模糊數學在西昌邛海富營養化評價中的應用

劉延美,劉守江,曾陽梅

(西華師范大學國土資源學院,四川南充 637002)

模糊數學方法自美國 1965年提出以來,已經有許多人將其成功地應用在水質評價中[1～6],但將該方法用于富營養化評價的研究在國內很少。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,是四川省十大風景名勝區之一。近年來,隨著湖岸旅游餐飲娛樂業、工農業的發展,向邛海里面直接排放的生活污水、工業廢水、人工網箱養魚污質不斷增加,導致水體不斷惡化出現富營養化趨勢。本文運用模糊數學的評價方法對邛海湖泊進行了評價,評價結果和實際情況大致相同。

1 模糊數學評價方法模型

1.1 確定評價因素集和備擇集

設影響營養化狀態的因素為 xi(i=1,2,3,…, n),由這 n個因素構成評判集合為 X={x1,x2,x3,…,xn}。根據湖泊營養化評價參數及分級標準[7],參照國內部分湖泊水庫評價標準,將邛海水體富營養化評價標準分為 5個等級,即極貧營養、貧營養、中營養、輕富營養、重富營養,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 bi(i=1, 2,…,5),bi表示第 i級水體對于極貧營養狀態水體的隸屬程度,它構成評價備擇集 B=[b1,b2,…,b5]。評價目標是在綜合考慮所有富營養化影響因素 xi對水體作用的條件下,在備擇集中尋求合理的評價結果,以確定水體營養狀態。

1.2 建立隸屬度函數

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,這就使集合界線模糊不清無關緊要了。根據評價分級標準,通過取線性函數來確定各營養級別的隸屬函數,對于影響因子如透明度、溶解氧,越大越優型評價指標的隸屬度函數：

表1 湖泊營養化評價參數及分級標準Tab.1 Assessment indexes and grading standard of lake eutrophication

對于數值越小越優的評價因素 i,如葉綠素 a、總磷、總氮、高錳酸鹽指數,其隸屬度函數為：

1.3 確定評價因子的權重向量

由于各影響因子對水體富營養化的貢獻程度不一樣,所以它們的權重不一樣。設置權重的方法有多種。本文采用最常用的方法,即超標計算權重法,設評判因素 X={x1,x2,…,xn}的權重向量為 a= [a1,a2,…,an],則：

(3),(4)式中：ai為影響因子 xi的權重;ci為 xi的實測質量濃度;sij為 xi的第 j級標準值;k為水體富營養化分級數。歸一化權重系數構成權重系數矩陣A：

1.4 綜合評價

單因子模糊評價只能反映出單個因子對評價對象的影響,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,將模糊權重集A與單因素模糊評價矩陣 R復合。經過上述步驟分別求出A和 R后,綜合評價模型：

記B=(b1,b2,…,bm),式 (6)中：○為模糊數學的運算符號;得評判結果B。評判結果B是備擇集 Y上的模糊子集,b1m是第m個水體在 n個因子綜合作用下對于極貧營養的隸屬度。參照備擇集 Y可對每個水體的富營養化程度作出評價,確定相應的營養等級。

2 應用實例

邛海位于四川省西昌市境內(東經 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,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區、自然保護區和風景名勝區,2002年被列為國家級風景名勝區。近年來,隨著湖岸旅游餐飲娛樂業、工農業的發展,向邛海里面直接排放的生活污水、工業廢水、人工網箱養魚污質不斷增加,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,使得邛海水質不斷地惡化。

本文收集了 2006年 1月到 2006年 12月每月 5號之前在監測點青龍寺、西昌市第二水廠取水口處、邛海公園、海河口的靠近岸邊 150m處采樣數據資料的 5個參數作為評價因子,即構成評價因素集 X=[葉綠素 a,總磷,總氮,高錳酸鹽,透明度]。運用模糊數學的方法對其進行分析。由于水體污染程度本身也是一個模糊概念,所以評價污染程度的分級標準也具有模糊的特征,本文采用金相燦在 1995年出版的《中國湖泊環境》中湖泊營養化評價參數及分級標準,將湖泊富營養化分為 5級,建立評價集 Y=[極貧營養化,貧營養,中營養,輕富營養,重富營養]。

2.1 計算各因子的隸屬度,構建模糊矩陣 R

計算數據由 2006年 1月到 2006年 12月每月 5號之前在監測點青龍寺、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月監測數據全年平均值[8]Tab.2 The annual average ofmonitored indexes ofQionghaiLake water in 2006

2.2 構建評價的模糊矩陣 R

將表 2的數據帶入公式(1)、(2)則得到 4個監測點處評價模糊矩陣如下：

2.3 計算評價因子的權重

將表2邛海的4個地方各個評價因子的實測值代入(4)式和(5)式得到的各級評價因子的權重系數計算結果：

上式中 a11、a12、a13、a14、a15分別代表極貧營養、貧營養、中營養、輕富營養、重富營養的權重系數。

則有：

上式中：A11,A12,A13,A14,A15分別代表極貧營養、貧營養、中營養、輕富營養、重富營養的歸一化權重。

2.4 計算評價集B

則：

同理可得：

3 結果與分析

(1)評價結果

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

(2)原因分析

邛海位于流域斷陷盆地中心區,地勢東、南、北三面高,西北低,是各種污染物最終匯集區,是造成邛海水體富營養化的根本原因。其污染源導致水體富營養化有下面幾個方面。①生活污染。生活污染是邛海目前危害最大的污染源,是導致邛海TN、TP營養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入邛海。其次,邛海周邊的一些大型酒店、度假村、農家樂等大小餐飲業迅速發展,產生大量生活污水,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個排污口中,22個位于西岸,這也是海河口取水點富營養化水平較高其他取水點的原因。②土壤侵蝕。邛海流域為水土流失嚴重的地區,在降雨期土地受到強列沖刷,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,土壤中的有機物也隨之進入邛海。③農業污染。邛海上游的西效鄉、大箐鄉、海南鄉、大興鄉、川興鄉、高枧鄉等都是以農業為主,而農業產生的農藥化肥未在土壤中分解完就隨地表徑流進入邛海,從而適成水體富營養化水平的增高。

(3)水質保護措施

采用法律或行政法規等強制性手段,控制污染物排放;綜合治理水土流失,合理利用土地資源,減輕環境壓力;加強西昌城區“三廢”整治;依靠科技,建立行之有效的監測體系;充分依靠地方高校的生物、化學科技人才,發揮他們的積極性與聰明才智,對西昌邛海水質作長期、有效的監測與分析;應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,以改善西昌邛海區域環境,保護邛海;加強對候鳥的跟蹤與疾病防治工作;采取措施規范旅游業,使旅游業造成的污染控制在水系的自凈能力范圍內。具體的措施如下：①嚴格實施邛海管網排污工程。目前在環邛海湖周現有大賓館已建排污管網,各海濱村、農家樂住宿和餐飲應建立與大賓館相通的支管排污管網,各管網污水集中在污水處理廠進行處理達到排放標準后才準許排放;部分分散的住宿和餐飲設施無法聯通污水管網必須采用活性污泥法、生物塘法等處理污水方法,水質達質量標準才準許排放。沿湖環保部門應建立水質監測系統,按有關規定嚴格執行。②在邛海涵養保護區內積極開展泥石流、水土流失的機理研究,采取合理措施進行水土保持,防止大量營養物隨其進入湖泊,遏制水體富營養化趨勢。③禁止沿湖的果園、農田施用難降減和高殘毒的有機農藥,特別是邛海南岸農田和東岸上游坡墾地農田農藥隨降雨產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化。

[1] 劉春鳳,瞿瑞彩 .基于模糊數學的水質分析[J].天津大學學報(自然科學與工程技術版),2002,36(1)：72-73.

[2] 劉華祥,李永華 .東湖富營養化的模糊評價研究[J].水資源保護,2006,22(3)：28-46.

[3] 張炳文,韓曉濱,楊 茂,等 .模糊綜合指數法在呼和浩特市地面水環境質量綜合評價中的應用[J].干旱區資源與環境, 1996,10(3)：87-92.

[4] 付雁鵬.模糊數學在水質評價中的應用[M].武漢：華中工學院出版社,1986.65-773.

[5] 勞期團 .模糊數學方法在水庫水質綜合判別中的應用[J].環境科學學報,1989,9(3)：55-66.

[6] 杜 耘,陳 萍,KIEKOS,等 .洪湖水環境現狀及主導因子分析[J].長江流域資源與環境,2005,14(4)：87-91.

[7] 金相燦.中國湖泊環境[M].北京：海洋出版社,1995.277-278.

[8] 梁 劍.邛海富營養化狀態評價初探[J].四川環境,2009, 28(3)：33-36.