理想点决策法在东平湖水体富营养化评价中的应用

郑志国江 龙李 玮岳 超李 斌

理想点决策法在东平湖水体富营养化评价中的应用

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1 富营养化定义及其危害

富营养化是指生物所需的N、P等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧含量下降，鱼类及其他生物大量死亡。大量死亡的水生生物沉积到湖底，被微生物分解，消耗大量的溶解氧，使水体溶解氧含量急剧降低，水质恶化，影响到鱼类的生存，大大加速了水体的富营养化过程。水体出现富营养化现象时，由于浮游生物大量繁殖，往往使水体呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在江河湖泊中叫水华（水花），在海中叫赤潮。在发生赤潮的水域里，一些浮游生物暴发性繁殖，使水变成红色，因此叫“赤潮”。这些藻类有恶臭、有毒，鱼不能食用。藻类遮蔽阳光，使水底生植物因光合作用受到阻碍而死去，腐败后放出氮、磷等植物的营养物质，再供藻类利用。这样年深月久，造成恶性循环，藻类大量繁殖，水质恶化而又腥臭，水中缺氧,造成鱼类窒息死亡。

2 富营养化研究方法

富营养化研究在国内外引起普遍重视，对湖泊水体的水质富营养化状态的评价方法很多，如层次分析法、灰色模型法、加权综合指数法等，但这些方法计算过程复杂，计算量较大，应用极不方便。为此，本次富营养化评价采用理想点决策法来进行湖泊水质富营养化的评价。

2.1 理想点决策法概念及方法

决策学是以决策为研究对象的综合性学科。决策是现代管理的核心问题。所谓决策，是指在现代社会和经济发展进程中，针对某些宏观或微观的问题，按预定的目标，采用一定的科学理论、方法和手段，从所有可供选择的方案中，找出最满意的方案进行实施，直至目标的实现。逼近理想点法就是就多指标决策问题的一种决策方法，其原理是找到最靠近正理想点而同时最远离负理想点的有效解，实质是把每一个方案的各指标值堪称n维向量，即n为空间中的一点，而利用相关方法来度量各可行方案的指标值靠近正理想方案和负理想方案的距离的相应指标值的程度来确定方案的优劣。

2.2 富营养化评价因子分级系统的建立

湖泊水体富营养化现象的发生主要是由于水体中N、P营养元素含量增多的原因所致，造成水体水生生物异常，水体透明度变化，因此在湖泊水库富营养化的描述中常选用总磷（TP）、总氮（TN）、高锰酸盐指数（CODMn）、透明度（SD）等4个参数作为评价指标，其因子集构成如下：

表1 富营养化综合评价指标和分级评价标准

上述4个指标的评价按“极贫营养化（Ⅰ）、贫营养化（Ⅱ）、中营养化（Ⅲ）、富营养化（Ⅳ）、极富营养化（Ⅴ）”5级进行划分，确定各评价因素的评价标准见表1。

设富营养化评价标准分为m个等级，记为Sh（h=1，2，…，m），每个等级含有相同的n个项目，利用空间直角坐标系，可将m个水体富营养化等级与上述n维水体评价空间中m个确定的点一一对应起来，将这m个点称为富营养化标准点，记为（h=1，2，…，m）。显然，随着h的增大（h=1，2，…，m）到坐标原点的距离Dh（h=1，2，…，m）必单调增加，即 D1＜D2＜…＜Dm，其中 D1=0，Dm=Dmax。这时如果以坐标原点为中心，以Dh（h=1，2，…，m）为半径，则可在n维水质评价空间中建立m个同心超球面，记为Qh（h＝1，2，…，m）。于是，凡是处在同一超球面上的点，均可认为具有相同的水质质量。m个超球面可将全部评价空间划分为m个互不相交的区域，每个区域便构成一个富营养化程度等级区域。而任何一个含有n个项目的待评价的样本C，也将对应与该空间中一个确定的点，记为必将属于某一个等级区域，从而实现对任何水体样本C的分类评价。

表2 理想点距离法划分富营养化等级标准

（1）数据规范化处理公式如下：

式中，Sih为第i个项目的h级标准浓度限值；Sim，Pi★分别为第 i个项目的m级和I级标准浓度的限值。

规范后的评价标准矩阵为：

（2）计算各级水质标准点到原点的相对距离采用欧氏（Euclid）相对距离公式计算各水质标准点（h=1，2，…，m）到原点的相对距离：

（3）确定水质样本点的坐标定义：

式中，Ci为第i个项目的实测浓度；I1为浓度指标越小其水质越好的项目下标集合；I2为浓度指标越大其水质越好的项目下标集合。鉴于富营养化分为5级，这里规定若≥1，计算时均取＝1，经规范化后的水质样本点为：

（4）计算水质样本到原点的相对距离水质样本到原点的相对距离为：

当 D≤d ≤Dh+1（h＝1，2，…，m）时，评价等级为：

（h为Dh所对应的样本标准等级数）

利用式（1）对评价标准作规范化处理，规范后的矩阵为：

由式（3）计算出各级标准点Sh（h=1，2，…，5）到坐标原点的相对距离为 ：D1=0，D2=0.339，D3=0.472，D4=0.534，D5=1。利用理想点法划分富营养化等级如表2。

3 东平湖富营养化评价分析

3.1 东平湖概况

东平湖位于山东省泰安市东平县，东平湖是水泊梁山的遗存水域，山东省第二大淡水湖泊，湖区总面积627km2，其中一级湖常年蓄水，面积209km2，平均水位高程 40.75m，南水北调东线一期工程完成后，东平湖平均水位高程将达41.5m，将淹损耕地3.6万亩，东平湖蓄水面积将达到25万亩。东平湖西近京杭大运河，东连大汶河，北通黄河。大清河（戴村坝以上为大汶河）从东面汇入，冲击形成大清河三角洲和东平湖湿地，湖水从北面的小清河汇入黄河。作为南水北调东线调水工程蓄水水库，近年来通过污水治理，截污导流，东平湖水质已达到地表水Ⅲ类水标准，但是水体富营养化趋势仍未改变。本文选用总磷（TP）、总氮（TN）、高锰酸盐指数（CODMn）、透明度（SD）等4个参数，利用理想点决策法模型对东平湖进行富营养化评价分析。

表3 泰安市主要湖泊水库水质年均监测结果

表4 泰安市主要湖泊水库富营养化评价结果

3.2 东平湖水体富营养化评价结果

分别选取东平湖入湖口控制断面戴村坝、东平湖控制断面湖心老湖镇、出湖口控制断面陈山口，选取2011年水质监测资料进行评价分析。TP、CODMn、SD、TN年均监测结果见表3。

对其实测数据样本Ci（j=1，2，…，5）作规范化处理，规范后的各样本点用矩阵的形式表示为：

利用式（6）计算出各样本Ci（i＝1，2，…，5）点到坐标原点的相对距离（取平均权计算）为：

利用式（7）对各样本进行等级评价，结果等级为：戴村坝等级5.15级，老湖镇4.12级，陈山口4.11级，评价结果戴村坝为极富营养化，老湖镇、陈山口均为富营养化，详见表4。

由表4评价结果可以看出，东平湖水质富营养化状况较重。由此看出，当务之急应该减少富营养化对湖泊水质的影响。东平湖由于接纳大汶河来水，根据2011泰安市水功能区监测评价分析，大汶河水质对东平湖富营养化状况影响较大，其次是湖泊底泥影响。

4 减少富营养化影响的措施

应对湖泊富营养化主要措施首先应该在上游地区施行退耕还林，减少耕作方式，实施测土施肥，减少化肥使用量，努力推广使用控释肥。其次是在上游村庄居民居住集中区域，建设小型生活污水处理设施，减少生活污水对湖泊水质的影响。再就是内源污染方面，采取库底清淤与封闭和营养盐固定等措施。由于底泥对环境的作用具有累积性和滞后性，因此，一要阻止沉积物中污染物的释放，如底质封闭等；二要清除污染沉积物，如对底泥进行疏浚；三是生态恢复,水生植被的恢复与重建要从湖岸带挺水植物与浮叶植物着手，随整个湖区水质改善后逐步建立与发展沉水植物群落，可以起到净化水质，建立起一个结构较完善、水生生物多样性程度较高的水生态系统，从而降低湖泊富营养化影响

1.山东省泰安市水文局 271000 2.山东省威海市水文局 264209）