城區(qū)河流水體富營養(yǎng)化評價方法研究進展

孟祥嵩 李致春* 成開峰 余銘明

（宿州學(xué)院環(huán)境與測繪工程學(xué)院， 安徽 宿州 234000）

近年來，由于我國城市化進程的不斷加快，引發(fā)了城區(qū)河流一系列生態(tài)環(huán)境問題[1]。其中，水體富營養(yǎng)化是城區(qū)河流水質(zhì)面臨的主要問題之一。水體富營養(yǎng)化主要是指人類活動將氮磷污染物向城區(qū)河流排放，致使藻類等浮游植物過度繁殖[2]。其后果會導(dǎo)致溶解氧降低、水體生物多樣性減少，水體生態(tài)系統(tǒng)失衡，水體自凈能力受到抑制。當(dāng)前國外學(xué)者對湖泊和大城市水體富營養(yǎng)化做了大量的研究，建立了水體富營養(yǎng)化指標(biāo)的選取方法、評價標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)學(xué)模型，為不同區(qū)域水體富營養(yǎng)化問題的分析奠定了基礎(chǔ)。然而富營養(yǎng)化評價方法種類繁多，選擇恰當(dāng)合適的方法自然成為評價城區(qū)河流富營養(yǎng)化程度的關(guān)鍵。本文通過列舉富營養(yǎng)化評價的主要方法并通過對比評價其優(yōu)劣勢，以為城區(qū)河流富營養(yǎng)化評價與治理提供參考。

1 常用方法

1.1 水質(zhì)指標(biāo)評價法

水質(zhì)指標(biāo)評價法是選取一般富營養(yǎng)化指標(biāo)如磷、氮、葉綠素等指標(biāo)直接與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行濃度對比，由此直接進行評價城區(qū)河流的富營養(yǎng)化程度，是一種直接進行富營養(yǎng)化評價的簡單方法[3]。

1.2 綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法選擇葉綠素a（Chl-a）、總氮（TN）、總磷（TP）、高錳酸指數(shù)（CODMn）和透明度（SD）這些基本污染物，將其濃度轉(zhuǎn)化為綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，對照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進行水體富營養(yǎng)化評價。參數(shù)的計算和權(quán)重計算過程見梁偉林的研究[4]，通常指數(shù)值越高說明水質(zhì)越差，富營養(yǎng)化越重。

1.3 灰色聚類法

聚類分析是按照標(biāo)準(zhǔn)對研究對象進行分的數(shù)學(xué)方法，是軟科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)和有效手段[5]?；疑垲惙ㄒ阅：龜?shù)學(xué)為基礎(chǔ)，將幾種聯(lián)系密切的富營養(yǎng)化指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個可以定義的類別，并用平均綜合指標(biāo)或其中的某一個指標(biāo)來代替這幾種指標(biāo)，以使復(fù)雜的系統(tǒng)簡單化，在城區(qū)河流富營養(yǎng)化評價的運中方便、客觀、可靠。

運用灰色聚類法通常需要6 步：確定樣本矩陣、數(shù)據(jù)無量綱化處理、確定白化函數(shù)、確定聚類權(quán)及聚類權(quán)系數(shù)、確定聚類對象所處等級。具體的數(shù)學(xué)建模過程參見李干榮等的研究[6]。

1.4 BP-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有強非線性映射能力、容錯性，以及在線自學(xué)和記憶能力，處理迅速[11]，適用于評價像城區(qū)河流富營養(yǎng)化程度的復(fù)雜問題。

富營養(yǎng)化的水體常爆發(fā)水華，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法常用以對于水華的分析預(yù)測來體現(xiàn)河流的富營養(yǎng)化潛力，其一般過程為標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)建反向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、確定與處理輸入輸出變量、敏感性分析。具體建模方法見殷高方等的研究[7]。

1.5 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的相關(guān)理論用以描述城區(qū)河流富營養(yǎng)化的不確定性，并將各種富營養(yǎng)化要素定量化，再根據(jù)隸屬度理論進行定量評價。利于解決城區(qū)河流富營養(yǎng)化評價污染物模糊等問題。模糊綜合評價法的一般步驟為：構(gòu)建評價指標(biāo)、采用構(gòu)建好權(quán)重向量、構(gòu)建評價矩陣、評價矩陣和權(quán)重的合成。詳見張熙等的研究[8]。

1.6 貝葉斯公式法

在城區(qū)河流水體中，由于導(dǎo)致富營養(yǎng)化的因子繁多，各個因子之間的等級界限難以明晰，在綜合評價中各因子所占比重也很難確定，故城區(qū)河流富營養(yǎng)化的發(fā)展有很強不確定性，貝葉斯公式正是研究不確定性的隨機方法。運用貝葉斯公式進行富營養(yǎng)化評價時需將公式改寫，之后一般步驟為：計算單個指標(biāo)屬于某個分級的幾率，計算單個指標(biāo)的所處級別和權(quán)重，計算多個水質(zhì)指標(biāo)的綜合評價級別。具體的建模和計算過程見謝平、廖杰等的研究[9]。

2 不同方法對比

不同的富營養(yǎng)化評價方法因應(yīng)用方向不同有各自相應(yīng)的優(yōu)勢與不足。因此在不同城區(qū)河流富營養(yǎng)化評價中要結(jié)合實際研究區(qū)區(qū)域，當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)的發(fā)展和主要污染因子，科學(xué)合理地選擇合適的方法進行評價，以在保證評價客觀準(zhǔn)確的同時使過程更加簡單高效。本文針對上述幾種常用方法，在優(yōu)點、缺點和使用范圍上做出了比較，詳見表1。

表1 幾種富營養(yǎng)化評價方法對比

3 結(jié)論

（1）現(xiàn)有的河流富營養(yǎng)化評價方法種類繁多且優(yōu)劣勢明顯，適用方向也有明顯不同，但由于城區(qū)河流污染物較為復(fù)雜，現(xiàn)有方法都難以做到全面考慮各污染因子的權(quán)重，進而進行綜合客觀的分析和預(yù)測。

（2）隨著城區(qū)河流富營養(yǎng)化評價方法的日益成熟，學(xué)者們也在對方法進行不斷地完善更新，使富營養(yǎng)化評價模型更加符合城區(qū)河流的實際情況，科研工作者們在進行富營養(yǎng)化評價時也應(yīng)全面考慮研究區(qū)的實際情況，選取最為合適的評價方法。