中度富營養(yǎng)狀態(tài)占4.5%，重度富營養(yǎng)狀態(tài)占0.9%。湖泊富營養(yǎng)化問題一直是我國政府和社會關(guān)注的重點，尋找合適的評價方法，準(zhǔn)確評價我國湖泊富營養(yǎng)化，科學(xué)防治我國湖泊富營養(yǎng)化，有效保護我國湖泊及其資源，具有理論意義和實際價值。

1 湖泊富營養(yǎng)化評價

1.1 湖泊富營養(yǎng)化

湖泊富營養(yǎng)化是指大量營養(yǎng)鹽進入湖泊，水體中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)增加，給水生生物，尤其是藻類的繁殖提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；這導(dǎo)致浮游藻類大量繁殖，湖泊逐步由生產(chǎn)力水平較低的貧營養(yǎng)狀態(tài)向生產(chǎn)力較高的富營養(yǎng)狀態(tài)變化的現(xiàn)象。湖泊富營養(yǎng)化是一個復(fù)雜的過程，氮磷營養(yǎng)鹽的富集是主要因素，當(dāng)湖泊中氮磷濃度持續(xù)不斷增高時，湖泊就會發(fā)生富營養(yǎng)化。但是，當(dāng)湖泊中營養(yǎng)鹽的含量超過一定數(shù)量后，營養(yǎng)鹽條件不再是湖泊富營養(yǎng)化的限制性因子，光照、氣溫、水溫等其他的自然影響因素會起著關(guān)鍵的作用[2]。

自然界湖泊有著其自身發(fā)展的進程。然而，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類活動影響的加劇，大量未經(jīng)處理的工業(yè)廢水和生活污水肆意排放及化肥農(nóng)藥的過度使用；從而導(dǎo)致流入湖泊的營養(yǎng)物質(zhì)逐漸增加，水域中的營養(yǎng)物濃度越來越大。湖泊的生物生產(chǎn)力逐漸增大，生物量逐漸增多，湖泊就會由貧營養(yǎng)向富營養(yǎng)狀態(tài)演變，最終導(dǎo)致湖泊產(chǎn)生不同程度的富營養(yǎng)化。

1.2 湖泊富營養(yǎng)化評價

湖泊富營養(yǎng)化評價就是通過能夠反映湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的系列指標(biāo)與評價標(biāo)準(zhǔn)，選擇適合評價方法，對湖泊的富營養(yǎng)化程度做出合理評定。關(guān)于湖泊富營養(yǎng)化評價，我國學(xué)者已開展了大量研究工作，其評價結(jié)果的差異主要體現(xiàn)在使用評價方法的不同，常用的評價方法主要有卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[3]、修正的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[4]、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[4]、營養(yǎng)度指數(shù)法[5]和評分法[6]等。另外，還有加權(quán)優(yōu)序法、模糊分析法、灰色關(guān)聯(lián)法、主成分分析法、集對分析法、物元分析法、貝葉斯法及其他仿生算法等，也在湖泊富營養(yǎng)化評價中得到了一定的應(yīng)用，并取得了許多有價值的研究成果。如，胡著邦等[7]的研究成果證明了模糊評價法在湖泊水體富營養(yǎng)化評價中具有較好的適用性；謝駿[8]通過實例說明了灰色聚類法在確定湖泊富營養(yǎng)化評價指標(biāo)權(quán)重時，更為全面；王軍等[9]提出主成分分析法與模糊綜合評價方法結(jié)合的綜合評價方法，開發(fā)了湖泊富營養(yǎng)化評價系統(tǒng)；高軍省[10]應(yīng)用集對分析方法建立了湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)評價的五元聯(lián)系數(shù)模型；馮玉國[11]以湖泊富營養(yǎng)化級別、評價指標(biāo)及其量值作為物元，根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，通過計算綜合關(guān)聯(lián)度判定湖泊富營養(yǎng)化級別；鄔敏等[12]應(yīng)用兩個實例對貝葉斯方法在富營養(yǎng)化評價中的有效性進行了驗證；韓濤等[13]應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對我國9個湖泊富營養(yǎng)化程度進行評價；劉曉輝等[14]結(jié)合層次分析法和湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評價的TSIc建立了湖泊富營養(yǎng)化評價的綜合評價模型，取得了合理的評價成果；鄒長武等[15]驗證了進化蟻群算法應(yīng)用于湖泊富營養(yǎng)化評價是可行的；陳娟等[16]利用支持向量分類機算法，構(gòu)建湖泊富營養(yǎng)化評價模型并應(yīng)用具體實例，表明支持向量分類機能客觀、有效評價湖泊富營養(yǎng)化，該方法計算簡潔快速，有較好的泛化性能。總結(jié)這些研究成果可知，我國湖泊富營養(yǎng)化評價研究主要是總結(jié)、分析和比較不同評價方法，以提出新興評價方法并選擇最適合的評價方法，客觀、準(zhǔn)確、有效地評價湖泊的不同富營養(yǎng)化程度，為合理開發(fā)和有效保護湖泊資源提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)支持。

目前，日趨嚴(yán)重的湖泊富營養(yǎng)化問題已不同程度地制約了社會經(jīng)濟的發(fā)展。因此，探討合理、有效、科學(xué)的湖泊富營養(yǎng)化評價方法，對湖泊富營養(yǎng)化程度做出準(zhǔn)確評價，及時全面準(zhǔn)確掌握湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)，能夠為湖泊富營養(yǎng)化防治工作提供技術(shù)方法和科學(xué)依據(jù)。

2 湖泊富營養(yǎng)化綜合評價方法

湖泊富營養(yǎng)化評價中存在較多不確定信息；同時，不同方法在評價指標(biāo)的選擇、營養(yǎng)狀態(tài)級別的劃分及評價指標(biāo)權(quán)重的分配上均存在不同程度的差異。因此，不同評價方法的評價結(jié)果一般都不相同，通常是綜合性較強的評價方法，評價結(jié)果也較準(zhǔn)確。在湖泊富營養(yǎng)化評價中，常用的綜合評價方法主要有加權(quán)優(yōu)序法、模糊分析法、灰色關(guān)聯(lián)法、主成分分析法和集對分析法等。這些方法的評價原理及步驟如下。

2.1 加權(quán)優(yōu)序法

2.1.1 評價原理

加權(quán)優(yōu)序法[17-18]相對計算過程較為簡單。其基本原理是將評價標(biāo)準(zhǔn)和各評價樣本作為一個整體，計算各項指標(biāo)的優(yōu)序數(shù)，根據(jù)各項指標(biāo)的權(quán)重(可采用比值權(quán)重或?qū)＜以u分法確定)計算出加權(quán)優(yōu)序數(shù)，對加權(quán)優(yōu)序數(shù)進行排序，再根據(jù)各樣本的加權(quán)優(yōu)序數(shù)的排序，以此確定各評價樣本的等級。

2.1.2 評價步驟

(1)確定各項指標(biāo)的權(quán)重w=(w1，w2，w3，…，wm)，m為指標(biāo)的個數(shù)。

(2)確定各樣本中不同評價指標(biāo)的優(yōu)序數(shù)，計算公式為

(1)

(2)

式中，aik為樣本i在k項指標(biāo)的優(yōu)序數(shù)；aijk為第i個樣本與第j個樣本在k項指標(biāo)相比較所得的優(yōu)序數(shù)；fik為樣本i的第k項指標(biāo)的實測值；fjk為樣本j的第k項指標(biāo)的實測值。

(3)計算每個樣本的加權(quán)優(yōu)序數(shù)，即

(3)

式中，Pi為第i個樣本的加權(quán)優(yōu)序數(shù)；wk為第k項指標(biāo)的權(quán)重值。

(4)對加權(quán)優(yōu)序數(shù)進行排序。

(5)根據(jù)(4)中評價樣本的加權(quán)優(yōu)序數(shù)排序確定湖泊對應(yīng)的富營養(yǎng)化狀態(tài)。

2.2 模糊綜合評價法

(1)評價原理。模糊綜合評價法[19-21]是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評價方法，該方法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事務(wù)做出總體評價，具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強的特點，能夠較好地解決模糊難以量化的問題。

(2)評價步驟：①確定各指標(biāo)權(quán)重值w=(w1，w2，w3，…，wm)；②對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化；③計算隸屬函數(shù)[20]；④根據(jù)最大隸屬度原則確定評價樣本的等級B(B=w·A)，A為評價樣本對評價等級的隸屬度。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)評價法

2.3.1 評價原理

灰色關(guān)聯(lián)分析[22-23]的本質(zhì)是分析比較曲線幾何形狀間的關(guān)系，認(rèn)為因素間幾何形狀越相似，其關(guān)聯(lián)程度就越大，發(fā)展變化趨勢也越接近。在進行湖泊富營養(yǎng)化評價時，以評價樣本的各項指標(biāo)實測值為參考，標(biāo)準(zhǔn)樣本各級指標(biāo)值為比較系列，通過計算評價樣本各指標(biāo)的實測值與各級標(biāo)準(zhǔn)樣本之間的關(guān)聯(lián)度，根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度確定水質(zhì)的級別。

2.3.2 評價步驟

(1)數(shù)據(jù)的無量綱處理。

(2)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

δst(k)=(Δmin+ρΔmax)/(Δst(k)+ρΔmax)

(4)

式中，Δst(k)=|xt(k)-xs(k)|，xt、xs分別為評價樣本值和標(biāo)準(zhǔn)樣本值，|xt(k)-xs(k)|表示xt與xs在k點上的絕對差；Δmin=minmin|xt(k)-xs(k)|為兩級最小差；Δmax=maxmax|xt(k)-xs(k)|為兩級最大差；ρ為分辨系數(shù)，通常取0.5。

(3)計算關(guān)聯(lián)度

(5)

式中，wj為指標(biāo)權(quán)重集。

(4)根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度確定評價樣本水質(zhì)等級。

2.4 主成分分析評價法

2.4.1 評價原理

主成分分析[24-25]也稱為主分量分析方法。該方法通過對原始變量的信息進行提取，形成一組新的綜合變量，稱新構(gòu)成的綜合變量為主成分(它是原始變量的線性組合)。該方法特點是將多個相關(guān)指標(biāo)變換成少數(shù)幾個彼此獨立的成分，通過降維的方式進行綜合分析。

3.1 目前分離器的現(xiàn)狀是上、下層分離器擋板中部分或大部分擋板由于擋板調(diào)節(jié)軸與其套筒銹死后粘結(jié)，調(diào)整擋板時套筒隨之一起轉(zhuǎn)動，因此導(dǎo)致分離器擋板無法固定，為固定分離器擋板，電廠將這部分擋板調(diào)整至豎直位置（全開狀態(tài)）后，在調(diào)節(jié)軸套筒外焊接鋼筋條，然后將鋼筋條焊接在護欄上，從而固定分離器擋板。

2.4.2 評價步驟

(1)數(shù)據(jù)進行正向化和標(biāo)準(zhǔn)化處理：正向化保證了變量在解釋方向上保持一致，標(biāo)準(zhǔn)化處理目的是為了去除指標(biāo)間的不同量綱的影響。

(2)計算相關(guān)系數(shù)矩陣A及矩陣A的特征值(可采用統(tǒng)計分析軟件SPSS進行計算)。

(3)計算特征值的方差貢獻率及累積貢獻率

(6)

式中，P為方差貢獻率；λi為主成分對應(yīng)的特征值。

(4)根據(jù)特征值方差貢獻率選定主成分個數(shù)k(確定主成分個數(shù)時有一些判斷標(biāo)準(zhǔn)：選取特征根大于1且發(fā)生數(shù)值突變的成分，累計方差貢獻百分比達80%～85%。

Fi=a1iX1+a2iX2+…+amiXm

(7)

式中，F(xiàn)i為第i個主成分；Xm為m指標(biāo)的實測值；ami為第i個主成分中第m項指標(biāo)對應(yīng)的荷載值。

(6)計算綜合評價函數(shù)，確定湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)，計算公式為

(8)

2.5 集對分析評價法

(1)評價原理。集對分析[26-28]是趙克勤在1989年提出的一種新的系統(tǒng)分析方法。其基本原理是將兩個討論的集合具有的特性作同異反分析，得到這兩個集合在討論問題背景下的同異反聯(lián)系度表達式，將集對的兩個集合的不確定關(guān)系用聯(lián)系度來描述。即

(9)

式中，upq為集合p與q的聯(lián)系度；N為集合特性的總個數(shù)；S、F、P分別為集合p、q同一性、差異性和對立性個數(shù)。

(2)評價步驟：①確定評價指標(biāo)及評價標(biāo)準(zhǔn)。②確定評價樣本與各級標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度表達式。應(yīng)用到湖泊富營養(yǎng)化評價時，認(rèn)為某個指標(biāo)實測值的評價結(jié)果與同級范圍視為同，與相臨等級范圍視為異，與相隔等級視為對立。③確定差異度系數(shù)i的取值[29]。④將差異度系數(shù)i與對立度系數(shù)j(取-1)帶入聯(lián)系度表達式，計算得到聯(lián)系數(shù)。⑤根據(jù)④中計算結(jié)果，對湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)做出綜合評價。

3 案例應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)來源

我國湖泊分為5個自然分布區(qū)域：東部平原地區(qū)湖泊、蒙新高原地區(qū)湖泊、云貴高原地區(qū)湖泊、青藏高原地區(qū)湖泊和東北平原地區(qū)與山區(qū)湖泊。根據(jù)我國湖泊富營養(yǎng)化程度、分布情況、重要程度，選取我國24個重要湖泊進行富營養(yǎng)化評價，根據(jù)相關(guān)研究成果，選取葉綠素a(Chl-a)、總磷(TP)、總氮(TN)、高猛酸鹽指數(shù)(CODMn)、透明度(SD)5項指標(biāo)作為湖泊富營養(yǎng)化評價指標(biāo)。本文選取我國24個湖泊的5項指標(biāo)實測值作為評價數(shù)據(jù)[30]，見表1。

表1 我國24個湖泊評價指標(biāo)實測值

3.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

本文研究我國24個湖泊富營養(yǎng)化程度，所以引用了我國湖泊富營養(yǎng)化評價標(biāo)準(zhǔn)，如表2[31]所示。

表2 我國湖泊富營養(yǎng)化評價標(biāo)準(zhǔn)

3.3 評價結(jié)果

根據(jù)上述5種綜合方法的評價原理及步驟，應(yīng)用該5種綜合評價方法對我國24個湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)進行評價，得到評價結(jié)果如表3。為方便比較，表3中同時列出綜合評分指數(shù)法[30]的評價結(jié)果。

表3 我國24個湖泊在5種綜合評價方法下的富營養(yǎng)化狀態(tài)評價結(jié)果

4 分析與討論

(1)湖泊富營養(yǎng)化狀況。從評價結(jié)果來看，24個湖泊均有不同程度的富營養(yǎng)化。加權(quán)優(yōu)序法評價結(jié)果顯示(見圖1)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級水質(zhì)的比例分別為12.5%、12.5%、37.5%，Ⅵ級富營養(yǎng)化的湖泊比例最高；模糊綜合評價法與灰色關(guān)聯(lián)分析法評價結(jié)果中，Ⅵ級富營養(yǎng)化的湖泊比例一樣，均為25%，Ⅴ級富營養(yǎng)化中，模糊綜合評價法比例占41.67%，灰色關(guān)聯(lián)分析法占29.17%，兩者相差較大；主成分分析法、集對分析法與綜合評分指數(shù)法評價結(jié)果差異較小，3種方法的Ⅵ級富營養(yǎng)化湖泊比例、主成分分析法與綜合評分指數(shù)法Ⅴ級湖泊比例均為33.3%，集對分析法與綜合評分指數(shù)法Ⅳ級富營養(yǎng)化湖泊的比例均為16.67%，主成分分析法與綜合評分指數(shù)法的評價結(jié)果較為相近；該24個湖泊的水質(zhì)中富營養(yǎng)化與超富營養(yǎng)化湖泊所占比例較大，已超過50%，因此采取湖泊富營養(yǎng)化治理方案及其重要。

圖1 5種評價方法的湖泊富營養(yǎng)化類型比例

(2)與前人研究成果對比。為便于分析，本文與綜合評分指數(shù)法(舒金華)[31]的評價結(jié)果進行對比。由表4可知，主成分分析法的評價結(jié)果與綜合評分指數(shù)法相同比例最高，為87.5%，模糊綜合評價法的評價結(jié)果相同比例最低，為70.8%。所有評價方法的評價結(jié)果不同時，其差異性全為1個等級。

表4 與綜合評分指數(shù)法對比分析

(3)評價方法對比分析。通過5種評價方法的案例應(yīng)用可知：加權(quán)優(yōu)序法在指標(biāo)權(quán)重確定時較為全面，既考慮了各指標(biāo)的平均污染程度，又考慮了極個別指標(biāo)最大污染值，評價單個樣本時計算較為簡便，但評價樣本數(shù)量較多時計算較為復(fù)雜；模糊綜合評價法和灰色關(guān)聯(lián)評價法能夠客觀簡便地對湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)做出評價，但各項指標(biāo)的權(quán)重值對結(jié)果影響較大，因此如何提高指標(biāo)權(quán)重值的科學(xué)合理性尚需進一步深入研究；主成分分析法在保留原有信息的基礎(chǔ)上，將原來相互影響的多種指標(biāo)重新組合為較為獨立的綜合指標(biāo)，簡化分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過主成分分析法，不僅能對湖泊富營養(yǎng)化等級做出評價，還能比較同一等級下湖泊富營養(yǎng)化程度，具有降維、簡化數(shù)據(jù)的特點。但是該方法需要保證選取的主成分其方差貢獻率和特征值達到一個較高的水平，否則無法保證選取的主成分包含較大部分原有信息，主成分是原有信息的綜合，其含義較為籠統(tǒng)，不像原有信息代表的意義那樣清楚。集對分析評價法較為直觀簡單，可以將較為復(fù)雜問題簡單化，該方法從同、異、反三方面分析兩個集合之間的關(guān)系，把不確定性問題轉(zhuǎn)換成定量分析的數(shù)學(xué)運算，該法為湖泊富營養(yǎng)化評價問題提供了一種新的解決方法。運用集對分析評價法時，還需要考慮如何才能體現(xiàn)同一性和差異性的區(qū)別，即如何確定i的取值。由此可知，這5種綜合評價方法各有優(yōu)缺點。從本文評價結(jié)果看，主成分分析法的評價結(jié)果比較合理，應(yīng)用于我國湖泊富營養(yǎng)化評價比較適合。

(4)評價結(jié)果差異性分析。分析造成評價結(jié)果差異的原因，主要是指標(biāo)權(quán)重的確定以及對于單個因子的影響依賴程度；5種綜合評價方法均有局限性和側(cè)重點，因此在實際進行湖泊富營養(yǎng)化狀態(tài)評價工作時，應(yīng)因地制宜，確定主要污染物及來源，合理確定指標(biāo)權(quán)重，采取適宜的評價方法，才能全面了解湖泊富營養(yǎng)化程度。為防止以上24個湖泊富營養(yǎng)化程度進一步惡化，應(yīng)當(dāng)盡快采取防護治理措施。