太原市迎澤湖富營(yíng)養(yǎng)化灰色關(guān)聯(lián)法分析

徐明德,李 璐,白金玲,徐寅杰

(太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,太原030024)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類活動(dòng)頻率的劇增使得城市湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化問題突出,尤其是在北方水源相對(duì)較少的地區(qū),由于缺少有效的自然補(bǔ)水,城市景觀湖更易出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化問題,從而嚴(yán)重影響了湖泊的景觀、休閑等功能的發(fā)揮。富營(yíng)養(yǎng)化成為當(dāng)前城市湖泊面臨的主要環(huán)境問題,富營(yíng)養(yǎng)化治理越來越受到人們的關(guān)注,而客觀地評(píng)價(jià)湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化水平尤為重要。早期較常用的評(píng)價(jià)方法有單因子評(píng)價(jià)法[1],其后逐步建立了營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)法[2]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[3]及灰色理論評(píng)價(jià)模型。其中較常用的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法有回歸分析、方差分析、主分量分析等。這些方法往往需求大量樣本及典型的樣本概率分布方可實(shí)現(xiàn)。在國(guó)內(nèi)外富營(yíng)養(yǎng)化研究中,灰色關(guān)聯(lián)法分析是水質(zhì)分析的一個(gè)新的發(fā)展方向。本文擬以太原市區(qū)迎澤湖為研究對(duì)象,選取5個(gè)典型指標(biāo),應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法探討湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問題。

1 迎澤湖水質(zhì)現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

迎澤湖為太原市區(qū)最大的人工景觀湖,位于太原市中心,其水源主要來自降雨和汾河二庫的定期補(bǔ)水,由南、北、中三部分組成,平均水深1.98 m,全湖面積22.23 hm2。

針對(duì)迎澤湖的結(jié)構(gòu)和定性的流場(chǎng)分析,在湖泊的5個(gè)不同區(qū)域(北湖進(jìn)水區(qū)、湖中區(qū)、南湖出水區(qū)、南湖背光區(qū)和北湖湖心島區(qū))各設(shè)1個(gè)取樣點(diǎn),分別記為,見圖 1。

圖1 迎澤湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及方法

基于影響湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素,選擇透明度(SD)、高錳酸鉀指數(shù)(CODMn)、總磷(TP)、總氮(TN)、葉綠素a(Chla)5個(gè)指標(biāo)來分析湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀況[4]。監(jiān)測(cè)方法參照文獻(xiàn)[5],見表1。

1.3 監(jiān)測(cè)時(shí)限及頻率

根據(jù)湖泊夏季水質(zhì)較差、易于發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的特點(diǎn),監(jiān)測(cè)時(shí)間選為6～11月,頻率為每5～10 d采樣1次。

表1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)方法[5]

2 灰色關(guān)聯(lián)分析基本步驟

灰色關(guān)聯(lián)分析采用灰色關(guān)聯(lián)度來量化系統(tǒng)內(nèi)各分析因素的相互聯(lián)系、相互影響與相互作用,它根據(jù)兩個(gè)因子參數(shù)序列構(gòu)成的空間曲線的接近程度判斷聯(lián)系的緊密程度,曲線越接近,相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度就越大,反之就越小。

2.1 數(shù)據(jù)無量綱化處理

以Y(k)(k=1,2,…,n)表示某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)第k個(gè)分析因子的監(jiān)測(cè)值;以Xi(k)(i=1,2,…,m;k=1,2,…,n)表示湖泊富營(yíng)養(yǎng)化i級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中k分析因子的標(biāo)準(zhǔn)值。

考慮到各參數(shù)量綱的不一致性,對(duì)實(shí)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行無量綱化處理。此處選用湖泊富營(yíng)養(yǎng)化分析標(biāo)準(zhǔn)中的某一等級(jí)作為參考標(biāo)準(zhǔn),記為C(k),則無量綱化處理計(jì)算公式如下。

無量綱化監(jiān)測(cè)值：

2.2 關(guān)聯(lián)系數(shù)的確定

以{y(k)}(k=1,2,…,n)及{x i(k)}(i=1,2,…,m;k=1,2,…,n)分別為參考數(shù)列和比較數(shù)列,利用基本灰色關(guān)聯(lián)分析模型計(jì)算兩者在第k點(diǎn)上的關(guān)聯(lián)系數(shù)[6]：

式中,ρ為分辨系數(shù),0≤ρ≤1,ρ值越大,分辨能力愈強(qiáng);此處僅為求得關(guān)聯(lián)系數(shù)的大小,故取ρ=0.5。

2.3 關(guān)聯(lián)度綜合指數(shù)的確定

關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算結(jié)果較多,信息分散,難于比較,因而采用灰色關(guān)聯(lián)度[7]進(jìn)行信息綜合,灰色關(guān)聯(lián)度綜合指數(shù)數(shù)學(xué)模型為：

式中：γ(y,x i)為參考數(shù)列與比較數(shù)列i的關(guān)聯(lián)度綜合指數(shù)。

若參考數(shù)列{y(k)}與比較數(shù)列{x i(k)}滿足：

則數(shù)列{y(k)}與比較數(shù)列{x i(k)}關(guān)聯(lián)性最好,湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度確定為i*級(jí)最為合適[8]。

3 迎澤湖富營(yíng)養(yǎng)化灰色關(guān)聯(lián)分析

3.1 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)氣候、水質(zhì)要求等實(shí)際情況,參照中國(guó)水庫富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)分與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),確定出迎澤湖的富營(yíng)養(yǎng)化分析標(biāo)準(zhǔn)[9],見表 2。

表2 迎澤湖富營(yíng)養(yǎng)化分析標(biāo)準(zhǔn) mg/L

3.2 灰色關(guān)聯(lián)分析

按上述方法對(duì)迎澤湖的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分月進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化分析。鑒于篇幅考慮,僅以8月份P1點(diǎn)監(jiān)測(cè)濃度變化值計(jì)算為例,其中n=5,m=6。計(jì)算步驟如下：

1)確定樣本矩陣與標(biāo)準(zhǔn)矩陣。

樣本矩陣：

標(biāo)準(zhǔn)矩陣：

3)關(guān)聯(lián)度綜合指數(shù)計(jì)算。

按式(3),計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度綜合指數(shù)：

關(guān)聯(lián)系數(shù)

關(guān)聯(lián)度綜合指數(shù)：

則最大關(guān)聯(lián)度γ*=0.838 5,即知8月份P1點(diǎn)富營(yíng)養(yǎng)化級(jí)別為4級(jí)(中-富營(yíng)養(yǎng)化)。同理可得5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)期的水質(zhì)關(guān)聯(lián)度綜合指數(shù),結(jié)果見表3。

3.3 結(jié)果分析

1)由表 3知,全湖營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)在6、7、11月份較輕,8、9、10月份較嚴(yán)重。主要原因在于,在 6、7月份,迎澤湖水溫逐漸升高,水體處富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生初期 ,為中-富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài);夏季 8、9、10 月份,迎澤湖水溫變化范圍為24.6～28.9℃,非常適合于藻類的生長(zhǎng),水體溶解氧量下降,水質(zhì)漸惡化,整個(gè)湖體處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。到了秋季11月份,水溫明顯下降,最高水溫為8.6℃,已不適應(yīng)藻類的生長(zhǎng),富營(yíng)養(yǎng)化程度逐漸減輕,為中-富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。

2)從空間角度來分析,P5所在湖區(qū)富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)較其他區(qū)嚴(yán)重,P3、P4所在湖區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)較輕。P5所代表的北湖湖心島區(qū)湖面開闊,湖面乘船的游客較多,存在游客向湖中隨意丟棄雜物現(xiàn)象,再加上此湖區(qū)光照充足,為藻類生長(zhǎng)提供了適宜條件。另外,附近湖心島上設(shè)有茶座等休閑設(shè)施,產(chǎn)生的污水常未經(jīng)處理直接排入湖中,使該湖區(qū)水體氮、磷濃度升高,富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象嚴(yán)重。P 3所代表的南湖出水區(qū)靠近南岸,夏季樹蔭充足,湖面采光量少,而且客流量較少,垃圾等污染物對(duì)水體影響較少,使得該湖區(qū)營(yíng)養(yǎng)化程度較輕。P4所在的南湖背光區(qū)光照較不足,而且此處湖面狹窄,風(fēng)生流流場(chǎng)速度大,污染物降級(jí)速度較快,水體自凈能力較強(qiáng),從而富營(yíng)養(yǎng)化程度最輕。

表3 迎澤湖5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)期的關(guān)聯(lián)度綜合指數(shù)γ(y,xi)

3)由于補(bǔ)水有限,并且補(bǔ)水水質(zhì)較差,常有被污染的地表徑流流入湖泊,污染水體。

4 結(jié)論

1)在湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化分析中,灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)數(shù)據(jù)的多少和有無規(guī)律的適應(yīng)性增強(qiáng),不會(huì)出現(xiàn)量化結(jié)果和定性分析結(jié)果不相符的情況;并且能將不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)和不同水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)程度表現(xiàn)出來,在保障分析結(jié)果合理性的基礎(chǔ)上,灰色關(guān)聯(lián)分析法更加簡(jiǎn)便實(shí)用。

2)基于迎澤湖本身的特征,應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行湖泊富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià),結(jié)果表明,全湖處于中-富營(yíng)養(yǎng)、富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài);通過水體營(yíng)養(yǎng)程度空間分布和時(shí)間分布的差異分析,可知在空間上污染由重至輕的順序分別為：北湖湖心島區(qū)域、北湖進(jìn)水口區(qū)域、湖中區(qū)、南湖出水口區(qū)域、南湖背光區(qū)域,在時(shí)間上污染由重至輕排序?yàn)?月、10月、8月、11月、6月、7月。主要受來水水質(zhì)、光照、風(fēng)生流及湖泊周圍污染物及廢水的影響。

3)防治迎澤湖富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵是控制湖泊生態(tài)系統(tǒng)中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽和其他污染物的濃度,抑制藻類生長(zhǎng)。這就要求改善補(bǔ)水條件,保證迎澤湖有充足水源;加強(qiáng)管理,防治生活?yuàn)蕵肺鬯畞y排及游客隨意丟棄垃圾等現(xiàn)象;在一定時(shí)期內(nèi),還可使用物理、化學(xué)方法對(duì)藻類生長(zhǎng)進(jìn)行人工控制。維持湖泊水生態(tài)平衡,以真正實(shí)現(xiàn)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的控制。

[1] 蔡慶華.湖泊富營(yíng)養(yǎng)化綜合評(píng)價(jià)方法[J].湖泊科學(xué),1997,9(1)：89-94.

[2] 李靜,魏世強(qiáng),張晟,等.重慶市都市圈大中型水庫富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀及評(píng)價(jià)[J].重慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,22(1)：43-46.

[3] 龐清江,李白英.東平湖水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)[J].水資源保護(hù),2003(5)：42-44.

[4] 荊紅衛(wèi),華蕾,孫成華,等.北京城市湖泊富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)與分析[J].湖泊科學(xué),2008,20(3)：357-363.

[5] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析法[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[6] 鄧聚龍.灰色系統(tǒng)理論教程[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社,1990.

[7] 王紅瑞,閆五玖.環(huán)境質(zhì)量的模糊綜合評(píng)判-灰色關(guān)聯(lián)分析復(fù)合模型及實(shí)例分析[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1997,20(4)：39-43.

[8] 鄧聚龍.灰色系統(tǒng)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1985.

[9] 莊晶,張志杰,孫鳳杰.阜新市八座水庫營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的模糊綜合評(píng)價(jià)[J].遼寧城鄉(xiāng)環(huán)境科技,2004,24(6)：48-50.