基于模糊数学的大伙房水库营养状态评价

朱茂森

（辽宁省水文局，辽宁沈阳110003）

基于模糊数学的大伙房水库营养状态评价

朱茂森

（辽宁省水文局，辽宁沈阳110003）

分别采用营养状态指数法和模糊综合评价法对2015年大伙房水库进行富营养化评价，对评价结果进行对比分析显示：大伙房水库水体整体处于中营养～轻度富营养型状态，但总氮指标已达到中度富营养化程度，水库上游区域的富营养化程度高于库中心区，在严重的干旱年，容易出现富营养化状态加重和暴发水华的风险。模糊综合评价法既考虑了富营养化级别划分的模糊性，又考虑了不同评价因子对富营养化程度的影响权重，评价结果更加客观合理。

富营养化评价；营养状态指数；模糊综合评价；水华；大伙房水库

湖泊水库富营养化是指水体接纳过量的氮、磷等营养物质，使水体中藻类以及其他水生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧变化，造成湖泊水库水体恶化，加速湖泊水库老化，从而使湖泊水库生态和水功能受到阻碍和破坏。

大伙房水库是我国九大饮用水源地之一，是沈阳、抚顺、辽阳、鞍山、营口、盘锦、大连7个城市近2 300万人口的生活饮用水水源地，地位极其重要。由于近年来水库上游及周边地区点源和面源污染，使水库的生态系统及水质状况发生了很大的改变，对大伙房水库作为全国重要饮用水水源地的水质安全构成了一定的威胁。

模糊数学方法自美国1965年提出以来，已经有许多人将其成功地应用在水质评价中。由于水库富营养化级别的划分具有模糊性，且各营养因子对富营养化程度的影响程度有轻有重。因此，为了客观科学的分析大伙房水库水体富营养化状态，文中采用模糊综合评价法对2015年大伙房水库进行富营养化评价，并将评价结果与SL395-2007《地表水资源质量评价技术规程》推荐的营养状态指数法进行对比分析，验证模糊综合评价的的可行性和合理性。

1 监测点分布及监测项目

根据SL219-2013《水环境监测规范》断面布设要求，大伙房水库共布设水质监测断面7个，监测点10个，分别为浑河北杂木、苏子河古楼、社河台沟3个入库断面；库区布设3个断面，分别为浑7、浑37、浑73，每个断面根据水库水面宽和水深布设了左、右两条垂线；出库口（抚顺取水口）布设1个断面（抚顺取水口断面），水库坝前布设1个断面。

富营养化评价项目包括总磷、总氮、叶绿素a、高锰酸盐指数和透明度。2015年大伙房水库各断面富营养化评价项目监测值，见表1。

表1 2015年大伙房水库富营养化评价因子监测值

2 评价方法

2.1 营养状态指数法

根据SL395-2007《地表水资源质量评价技术规程》，将湖泊（水库）营养状态分为贫营养、中营养、轻度富营养、中度富营养和重度富营养五级，相应的评价标准和分级方法见表2。

表2 湖泊（水库）营养状态评价标准及分级方法

采用线性插值法将水质项目浓度值转换为赋分值，按公式1计算营养状态指数（EI），根据营养状态指数确定营养状态分级。

式中：EI——营养状态指数；En——第n个评价项目的赋分值；m——评价项目个数。

2.2 模糊综合评价法

模糊综合评价法的是根据实际监测数据建立各因子对各级标准的隶属度集，用超标污染贡献率法计算权重集，再把因子权重集与隶属度集进行模糊复合运算，获得一个综合评价集，表明评价水体对各级水质标准的隶属程度，反映综合水质级别的模糊性。

该方法首先将评价因子模糊化，应用降半梯形分布法建立隶属度函数。对于数值越小越优的评价因子，如总磷、总氮、叶绿素a、高锰酸盐指数，其隶属度函数计算公式如下：

当Ci属于第Ⅰ等级的隶属程度，

当Ci属于第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等级的隶属程度，

对于数值越大越优的评价因子，如透明度，其隶属度函数计算公式如下：

当Ci属于第Ⅰ等级的隶属程度，

式中：Ci为第i种评价因子实际监测值；Sij为第i种评价因子第 j等级的标准值。

然后采取常用的超标污染贡献率法计算各评价因子的权重系数，计算公式：

式中：Ci为第i种评价因子实际监测值；Si为第i种因子各级标准值的算术平均值；n为评价因子的个数；Wi为第i种因子的权重。

对上述隶属度矩阵R和权重矩阵W进行模糊复合运算，常用的复合运算模型有4种，考虑到各监测点总氮浓度较高，达到中度富营养级别，其它污染物浓度相对较低，因此，在模糊综合评价中进行“取小”或“取大”运算时可能导致运算结果“忽视”或“夸大”单因素起到的控制作用，导致评价结果不合理，文中采用“相乘相加”的运算方式计算等级判断矩阵Y=R·W。根据模糊数学贴近原理及最大隶属度原则判定水质等级。

根据上述计算步骤，计算出各监测点的隶属度矩阵R如下：

采用相乘相加的方式，对R和W进行模糊复合运算，结果如下：

3 评价结果分析

上述2种富营养化评价结果见表3。

从评价结果可以看出大伙房水库水体整体处于中营养～轻度富营养型状态，但总氮指标已达到中度富营养化程度。入库区域的水质富营养化程度高于库中心区，主要是由于近年来水库上游及周边地区工、农、牧、种、养殖业的发展及农药、化肥、洗涤剂的大量使用，使水库的生态系统及水质状况发生了很大的改变，水体中的总氮等营养物质含量长期处于较高的水平。从正常年份来看，大伙房水库发生水华的风险并不是非常大，但在严重的干旱年，伴随着气温的升高，会使水华风险急剧增大。而气候变暖，增加了极端天气（严重干旱和洪涝）出现的几率和严重程度，这增加了未来大伙房水库出现水华的风险，对大伙房水源地的水质安全构成了一定的威胁，需要引起相关部门的警惕和重视。

表3 大伙房水库富营养化评价结果

2种富营养化评价方法得出的评价结果显示，仅台沟、古楼、抚顺取水口3个监测点的营养状态评级不同，模糊综合评价法得出的评价结果高出一个级别，这与大多数情况下，采用不同评价方法对同一湖泊（水库）的富营养化状态评价结果类似。由于富营养化状态级别的划分具有模糊性，且不同的营养物质的对水体富营养化的影响程度不同。营养状态指数法在计算营养状态指数EI时取各评价项目赋分值的算术平均值，这容易掩盖单项高浓度污染物对EI的贡献。而模糊综合评价法更适用于水质污染级别划分的模糊性，数据更加连续，计算了每个评价因子对各级水质标准的隶属程度，并且考虑了不同评价因子对地下水水质的影响权重，能更客观地反映水质的实际情况，评价结果更加科学准确。

4 结语

分别采用营养状态指数法和模糊综合评价法对2015年大伙房水库进行富营养化评价，结果显示：大伙房水库水体整体处于中营养～轻度富营养状态，但总氮指标已达到中度富营养化程度，入库区域的水质富营养化程度高于库中心区，在严重的干旱年，容易出现富营养化状态加重和暴发水华的风险，需要加强水库上游区域水污染治理力度。

营养状态指数法和模糊综合评价法均可以对湖泊（水库）富营养化级别做出评价，且评价结果基本一致。相比较于营养状态指数法，模糊综合评价法既考虑了水质污染级别划分的模糊性，也考虑了不同评价因子对地下水水质的影响权重，评价结果与研究区域的实际水质情况更符合，有助于从事相关领域工作的管理者做出科学决策。

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X824 < class="emphasis_bold"> ［文献标识码］A

A

1002—0624（2017）09—0022—04

2016-09-20