水體富營養化的評價及調控

【摘要】本文首先對水體富營養化問題進行分析，選取評價因子（高錳酸鹽指數、總磷、總氮、葉綠素a）采用模糊綜合評價的方法隨機抽取國內一條湖泊，對其水體富營養化程度進行評價。評價結果為重富營養化且所占比重達到43.76%。根據評價結果采用兩種調控措施（去氮、除藻），并對實施后的水體再次進行評價。雖然評價結果仍為重富營養化，但所占比重下降幅度較大，說明采用該類措施有效可行。

【關鍵詞】水體富營養化 成對比較 模糊綜合評價法

中圖分類號： X824 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（b）-0000-00

當水體中氮、磷等營養物質過量時，就會出現富營養化的情況，這時水中某些藻類和水生植物會異常增殖，致使水質變壞等，嚴重破壞了水生生態系統。水體富營養化一般發生在水體流動性不高且水體更新時間較長的水域。而這種水體現象在我國很嚴重。淡水水域中，大部分的湖泊及水庫都出現過富營養化（也被稱作為“水華”），而“赤潮”（就是海域的水體富營養化）也不容樂觀。20世紀以前，只有少數海域發生過赤潮；而進入21世紀后，除去個別海域（比如：南海）還好，剩下的其他海域都經常爆發大面積的赤潮。而這種現象現在還在往更頻繁、更大面積、更惡劣的趨勢發展[1]。

目前，世界上大多數發達國家都對水體富營養化的問題引起了很大的重視，很多的權威專家對此問題都進行了比較全面系統的研究。而本文主要就采用王維[2]的方法之一模糊綜合評價法進行評價，進而采取相應措施進行調控降低水體富營養化程度。

1. 問題重述

水體富營養化在全世界都很普遍。而現在，隨著世界的發展，人口數量增長迅速，生態環境也終將會受到更大的影響。伴隨著水生生態環境被破壞，人類的生活質量將受到影響，人類的身體也將會受到危害。而我國是一個多湖泊、水庫以及海域的國家，對于水體富營養化的問題尤為重要，為此，有必要對水體富營養化的問題設計合理的指標體系，建立模型進行分析，并提出可行有效的建議。

2. 水體富營養化的問題分析

2.1水體富營養化的成因分析

水體富營養化是由于水體中含有的氮、磷等可利用的營養物質較多，導致藻類繁殖泛濫而造成的。根據研究發現：氮、磷等營養物質的來源比較繁瑣，所以水體富營養化的形成伴隨著很多的因素，自然因素算一個，人為因素也算一個[1]。

2.1.1 自然因素

除了營養物質之外 ，還有一些自然因素也會促使水體出現富營養化問題，比如：水體的深度、流速及氣候環境等因素。

水體深度越淺，透光性會越好，溫度就越適宜，含氧量也越高，同時滿足了藻類生長、繁殖所需的陽光、氧氣以及溫度要求；水體流速越慢，營養物也就更容易囤積在水底，而營養物質的大量沉積是很難恢復的；水體的地質環境也對增加水體富營養化有影響。如我國的巢湖[3]，蘊藏著豐富的磷灰石資源，所以巢湖的磷含量很高，容易導致富營養化。適宜的氣候條件也具有易富營養化的性質，適宜的溫度和光照條件，會使藻類的繁殖速度增加。典型的就有巢湖[3]。

2.1.2 人為因素

在促成水體出現富營養化問題中，人為因素占據著主導地位。

人為因素旨在人們在日常生活中向水體排入了大量的含氮、磷等營養物質，如工農業廢水、有機垃圾和化肥等，超過了引發水體富營養化的底線。另外，還有人為的改變了水體的地理特征，如建造大壩、水閘等，會對水體的更新速度造成影響，致使其富營養可能性越高。

2.2水體富營養化的負面影響[4]

水體富營養化有許多負面影響。比如，水體富營養化會導致藻類過度繁殖，影響水質，降低水體感官度；其次，水體富營養化會影響水體中的溶解氧含量，并會使水體中產生有毒物質，對人體和生物帶來危害，也會影響供水水質增加制水成本；最后，水體富營養化還會破壞水生生物的穩定性和多樣性，導致生態失衡。

2.3水體富營養化評價因子的選取

目前水體富營養化的判斷標準[5]：葉綠素a含量超過10 μg/L，生化需氧量每升超過1Omg，氮含量每升大于0.2～0. 3mg，磷含量每升超過0.O1～0.02mg，pH值7～9的淡水中細菌總數每毫升超過10萬個。所以，我們可以選取評價因子如下：

1） .葉綠素a

水體如果出現富營養化狀態，那就表明水體中藻類繁殖過快，數量過多了。所以，可以根據藻類的數量和生物的密度來判斷水體營養化水平。而各類藻類中均含有葉綠素a，所以葉綠素a可以用來作為評價水體富營養化的指標。

2） 高錳酸鹽指數

由于光合作用的原因，營養化的水體會產生有機體，導致耗氧量增高，所以在反映水體需氧量時，我們通常選用高錳酸鹽指數作為指標。

3） 總氮

過量的氮存在會使藻類異常繁殖，從而消耗大量的溶解氧，造成水生生物死亡，水體也會發臭。所以我們把總氮含量列為考察的指標之一。

4） 總磷

導致湖泊富營養化的直接原因是因為水體營養物質含量超標，而“磷”就是湖泊營養化的限制因子，因此，控制磷的含量已經成為當前治理水體富營養化的首選措施之一。

3.水體富營養化的評價

為了簡化問題，我們首先做一些假設：1、收集的數據都是進行了全面的考察和測評后得出的準確值；2、所選湖泊所在地區在兩次測評時間內沒有發生特大的對水體環境損害嚴重的事，如化學污染、洪澇災害、地震、水生生物成群死亡等；3、湖泊中水生生物流動性不大，沒有其它河流海域的水生生物遷徙到該湖泊；4、不考慮數據庫以外的指標的影響。

水體富營養化的評價方法有很多，本文介紹的是一中常用的方法模糊綜合評價方法。

3.1 模糊綜合評價法滿足的原則[2]

將模糊綜合評價理論應用在評價水體的時候，應當遵從最大隸屬原則和加權平均法。

（1）最大隸屬原則：假定模糊評價結果向量為。如果存在，則說明該評價結果隸屬于第r級，這就是最大隸屬度原則。當然，在某些情況下會出現不合理的結果，所以在求隸屬等級時還常常要使用加權平均法。

（2）加權平均法：表示權與其對應因素隸屬度的乘積反映出的隸屬情況，如式①所示。

①

式中：為指標的權。

3.2 模糊綜合評價方法的一般步驟[5]

1） 給出造成水體富營養化的指標集合和水體營養化程度的評價集合：

指標集合：

評價集合：

2） 建立模糊評估矩陣

，

其中，，，，表示第個指標對應的第種評價的可能性。

3） 分配指標權重，計算權屬分配向量：

，且

4） 利用模糊運算將和合成得到模糊綜合評價結果向量：

5） 對進行歸一化處理得到

6） 根據最大隸屬度進行評價

3.3 模糊評價矩陣的建立

從我國隨機抽取一個湖泊，水體檢測專家集中檢測。

1） 給出造成水體富營養化的關鍵指標：高錳酸鹽指數，總磷，總氮，葉綠素a，指標選取參考 《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）（見表1）；同時確定評價等級。

指標集合={高錳酸鹽，總磷，總氮，葉綠素a}，

評價集合={貧營養，中營養，中富營養，富營養，重富營養}。

表1 湖泊水庫特定項目標準值

營養化

指標

貧營養

中營養

中富營養

富營養

重富營養

高錳酸鹽指數

2.0

4.0

6.0

10.0

15.0

總磷

0.01

0.025

0.05

0.10

0.20

總氮

0.20

0.50

1.00

1.50

2.00

葉綠素a

0.001

0.004

0.010

0.030

0.065

2） 根據表1以及水體富營養化中各指標的影響分析，建立模糊評價矩陣：

3） 確定指標模糊權向量：

由于各因素有著不同的作用，會導致“權重”不一樣，這樣最后得出的評價也不會不同，因此可以用層次分析法對4個指標建立成對比較矩陣來計算指標權重，盡可能的提高其準確度。

① 建立成對比較矩陣：（根據1-9尺度構建）

② 利用矩陣的和法運算求最大特征根；特征向量：

③ 為了使成對比較矩陣特征向量能作為較準確的權向量，我們有必要對其進行一致性檢驗：

計算其一致性指標：

計算其一致性比率：

其中隨機一致性指標【6】RI的數值見下表

n

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

RI

0

0

0.58

0.90

1.12

1.24

1.32

1.41

1.45

1.51

矩陣A通過一致性檢驗，這說明將特征向量作為權向量是可行的。那么導致水體富營養化的影響因素的權重為：高錳酸鹽指數0.2268、總磷0.2354、總氮0.1977、葉綠素a 0.3401，即權重集合：

4） 將和合成得到結果，即，再運用matlab軟件編程，可求出：

5） 分析模糊綜合評價的結果：

從向量中可以看出該湖泊貧營養所占比例為2.85%、中營養所占比例為6.54%、中富營養所占比例為14.44%，富營養所占比例為32.43%，重富營養所占比例為43.74%，由最大隸屬原則我們認為該湖泊水體富營養化程度為重富。因此該湖泊有必要進行水體富營養化的調控與治理。

4.水體富營養化的調控

根據王淑芳[7]提出過的防治措施，我們可以針對水體富營養化的成因采取以下措施，嘗試改善水體富營養化的程度：

①可以控制營養物質的排放；②借助水生生物吸收氮、磷元素；③引排污染源和實施截污工程；④采用工程性措施（注水稀釋、底泥疏浚、機械除藻等）；⑤利用凝聚沉降和用化學藥劑等化學方法除藻。

重定指標權重并建立模糊矩陣，判斷措施有效性：

（1） 措施中①②③以及④當中的底泥疏浚、注水稀釋等工程性措施，旨在去除水中氮、磷等有機物的含量（假定水體中氮、磷含量各減少25%），重建成對比較矩陣：

對成對比較矩陣并進行一致性檢驗：

a.

b.

c. 通過一致性檢驗

故而可得權重集合為

模糊矩陣變為：

求模糊評價向量

依然是重富營養，但相比原來的43.73%，已經降低了7.26%，說明采用這類措施進行調控是可行的。

（2） 措施⑤以及④中機械除藻等旨在除去水體中的藻類（假定除去藻類50%），則重建成對比較矩陣：

對成對比較矩陣并進行一致性檢驗：

a.

b.

c. 通過一致性檢驗

故而可得權重集合為

模糊矩陣變為：

求模糊評價向量。

還是為重富營養，但使其重富程度降低了6.34%，這又說明除藻類措施也是可行的。重富程度總共降低了13.7%，這充分證實了調控措施非常有效。

5.結束語

水體富營養化的程度過高不僅會破壞水生生態環境，同時還會破壞人類的生存環境，而全世界多數水域都已經出現了嚴重的富營養化問題，所以對富營養化的水體進行干預、調控已是全世界面臨的重大問題之一。

模糊性數學的發展主流在其應用方面[8]。它不僅在環境研究上有了重大成果，在教育、醫學、氣象、農業、生物等等還有很多其他方面都有著不同的成果。

【參考文獻】

[1]高愛環.水體富營養化的成因、危害及防治措施[J].廣東肇慶學院學報，2005，10.

[2]王 維，蘇文利，高 興. 水體富營養化評價方法及其應用[J]. 天津市水利勘測設計院，2012.

[3]韓小勇，孫璞.對巢湖水體富營養化成因研究的探討[J].安徽省水文局，2009.

[4]周志華、徐學良.水體富營養化形成機制及其防治措施的研究[J].吉林水文水資源勘測局，2005.1.

[5]姚瑤、劉月、鄧琴、羅世超，基于模糊評價法對腦卒中高危人群的預警和干預[J].《商業現代化》，2012.9.

[6]雷瑤、沈芳、楊川.樂山市新型農村合作醫療保險制度的運行效果評價[J].科技創新與應用雜志，2012.11.8.

[7]王淑芳.水體富營養化及其防治[J].北京師范大學環境學院，2005.12.

[8]趙家林.模糊數學在現實中的應用[J].數學學習與研究（教研版），2008.11.