張 煦，熊 晶，程繼雄，姚志鵬，陳亞男

1.湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖北 武漢 430072 2.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

模糊數(shù)學(xué)在丹江口水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

張 煦1，熊 晶1，程繼雄1，姚志鵬2，陳亞男2

1.湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖北 武漢 430072 2.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

丹江口水庫(kù)是南水北調(diào)中線工程水源地，其水質(zhì)安全將直接影響調(diào)水工程的成敗?；?013年6月的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過(guò)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的聚類，將丹江口水庫(kù)劃分子庫(kù)區(qū)，并嘗試使用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，丹江口庫(kù)區(qū)可分為6個(gè)子庫(kù)區(qū)，各庫(kù)區(qū)在透明度、溶解氧、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、硝酸鹽氮和葉綠素a等理化指標(biāo)均有顯著差異；富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)顯示，庫(kù)區(qū)總體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別為中營(yíng)養(yǎng)。其中，壩前區(qū)域(庫(kù)區(qū)Ⅰ)和丹庫(kù)主體部分(庫(kù)區(qū)Ⅵ)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別為貧營(yíng)養(yǎng)，漢庫(kù)原河道區(qū)(庫(kù)區(qū)Ⅱ)為中營(yíng)養(yǎng)，漢江入庫(kù)口(庫(kù)區(qū)Ⅲ)、漢庫(kù)最大庫(kù)灣(庫(kù)區(qū)Ⅳ)、丹江入庫(kù)口(庫(kù)區(qū)Ⅴ)為輕度富營(yíng)養(yǎng)。模糊綜合評(píng)價(jià)法較好反映出水質(zhì)的模糊性、連續(xù)性，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

丹江口水庫(kù)；聚類分析；富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)；模糊數(shù)學(xué)

Abstract:Danjiangkou Reservoir is the water source for the middle route of South-to-North Water Diversion Project, and therefore its water quality could directly influence the success of the project. Based on the result of water quality monitoring in June 2013, Danjiangkou Reservoir was divided into sub-reservoirs through hierarchical cluster analysis on water quality indexes, meanwhile, fuzzy mathematics was also adopted to evaluate the eutrophication of water quality. It was revealed that the six sub-reservoirs of Danjiangkou Reservoir differed significantly in terms of their physical and chemical indexes, such as transparency, dissolved oxygen, turbidity, permanganate index, total phosphorus, nitrate nitrogen, chlorophyll-a, etc.; according to the evaluation of eutrophication, the general nutritional status level of the reservoir is mesotrophic, thereinto, the front area of dam (Reservoir Area I) and the main body of Dan Reservoir (Reservoir Area VI) are oligotrophic; the original river course area of Han Reservoir (Reservoir Area II) is mesotrophic; the entrance of reservoir for Han River (Reservoir Area III), the biggest cove of Han Reservoir (Reservoir Area IV) and the entrance for Dan River (Reservoir V) are mild eutrophic. The fuzziness and continuity of water quality could be relatively clear revealed with the fuzzy comprehensive evaluation method, which improves the preciseness and reliability of evaluation result.

Keywords:Danjiangkou Reservoir;hierarchical cluster analysis;eutrophication evaluation;fuzzy mathematics method

丹江口水庫(kù)是南水北調(diào)中線工程水源地，水域橫跨鄂、豫兩省，由湖北境內(nèi)的漢庫(kù)和河南境內(nèi)的丹庫(kù)兩大部分組成。丹江口水庫(kù)多年平均入庫(kù)水量為395億m3，水庫(kù)多年平均面積超過(guò)了700 km2[1]。2012年，丹江口大壩加高后，水庫(kù)正常蓄水位從157 m提高至170 m，水域面積可達(dá)1 022.75 km2，蓄水量達(dá)290.5億m3[2]。南水北調(diào)中線一期工程于2014年11月開(kāi)始試調(diào)水，12月正式通水。調(diào)水后，庫(kù)區(qū)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的累積可能會(huì)對(duì)水源區(qū)水質(zhì)和水生態(tài)安全造成威脅。因此，定量評(píng)價(jià)丹江口庫(kù)區(qū)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度對(duì)制定針對(duì)性的環(huán)境保護(hù)措施，維持健康穩(wěn)定的水生生態(tài)系統(tǒng)具有重要指導(dǎo)意義。目前，水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)主要采用營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法[3]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[4]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]、模糊數(shù)學(xué)法[6]等。模糊數(shù)學(xué)法以隸屬度函數(shù)描述水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分級(jí)界限的模糊性和不確定性，已成功的應(yīng)用在水體的富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中[7-8]。常用模糊數(shù)學(xué)方法主要包括模糊聚類分析和模糊綜合評(píng)價(jià)，其中模糊綜合評(píng)價(jià)是指綜合考慮受多種因素影響的事物或系統(tǒng)時(shí)對(duì)其進(jìn)行總的評(píng)價(jià)，比模糊聚類分析更適用于富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)。

2013年6月，筆者對(duì)丹江口水庫(kù)進(jìn)行了大范圍的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，嘗試用聚類分析方法對(duì)丹江口水庫(kù)進(jìn)行水域分區(qū)，并用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)丹江口水庫(kù)不同分區(qū)的富營(yíng)養(yǎng)化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，為保障丹江口水庫(kù)水質(zhì)安全和庫(kù)區(qū)水體污染防治提供科學(xué)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1采樣點(diǎn)設(shè)置和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

基于丹江口水庫(kù)地貌特點(diǎn)，綜合考慮河流入庫(kù)區(qū)、庫(kù)灣、庫(kù)體水質(zhì)差別，采用網(wǎng)格法布設(shè)43個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。其中，漢庫(kù)布設(shè)21個(gè)點(diǎn)位(1#～21#)，丹庫(kù)布設(shè)22個(gè)點(diǎn)位(22#～43#)，較全面反映出丹江口庫(kù)區(qū)水質(zhì)狀況(圖1)。

圖1 丹江口水庫(kù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布圖Fig.1 Distribution of monitoring points in Danjiangkou Reservoir

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為水溫、pH、透明度、溶解氧、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮、硝酸鹽氮、葉綠素a共10項(xiàng)。其中，濁度、高錳酸鹽指數(shù)、硝酸鹽氮使用奧地利S::CAN型在線多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，葉綠素a使用BBE FLUOROPROBE藻類野外現(xiàn)場(chǎng)分析儀(version 1.6 E1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，其余指標(biāo)根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)測(cè)定。

1.2分析方法

1.2.1 聚類分析

對(duì)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行l(wèi)g(x+1)轉(zhuǎn)換后用聚類分析方法(Hierarchical Cluster Analysis)劃分庫(kù)區(qū)，用單因素方差分析(One-way ANOVA)解析庫(kù)區(qū)間水質(zhì)指標(biāo)的差異性。若存在顯著差異，則進(jìn)行多重比較；如果方差齊，進(jìn)行LSD(Least Significant Difference)檢驗(yàn)；如果方差不齊，進(jìn)行Games-Howell檢驗(yàn)。

1.2.2 模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)方法模型

1)評(píng)價(jià)指標(biāo)及分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

水體發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化與水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氮、磷、葉綠素a等關(guān)系密切，參考國(guó)內(nèi)對(duì)湖泊水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的研究，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，選擇鄭丙輝等[10]研究的三峽水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的“過(guò)渡型”水體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中“清潔”與“污染”之間分界點(diǎn)的值定義為基點(diǎn)值，在本研究中即第三級(jí)——輕度富營(yíng)養(yǎng)的值定為基點(diǎn)值。[11]

表1 水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Evaluation standard of water trophic status

2)權(quán)重系數(shù)的確定

污染因子的權(quán)重系數(shù)用于衡量參加評(píng)價(jià)各污染因子對(duì)水體環(huán)境質(zhì)量影響的大小，在模糊水質(zhì)評(píng)價(jià)中，權(quán)重系數(shù)常用于描述其對(duì)水質(zhì)污染的重要性，采取污染貢獻(xiàn)率求污染因子權(quán)重系數(shù)。計(jì)算公式為

(1)

3)構(gòu)造隸屬度函數(shù)方程

隸屬度是指某種事物所屬某種標(biāo)準(zhǔn)值的程度，是模糊綜合評(píng)價(jià)模型的重要模糊算子，只有通過(guò)建立隸屬度函數(shù)方程式，才能進(jìn)行模糊映射分析。

文章采用的模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)有兩種形式，對(duì)于總磷、總氮和葉綠素a這類越小越優(yōu)型的評(píng)價(jià)因子，其隸屬度函數(shù)應(yīng)選擇[12]：

(2)

(3)

(4)

對(duì)于透明度這類越大越優(yōu)型的評(píng)價(jià)因子，其隸屬度函數(shù)應(yīng)選擇[13]：

(5)

(6)

(7)

式中：rij表示因子i對(duì)j級(jí)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別的隸屬度；Ci表示因子i的實(shí)測(cè)濃度；Si,j表示因子i的第j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。

4)構(gòu)建隸屬函數(shù)矩陣

設(shè)某因子有n個(gè)水體樣本，m級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由隸屬度函數(shù)公式求得樣本i對(duì)j級(jí)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別的隸屬度rij，則全體rij構(gòu)成該因子的隸屬函數(shù)矩陣R：

(8)

5)計(jì)算模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

設(shè)某因子有n個(gè)水體樣本，根據(jù)權(quán)重系數(shù)計(jì)算公式求得該因子在各水體樣本中的權(quán)重系數(shù)αi，構(gòu)成權(quán)重向量A：

A=(α1，α2，…αn)

(9)

在權(quán)重向量A和隸屬函數(shù)矩陣R已知時(shí)，模糊綜合評(píng)價(jià)模型可表達(dá)為

B=A·R

(10)

式中：B=(b1，b2，…bm)；模糊綜合指數(shù)b0=max{bj}，j=1，2，3，…m；bj表示第j級(jí)的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)綜合環(huán)境分級(jí)指數(shù)的隸屬程度。

2 結(jié)果與分析

2.1丹江口水庫(kù)采樣點(diǎn)聚類分析

依據(jù)丹江口水庫(kù)地理分布特點(diǎn)，對(duì)漢庫(kù)和丹庫(kù)分別進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)聚類，聚類結(jié)果如圖2～圖3所示。由圖2、圖3可以看出，橫坐標(biāo)為聚類重新標(biāo)定距離(Rescaled Distance Cluster Combine)，縱坐標(biāo)為聚類要素(監(jiān)測(cè)點(diǎn)位)。參與聚類的有透明度、溶解氧、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、總氮、硝酸鹽氮和葉綠素a共8項(xiàng)指標(biāo)。聚類分析結(jié)果顯示，漢庫(kù)劃分為4個(gè)區(qū)(Ⅰ區(qū)～Ⅳ區(qū))，丹庫(kù)劃分為2個(gè)區(qū)(Ⅴ區(qū)～Ⅵ區(qū))(表2)。

圖2 漢庫(kù)采樣點(diǎn)聚類分析樹(shù)狀圖 Fig.2 The dendrogram of cluster analysis for monitoring points in Hanjiang part of Reservoir

2.2各區(qū)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

單因素方差分析顯示，除總氮外，透明度、溶解氧、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、硝酸鹽氮、葉綠素a 7項(xiàng)指標(biāo)在丹江口水庫(kù)6個(gè)區(qū)之間均存在顯著差異。丹江口水庫(kù)不同分區(qū)監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

圖3 丹庫(kù)采樣點(diǎn)聚類分析樹(shù)狀圖 Fig.3 The dendrogram of cluster analysis for monitoring points in Danjiang part of Reservoir

分區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位Ⅰ區(qū)1#、2#、3#、4#、5#、6#Ⅱ區(qū)7#、8#Ⅲ區(qū)13#、14#Ⅳ區(qū)9#、10#、11#、12#、15#、16#、17#、18#、19#、20#、21#Ⅴ區(qū)22#、25#Ⅵ區(qū)23#、24#、26#～43#

表3 丹江口水庫(kù)不同分區(qū)監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical results of monitoring data of different regions in Danjiangkou Reservoir

注：數(shù)值為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差”；字母不同的同一變量表明其存在顯著差異(P<0.05)。

透明度Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ區(qū)各為一類，Ⅱ、Ⅴ區(qū)可分為一類，其中Ⅵ區(qū)透明度最大，Ⅰ區(qū)次之，Ⅲ區(qū)透明度最小；溶解氧在6個(gè)區(qū)呈現(xiàn)不同特點(diǎn)，其中Ⅱ、Ⅳ區(qū)溶解氧最大，Ⅵ區(qū)最??；濁度指標(biāo)Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ區(qū)各為一類，Ⅳ、Ⅴ區(qū)為一類，Ⅰ區(qū)兼具Ⅱ、Ⅵ區(qū)的特點(diǎn)，其中Ⅲ區(qū)濁度最大，Ⅰ、Ⅵ區(qū)濁度最??；高錳酸鹽指數(shù)Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ區(qū)各為一類，Ⅰ、Ⅲ區(qū)為一類，Ⅱ區(qū)兼具其他區(qū)域特點(diǎn)，其中Ⅳ區(qū)最大，Ⅲ、Ⅵ區(qū)最小，各區(qū)均值均達(dá)到Ⅰ類；總磷在6個(gè)區(qū)各有不同，Ⅱ區(qū)兼具其他區(qū)域特點(diǎn)，其中Ⅲ、Ⅳ區(qū)最大(均值達(dá)到Ⅳ類)，Ⅴ、Ⅵ區(qū)最小(均值達(dá)到Ⅱ類)；硝酸鹽氮Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ區(qū)各為一類，Ⅲ、Ⅳ區(qū)可分為一類，其中Ⅴ區(qū)最大，Ⅱ區(qū)最小；葉綠素a指標(biāo)在6個(gè)區(qū)各有不同，Ⅱ區(qū)兼具其他區(qū)域特點(diǎn)，其中Ⅳ區(qū)最大，Ⅱ區(qū)次之，Ⅲ、Ⅵ區(qū)最小。

總氮指標(biāo)在6個(gè)區(qū)之間接近顯著性差異(P=0.051)?？偟獫舛葹?.61～2.41 mg/L，大部分點(diǎn)位為Ⅳ～Ⅴ類。

Ⅰ區(qū)位于丹江口水庫(kù)壩前位置，水深較大，流速緩慢，水體相對(duì)穩(wěn)定。Ⅱ區(qū)為原漢江河道，形態(tài)狹長(zhǎng)，連接漢庫(kù)最大庫(kù)灣與壩前庫(kù)區(qū)。Ⅲ區(qū)位于漢江入庫(kù)口區(qū)域，為河流形態(tài)與水庫(kù)形態(tài)的緩沖帶，水體有一定流速，水較淺。Ⅳ區(qū)是丹江口水庫(kù)漢庫(kù)的最大庫(kù)灣。Ⅴ區(qū)位于丹江入庫(kù)口區(qū)域，也為河流形態(tài)與水庫(kù)形態(tài)的緩沖帶，有一定流速，水較淺。Ⅵ區(qū)為丹庫(kù)主體，水面大、水位深，水體穩(wěn)定。

根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)的聚類分析結(jié)果進(jìn)行的分區(qū)較為合理。I區(qū)位于壩前位置，為典型的深水水庫(kù)，透明度大，濁度小，葉綠素a較小，該區(qū)域水質(zhì)總體優(yōu)良，發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的潛在風(fēng)險(xiǎn)較低；Ⅱ區(qū)為原漢江河道，形態(tài)狹長(zhǎng)，連接漢庫(kù)最大庫(kù)灣與壩前庫(kù)區(qū)，透明度、溶解氧、葉綠素a較大，總氮、硝酸鹽氮均最小，總體水質(zhì)較好；Ⅲ區(qū)為漢江入庫(kù)口緩沖帶，水體有一定流速，水最淺，由于有上游帶來(lái)的懸浮泥沙[14]，其透明度最小、濁度最大，高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a最小，總磷最大；Ⅳ區(qū)透明度較小，溶解氧、濁度較大，葉綠素a最大，高錳酸鹽指數(shù)、總磷也較大，該區(qū)域?yàn)闈h庫(kù)最大庫(kù)灣，水面面積大，水深較深，流動(dòng)性較差，在采樣過(guò)程中水面多現(xiàn)圍網(wǎng)養(yǎng)殖現(xiàn)象，漁業(yè)養(yǎng)殖投肥是影響Ⅳ區(qū)水質(zhì)的重要原因，若不及時(shí)采取相關(guān)措施，該區(qū)域部分位置將有發(fā)生水華的風(fēng)險(xiǎn)；Ⅴ區(qū)為丹江入庫(kù)口緩沖帶，水體有一定流速，水較淺，透明度較小，濁度較大，總磷最小，硝酸鹽氮、總氮、葉綠素a較大；Ⅵ區(qū)為丹庫(kù)主體，為典型的深水水庫(kù)，水面大、水位深，透明度最大，濁度最小，高錳酸鹽指數(shù)、總磷、葉綠素a較小。

2.3運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)丹江口水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化水平

2.3.1 權(quán)重系數(shù)的確定

根據(jù)丹江口水庫(kù)Ⅰ～Ⅵ區(qū)和全庫(kù)區(qū)的透明度、葉綠素a、總磷、總氮濃度均值，代入權(quán)重系數(shù)計(jì)算公式得出各區(qū)各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，如表4所示。

表4 丹江口水庫(kù)各區(qū)各指標(biāo)權(quán)重系數(shù) Table 4 Weight coefficient of each index of differentregions in Danjiangkou Reservoir

2.3.2 隸屬度函數(shù)矩陣的確定

(11)

(12)

(13)

(14)

2.3.3 模糊評(píng)價(jià)結(jié)果

將隸屬函數(shù)的矩陣S(TD)、S(Chla)、S(TP)、S(TN)和表4中的數(shù)據(jù)代入公式B=A·R，可得丹江口水庫(kù)Ⅰ～Ⅵ區(qū)和全庫(kù)區(qū)的模糊綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。取疊加隸屬度函數(shù)最大值為各區(qū)對(duì)應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別，結(jié)果表明，丹江口庫(kù)區(qū)總體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別為中營(yíng)養(yǎng)，但各子庫(kù)區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)存在差異，其中Ⅰ、Ⅵ區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別最低，為貧營(yíng)養(yǎng)；Ⅱ區(qū)為中營(yíng)養(yǎng)；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)為輕度富營(yíng)養(yǎng)(表5)。

表5 丹江口水庫(kù)各區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Fuzzy evaluation results of water trophic statusof different regions in Danjiangkou Reservoir

2.4綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)與模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果比較

綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)[15]結(jié)果顯示，對(duì)丹江口水庫(kù)Ⅰ～Ⅵ區(qū)、全庫(kù)區(qū)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)，丹江口水庫(kù)Ⅰ～Ⅵ區(qū)和全庫(kù)區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別均為中營(yíng)養(yǎng)，其中Ⅵ區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最小，為32.07；Ⅳ區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)最大，為48.81(表6)。

表6 不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)方法結(jié)果對(duì)比 Table 6 Water trophic status results of two differentevaluation methods

兩種營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)方法均顯示，丹江口庫(kù)區(qū)總體為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，但各子庫(kù)區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異。模糊數(shù)學(xué)法對(duì)各子庫(kù)區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的評(píng)價(jià)區(qū)分度更好，與實(shí)際情況更加吻合。

綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)是由各參評(píng)因子的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)按權(quán)重相加可得到，各因子的權(quán)重系數(shù)是固定值，且每個(gè)因子的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計(jì)算公式是由各個(gè)因子與葉綠素a的相關(guān)系數(shù)推導(dǎo)得出，該方法的最大弊端是過(guò)于依賴各指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)[6]。

在模糊綜合評(píng)價(jià)中，由于各影響因子在不同水體中對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)程度不同，所以其權(quán)重也不同。研究基于丹江口水庫(kù)各區(qū)水體間的差異，分別計(jì)算了各區(qū)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，充分體現(xiàn)各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子在不同區(qū)域的不同特點(diǎn)。同時(shí)，模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法用隸屬度來(lái)表示富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)界限，能較好地反映水質(zhì)級(jí)別的模糊性與連續(xù)性。文中丹江口水庫(kù)Ⅰ、Ⅵ區(qū)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果均為貧營(yíng)養(yǎng)，但Ⅰ區(qū)貧營(yíng)養(yǎng)的隸屬度為0.394，Ⅵ區(qū)貧營(yíng)養(yǎng)的隸屬度為0.665，兩者相較Ⅵ區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)實(shí)際優(yōu)于Ⅰ區(qū)。模糊綜合評(píng)價(jià)克服了以往單因子評(píng)價(jià)的缺點(diǎn)，充分考慮了各項(xiàng)指標(biāo)在總體評(píng)價(jià)中的貢獻(xiàn)差異，可對(duì)多指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，更能全面客觀地反映實(shí)際狀況。

3 結(jié)論

基于丹江口水庫(kù)水質(zhì)聚類的分區(qū)結(jié)果較為合理，6個(gè)子庫(kù)區(qū)之間在透明度、溶解氧、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷、硝酸鹽氮和葉綠素a 7項(xiàng)指標(biāo)存在顯著差異，這與各子庫(kù)區(qū)地理特點(diǎn)相吻合。

丹江口水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化模糊評(píng)價(jià)結(jié)果表明，庫(kù)區(qū)總體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別為中營(yíng)養(yǎng)，各子庫(kù)區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)存在差異，其中Ⅰ、Ⅵ區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)級(jí)別最低，為貧營(yíng)養(yǎng)；Ⅱ區(qū)為中營(yíng)養(yǎng)；Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ區(qū)為輕度富營(yíng)養(yǎng)。模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)更相符。因此，通過(guò)構(gòu)建隸屬函數(shù)，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重可以很好解決富營(yíng)養(yǎng)化影響因子和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的模糊性，較綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法更具客觀性和準(zhǔn)確性。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，丹江口水庫(kù)壩前和丹庫(kù)主體部分水質(zhì)較好，處于貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，完全能夠保障南水北調(diào)中線水源地水質(zhì)；漢江入庫(kù)口區(qū)域、漢庫(kù)最大庫(kù)灣和丹江入庫(kù)口區(qū)域呈輕度富營(yíng)養(yǎng)，需引起有關(guān)部門注意，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與預(yù)警，落實(shí)各項(xiàng)污染防治措施，保障丹江口水庫(kù)水質(zhì)安全。

研究主要探討了采用模糊數(shù)學(xué)方法評(píng)價(jià)丹江口水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化程度的適用性。維護(hù)和改善丹江口庫(kù)區(qū)水環(huán)境狀況需要開(kāi)展長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)和研究工作，后期將在已有工作的基礎(chǔ)上，對(duì)南水北調(diào)中線工程通水前后的水質(zhì)狀況進(jìn)行對(duì)比分析，并系統(tǒng)研究各子庫(kù)區(qū)水質(zhì)狀況的差異，確保實(shí)現(xiàn)“一庫(kù)清水送北京”的目標(biāo)。

[ 1] 趙文耀.丹江口水庫(kù)流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)現(xiàn)狀[J].人民長(zhǎng)江，2006,37(12)：112-114.

ZHAO Wenyao.Status-quo of ecological and environmental protection of Danjiangkou reservoir[J].Yangtze River, 2006,37(12)：112-114.

[ 2] 申劍，史淑娟，周揚(yáng)，等.基于改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)分析法的丹江口流域地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2014,30(5)：41-46.

SHEN Jian,SHI Shujuan,ZHOU Yang, et al.Surface water environmental quality assessment of Danjiangkou Valley based on improved grey correlation analysis[J].Environmental Monitoring in China, 2014,30(5)：41-46.

[ 3] 張晟，李崇明，鄭堅(jiān)，等.三峽水庫(kù)支流回水區(qū)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)季節(jié)變化[J].環(huán)境科學(xué)，2009,30(1)：64-69.

ZHANG Sheng, LI Chongming, ZHENG Jian, et al.Seasonal variation of trophic states in backwater areas of tributaries in Three Gorges Reservoir[J].Environmental Science, 2009,30(1)：64-69.

[ 4] 岳雋，王仰麟，李貴才，等.深圳市西部庫(kù)區(qū)景觀格局與水質(zhì)的關(guān)聯(lián)特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2008,19(1)：204-207.

YUE Jun, WANG Yanglin, LI Guicai, et al.Relationships between landscape pattern and water quality at western reservoir area in Shenzhen City[J].Chinese Journal of Applied Ecology, 2008,19(1)：204-207.

[ 5] 蔡煜東，汪列，姚林聲.水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化程度的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)決策模型[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，1995,15(2)：123-127.

CAI Yudong, WANG Lie, YAO Linsheng.Artificial neural network decision model of water tropic states[J]. China Environmental Science , 1995,15(2)：123-127.

[ 6] 張平，黃鈺玲，陳媛媛，等.模糊數(shù)學(xué)在香溪河庫(kù)灣庫(kù)灣富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012,35(6)：173-179.

ZHANG Ping,HUANG Yuling, CHEN Yuanyuan,et al.Fuzzy mathematics for evaluation of eutrophication in Xiangxi Bay[J].Environmental Science & Technology, 2012,35(6)：173-179.

[ 7] 王博，楊志強(qiáng)，李慧穎，等.基于模糊數(shù)學(xué)和GIS的松花江流域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究[J].環(huán)境科學(xué)研究，2008,21(6)：124-129.

WANG Bo, YANG Zhiqiang, LI Huiying, et al.Identification of the Songhua River water quality using fuzzy synthetic evaluation and GIS approach[J].Research of Environmental Sciences, 2008,21(6)：124-129.

[ 8] 方統(tǒng)中，杜耘，蔡述明，等.模糊數(shù)學(xué)在洪湖富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào)，2008,25(4)：517-521.

FANG Tongzhong, DU Yun, CAI Shuming, et al.Fuzzy mathematics for evaluation of eutrophic levels in Honghu Lake of Hubei Province[J].Journal of Zhejiang Forestry College, 2008,25(4)：517-521.

[ 9] 汪紅軍，顏昌龍，李嗣新，等.洪湖水質(zhì)空間特異性及主導(dǎo)因子分析[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2012,28(3)：72-75.

WANG Hongjun, YAN Changlong,LI Sixin, et al.Spatial distribution and dominant factor of water quality in Honghu Lake in China[J].Environmental Monitoring in China, 2012,28(3)：72-75.

[10] 鄭丙輝，張遠(yuǎn)，富國(guó)，等.三峽水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006,26(6)：1 022-1 030.

ZHENG Binghui, ZHANG Yuan, FU Guo, et al.On the assessment standards for nutrition status in the Three Gorge Reservoir[J].Acta Scientiae Circumstantiae, 2006,26(6)：1 022-1 030.

[11] 裴廷權(quán)，王里奧，韓勇，等.三峽庫(kù)區(qū)小江流域水體富營(yíng)養(yǎng)化的模糊評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008,27(4)：1 427-1 431.

PEI Tingquan, WANG Liao, HAN Yong,et al.Fuzzy assessment of water utrophication for Xiaojiang river basin in Three Gorges Region[J]. Ournal of Agro-Environment Science, 2008,27(4)：1 427-1 431.

[12] 劉聚濤，高俊峰，趙家虎，等.太湖藍(lán)藻水華災(zāi)害程度評(píng)價(jià)方法[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2010,30(6)：829-832.

LIU Jutao, GAO Junfeng, ZHAO Jiahu,et al.Method of cyanobacteria bloom hazard degree evaluation in Taihu Lake[J].China Environmental Science, 2010,30(6)：829-832.

[13] 程剛.水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法與案例分析——以香溪河為例[D].北京：中央民族大學(xué)，2012.

[14] 朱玉霞，張杰，劉銳，等.基于HJ-1衛(wèi)星的丹江口庫(kù)區(qū)水質(zhì)遙感監(jiān)測(cè)研究[J].環(huán)境科技，2014，27(5)：52-58.

ZHU Yuxia, ZHANG Jie, LIU Rui, et al.Study on remote sensing monitoring of water quality for Danjiangkou Reservoir by HJ-1 Satellite data[J].Environmental Science and Technology, 2014，27(5)：52-58.

[15] 王鶴揚(yáng).綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法在陶然亭湖富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2012,37(9)：188-194.

WANG Heyang.Application of comprehensive eutrophication state index in evaluation in Taoranting Lake[J].Environmental Science and Management, 2012,37(9)：188-194.

ApplicationofFuzzyMathematicsforEvaluationofEutrophicationinDanjiangkouReservoir

ZHANG Xu1, XIONG Jing1, CHENG Jixiong1, YAO Zhipeng2，CHEN Yanan2

1.Hubei Province Environmental Monitoring Centre, Wuhan 430072, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China

X824

A

1002-6002(2017)03- 0099- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.15

2016-01-29;

2016-03-22

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“南水北調(diào)中線工程水源地及沿線水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(2011BAC12B01-01，2011BAC12B02-01)

張 煦(1986-)，女，湖北孝感人，碩士，工程師。

姚志鵬