水体富营养化的评价及调控

【摘要】本文首先对水体富营养化问题进行分析，选取评价因子（高锰酸盐指数、总磷、总氮、叶绿素a）采用模糊综合评价的方法随机抽取国内一条湖泊，对其水体富营养化程度进行评价。评价结果为重富营养化且所占比重达到43.76%。根据评价结果采用两种调控措施（去氮、除藻），并对实施后的水体再次进行评价。虽然评价结果仍为重富营养化，但所占比重下降幅度较大，说明采用该类措施有效可行。

【关键词】水体富营养化 成对比较 模糊综合评价法

中图分类号： X824 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（b）-0000-00

当水体中氮、磷等营养物质过量时，就会出现富营养化的情况，这时水中某些藻类和水生植物会异常增殖，致使水质变坏等，严重破坏了水生生态系统。水体富营养化一般发生在水体流动性不高且水体更新时间较长的水域。而这种水体现象在我国很严重。淡水水域中，大部分的湖泊及水库都出现过富营养化（也被称作为“水华”），而“赤潮”（就是海域的水体富营养化）也不容乐观。20世纪以前，只有少数海域发生过赤潮；而进入21世纪后，除去个别海域（比如：南海）还好，剩下的其他海域都经常爆发大面积的赤潮。而这种现象现在还在往更频繁、更大面积、更恶劣的趋势发展[1]。

目前，世界上大多数发达国家都对水体富营养化的问题引起了很大的重视，很多的权威专家对此问题都进行了比较全面系统的研究。而本文主要就采用王维[2]的方法之一模糊综合评价法进行评价，进而采取相应措施进行调控降低水体富营养化程度。

1. 问题重述

水体富营养化在全世界都很普遍。而现在，随着世界的发展，人口数量增长迅速，生态环境也终将会受到更大的影响。伴随着水生生态环境被破坏，人类的生活质量将受到影响，人类的身体也将会受到危害。而我国是一个多湖泊、水库以及海域的国家，对于水体富营养化的问题尤为重要，为此，有必要对水体富营养化的问题设计合理的指标体系，建立模型进行分析，并提出可行有效的建议。

2. 水体富营养化的问题分析

2.1水体富营养化的成因分析

水体富营养化是由于水体中含有的氮、磷等可利用的营养物质较多，导致藻类繁殖泛滥而造成的。根据研究发现：氮、磷等营养物质的来源比较繁琐，所以水体富营养化的形成伴随着很多的因素，自然因素算一个，人为因素也算一个[1]。

2.1.1 自然因素

除了营养物质之外 ，还有一些自然因素也会促使水体出现富营养化问题，比如：水体的深度、流速及气候环境等因素。

水体深度越浅，透光性会越好，温度就越适宜，含氧量也越高，同时满足了藻类生长、繁殖所需的阳光、氧气以及温度要求；水体流速越慢，营养物也就更容易囤积在水底，而营养物质的大量沉积是很难恢复的；水体的地质环境也对增加水体富营养化有影响。如我国的巢湖[3]，蕴藏着丰富的磷灰石资源，所以巢湖的磷含量很高，容易导致富营养化。适宜的气候条件也具有易富营养化的性质，适宜的温度和光照条件，会使藻类的繁殖速度增加。典型的就有巢湖[3]。

2.1.2 人为因素

在促成水体出现富营养化问题中，人为因素占据着主导地位。

人为因素旨在人们在日常生活中向水体排入了大量的含氮、磷等营养物质，如工农业废水、有机垃圾和化肥等，超过了引发水体富营养化的底线。另外，还有人为的改变了水体的地理特征，如建造大坝、水闸等，会对水体的更新速度造成影响，致使其富营养可能性越高。

2.2水体富营养化的负面影响[4]

水体富营养化有许多负面影响。比如，水体富营养化会导致藻类过度繁殖，影响水质，降低水体感官度；其次，水体富营养化会影响水体中的溶解氧含量，并会使水体中产生有毒物质，对人体和生物带来危害，也会影响供水水质增加制水成本；最后，水体富营养化还会破坏水生生物的稳定性和多样性，导致生态失衡。

2.3水体富营养化评价因子的选取

目前水体富营养化的判断标准[5]：叶绿素a含量超过10 μg/L，生化需氧量每升超过1Omg，氮含量每升大于0.2～0. 3mg，磷含量每升超过0.O1～0.02mg，pH值7～9的淡水中细菌总数每毫升超过10万个。所以，我们可以选取评价因子如下：

1） .叶绿素a

水体如果出现富营养化状态，那就表明水体中藻类繁殖过快，数量过多了。所以，可以根据藻类的数量和生物的密度来判断水体营养化水平。而各类藻类中均含有叶绿素a，所以叶绿素a可以用来作为评价水体富营养化的指标。

2） 高锰酸盐指数

由于光合作用的原因，营养化的水体会产生有机体，导致耗氧量增高，所以在反映水体需氧量时，我们通常选用高锰酸盐指数作为指标。

3） 总氮

过量的氮存在会使藻类异常繁殖，从而消耗大量的溶解氧，造成水生生物死亡，水体也会发臭。所以我们把总氮含量列为考察的指标之一。

4） 总磷

导致湖泊富营养化的直接原因是因为水体营养物质含量超标，而“磷”就是湖泊营养化的限制因子，因此，控制磷的含量已经成为当前治理水体富营养化的首选措施之一。

3.水体富营养化的评价

为了简化问题，我们首先做一些假设：1、收集的数据都是进行了全面的考察和测评后得出的准确值；2、所选湖泊所在地区在两次测评时间内没有发生特大的对水体环境损害严重的事，如化学污染、洪涝灾害、地震、水生生物成群死亡等；3、湖泊中水生生物流动性不大，没有其它河流海域的水生生物迁徙到该湖泊；4、不考虑数据库以外的指标的影响。

水体富营养化的评价方法有很多，本文介绍的是一中常用的方法模糊综合评价方法。

3.1 模糊综合评价法满足的原则[2]

将模糊综合评价理论应用在评价水体的时候，应当遵从最大隶属原则和加权平均法。

（1）最大隶属原则：假定模糊评价结果向量为。如果存在，则说明该评价结果隶属于第r级，这就是最大隶属度原则。当然，在某些情况下会出现不合理的结果，所以在求隶属等级时还常常要使用加权平均法。

（2）加权平均法：表示权与其对应因素隶属度的乘积反映出的隶属情况，如式①所示。

①

式中：为指标的权。

3.2 模糊综合评价方法的一般步骤[5]

1） 给出造成水体富营养化的指标集合和水体营养化程度的评价集合：

指标集合：

评价集合：

2） 建立模糊评估矩阵

，

其中，，，，表示第个指标对应的第种评价的可能性。

3） 分配指标权重，计算权属分配向量：

，且

4） 利用模糊运算将和合成得到模糊综合评价结果向量：

5） 对进行归一化处理得到

6） 根据最大隶属度进行评价

3.3 模糊评价矩阵的建立

从我国随机抽取一个湖泊，水体检测专家集中检测。

1） 给出造成水体富营养化的关键指标：高锰酸盐指数，总磷，总氮，叶绿素a，指标选取参考 《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）（见表1）；同时确定评价等级。

指标集合={高锰酸盐，总磷，总氮，叶绿素a}，

评价集合={贫营养，中营养，中富营养，富营养，重富营养}。

表1 湖泊水库特定项目标准值

营养化

指标

贫营养

中营养

中富营养

富营养

重富营养

高锰酸盐指数

2.0

4.0

6.0

10.0

15.0

总磷

0.01

0.025

0.05

0.10

0.20

总氮

0.20

0.50

1.00

1.50

2.00

叶绿素a

0.001

0.004

0.010

0.030

0.065

2） 根据表1以及水体富营养化中各指标的影响分析，建立模糊评价矩阵：

3） 确定指标模糊权向量：

由于各因素有着不同的作用，会导致“权重”不一样，这样最后得出的评价也不会不同，因此可以用层次分析法对4个指标建立成对比较矩阵来计算指标权重，尽可能的提高其准确度。

① 建立成对比较矩阵：（根据1-9尺度构建）

② 利用矩阵的和法运算求最大特征根；特征向量：

③ 为了使成对比较矩阵特征向量能作为较准确的权向量，我们有必要对其进行一致性检验：

计算其一致性指标：

计算其一致性比率：

其中随机一致性指标【6】RI的数值见下表

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

矩阵A通过一致性检验，这说明将特征向量作为权向量是可行的。那么导致水体富营养化的影响因素的权重为：高锰酸盐指数0.2268、总磷0.2354、总氮0.1977、叶绿素a 0.3401，即权重集合：

4） 将和合成得到结果，即，再运用matlab软件编程，可求出：

5） 分析模糊综合评价的结果：

从向量中可以看出该湖泊贫营养所占比例为2.85%、中营养所占比例为6.54%、中富营养所占比例为14.44%，富营养所占比例为32.43%，重富营养所占比例为43.74%，由最大隶属原则我们认为该湖泊水体富营养化程度为重富。因此该湖泊有必要进行水体富营养化的调控与治理。

4.水体富营养化的调控

根据王淑芳[7]提出过的防治措施，我们可以针对水体富营养化的成因采取以下措施，尝试改善水体富营养化的程度：

①可以控制营养物质的排放；②借助水生生物吸收氮、磷元素；③引排污染源和实施截污工程；④采用工程性措施（注水稀释、底泥疏浚、机械除藻等）；⑤利用凝聚沉降和用化学药剂等化学方法除藻。

重定指标权重并建立模糊矩阵，判断措施有效性：

（1） 措施中①②③以及④当中的底泥疏浚、注水稀释等工程性措施，旨在去除水中氮、磷等有机物的含量（假定水体中氮、磷含量各减少25%），重建成对比较矩阵：

对成对比较矩阵并进行一致性检验：

a.

b.

c. 通过一致性检验

故而可得权重集合为

模糊矩阵变为：

求模糊评价向量

依然是重富营养，但相比原来的43.73%，已经降低了7.26%，说明采用这类措施进行调控是可行的。

（2） 措施⑤以及④中机械除藻等旨在除去水体中的藻类（假定除去藻类50%），则重建成对比较矩阵：

对成对比较矩阵并进行一致性检验：

a.

b.

c. 通过一致性检验

故而可得权重集合为

模糊矩阵变为：

求模糊评价向量。

还是为重富营养，但使其重富程度降低了6.34%，这又说明除藻类措施也是可行的。重富程度总共降低了13.7%，这充分证实了调控措施非常有效。

5.结束语

水体富营养化的程度过高不仅会破坏水生生态环境，同时还会破坏人类的生存环境，而全世界多数水域都已经出现了严重的富营养化问题，所以对富营养化的水体进行干预、调控已是全世界面临的重大问题之一。

模糊性数学的发展主流在其应用方面[8]。它不仅在环境研究上有了重大成果，在教育、医学、气象、农业、生物等等还有很多其他方面都有着不同的成果。

【参考文献】

[1]高爱环.水体富营养化的成因、危害及防治措施[J].广东肇庆学院学报，2005，10.

[2]王 维，苏文利，高 兴. 水体富营养化评价方法及其应用[J]. 天津市水利勘测设计院，2012.

[3]韩小勇，孙璞.对巢湖水体富营养化成因研究的探讨[J].安徽省水文局，2009.

[4]周志华、徐学良.水体富营养化形成机制及其防治措施的研究[J].吉林水文水资源勘测局，2005.1.

[5]姚瑶、刘月、邓琴、罗世超，基于模糊评价法对脑卒中高危人群的预警和干预[J].《商业现代化》，2012.9.

[6]雷瑶、沈芳、杨川.乐山市新型农村合作医疗保险制度的运行效果评价[J].科技创新与应用杂志，2012.11.8.

[7]王淑芳.水体富营养化及其防治[J].北京师范大学环境学院，2005.12.

[8]赵家林.模糊数学在现实中的应用[J].数学学习与研究（教研版），2008.11.