太原市迎泽湖富营养化灰色关联法分析

徐明德,李 璐,白金玲,徐寅杰

(太原理工大学环境科学与工程学院,太原030024)

社会经济的发展和人类活动频率的剧增使得城市湖泊的富营养化问题突出,尤其是在北方水源相对较少的地区,由于缺少有效的自然补水,城市景观湖更易出现富营养化问题,从而严重影响了湖泊的景观、休闲等功能的发挥。富营养化成为当前城市湖泊面临的主要环境问题,富营养化治理越来越受到人们的关注,而客观地评价湖泊的富营养化水平尤为重要。早期较常用的评价方法有单因子评价法[1],其后逐步建立了营养状态法[2]、模糊综合评价法[3]及灰色理论评价模型。其中较常用的数理统计分析法有回归分析、方差分析、主分量分析等。这些方法往往需求大量样本及典型的样本概率分布方可实现。在国内外富营养化研究中,灰色关联法分析是水质分析的一个新的发展方向。本文拟以太原市区迎泽湖为研究对象,选取5个典型指标,应用灰色关联分析法探讨湖泊富营养化问题。

1 迎泽湖水质现状监测

1.1 监测点布设

迎泽湖为太原市区最大的人工景观湖,位于太原市中心,其水源主要来自降雨和汾河二库的定期补水,由南、北、中三部分组成,平均水深1.98 m,全湖面积22.23 hm2。

针对迎泽湖的结构和定性的流场分析,在湖泊的5个不同区域(北湖进水区、湖中区、南湖出水区、南湖背光区和北湖湖心岛区)各设1个取样点,分别记为,见图 1。

图1 迎泽湖水质监测点

1.2 监测项目及方法

基于影响湖泊富营养化的主要因素,选择透明度(SD)、高锰酸钾指数(CODMn)、总磷(TP)、总氮(TN)、叶绿素a(Chla)5个指标来分析湖泊富营养化状况[4]。监测方法参照文献[5],见表1。

1.3 监测时限及频率

根据湖泊夏季水质较差、易于发生富营养化的特点,监测时间选为6～11月,频率为每5～10 d采样1次。

表1 水质监测项目和监测方法[5]

2 灰色关联分析基本步骤

灰色关联分析采用灰色关联度来量化系统内各分析因素的相互联系、相互影响与相互作用,它根据两个因子参数序列构成的空间曲线的接近程度判断联系的紧密程度,曲线越接近,相应序列之间的关联度就越大,反之就越小。

2.1 数据无量纲化处理

以Y(k)(k=1,2,…,n)表示某一监测点第k个分析因子的监测值;以Xi(k)(i=1,2,…,m;k=1,2,…,n)表示湖泊富营养化i级标准中k分析因子的标准值。

考虑到各参数量纲的不一致性,对实测值和标准值进行无量纲化处理。此处选用湖泊富营养化分析标准中的某一等级作为参考标准,记为C(k),则无量纲化处理计算公式如下。

无量纲化监测值：

2.2 关联系数的确定

以{y(k)}(k=1,2,…,n)及{x i(k)}(i=1,2,…,m;k=1,2,…,n)分别为参考数列和比较数列,利用基本灰色关联分析模型计算两者在第k点上的关联系数[6]：

式中,ρ为分辨系数,0≤ρ≤1,ρ值越大,分辨能力愈强;此处仅为求得关联系数的大小,故取ρ=0.5。

2.3 关联度综合指数的确定

关联系数计算结果较多,信息分散,难于比较,因而采用灰色关联度[7]进行信息综合,灰色关联度综合指数数学模型为：

式中：γ(y,x i)为参考数列与比较数列i的关联度综合指数。

若参考数列{y(k)}与比较数列{x i(k)}满足：

则数列{y(k)}与比较数列{x i(k)}关联性最好,湖泊富营养化程度确定为i*级最为合适[8]。

3 迎泽湖富营养化灰色关联分析

3.1 分级标准的确定

根据气候、水质要求等实际情况,参照中国水库富营养化评分与分级标准,确定出迎泽湖的富营养化分析标准[9],见表 2。

表2 迎泽湖富营养化分析标准 mg/L

3.2 灰色关联分析

按上述方法对迎泽湖的5个监测点分月进行富营养化分析。鉴于篇幅考虑,仅以8月份P1点监测浓度变化值计算为例,其中n=5,m=6。计算步骤如下：

1)确定样本矩阵与标准矩阵。

样本矩阵：

标准矩阵：

3)关联度综合指数计算。

按式(3),计算关联系数和关联度综合指数：

关联系数

关联度综合指数：

则最大关联度γ*=0.838 5,即知8月份P1点富营养化级别为4级(中-富营养化)。同理可得5个监测点不同时期的水质关联度综合指数,结果见表3。

3.3 结果分析

1)由表 3知,全湖营养化状态在6、7、11月份较轻,8、9、10月份较严重。主要原因在于,在 6、7月份,迎泽湖水温逐渐升高,水体处富营养化产生初期 ,为中-富营养状态;夏季 8、9、10 月份,迎泽湖水温变化范围为24.6～28.9℃,非常适合于藻类的生长,水体溶解氧量下降,水质渐恶化,整个湖体处于富营养状态。到了秋季11月份,水温明显下降,最高水温为8.6℃,已不适应藻类的生长,富营养化程度逐渐减轻,为中-富营养状态。

2)从空间角度来分析,P5所在湖区富营养状态较其他区严重,P3、P4所在湖区富营养化状态较轻。P5所代表的北湖湖心岛区湖面开阔,湖面乘船的游客较多,存在游客向湖中随意丢弃杂物现象,再加上此湖区光照充足,为藻类生长提供了适宜条件。另外,附近湖心岛上设有茶座等休闲设施,产生的污水常未经处理直接排入湖中,使该湖区水体氮、磷浓度升高,富营养化现象严重。P 3所代表的南湖出水区靠近南岸,夏季树荫充足,湖面采光量少,而且客流量较少,垃圾等污染物对水体影响较少,使得该湖区营养化程度较轻。P4所在的南湖背光区光照较不足,而且此处湖面狭窄,风生流流场速度大,污染物降级速度较快,水体自净能力较强,从而富营养化程度最轻。

表3 迎泽湖5个监测点不同时期的关联度综合指数γ(y,xi)

3)由于补水有限,并且补水水质较差,常有被污染的地表径流流入湖泊,污染水体。

4 结论

1)在湖泊的富营养化分析中,灰色关联分析对数据的多少和有无规律的适应性增强,不会出现量化结果和定性分析结果不相符的情况;并且能将不同监测点和不同水质标准的关联程度表现出来,在保障分析结果合理性的基础上,灰色关联分析法更加简便实用。

2)基于迎泽湖本身的特征,应用灰色关联法进行湖泊富营养化综合评价,结果表明,全湖处于中-富营养、富营养化状态;通过水体营养程度空间分布和时间分布的差异分析,可知在空间上污染由重至轻的顺序分别为：北湖湖心岛区域、北湖进水口区域、湖中区、南湖出水口区域、南湖背光区域,在时间上污染由重至轻排序为9月、10月、8月、11月、6月、7月。主要受来水水质、光照、风生流及湖泊周围污染物及废水的影响。

3)防治迎泽湖富营养化的关键是控制湖泊生态系统中氮、磷营养盐和其他污染物的浓度,抑制藻类生长。这就要求改善补水条件,保证迎泽湖有充足水源;加强管理,防治生活娱乐污水乱排及游客随意丢弃垃圾等现象;在一定时期内,还可使用物理、化学方法对藻类生长进行人工控制。维持湖泊水生态平衡,以真正实现对富营养化的控制。

[1] 蔡庆华.湖泊富营养化综合评价方法[J].湖泊科学,1997,9(1)：89-94.

[2] 李静,魏世强,张晟,等.重庆市都市圈大中型水库富营养化现状及评价[J].重庆师范大学学报(自然科学版),2005,22(1)：43-46.

[3] 庞清江,李白英.东平湖水体富营养化评价[J].水资源保护,2003(5)：42-44.

[4] 荆红卫,华蕾,孙成华,等.北京城市湖泊富营养化评价与分析[J].湖泊科学,2008,20(3)：357-363.

[5] 国家环境保护总局水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析法[M].北京：中国环境科学出版社,2002.

[6] 邓聚龙.灰色系统理论教程[M].武汉：华中理工大学出版社,1990.

[7] 王红瑞,闫五玖.环境质量的模糊综合评判-灰色关联分析复合模型及实例分析[J].北京师范大学学报(自然科学版),1997,20(4)：39-43.

[8] 邓聚龙.灰色系统[M].北京：国防工业出版社,1985.

[9] 庄晶,张志杰,孙凤杰.阜新市八座水库营养状态的模糊综合评价[J].辽宁城乡环境科技,2004,24(6)：48-50.