模糊数学在西昌邛海富营养化评价中的应用

刘延美,刘守江,曾阳梅

(西华师范大学国土资源学院,四川南充 637002)

模糊数学方法自美国 1965年提出以来,已经有许多人将其成功地应用在水质评价中[1～6],但将该方法用于富营养化评价的研究在国内很少。邛海是四川省第二大淡水湖,距西昌市市中心 7km,卧于泸山东北麓,螺髻山北侧,是四川省十大风景名胜区之一。近年来,随着湖岸旅游餐饮娱乐业、工农业的发展,向邛海里面直接排放的生活污水、工业废水、人工网箱养鱼污质不断增加,导致水体不断恶化出现富营养化趋势。本文运用模糊数学的评价方法对邛海湖泊进行了评价,评价结果和实际情况大致相同。

1 模糊数学评价方法模型

1.1 确定评价因素集和备择集

设影响营养化状态的因素为 xi(i=1,2,3,…, n),由这 n个因素构成评判集合为 X={x1,x2,x3,…,xn}。根据湖泊营养化评价参数及分级标准[7],参照国内部分湖泊水库评价标准,将邛海水体富营养化评价标准分为 5个等级,即极贫营养、贫营养、中营养、轻富营养、重富营养,评价因子及分级标准见表 1,设最终可能得出的评价结果为 bi(i=1, 2,…,5),bi表示第 i级水体对于极贫营养状态水体的隶属程度,它构成评价备择集 B=[b1,b2,…,b5]。评价目标是在综合考虑所有富营养化影响因素 xi对水体作用的条件下,在备择集中寻求合理的评价结果,以确定水体营养状态。

1.2 建立隶属度函数

隶属度表示元素 x在其模糊集合 r的程度;也就是对模糊集合的判断是用元素对此集合从属程度的大小表达,这就使集合界线模糊不清无关紧要了。根据评价分级标准,通过取线性函数来确定各营养级别的隶属函数,对于影响因子如透明度、溶解氧,越大越优型评价指标的隶属度函数：

表1 湖泊营养化评价参数及分级标准Tab.1 Assessment indexes and grading standard of lake eutrophication

对于数值越小越优的评价因素 i,如叶绿素 a、总磷、总氮、高锰酸盐指数,其隶属度函数为：

1.3 确定评价因子的权重向量

由于各影响因子对水体富营养化的贡献程度不一样,所以它们的权重不一样。设置权重的方法有多种。本文采用最常用的方法,即超标计算权重法,设评判因素 X={x1,x2,…,xn}的权重向量为 a= [a1,a2,…,an],则：

(3),(4)式中：ai为影响因子 xi的权重;ci为 xi的实测质量浓度;sij为 xi的第 j级标准值;k为水体富营养化分级数。归一化权重系数构成权重系数矩阵A：

1.4 综合评价

单因子模糊评价只能反映出单个因子对评价对象的影响,并不能反映出所有因子的综合影响。因此必须考虑所有因子的影响,即综合评价,将模糊权重集A与单因素模糊评价矩阵 R复合。经过上述步骤分别求出A和 R后,综合评价模型：

记B=(b1,b2,…,bm),式 (6)中：○为模糊数学的运算符号;得评判结果B。评判结果B是备择集 Y上的模糊子集,b1m是第m个水体在 n个因子综合作用下对于极贫营养的隶属度。参照备择集 Y可对每个水体的富营养化程度作出评价,确定相应的营养等级。

2 应用实例

邛海位于四川省西昌市境内(东经 102°18′,北纬 27°49′),系四川省第一大天然淡水湖,为更新世早期形成的断陷湖,距今已有 200万年的历史。南北长10.3km,东西最宽处 5.6 km,平均湖宽 3.8 km,周长 37.2 km。按湖泊水位 1510.3 m计,湖泊面积为 27.87 km2,最大水深 18.32 m,平均水深10.32 m,蓄水量 3.2 ×108m3,湖水滞留期为834d。流域水系属金沙江水系,西北部的海河是湖泊的唯一出水通道。邛海已被四川省列为饮用水保护区、自然保护区和风景名胜区,2002年被列为国家级风景名胜区。近年来,随着湖岸旅游餐饮娱乐业、工农业的发展,向邛海里面直接排放的生活污水、工业废水、人工网箱养鱼污质不断增加,水土流失造成邛海泥沙淤积,湖面缩小,库容量降低,湖水交换速率变慢 (正常状况邛海水交换周期为 2.3年),水体自净能力减弱,使得邛海水质不断地恶化。

本文收集了 2006年 1月到 2006年 12月每月 5号之前在监测点青龙寺、西昌市第二水厂取水口处、邛海公园、海河口的靠近岸边 150m处采样数据资料的 5个参数作为评价因子,即构成评价因素集 X=[叶绿素 a,总磷,总氮,高锰酸盐,透明度]。运用模糊数学的方法对其进行分析。由于水体污染程度本身也是一个模糊概念,所以评价污染程度的分级标准也具有模糊的特征,本文采用金相灿在 1995年出版的《中国湖泊环境》中湖泊营养化评价参数及分级标准,将湖泊富营养化分为 5级,建立评价集 Y=[极贫营养化,贫营养,中营养,轻富营养,重富营养]。

2.1 计算各因子的隶属度,构建模糊矩阵 R

计算数据由 2006年 1月到 2006年 12月每月 5号之前在监测点青龙寺、西昌市第二水厂取水口处、邛海公园、海河口的靠近岸边 150m处采样得到,如表2。

表2 邛海 2006年 1月～12月监测数据全年平均值[8]Tab.2 The annual average ofmonitored indexes ofQionghaiLake water in 2006

2.2 构建评价的模糊矩阵 R

将表 2的数据带入公式(1)、(2)则得到 4个监测点处评价模糊矩阵如下：

2.3 计算评价因子的权重

将表2邛海的4个地方各个评价因子的实测值代入(4)式和(5)式得到的各级评价因子的权重系数计算结果：

上式中 a11、a12、a13、a14、a15分别代表极贫营养、贫营养、中营养、轻富营养、重富营养的权重系数。

则有：

上式中：A11,A12,A13,A14,A15分别代表极贫营养、贫营养、中营养、轻富营养、重富营养的归一化权重。

2.4 计算评价集B

则：

同理可得：

3 结果与分析

(1)评价结果

根据以上结果邛海青龙寺极贫营养隶属度为0.076,贫营养隶属度为 0.535,中营养隶属度为0.187,轻富营养隶属度为 0.032,重富营养隶属度为 0。根据最大隶属度原则,则邛海青龙寺水质为贫营养。同理得到邛海二水厂出水质为轻富营养,邛海公园处水质为贫营养,海河口为轻富营养。

(2)原因分析

邛海位于流域断陷盆地中心区,地势东、南、北三面高,西北低,是各种污染物最终汇集区,是造成邛海水体富营养化的根本原因。其污染源导致水体富营养化有下面几个方面。①生活污染。生活污染是邛海目前危害最大的污染源,是导致邛海TN、TP营养元素增加的主要原因。首先,生活垃圾不合理堆放,雨季污水随地表径流进入邛海。其次,邛海周边的一些大型酒店、度假村、农家乐等大小餐饮业迅速发展,产生大量生活污水,由于污水处理率低,处理程度不高,或有的污水未经处理直接排入邛海。污染源大多集中在邛海西岸,邛海沿岸较大的 26个排污口中,22个位于西岸,这也是海河口取水点富营养化水平较高其他取水点的原因。②土壤侵蚀。邛海流域为水土流失严重的地区,在降雨期土地受到强列冲刷,上游的官坝河、鹅掌河、青河、干沟河冲入大量的土壤泥沙到邛海,土壤中的有机物也随之进入邛海。③农业污染。邛海上游的西效乡、大箐乡、海南乡、大兴乡、川兴乡、高枧乡等都是以农业为主,而农业产生的农药化肥未在土壤中分解完就随地表径流进入邛海,从而适成水体富营养化水平的增高。

(3)水质保护措施

采用法律或行政法规等强制性手段,控制污染物排放;综合治理水土流失,合理利用土地资源,减轻环境压力;加强西昌城区“三废”整治;依靠科技,建立行之有效的监测体系;充分依靠地方高校的生物、化学科技人才,发挥他们的积极性与聪明才智,对西昌邛海水质作长期、有效的监测与分析;应加大力度控制野生生物 (紫茎泽兰)对海域附近生物的入侵,作好生物安全防治工作,以改善西昌邛海区域环境,保护邛海;加强对候鸟的跟踪与疾病防治工作;采取措施规范旅游业,使旅游业造成的污染控制在水系的自净能力范围内。具体的措施如下：①严格实施邛海管网排污工程。目前在环邛海湖周现有大宾馆已建排污管网,各海滨村、农家乐住宿和餐饮应建立与大宾馆相通的支管排污管网,各管网污水集中在污水处理厂进行处理达到排放标准后才准许排放;部分分散的住宿和餐饮设施无法联通污水管网必须采用活性污泥法、生物塘法等处理污水方法,水质达质量标准才准许排放。沿湖环保部门应建立水质监测系统,按有关规定严格执行。②在邛海涵养保护区内积极开展泥石流、水土流失的机理研究,采取合理措施进行水土保持,防止大量营养物随其进入湖泊,遏制水体富营养化趋势。③禁止沿湖的果园、农田施用难降减和高残毒的有机农药,特别是邛海南岸农田和东岸上游坡垦地农田农药随降雨产生的地面径流污染一定要控制好。④利用生物方法治理水体富营养化。

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