何 俊

(雅安市漢源生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，四川 雅安 625300)

漢源湖為西南地區(qū)最大人工湖，位于大渡河干流漢源段，是大渡河流域梯級水電站第17級電站——瀑布溝水電站主庫區(qū)。大渡河是長江上游的二級支流，岷江最大的支流，隨著近年來社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，流域水環(huán)境質(zhì)量面臨巨大壓力，特別是湖庫富營養(yǎng)化趨勢加劇[1-2]。水質(zhì)狀況為水環(huán)境保護(hù)和環(huán)境治理提供依據(jù)，因此，科學(xué)評價(jià)漢源湖富營養(yǎng)化狀況對推進(jìn)大渡河流域重要湖泊保護(hù)，筑牢長江上游生態(tài)屏障具有重要意義。

目前，我國湖泊富營養(yǎng)化評價(jià)主要采用營養(yǎng)狀態(tài)綜合指數(shù)法[3-4]、評分法[5]、模糊數(shù)學(xué)法[6-9]、灰色評價(jià)法[3]等。其中，模糊數(shù)學(xué)評價(jià)法是在富營養(yǎng)化評價(jià)中引入模糊性概念，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法來處理水體營養(yǎng)等級和營養(yǎng)狀態(tài)分級界限模糊性問題[8]。該方法通過函數(shù)關(guān)系把各水質(zhì)指標(biāo)濃度轉(zhuǎn)化為水質(zhì)優(yōu)劣程度的質(zhì)量值，克服了其他水質(zhì)富營養(yǎng)化評價(jià)法中人為清晰化的不足，對湖泊富營養(yǎng)化評價(jià)更具科學(xué)性和合理性[6]。因此，本文采用模糊數(shù)學(xué)評價(jià)法對漢源湖富營養(yǎng)化程度進(jìn)行綜合評判，并與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法進(jìn)行比較，以期為大渡河流域湖泊水環(huán)境保護(hù)和環(huán)境治理提供依據(jù)。

1 構(gòu)建模糊數(shù)學(xué)評價(jià)法模型

1.1 確定評價(jià)因素集和評價(jià)集

設(shè)影響水體富營養(yǎng)化狀態(tài)的因素為xij(i=1，2，3，…n)，由這n個(gè)因素構(gòu)成評價(jià)因素集合為X= {x1，x2，…，xn}。根據(jù)金相燦等[10]《中國湖泊環(huán)境》中富營養(yǎng)化狀態(tài)指標(biāo)與水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系，參考國內(nèi)部分湖泊水庫評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即極貧營養(yǎng)、貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)、輕富營養(yǎng)、重富營養(yǎng)，評價(jià)因子及分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。設(shè)最終可能得出的評價(jià)結(jié)果為yij(i=1，2，3，4，5)，構(gòu)成評價(jià)集合Y= {y1，y2，y3，y4，y5}。

表1 湖泊富營養(yǎng)化評價(jià)參數(shù)及分級標(biāo)準(zhǔn)

1.2 構(gòu)造隸屬函數(shù)

在模糊評價(jià)法中，構(gòu)造合理的隸屬函數(shù)對描述模糊性非常重要[6]。本文根據(jù)吳琳娜[3]和嚴(yán)云等[6]湖泊模糊評價(jià)法中各評價(jià)指標(biāo)值和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)造各單項(xiàng)指標(biāo)對各評價(jià)等級的隸屬度函數(shù)。對于評價(jià)因子中葉綠素a(Chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(shù)(IMn)4項(xiàng)濃度越小越優(yōu)型評價(jià)指標(biāo)，其隸屬度函數(shù)采用下列線性函數(shù)表示：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

對于越大越優(yōu)型評價(jià)指標(biāo)—透明度(SD)，構(gòu)建如下隸屬度函數(shù)：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

上式中，uij為影響水體富營養(yǎng)化的評價(jià)因子i對j級富營養(yǎng)化的隸屬度，Ci為評價(jià)因子i的監(jiān)測濃度值，Sij為評價(jià)因子i的第j級富營養(yǎng)化的分級標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 建立模糊關(guān)系矩陣

將各評價(jià)因子的實(shí)測值和富營養(yǎng)化分級標(biāo)準(zhǔn)分別帶入公式(1)-(10)，可求得單因素模糊關(guān)系矩陣U：

1.4 確定評價(jià)因子的權(quán)重向量

本文采用文獻(xiàn)[3, 6, 11]中的加權(quán)計(jì)算權(quán)重法，該方法計(jì)算權(quán)重的一般公式為：

(11)

式中：Ri為第i個(gè)因子的權(quán)重，Ci評價(jià)因子i的監(jiān)測濃度值，Si=(Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ)/5，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ為評價(jià)因子i的各級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

1.5 模糊綜合評價(jià)模型

單因子模糊評價(jià)不能反映出所有因子的綜合影響[6]，因此，水體富營養(yǎng)化的綜合評價(jià)主要通過權(quán)重向量R與模糊關(guān)系矩陣U進(jìn)行合成算子運(yùn)算來完成，模糊綜合評價(jià)模型為：

(12)

式中：“。”表示模糊關(guān)系矩陣合成算子，B中結(jié)果必須歸一化，即：

(13)

2 漢源湖水質(zhì)監(jiān)測

2.1 漢源湖概況

2009年，漢源湖因瀑布溝水電站下閘蓄水正式形成，地跨漢源、石棉、甘洛三縣境區(qū)，控制流域面積6.85×104km2，其多年平均流量1230 m3/s，年徑流量388×108m3。正常蓄水位850.00 m時(shí)，干流水庫回水至石棉縣城南椏河與大渡河匯口處，庫長為72 km，支流流沙河回水至漢源縣唐家鎮(zhèn)，庫長12 km。壩前最高壅水高度173 m，水庫面積84 km2，相比較天然水面增大約6倍，總庫容53.9×108m3，為原來河槽水體體積的80多倍，其中調(diào)洪庫容10.5×108m3，調(diào)節(jié)庫容38.8×108m3，為不完全年調(diào)節(jié)水庫，并且每年水體交換量達(dá)到7次以上。庫面寬度表現(xiàn)為庫首及庫尾狹窄，而庫中段逐漸變寬，平均寬約500～800 m。水庫進(jìn)行不完全年調(diào)節(jié)時(shí)，水位在死水位(790 m)～正常蓄水位(850 m)之間運(yùn)行，水位變幅60 m。

2.2 水質(zhì)監(jiān)測斷面

為盡可能綜合全面評價(jià)漢源湖富營養(yǎng)化狀況，按照漢源湖水體的流動(dòng)方向并結(jié)合均勻布點(diǎn)原則，在湖泊范圍內(nèi)布設(shè)三星村、青富、流沙河入口、大樹大橋、白巖河入口、三谷莊、黑馬營地共7個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面，各監(jiān)測斷面布點(diǎn)圖見圖1。

圖1 漢源湖水質(zhì)富營養(yǎng)化綜合評價(jià)監(jiān)測斷面布點(diǎn)圖

2.3 監(jiān)測因子及方法

根據(jù)金相燦等[10]《中國湖泊環(huán)境》和中國環(huán)境監(jiān)測總站《湖泊(水庫)富營養(yǎng)化評價(jià)方法及分級技術(shù)規(guī)定》(總站生字[2001]090 號)中富營養(yǎng)化狀態(tài)指標(biāo)與水質(zhì)參數(shù)的關(guān)系，本次監(jiān)測因子主要選取葉綠素a(chla)、總磷(TP)、總氮(TN)、高錳酸鹽指數(shù)(IMn)共5項(xiàng)水體富營養(yǎng)化評價(jià)常用指標(biāo)，監(jiān)測分析方法見表2。

表2 各指標(biāo)監(jiān)測方法來源

2.4 監(jiān)測結(jié)果

2021年1—12月期間，每月10日前對7個(gè)監(jiān)測斷面按照HJ/T 91-2002《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[12]開展采樣監(jiān)測，并統(tǒng)計(jì)各監(jiān)測斷面年均值進(jìn)行評價(jià)，監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 漢源湖2021年水質(zhì)監(jiān)測年均值

3 漢源湖富營養(yǎng)化綜合評價(jià)

3.1 模糊評價(jià)法

3.1.1 計(jì)算模糊關(guān)系矩陣

將表3各監(jiān)測斷面年均值數(shù)據(jù)代入公式(1)-(10)，計(jì)算出各監(jiān)測斷面模糊關(guān)系矩陣：

3.1.2 計(jì)算評價(jià)因子的權(quán)重

將表3中各監(jiān)測斷面年均值數(shù)據(jù)帶入公式(11)計(jì)算出各評價(jià)因子的權(quán)重，見表4。

表4 漢源湖2021年各監(jiān)測斷面評價(jià)因子權(quán)重

3.1.3 模糊綜合評價(jià)

將模糊關(guān)系矩陣和評價(jià)因子權(quán)重代入公式(12)進(jìn)行模糊矩陣合成運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果歸一化處理后得出各監(jiān)測斷面水體富營養(yǎng)化模糊綜合評判結(jié)果，見表5。

表5 漢源湖2021年各監(jiān)測斷面模糊綜合評價(jià)結(jié)果

由表5可知，經(jīng)過模糊綜合評價(jià)計(jì)算，按照最大隸屬度原則確定湖泊富營養(yǎng)化等級，漢源湖7個(gè)監(jiān)測斷面水體富營養(yǎng)狀態(tài)均屬于中營養(yǎng)水平。其中，黑馬營地監(jiān)測斷面的中營養(yǎng)和輕富營養(yǎng)隸屬度值僅相差 0.005，表明該斷面趨于輕富營養(yǎng)水平。綜上可見，模糊評價(jià)法通過隸屬度值能更直觀的表征相關(guān)評價(jià)水體趨于富營養(yǎng)化相應(yīng)等級的程度。

3.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(TLI)

相較于模糊評價(jià)法主要通過隸屬度值表征相關(guān)評價(jià)水體趨于富營養(yǎng)化相應(yīng)等級的程度，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法主要以葉綠素a(chla)為基準(zhǔn)參數(shù)，將各評價(jià)指標(biāo)按相關(guān)性加權(quán)計(jì)算，分級評價(jià)水體富營養(yǎng)化狀態(tài)。根據(jù)王明翠等[4]研究結(jié)果，綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)公式為：

(13)

上式中，TLI(∑)表示綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，TLI(j)代表第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，Wj為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)權(quán)重。

以chla作為基準(zhǔn)參數(shù)，則第j種參數(shù)的歸一化的相關(guān)權(quán)重計(jì)算公式為：

(14)

表6 我國湖泊部分參數(shù)與chla的相關(guān)關(guān)系rij及數(shù)值表[10]

表7 綜合營養(yǎng)指數(shù)評價(jià)等級表[4]

各指標(biāo)營養(yǎng)狀態(tài)計(jì)算公式為：

(15)

將表3各監(jiān)測斷面年均值數(shù)據(jù)代入公式(13)-(15)，計(jì)算出各監(jiān)測斷面各指標(biāo)分指數(shù)及綜合營養(yǎng)指數(shù)，見表8。

表8 漢源湖2021年各監(jiān)測斷面指標(biāo)分指數(shù)及綜合營養(yǎng)指數(shù)

由表8可知，通過綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價(jià)，漢源湖7個(gè)監(jiān)測斷面均屬于中營養(yǎng)水平，與模糊評價(jià)法結(jié)果一致。其中，三星村、青富和三谷莊等3個(gè)斷面的總氮和透明度兩項(xiàng)指標(biāo)對綜合營養(yǎng)指數(shù)貢獻(xiàn)最大，可能是該三個(gè)斷面所處回水彎區(qū)，水流流速緩慢，且附近輸入性農(nóng)業(yè)面源較多所致。流沙河入口、大樹大橋、白巖河入口和黑馬營地等4個(gè)斷面的總磷和透明度兩項(xiàng)指標(biāo)對綜合營養(yǎng)指數(shù)貢獻(xiàn)最大，主要原因可能是流沙河接納上游九襄鎮(zhèn)片區(qū)約12萬人口生活污水，白巖河上游為漢源萬里工業(yè)園區(qū)，而黑馬營地?cái)嗝嫖挥诟事蹇h阿茲覺鄉(xiāng)附近，該鄉(xiāng)污水處理設(shè)施較滯后，斷面指標(biāo)主要受生活污水排放影響。

4 結(jié)論

本文通過對漢源湖7個(gè)監(jiān)測斷面進(jìn)行模糊綜合評價(jià)，并與綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較。可以得出以下結(jié)論：

(1)漢源湖7個(gè)監(jiān)測斷面均屬于中營養(yǎng)水平，其中，黑馬營地監(jiān)測斷面的中營養(yǎng)和輕富營養(yǎng)隸屬度值僅相差 0.005，表明該斷面趨于輕富營養(yǎng)水平。

(2)模糊評價(jià)法與綜合狀態(tài)營養(yǎng)指數(shù)法評價(jià)結(jié)果一致。模糊評價(jià)法通過隸屬度值能更直觀的表征相關(guān)評價(jià)水體趨于富營養(yǎng)化相應(yīng)等級的程度。

(3)綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法評價(jià)結(jié)果表明，三星村、青富和三谷莊等3個(gè)斷面的總氮和透明度兩項(xiàng)指標(biāo)對綜合營養(yǎng)指數(shù)貢獻(xiàn)最大。流沙河入口、大樹大橋、白巖河入口和黑馬營地等4個(gè)斷面的總磷和透明度兩項(xiàng)指標(biāo)對綜合營養(yǎng)指數(shù)貢獻(xiàn)最大。因此，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)加強(qiáng)漢源湖周邊生活污水和工業(yè)廢水收集處理，嚴(yán)控農(nóng)業(yè)面源輸入性污染，防止水體富營養(yǎng)化程度加劇。