理想點決策法在東平湖水體富營養化評價中的應用

鄭志國江 龍李 瑋岳 超李 斌

理想點決策法在東平湖水體富營養化評價中的應用

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1 富營養化定義及其危害

富營養化是指生物所需的N、P等營養物質大量進入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧含量下降，魚類及其他生物大量死亡。大量死亡的水生生物沉積到湖底，被微生物分解，消耗大量的溶解氧，使水體溶解氧含量急劇降低，水質惡化，影響到魚類的生存，大大加速了水體的富營養化過程。水體出現富營養化現象時，由于浮游生物大量繁殖，往往使水體呈現藍色、紅色、棕色、乳白色等，這種現象在江河湖泊中叫水華（水花），在海中叫赤潮。在發生赤潮的水域里，一些浮游生物暴發性繁殖，使水變成紅色，因此叫“赤潮”。這些藻類有惡臭、有毒，魚不能食用。藻類遮蔽陽光，使水底生植物因光合作用受到阻礙而死去，腐敗后放出氮、磷等植物的營養物質，再供藻類利用。這樣年深月久，造成惡性循環，藻類大量繁殖，水質惡化而又腥臭，水中缺氧,造成魚類窒息死亡。

2 富營養化研究方法

富營養化研究在國內外引起普遍重視，對湖泊水體的水質富營養化狀態的評價方法很多，如層次分析法、灰色模型法、加權綜合指數法等，但這些方法計算過程復雜，計算量較大，應用極不方便。為此，本次富營養化評價采用理想點決策法來進行湖泊水質富營養化的評價。

2.1 理想點決策法概念及方法

決策學是以決策為研究對象的綜合性學科。決策是現代管理的核心問題。所謂決策，是指在現代社會和經濟發展進程中，針對某些宏觀或微觀的問題，按預定的目標，采用一定的科學理論、方法和手段，從所有可供選擇的方案中，找出最滿意的方案進行實施，直至目標的實現。逼近理想點法就是就多指標決策問題的一種決策方法，其原理是找到最靠近正理想點而同時最遠離負理想點的有效解，實質是把每一個方案的各指標值堪稱n維向量，即n為空間中的一點，而利用相關方法來度量各可行方案的指標值靠近正理想方案和負理想方案的距離的相應指標值的程度來確定方案的優劣。

2.2 富營養化評價因子分級系統的建立

湖泊水體富營養化現象的發生主要是由于水體中N、P營養元素含量增多的原因所致，造成水體水生生物異常，水體透明度變化，因此在湖泊水庫富營養化的描述中常選用總磷（TP）、總氮（TN）、高錳酸鹽指數（CODMn）、透明度（SD）等4個參數作為評價指標，其因子集構成如下：

表1 富營養化綜合評價指標和分級評價標準

上述4個指標的評價按“極貧營養化（Ⅰ）、貧營養化（Ⅱ）、中營養化（Ⅲ）、富營養化（Ⅳ）、極富營養化（Ⅴ）”5級進行劃分，確定各評價因素的評價標準見表1。

設富營養化評價標準分為m個等級，記為Sh（h=1，2，…，m），每個等級含有相同的n個項目，利用空間直角坐標系，可將m個水體富營養化等級與上述n維水體評價空間中m個確定的點一一對應起來，將這m個點稱為富營養化標準點，記為（h=1，2，…，m）。顯然，隨著h的增大（h=1，2，…，m）到坐標原點的距離Dh（h=1，2，…，m）必單調增加，即 D1＜D2＜…＜Dm，其中 D1=0，Dm=Dmax。這時如果以坐標原點為中心，以Dh（h=1，2，…，m）為半徑，則可在n維水質評價空間中建立m個同心超球面，記為Qh（h＝1，2，…，m）。于是，凡是處在同一超球面上的點，均可認為具有相同的水質質量。m個超球面可將全部評價空間劃分為m個互不相交的區域，每個區域便構成一個富營養化程度等級區域。而任何一個含有n個項目的待評價的樣本C，也將對應與該空間中一個確定的點，記為必將屬于某一個等級區域，從而實現對任何水體樣本C的分類評價。

表2 理想點距離法劃分富營養化等級標準

（1）數據規范化處理公式如下：

式中，Sih為第i個項目的h級標準濃度限值；Sim，Pi★分別為第 i個項目的m級和I級標準濃度的限值。

規范后的評價標準矩陣為：

（2）計算各級水質標準點到原點的相對距離采用歐氏（Euclid）相對距離公式計算各水質標準點（h=1，2，…，m）到原點的相對距離：

（3）確定水質樣本點的坐標定義：

式中，Ci為第i個項目的實測濃度；I1為濃度指標越小其水質越好的項目下標集合；I2為濃度指標越大其水質越好的項目下標集合。鑒于富營養化分為5級，這里規定若≥1，計算時均取＝1，經規范化后的水質樣本點為：

（4）計算水質樣本到原點的相對距離水質樣本到原點的相對距離為：

當 D≤d ≤Dh+1（h＝1，2，…，m）時，評價等級為：

（h為Dh所對應的樣本標準等級數）

利用式（1）對評價標準作規范化處理，規范后的矩陣為：

由式（3）計算出各級標準點Sh（h=1，2，…，5）到坐標原點的相對距離為 ：D1=0，D2=0.339，D3=0.472，D4=0.534，D5=1。利用理想點法劃分富營養化等級如表2。

3 東平湖富營養化評價分析

3.1 東平湖概況

東平湖位于山東省泰安市東平縣，東平湖是水泊梁山的遺存水域，山東省第二大淡水湖泊，湖區總面積627km2，其中一級湖常年蓄水，面積209km2，平均水位高程 40.75m，南水北調東線一期工程完成后，東平湖平均水位高程將達41.5m，將淹損耕地3.6萬畝，東平湖蓄水面積將達到25萬畝。東平湖西近京杭大運河，東連大汶河，北通黃河。大清河（戴村壩以上為大汶河）從東面匯入，沖擊形成大清河三角洲和東平湖濕地，湖水從北面的小清河匯入黃河。作為南水北調東線調水工程蓄水水庫，近年來通過污水治理，截污導流，東平湖水質已達到地表水Ⅲ類水標準，但是水體富營養化趨勢仍未改變。本文選用總磷（TP）、總氮（TN）、高錳酸鹽指數（CODMn）、透明度（SD）等4個參數，利用理想點決策法模型對東平湖進行富營養化評價分析。

表3 泰安市主要湖泊水庫水質年均監測結果

表4 泰安市主要湖泊水庫富營養化評價結果

3.2 東平湖水體富營養化評價結果

分別選取東平湖入湖口控制斷面戴村壩、東平湖控制斷面湖心老湖鎮、出湖口控制斷面陳山口，選取2011年水質監測資料進行評價分析。TP、CODMn、SD、TN年均監測結果見表3。

對其實測數據樣本Ci（j=1，2，…，5）作規范化處理，規范后的各樣本點用矩陣的形式表示為：

利用式（6）計算出各樣本Ci（i＝1，2，…，5）點到坐標原點的相對距離（取平均權計算）為：

利用式（7）對各樣本進行等級評價，結果等級為：戴村壩等級5.15級，老湖鎮4.12級，陳山口4.11級，評價結果戴村壩為極富營養化，老湖鎮、陳山口均為富營養化，詳見表4。

由表4評價結果可以看出，東平湖水質富營養化狀況較重。由此看出，當務之急應該減少富營養化對湖泊水質的影響。東平湖由于接納大汶河來水，根據2011泰安市水功能區監測評價分析，大汶河水質對東平湖富營養化狀況影響較大，其次是湖泊底泥影響。

4 減少富營養化影響的措施

應對湖泊富營養化主要措施首先應該在上游地區施行退耕還林，減少耕作方式，實施測土施肥，減少化肥使用量，努力推廣使用控釋肥。其次是在上游村莊居民居住集中區域，建設小型生活污水處理設施，減少生活污水對湖泊水質的影響。再就是內源污染方面，采取庫底清淤與封閉和營養鹽固定等措施。由于底泥對環境的作用具有累積性和滯后性，因此，一要阻止沉積物中污染物的釋放，如底質封閉等；二要清除污染沉積物，如對底泥進行疏浚；三是生態恢復,水生植被的恢復與重建要從湖岸帶挺水植物與浮葉植物著手，隨整個湖區水質改善后逐步建立與發展沉水植物群落，可以起到凈化水質，建立起一個結構較完善、水生生物多樣性程度較高的水生態系統，從而降低湖泊富營養化影響

1.山東省泰安市水文局 271000 2.山東省威海市水文局 264209）