【摘要】本文首先對水體富營養(yǎng)化問題進(jìn)行分析，選取評價(jià)因子（高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮、葉綠素a）采用模糊綜合評價(jià)的方法隨機(jī)抽取國內(nèi)一條湖泊，對其水體富營養(yǎng)化程度進(jìn)行評價(jià)。評價(jià)結(jié)果為重富營養(yǎng)化且所占比重達(dá)到43.76%。根據(jù)評價(jià)結(jié)果采用兩種調(diào)控措施（去氮、除藻），并對實(shí)施后的水體再次進(jìn)行評價(jià)。雖然評價(jià)結(jié)果仍為重富營養(yǎng)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(guān)鍵詞】水體富營養(yǎng)化 成對比較 模糊綜合評價(jià)法

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

當(dāng)水體中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)過量時(shí)，就會出現(xiàn)富營養(yǎng)化的情況，這時(shí)水中某些藻類和水生植物會異常增殖，致使水質(zhì)變壞等，嚴(yán)重破壞了水生生態(tài)系統(tǒng)。水體富營養(yǎng)化一般發(fā)生在水體流動性不高且水體更新時(shí)間較長的水域。而這種水體現(xiàn)象在我國很嚴(yán)重。淡水水域中，大部分的湖泊及水庫都出現(xiàn)過富營養(yǎng)化（也被稱作為“水華”），而“赤潮”（就是海域的水體富營養(yǎng)化）也不容樂觀。20世紀(jì)以前，只有少數(shù)海域發(fā)生過赤潮；而進(jìn)入21世紀(jì)后，除去個(gè)別海域（比如：南海）還好，剩下的其他海域都經(jīng)常爆發(fā)大面積的赤潮。而這種現(xiàn)象現(xiàn)在還在往更頻繁、更大面積、更惡劣的趨勢發(fā)展[1]。

目前，世界上大多數(shù)發(fā)達(dá)國家都對水體富營養(yǎng)化的問題引起了很大的重視，很多的權(quán)威專家對此問題都進(jìn)行了比較全面系統(tǒng)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(jià)法進(jìn)行評價(jià)，進(jìn)而采取相應(yīng)措施進(jìn)行調(diào)控降低水體富營養(yǎng)化程度。

1. 問題重述

水體富營養(yǎng)化在全世界都很普遍。而現(xiàn)在，隨著世界的發(fā)展，人口數(shù)量增長迅速，生態(tài)環(huán)境也終將會受到更大的影響。伴隨著水生生態(tài)環(huán)境被破壞，人類的生活質(zhì)量將受到影響，人類的身體也將會受到危害。而我國是一個(gè)多湖泊、水庫以及海域的國家，對于水體富營養(yǎng)化的問題尤為重要，為此，有必要對水體富營養(yǎng)化的問題設(shè)計(jì)合理的指標(biāo)體系，建立模型進(jìn)行分析，并提出可行有效的建議。

2. 水體富營養(yǎng)化的問題分析

2.1水體富營養(yǎng)化的成因分析

水體富營養(yǎng)化是由于水體中含有的氮、磷等可利用的營養(yǎng)物質(zhì)較多，導(dǎo)致藻類繁殖泛濫而造成的。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)：氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的來源比較繁瑣，所以水體富營養(yǎng)化的形成伴隨著很多的因素，自然因素算一個(gè)，人為因素也算一個(gè)[1]。

2.1.1 自然因素

除了營養(yǎng)物質(zhì)之外 ，還有一些自然因素也會促使水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化問題，比如：水體的深度、流速及氣候環(huán)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(shí)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(yǎng)物也就更容易囤積在水底，而營養(yǎng)物質(zhì)的大量沉積是很難恢復(fù)的；水體的地質(zhì)環(huán)境也對增加水體富營養(yǎng)化有影響。如我國的巢湖[3]，蘊(yùn)藏著豐富的磷灰石資源，所以巢湖的磷含量很高，容易導(dǎo)致富營養(yǎng)化。適宜的氣候條件也具有易富營養(yǎng)化的性質(zhì)，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(xiàn)富營養(yǎng)化問題中，人為因素占據(jù)著主導(dǎo)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(yǎng)物質(zhì)，如工農(nóng)業(yè)廢水、有機(jī)垃圾和化肥等，超過了引發(fā)水體富營養(yǎng)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(yǎng)可能性越高。

2.2水體富營養(yǎng)化的負(fù)面影響[4]

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

2.3水體富營養(yǎng)化評價(jià)因子的選取

目前水體富營養(yǎng)化的判斷標(biāo)準(zhǔn)[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(xì)菌總數(shù)每毫升超過10萬個(gè)。所以，我們可以選取評價(jià)因子如下：

1） .葉綠素a

水體如果出現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)，那就表明水體中藻類繁殖過快，數(shù)量過多了。所以，可以根據(jù)藻類的數(shù)量和生物的密度來判斷水體營養(yǎng)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(jià)水體富營養(yǎng)化的指標(biāo)。

2） 高錳酸鹽指數(shù)

由于光合作用的原因，營養(yǎng)化的水體會產(chǎn)生有機(jī)體，導(dǎo)致耗氧量增高，所以在反映水體需氧量時(shí)，我們通常選用高錳酸鹽指數(shù)作為指標(biāo)。

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(fā)臭。所以我們把總氮含量列為考察的指標(biāo)之一。

4） 總磷

導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化的直接原因是因?yàn)樗w營養(yǎng)物質(zhì)含量超標(biāo)，而“磷”就是湖泊營養(yǎng)化的限制因子，因此，控制磷的含量已經(jīng)成為當(dāng)前治理水體富營養(yǎng)化的首選措施之一。

3.水體富營養(yǎng)化的評價(jià)

為了簡化問題，我們首先做一些假設(shè)：1、收集的數(shù)據(jù)都是進(jìn)行了全面的考察和測評后得出的準(zhǔn)確值；2、所選湖泊所在地區(qū)在兩次測評時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)生特大的對水體環(huán)境損害嚴(yán)重的事，如化學(xué)污染、洪澇災(zāi)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(shù)據(jù)庫以外的指標(biāo)的影響。

水體富營養(yǎng)化的評價(jià)方法有很多，本文介紹的是一中常用的方法模糊綜合評價(jià)方法。

3.1 模糊綜合評價(jià)法滿足的原則[2]

將模糊綜合評價(jià)理論應(yīng)用在評價(jià)水體的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)遵從最大隸屬原則和加權(quán)平均法。

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

（2）加權(quán)平均法：表示權(quán)與其對應(yīng)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(biāo)的權(quán)。

3.2 模糊綜合評價(jià)方法的一般步驟[5]

1） 給出造成水體富營養(yǎng)化的指標(biāo)集合和水體營養(yǎng)化程度的評價(jià)集合：

指標(biāo)集合：

評價(jià)集合：

2） 建立模糊評估矩陣

，

其中，，，，表示第個(gè)指標(biāo)對應(yīng)的第種評價(jià)的可能性。

3） 分配指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算權(quán)屬分配向量：

，且

4） 利用模糊運(yùn)算將和合成得到模糊綜合評價(jià)結(jié)果向量：

5） 對進(jìn)行歸一化處理得到

6） 根據(jù)最大隸屬度進(jìn)行評價(jià)

3.3 模糊評價(jià)矩陣的建立

從我國隨機(jī)抽取一個(gè)湖泊，水體檢測專家集中檢測。

1） 給出造成水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵指標(biāo)：高錳酸鹽指數(shù)，總磷，總氮，葉綠素a，指標(biāo)選取參考 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）（見表1）；同時(shí)確定評價(jià)等級。

指標(biāo)集合={高錳酸鹽，總磷，總氮，葉綠素a}，

評價(jià)集合={貧營養(yǎng)，中營養(yǎng)，中富營養(yǎng)，富營養(yǎng)，重富營養(yǎng)}。

表1 湖泊水庫特定項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)值

營養(yǎng)化

指標(biāo)

貧營養(yǎng)

中營養(yǎng)

中富營養(yǎng)

富營養(yǎng)

重富營養(yǎng)

高錳酸鹽指數(shù)

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(jù)表1以及水體富營養(yǎng)化中各指標(biāo)的影響分析，建立模糊評價(jià)矩陣：

3） 確定指標(biāo)模糊權(quán)向量：

由于各因素有著不同的作用，會導(dǎo)致“權(quán)重”不一樣，這樣最后得出的評價(jià)也不會不同，因此可以用層次分析法對4個(gè)指標(biāo)建立成對比較矩陣來計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，盡可能的提高其準(zhǔn)確度。

① 建立成對比較矩陣：（根據(jù)1-9尺度構(gòu)建）

② 利用矩陣的和法運(yùn)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(zhǔn)確的權(quán)向量，我們有必要對其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

計(jì)算其一致性指標(biāo)：

計(jì)算其一致性比率：

其中隨機(jī)一致性指標(biāo)【6】RI的數(shù)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(yàn)，這說明將特征向量作為權(quán)向量是可行的。那么導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的影響因素的權(quán)重為：高錳酸鹽指數(shù)0.2268、總磷0.2354、總氮0.1977、葉綠素a 0.3401，即權(quán)重集合：

4） 將和合成得到結(jié)果，即，再運(yùn)用matlab軟件編程，可求出：

5） 分析模糊綜合評價(jià)的結(jié)果：

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

4.水體富營養(yǎng)化的調(diào)控

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

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

重定指標(biāo)權(quán)重并建立模糊矩陣，判斷措施有效性：

（1） 措施中①②③以及④當(dāng)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(jī)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(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

a.

b.

c. 通過一致性檢驗(yàn)

故而可得權(quán)重集合為

模糊矩陣變?yōu)椋?/p>

求模糊評價(jià)向量

依然是重富營養(yǎng)，但相比原來的43.73%，已經(jīng)降低了7.26%，說明采用這類措施進(jìn)行調(diào)控是可行的。

（2） 措施⑤以及④中機(jī)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(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

a.

b.

c. 通過一致性檢驗(yàn)

故而可得權(quán)重集合為

模糊矩陣變?yōu)椋?/p>

求模糊評價(jià)向量。

還是為重富營養(yǎng)，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(shí)了調(diào)控措施非常有效。

5.結(jié)束語

水體富營養(yǎng)化的程度過高不僅會破壞水生生態(tài)環(huán)境，同時(shí)還會破壞人類的生存環(huán)境，而全世界多數(shù)水域都已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的富營養(yǎng)化問題，所以對富營養(yǎng)化的水體進(jìn)行干預(yù)、調(diào)控已是全世界面臨的重大問題之一。

模糊性數(shù)學(xué)的發(fā)展主流在其應(yīng)用方面[8]。它不僅在環(huán)境研究上有了重大成果，在教育、醫(yī)學(xué)、氣象、農(nóng)業(yè)、生物等等還有很多其他方面都有著不同的成果。

【參考文獻(xiàn)】

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