（环境科学专业论文）城市浅水景观湖水质模型研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 平均下的空间分布和空间平均下的时间分布上，分析该湖的营养状态； 分别建立t n 、t p 、c o 隗。和b o d j 的g m ( 1 ，1 ) 灰色预测模型，进行湖泊的水 质预测，通过后验差精度等级检验，表明模型是可靠的。 ( 4 ) 控制因子和容量研究。从水温、光照、t n 、t p 和t n t p 比值等 5 个方面来探讨龙潭湖富营养化控制因子，研究表明该湖属p 控制型湖泊， 但环境因子已满足藻类生长繁殖的所需，并处于富营养临界状态；同时基 于营养物输入输出质量平衡原理，应用d i l l i o n 容量模型，定量地分析 了龙潭湖富营养化临界磷氮质量浓度的环境容量，以此确定治理工程中 来水浓度消减量，为湖泊水质管理提供理论依据。 关键词浅水景观湖，湖泊水质，功能价值模型，灰色聚类法，灰色模 型，环境容量 - | 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es t u d yo nw a t e r q u a l i t y m o d e l 0 fs h a l l o wl a n d s c a p el a k e0 fc i t y a b s t r c t t h i ss t u d yi so nt h eb a c k g r o u n do fw a t e rq u a l i t yo fl o n gt a nl a k eo ft a i y u a nc i t y a i m i n ga te u t r o p h i c a t i o np r o b l e ma n da p p l y i n gs y s t e ma n a l y s i s m e t h o do nt h eb a s eo fg a t h e r i n gd a t a sa n dl o n g - t i m ew a t e r q u a l i t y m o n i t o r i n g ，w ec a nh o l dt e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o no f w a t e rq u a l i t y , a s s e s s t h ev a l u el o s sc r e a t e db yp o l l u t i o n ，e s t a b l i s ht h em o d e lo fe u t r o p h i c a t i o n o v e r a l lm e r i ta n d g m ( 1 ，1 ) m o d e l f o rw a t e r q u a l i t y f o r c a s tt o q u a n t i f i c a f i o n a l l yr e f l e c te x i s t i n gc o n d i t i o na n dv a r i a b l et e n d e n c yo fw a t e r q u a l i t y f u r t h e rs t u d i e so nc o n t r o l l a b l ef a c t o ro fe u t r o p h i c a t i o na n dc r i t i c a l e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t yo ft o t a lp h o s p h o r u sa n dt o t a ln i t r o g e nw h i c hi s q u a n t i t a t i v e s ot h i ss t u d yc a n o f f e rr e f e r e n c et h e o r ya n dt e c h n o l o g yf o rl a y o u t o fc l a s s i c a ls h a l l o wl a n d s c a p el a k eo fc i t yo na r i da n ds e m i - a r i dc l i m a t e t h e s t u d i e so ft h i sp a p e rh a v ea nt h e o r ys i g n i f i c a n c er e l a t i v e l ya n da nv a l u eo f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h em a i n a c h i e v e m e n t si n c l u d e ( 1 ) a p p l y i n gt h es y s t e ma n a l y s i sm e t h o d f o rt h et a r g e to fl o n gt a nl a k e f o rt h ef r s tt i m e ，t h i sp a p e rs y s t e m i ca n a l y s ee x i s t i n gc o n d i t i o na n dv a r i a b l e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t e n d e n c yo fw a t e rq u a l i t ya n dc o n t r o l l a b l ef a c t o ro fe u t r o p h i c a t i o n t h e m e t h o dw h i c hc o m b i n eq u a l i t a t i v em e t h o da n dq u a n t i t a t i v em e a s u r e e m e n ti s u s e dt od i s c l o s u r ev a r i a t i o nl a wo fw a t e rq u a l i t y s ot h ew h o l es t u d yh a sa c e r t a i ne x t e n ts y s t e m a t i c n e s s ( 2 ) t h es t u d yo np r e s e n ts t a t em o n i t o ra n de v a l u a t i o n o nt h eg r o u n do f l o n g t i m em o n i t o r , t e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o no fe v e r yi n d e xn l a d ( i s a n a l y s e da n de v a l u a t i o n i s g a i n e da c c o r d i n gt o t h ec r i t e r i o no fg e n e r a l l a n d s c a p ew a t e rs u b s t a n c e t h e na p p l y i n g t h ef u n c t i o n ；v a l u em o d e lt o e v a l u a t ev a l u el o s sw h i c hi sg e n e r a t e db yt h ep o l l u t i o no ft o t a ln i t r o g e n ，t o t a l p h o s p h o r u so nt o u ra n df i s h e r yt oc o n f i r m ef u n do f l a k ec o n t r o le n g i n e e r i n g ( 3 ) t h es t u d yo nt h em o d e l f o u n d a t i o no fe v a l u a t i n gi n d i c a t o r sw h i c h c a nr e f l e c te u t r o p h i c a t i o na n dg r a d i n gs t a n d a r d s ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e sg r e y c l u s t e r i n gm o d e lt oe v a l u a t et h en u t r i t i o ns t a t eo fl o n gt a nl a k eo nt h et w o s t a t e so f s p a c e a n dt i m e t h e g r e y m o d e l g m ( 1 ，1 ) a b o u t t o t a l p h o s p h o r u s ，t o t a ln i t r o g e n ，k a l ip e r m a n g a n a t e ( c o d m l l ) a n db i o l o g i c a lo x y g e n d e m a n d ( b o d 5 ) a r ee s t a b l i s h e da n ds u b s e q u e n t l yc h e c ku pa c c u r a c yt e s to f t h e m u s i n gm e t h o do fr e a rd i f f e r e n c et og a i nt h a tt h es c a l eo ft h e mi sa l ln i c e w h i c hc a nb eu s e df o rf o r c a s t i n gw a t e rq u a l i t yo f t h i sl a k e r 4 ) t h es t u d yo n c o n t r o l l a b l ef a c t o r sa n de n v i r o n m e n t a l c a p a c i t y a n a l y s i n gt h el i m i t i o nf a c t o ro fp h y c o p h y t ag r o w t ho nf i v ea s p e c t so fw a t e r t e m p e r a t u r e ，i n t e n s i t y o f i l l u m i n a t i o n ，c o n c e n t r a t i o n o ft o t a l i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 n i t r o g e n ，c o n c e n t r a t i o no ft o t a lp h o s p h o r u sa n dr a t i oo f c o n c e n t r a t i o no ft o t a l n i t r o g e nt ot o t a lp h o s p h o r u s ，t h i sp a p e rh a sc o n c l u s i o nt h a tl o n gt a nl a k ei s c o n t r o l e db yp h o s p h o r u sa n ds a t i s f ye n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o na n dm i n i m u m c o n c e n t r a t i o no fn u t r i t i o nf a c t o rw h i c hp h y c o p h y t ag r o w t hn e e d o nt h e m e a n t i m e ，a c c o r d i n g t o i n p u t o u t p u t m a s sb a l a n c em o d e lo fn o u r i s h i n g s u b s t a n c e ，t h i s p a p e r c a l c u l a t e se n v i r o n m e n t a l c a p a c i t y o fc r i s i s p h o s p h o r u s ，n i t r o g e nc o n c e n t r a t i o no fl o n g t a il a k eu s i n gd i l l i o nm o d e l w h i c hc a nb eu s e df o rc o n c e n t r a t i o nc o n s u m p t i o no fw a t e rp e n e t r a t i o n k e y j w o r d ss h a l l o wl a n d s c a p el a k e ，w a t e rq u a l i t yo fl a k e ，f u n c t i o n v a l u e m o d e l ，g r e yc l u s t e r i n gm o d e l ，g r e ym o d e l ，e n v i r o n m e n t a lc a p a c i t y v 声明 y 9 7 9 3 6 8 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：熬宴日期：塑! 笸：生生 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 导师签名： 欹旁 日期：塑幺苎整 日期：上扩订f r 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究背景 第一章文献综述 1 1 1 城市浅水景观湖的功能效用 城市湖泊指位于大中城市城区或近郊的中小型湖泊，有杭州西湖、惠州西湖、武 汉东湖、北京昆明湖、南京玄武湖、济南大名湖、广州流花湖和东山湖等，一般有较 小水浅的特点，且经过了人为的工程改造。随着城市的建设和规模的扩大，城市浅水 景观湖泊在城市中的地位日渐重要，其功能一般有：( 1 ) 调节功能：湖泊能改善城市 生态景观环境，使城市在空间上具有多异质性，同时湖泊的调温调湿功能，植物及动 物保护功能等都使之誉为城市的绿色之肺。( 2 ) 休闲娱乐功能：浅水湖泊可建成公园， 给公众提供垂钓、湖面泛舟和嘉年华等休闲娱乐的活动场所，同时建有全民健身体育 场地，也让人们有个锻炼的去处，从而达到了湖泊生态价值和社会效益的统一。( 3 ) 文化景观功能：大多数城市湖泊融合了历史人文景观和自然景观，具有深厚的文化底 蕴，杭州西湖、惠州西湖、北京颐和园和圆明园的湖泊等作为国家级的风景名胜区已 成为国内外著名的风景游览胜地，经常被比喻为城市的一颗明珠，形成了城以湖美， 湖以城壮的和谐关系，是当地经济发展的重要资源。 1 1 2 城市浅水景观湖存在的问题 浅水景观湖在城市和谐发展中的地位日渐重要，然而其现状却不容乐观，现今存 在的主要问题有： ( 1 ) 不尊重科学规划，进行了盲目的行政式的城市规划，从而使得城市和湖泊 的价值俱损。事实证明在湖周边进行城市化建设的举措对湖泊景观的侵害是十分严重 的，杭卅i 西湖一度要建成“浙江的香港”，使得湖中水质日趋下降，同时曾经让人们 引以为傲的西湖历史文化也被几个简单的广场、硬质护坡等取代，造成西湖水面湖岸 还在，但无法弥补西湖精神的空虚。 ( 2 ) 开发商肆意圈地、围垦和现代市政工程强暴。由于在湖泊周围良好的环境 要素，使得周围的商业建筑极具高价值，于是开发商肆意侵占好山好水，即影响了城 太原理工大学硕士研究生学位论文 区正常的气候变化，同时填湖建房改变了湖泊流域下垫面的性质，影响水分蒸发、降 水、风速、湿度以及大气温度等气象学因子，有可能诱发或加剧局部地区灾害性天气 的发生或发展，诱发或加剧城市“热岛效应”，并且所有这些直接破坏和改变湖泊原 有的自然环境状况，加速湖群的消亡。另一方面现代市政工程因用地广、体量大、翻 地深，往往很容易把一个自然的、生态化的历史地段的山水要素彻底地改变，不但原 来历史的地形地貌没了，其中蕴含的人文要素也被摧毁殆尽，如圆明园的防渗工程。 ( 3 ) 湖泊水体质量恶化，富营养化现象严重，同时缺乏水利设施保护。从2 0 世纪8 0 年代以来，我国水质严重污染的湖泊数量就急剧增加，据中科院抽样调查分 析，8 0 一9 0 年代的1 0 年间，已有2 0 的湖泊因污染而丧失了基本使用功能( 水质为 v 类) ，根据对中国1 3 1 个主要湖泊的调查，i 类水质的湖泊已不复存在，可作为饮用 水和生活用水的i i 、i i i 类水质的湖泊占湖泊总面积的4 6 1 8 ，非饮用水的、v 类， 甚至超v 类水质的湖泊占湖泊总面积的5 4 3 1 1 】。国家环境保护总局公布的2 0 0 2 年 中国环境状况公报表明，我国城市内湖除北京昆明湖水质达到三类之外，杭州西湖、 武汉东湖和济南大明湖水质均为劣五类，同时公报显示，中国湖泊普遍受到氮、磷等 营养物质的污染，已有三分之二的湖泊受到不同程度的富营养化污染危害，四分之三 以上的湖泊富营养化加剧，其中有约1 0 的湖泊达到严重富营养化程度( 主要由氮、 磷污染引起) 。 ( 4 ) 湖泊萎缩，水量锐减，其生态系统遭到严重破坏。近2 0 一3 0 年以来，城内 湖泊不断淤塞、污染以及大规模的围垦种植与填湖，致使湖泊调蓄容量极具减少，原 有的江湖连通格局和蓄泄关系遭到严重的破坏，城区原有的水、陆、空生态格局遭受 严重破坏，从地域角度而言，原有的营养物质的输入与输出受到严重阻隔，湖泊内原 有的物质、能量循环和信息交流模式也受到破坏，加剧了营养和污染物的积累，引起 湖泊生态系统结构和生物资源的变化，种群减少，种类减少，生物多样性下降，影响 以至破坏鱼类繁殖与栖息，对鱼类的正常生长极为不利，同时填湖建房还缩小了水生 生物的生存空间，还可能迫使水生植物优势种改变，植物物种组成单一。如在2 0 世纪 5 0 年代，武汉市区仍有大小湖泊1 2 个，连同郊区的湖泊算在一起，全市的大小湖泊 达到2 1 8 个，湖泊总面积达8 7 9 k m 2 ，到2 0 世纪9 0 年代初，武汉中心城区主要湖泊仅 剩3 5 个，总面积约6 4 k m 2 ，到1 9 9 8 年，又有8 个湖泊被填占，几乎是一年消失一个 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 【2 j 。 1 1 3 本课题研究背景 龙潭湖在2 0 0 3 年太原市建城2 5 0 0 年时开始进行人工改造，建有象征龙城历史的 文化韵味浓厚的古鼎，在2 0 0 5 年1 0 月份基本完工，成为尖草坪区公众的主要休闲去 处，公园里有免费开放的全民健身场、特别适用于老人的门球场，还有水面游船和垂 钓等，在春末夏秋的清晨，几乎每日都有上千人在公园里进行各样锻炼活动，是周围 民众的好去处。可现在其水质开始出现恶化的趋势，不仅导致人群健康受到危害，还 对城市形象有损害，同时龙潭湖是太原市里仅有的两个浅水湖之一，作为干旱地区的 重要水资源，其生态价值的丧失是巨大的。 本论文的研究可明确整个湖泊的时空水质分布，并通过评价模型和预测模型提供 水质信息，能为龙潭湖的治理决策提供支持。 1 2 湖泊富营养化综合评价模型国内外研究进展 营养是湖泊生态系统的最主要的表征，营养分类特别是富营养化评价日益成为湖 泊分类的重要内容，上世纪六、七十年代以来，许多学者基于世界上数百个湖泊水质 特征的详细调查，对湖泊富营养化评价的方法和标准进行了一系列的探讨，提出了多 种形式的评价参数和方法，而在我国，饶钦止( 1 9 5 6 年) 等最早在湖泊调查中提出 了有关湖泊营养类型划分的标准，七十年代后，随着我国湖泊富营养化研究工作的深 入开展，国外评价方法在我国的一些湖泊研究中得到了应用，在国外评价方法和标准 在我国的适用性进行了深入探讨的基础上，逐步建立了比较成熟的适用于我国湖泊的 评价体系和方法。 1 2 1 富营养化评价的单因子法 早期研究者根据富营养化概念的内涵，采用了湖泊富营养化的生态环境因子的特 征来评价湖泊营养状态的方法，分别有： ( 1 ) 参数法，是根据湖泊富营养化的主要参数来评价湖泊营养状态的方法，其 中参数多为湖水总磷、总氮等营养物浓度、透明度、藻类叶绿素a 含量、初级生产量 等，通过对这些参数数量的大小分级，把湖泊分为若干营养层次如贫、中、富、极富 等，不同国家不同学者针对具体湖泊或湖泊群的研究，所提出的参数和评价标准不尽 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 相同，如有富营养化的指标：n 含量超过o 3 r a g l 、p 含量超过o 0 1 0 0 2 r a g l 、b o d 超过l o m g l 、细菌总数超过1 0 万个m l 、叶绿素超过1 0 微克l 。 ( 2 ) 生物评价法，是根据湖水中水生生物的种类和数量来评价湖泊营养状态的 方法，主要有优势种评价法和多样性指数评价法等，依生物类群如浮游植物、浮游动 物、地栖动物的不同，各国研究者提出的方法和标准均有不同。湖泊中生物群落的特 征反映水体的生态条件和营养状态，随着湖泊水生态系统的退化，水生生物的种类和 结构朝逆向演替的趋势发展，耐污种的个体数量猛增，非耐污种数量减少甚至消失， ? e “ 利用生物学指标可以准确快速地判断湖泊的富营养化程度。 乎。 ( 3 ) 磷收支模型法，根据湖泊平均深度、单位面积水量负荷、滞水时间以及入 湖磷浓度来预测湖中浓度，并与湖中藻类叶绿素a 结合起来对湖泊营养状态进行评价 的方法，最早由v o l l e n w e i d e r 提出，d i l l o n 等则进行了大量的补充和完善，此方法 由于操作和分析较为复杂，应用面有限【3 】。 1 2 2 富营养化综合评价模型 随着研究的深入，逐渐发现湖泊的各个富营养化指标存在相互关联，相互影响， 单个指标不能完全反映湖泊的营养状况，且选择不同的指标可能得到不同的结果，这 是由于湖泊富营养化的评价，即确定水体的状态属性，实际上是一个将定性问题定量 化的多变量的综合决策过程，因此，对水体包括湖泊的富营养化程度进行评价应以综 合评价为主。目前主要的湖泊富营养化综合评价方法有营养状态法、模糊综合法和灰 色聚类法等。 1 2 2 1 营养状态法 该方法最早由c a r l s o n 于1 9 7 7 年提出，它是综合多项富营养化指标，包括湖水透 明度( s d ) 、藻类叶绿素a 浓度( c h l a ) 以及湖水总磷浓度( t p ) 并将其转换为营养 状态指数( t s i ，t r o p b i cs t a t ei n d e x ) ，从而对湖泊营养状态进行连续的数值化分级， 为湖泊富营养化机理的定量研究提供了坚实的基础。该法的基础是假定水中的悬浮物 质全部为浮游植物，鄂湖水透明度主要受浮游植物丰度的影响，以湖水透明度( s d ) 为基准，忽略了其它因子如水色、湖水中的溶解物质以及其他悬浮物质等对透明度的 影响，为此日本的a i z a k i 进行了修正和完善，以叶绿素a ( e h l a ) 为基准，提出了修 正的t s i m ，还分析了叶绿素a 与总氮、化学好氧量和悬浮物浓度的关系。l u d o v i s i 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 a l e s s a n d r o 4 1 在1 8 个湖泊研究的基础上，建立了其r l - - t s i 框架体系，表征湖泊的周 围环境特征、营养状况和水质变化等与湖中物种组成的变化和爆发的关系。波兰的 o o & l s t r o k ；d y nr y s z a r d 口悃t s i 参数来描述m a l t a f i s k ir e s e r v o i r 在1 9 9 0 - - 2 0 0 0 年间生 态恢复的营养状态的变化情况，发现在每年低营养出现在冬季，高营养出现在夏季。 a nk w a n g - - g u k 6 在分析亚洲季候风对t a e e h u n g 水库营养状态的影响时，使用了 c a r l s o n 的空间计算方法，即t s i ( c h l ) 减去t s i ( t p ) 和t s i ( c h l ) 减去t s i ( s d ) ， 用得到的在强季候风时的t s i 偏差揭示了磷是海藻增长的最关键的限制因素。 我国学者李祚涮7 经过研究，得出了适合我国湖泊营养状态评价的t s i c 公式， 但是由于是根据t s i 和t s i m 计算而来，不是根据主要参数的相关公式，会出现某些 参数的t s i c 值超过1 0 0 的现象，但此后用相对于“基准值”的指标相对值替换t s i ( 或t s i m ) 公式中的指标值，并采用遗传算法对不同指标的公式中的系数进行优化， 得出了对所有指标都有相同系数的普适公式，t s i g 公式的指标可多达1 6 个，几乎囊 括了富营养化所有的影响因子【8 】，但未考虑浮游植物的优势种类等非定量指标。 而随着研究的深入，针对影响湖泊富营养化众多的因子的情况，建立了综合营养 状态指数法进行评价： ：， ”聊( ) = 一聊( ，) ( 卜1 ) j ；l 式中t l i ( ) 一综合营养状态指数； t l i ( j ) 一第j 种参数的营养状态指数； w j 一第j 种参数营养状态指数的相关权重； m 一评价参数的个数。 后来有研究者经过反复的理论探索和实践验证，将层次分析法( 蚯d ) 和主成分 分析法( p c a ) 相结合，提出湖泊富营养化状态综合评价方法，即层次分析一主成分 分析营养度指数法( t u c ) ，其优点在于能找出富营养化的主要影响因子并能把所有 的因子进行层次分类，但计算步骤繁琐、耗时长，物理意义不明确，实际中难以使用。 还有评分法( h 匠) ，将上述5 个指标从1 0 1 0 0 分按浓度划分，之后权重相等均值， 计算简单，但效果不能满意。 吴新敏，孙建 9 1 对于柴窝堡湖、张海波和刘萍【1 0 】对于丹东市大中型水库、杨 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 钢等洲对于重庆长寿湖、李静等对于重庆市都市圈大中型水库都成功应用综合营 养状态指数法进行了评价。 1 2 2 2 模糊综合评价法f 1 3 , 1 4 , 1 5 ，1 6 1 美国l a z a d e h 教授于1 9 6 5 年发表“模糊集合”一文，模糊数学由此诞生并发 展起来。由于水体质量在“清洁”和“污染”这一对立的概念之间，在划分过程中具 有模糊性，正可应用模糊水文学中的理论，而模糊综合评价是通过构造等级模糊子集 把反映被评事物的模糊指标进行量化( 即确定隶属度) ，然后利用模糊变换原理对各 指标综合，克服了信息的模糊性。鼋爨 该法在计算评价因素的模糊权向量时常采用污染贡献率法，既考虑了级别标准 值，也考虑了实际监测浓度。其公式是： a ：竺! 鱼( 卜2 ) c ，c 。 i = 1 式中c 。一是第i 种污染因子的实测值； c 。，一是第i 种污染因子的分级基准值。 模糊综合评价结果主要有3 种类型1 7 】，分别为主因素决定法，结果由指标最大值 决定；主因素突出法，和前者相似，但多少反映一些非主要因素；以及加权平均法， 兼顾了全部因素，充分反映了每个指标的作用，体现出整体性，且可对多个样本进行 比较排序。 庄晶1 8 1 等人对阜新市八座水库营养状态应用该法进行评价，取得较满意结果。王 雅射1 9 1 应用该法对东牙溪水库入水处、中心和出水处同时进行了水环境质量评价，并 给出了排序。陈守煜1 2 0 1 认为最大隶属度原则不能应用于多级环境污染状态的识别和评 价，提出了湖泊与水库水体富营养化的模糊识别与级别特征联合模型，方正【2 1 1 等人则 用多级模糊模式识别对武汉东湖水质情况进行了评价，认为最大隶属度原则会导致评 价结果在各水质指标的所属水质级别同步性较差时出现失真、失效、均化、跳跃等现 象，尹德松和郑成德 2 2 1 也基于这点，将模糊模式识别理论模型和级别变量特征值相结 合，建立了改进的模糊模式识别法，用级别变量特征值确定模式识别结果，公式为： 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 h ，= h u 衄 ( 1 3 ) 式中h i 一是对象j 的级别变量特征值，描述了级别变量h 分布的整体特征。 有研究者认为由于模糊数学方法对按分级标准求得的隶属度对湖泊富营养化程 度的两极状态不尽合理，自然经合成运算得出的结论也有其不合理性；而f u z z y g r e y 决策评价借用模糊数学中的隶属度作为灰色测度，实质上是一种等权的模糊综 合评价方法，评价结果也不尽合理；并且模糊运算法采用“取小，取大”运算法则时 丢失信息多，易使评价结果与实际不符，故差异较大。模糊评价模型尽管数学推导严 谨，但仍采用隶属度表征湖泊的富营养化程度，也不能克服其评价上的不足。 1 2 2 3 灰色聚类法 综合评价，实际上通过某种映射，将由n 个指标组成的n 维状态空间的点投影到 一维空间，从而得到易于比较大小的纯量，但在投影过程中，或多或少会有信息损失， 而聚类分析则是直接研究n 维空间中点与点之间的相似关系，将相似程度高( 或距离 小) 的点归聚成类，避免了投影过程中的信息损失问题，其是建立在以灰数的白化函 数生成为基础上的一种灰色评估方法，将聚类对象对于不同聚类指标所拥有的白化 j ， 数，按若干灰类进行归纳，从而判断出聚类对象属于哪一个灰类。 v - 丁进宝 2 3 1 以宽域式结构建立白化函数，函数的左侧斜率小于右侧斜率，并认为在 大气环境质量评价中右侧斜率为左侧斜率的2 倍为宜。杨继东【2 4 】则以等斜率方式构造 梯形结构式的白化函数。陆洲【2 5 】等人将等斜率灰色聚类法应用于地面水环境质量评价 中，并和模糊数学法进行比较，发现评价结果更符合实际。陈安和罗亚田【2 6 】运用了白 化函数值由白化系数与聚类白化数相乘而得、以取最大阈值进行无量纲化处理和“主 因素突出”情况时权重再分配3 种方法进行灰色聚类的修正。张松滨 2 7 1 探讨了共原点 分段确定白化函数的灰色聚类法在湖泊富营养化评价中的应用，黄澜t 2 s 1 贝e j 就等斜率和 共原点确定白化函数进行比较，并以南渡江实例来验证。 可见灰色聚类法是将聚类对象对不同聚类指标所有的白化数按几个灰类进行归 类，以判别该聚类对象的类属，其优点主要有：( 1 ) 原理与模糊综合评价法很相近， 都属于函数法，也考虑到水质分级界限的“模糊性”，用“白化函数值”来揭示各指 标实测浓度对水质影响的程度，不仅刻化了水质级别界限的模糊性，而且也较为准确 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 地反应了实际情况。( 2 ) 该方法与样品的数量无关，可随时加入新的样品或更新旧样 品的水质分析资料，从而对水质情况进行动态管理。( 3 ) 灰色聚类法认为各污染物的 危害性反映在变化幅度不同的分级标准中，采用“标准聚类权”计算权重。该权重的 含义是：表示不同水质级别间各指标的权重是不同的，根据不同的水质级别，确定相 应级别各指标的权重。显然，这种权重揭示了各指标和标准级别的确定，这一点避免 了模糊数学方法只用一个权重划分水质级别的不合理之处，同时它对任一样品聚类都 是常量，且与样品的数量无关，有一定的可比性。( 4 ) 灰色聚类考虑各因子对水质的 影响，信息利用率较高，得到的结果分辨率有所提高，使评价结果更客观化，噩趋于 合理。而灰色聚类法的不足之处有：( 1 ) 灰色聚类法权重的计算方法重点揭示了各指 标和标准级别的确定，显然完全没有考虑超标污染物对水质的特别损害，存在着不足， 用灰色聚类法评价水质又容易偏轻，而且权重与实测值没有很好地联系起来。( 2 ) 灰 色聚类法需构造诸多的函数，函数设计无规范形式；计算量大，评价过程复杂。不过 随着计算机的应用，很多计算过程有程序完成的2 3 那, 2 9 1 ，如m a f l a b 程序。 鉴于湖泊富营养化的评价等级之间的模糊性、富营养化机理的灰色性和监测数据 的不确定性，同时如果当评价目的重点是为了更好地维护和管理水质现状，益于制定 限制水质进一步恶化时，宣采用灰色聚类法，鉴于此本文就采用了该方法。 此外，楼文高f 3 0 】建立了富营养化人工神经网络评价模型，根据湖库富营养化的评 价标准，提出了生成b p 神经网络训练样本、检验样本和测试样本的新方法，给出了 区分湖库富营养化不同程度的分界值，训练后的模型的应用结果表明，新的评价模型 具有更好的客观性、通用性和实用性。x u 【3 1 】等建立了基于g i s 的湖泊富营养化评价 方法，能对湖泊富营养化状况的空间分布与变化进行直观评价，结果表明湖泊蠹营养 化模型与g i s 技术相结合可以进行富营养化状况的时空动态监测、评价和预测。齐玉 梅，黄志明【3 2 】对物元模型中各因子的权值进行了神经网络的应用，并对湖泊的富营养 化生物治理应用了物元中转换桥理论。尹德松，郑成德【3 3 】认为模糊综合评价中最大隶 属度原则会导致评价结果在各水质指标的所属水质级别同步性较差时出现失真、失 效、均化和跳跃等现象，将模糊模式识别理论模型和级别变量特征值相结合，建立了 改进的模糊模式识别法，用级别变量特征值确定模式识别结果。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 湖泊水质预测模型国内外研究进展 1 3 1 湖泊水质预测模型 关于湖泊水体质量的预测，国内外学者进行了广泛的探索，提出了一些有效的预 测方法，建立了一些数学模型，但湖泊生态系统是十分复杂的系统，这不仅是因为其 所受外部环境影响的复杂性，而且还因为其内部运行机制以及各因子间关联的复杂 性，这样就呈现出被人们认知的已知信息和未被认知的信息的灰色系统的特征，从而 根据对其了解程度和预测目的的不同建立各种形式的湖泊水质预测模型，都是基于对 湖泊生态系统不同程度的简化和抽象。有如下几种预测模型： 1 3 2 营养物平衡模型【3 4 】 营养物平衡模型是i i e i l w e i d e r ( 1 9 6 8 年) 在研究北美大湖提出，对于停留时间 很长、水质基本处于稳态的湖库，可以被作为一个完全均匀混合的水体进行研究，于 是该模型假定湖泊中某种营养物( 主要是总磷) 的浓度随时间的变化率，是输入、输 出和在湖泊内沉积的该种营养物质的量的函数。 但该模型用于湖泊营养物浓度预测时的困难在于确定营养物在水库中的沉积速 度常数s 。为此k i r c h n e r 和d i l l i o n 在1 9 7 5 年引入了滞留系数r c ，定义为营养物在湖 库中的滞留分数。r e 可根据流入和流出的支流的流量和营养物浓度近似计算： q ， c 酊 r 。= 1 一号 ( 1 - - 4 ) q 。c a k = l 式中q o j 一第j 条支流的出流量； c o 广第j 条支流的营养物浓度； q i k 一由k 条支流入湖库的流量； c m 一第k 条支流的营养物浓度； m 一流入湖库的支流数；n 一流出湖库的支流数。 万幼) j l t 3 5 3 对武汉东湖建立t p 和t n 的质量平衡模型，并对2 0 0 0 年的浓度情况进 行了预测。卢文喜，祝廷成3 6 1 在研究长春南湖时，先对v o l l e n w e i d e r 模型、d i l l i o n 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 模型、合田键模型和c a n f i e l d 模型进行识别，后选用相对误差最小的c a n f i e l d 模型对 2 0 0 0 年和2 0 0 5 年的总磷浓度进行了预测，并得出南湖的总磷年允许输入量，从而明 确了2 0 0 0 年和2 0 0 5 年的总磷消减量。陈云波口7 j 在选取滇池恰当c o d m 。的降解率系 数后，建立了c o d u 。平衡模型，模拟结果是可信的，可用于滇池有机污染水质长期 预测，给出了2 0 0 0 年和2 0 1 0 年在各种水文年型的水量、入湖污染物负荷预下相应的 c o d 浓度预测值。 其后，研究人员根据对营养物( 主要是磷) 的存在形态和营养物的输入与输出之 间的相互关系进行改进，提出了许多类似的营养物平衡模型，有：在模型中加瓣流 扩散速率；考虑输入、输出和湖泊上( 变温层) 下( 恒温层) 层以及沉积物之间的交 换，应用可溶态磷和颗粒磷的微分方程将营养物与生物量浓度描述为随时间和深度变 化的连续函数，以及使用米氏动力学代替一级动力学；在模型中包括可溶态磷和可交 换态磷，并考虑底泥中磷的积累与磷交换；将总磷分为正磷酸盐和偏磷酸盐等。 s n o d g r a s s 在1 9 7 5 年据此提出了分层的箱式模型，建立了夏季的四个独立的微分方程 和冬季两个微分方程，而春季和秋季由于湖库的“翻池”过程则认为其是完全混合状 态而作为边界条件。l a r s e 等人和w e l c h 等人在v o l l e n w e i d e r 模型基础上引入了一个 恒定的底质磷释放速率，以表示；l o r e n z e n 等人基于底质释放磷速率随时间会慢 慢减小的缘由，构建了一个底质一水相互作用的二单元总磷模型。l u n g 等人则对 l o r e n z e n 模型作了一些改进，把沉积作用描述为一个多层次系纠3 8 1 。 由于这类模型在建模过程中通常只考虑长时间尺度的一两层结构中的一个至两 个支配营养物，而没有考虑短期的水质、水动力及生态系统的变化；同时，假设污染 物在湖内或湖泊各层之间是均匀混合的，是零维模型。因此，这些模型只能对湖泊的 富营养化状态进行粗略预测和模拟，以及水环境容量的计算。 1 3 3 湖泊富营养化模型【3 9 随着研究的深入，发现湖库是个复杂的生态系统，于是在质量守恒定律的基础上 提出了多层、多室、多成分的复杂模型来模拟物理、化学、生物、生态和水动力等湖 泊过程。然而；到目前为止，还没有一个模型能够描述湖泊的所有过程，按照状态变 量的特点，这类复杂的模型可概括为6 种：生态模型，水质模型，水动力模型，生态 一水动力模型，水质一水动力模型，生态一水质一水动力模型。 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 j r g e n s e n ( 1 9 7 6 年) 为丹麦g l u m s 由湖建立了一个非常典型的严重富营养化的 浅湖生态模型一g l u m s 由生态一动力学模型，为以后的模型研究打下了坚实的基础。 v i r t a n e n 等建立的3 d w f g a s 模型是一个三维模型，用空气和土壤模块决定来自这些 圈层的强制函数的输入和输出。目前使用十分广泛的生态一动力学模型是 w a s p ( w a t e rq u a l i t ys i m u l a t i o np r o g r a m ) ，以w a s p 5 使用最为广泛，其e u t r 0 5 模 拟程序主要模拟了溶解氧( d 0 ) 、碳生物化学需氧量( c b o d ) 、营养物质和浮游植物等 因子d o 。 在中国，从2 0 世纪8 0 年代开始，湖泊生态一水质一水动力模型研究得到了迅速 发展，特别是在一些富营养化较为严重的大型湖泊，如巢湖、滇池、太湖、武汉东湖 等。x u 等 4 l 】建立的巢湖生态模型包括6 个子模型，即营养物子模型、浮游植物子模 型、浮游动物子模型、鱼类子模型、碎屑子模型及沉积物子模型，共有1 1 个状态变 量；该模型被用来模拟和预测巢湖生态系统健康变化。p a n ga n dp u m 2 】考虑太湖复杂的 地形条件，建立了太湖三维动态边界层模型。h u 等【4 3 】建立了模拟风眼莲对太湖生物 一物理工程实验区水质影响的水质一生态模型，模型包含1 2 个状态变量，很好地描 述了漂游植物和风眼莲的生长，以及营养盐在食物链中的循环。这些生态模型的研究 基本盘反映了我国在该领域的研究现状。胡维平 4 4 a 5 在太湖进行了湖泊水动力学方面 的研究，建立了风生流和风涌增减水的三维数值模型，较好地模拟了湖泊流场对湖泊 水质和生态系统产生的重要影响。 生态结构动力学模型起源于2 0 世纪8 0 年代后期，它考虑了湖泊生态系统的可塑 性和变化性，使用一套连续变化的参数和目标函数来反映生物成分对外界环境变化的 适应能力，能描述物种组成和物种性质的时空变化，e x e r g y 是目前生态模型中应用 最广的目标函数。丹麦s o b y g a a r d 湖模型是湖泊生态结构动力学模型的典型实例，j r g e n s e n 4 6 建立了该湖的生态结构动力学模型，认为s o b y g a a r d 湖的数据特别适合用 来检验结构动态模型的适用能力。模型考虑了6 个状态变量：鱼、浮游动物、浮游植 物、碎屑和底泥中的氮以及可溶态氮，模型的最后校准证明在使用正确的参数基础上， 按此程序能基本模拟观察到的结构变化。张永泽【47 】在刘玉生的滇池生态动力学模型基 础上，应用e x e r y 控制下的参数组合模拟程序对滇池生态系统进行了模拟，取系统中 的磷循环来计算e x e r y ，状态变量取为藻细胞中磷、溶解态磷、动物中磷和碎屑中磷， 太原理工大学硕士研究生学位论文 经计算知该模型更能客观地模拟浮游植物的年内生长过程和t p 等水质指标的时空分 别状况，对湖泊富营养化的藻类生长变化的描述，在时间和空间上都与实际吻合的很 好。 1 3 4 灰色系统模型 4 8 9 】 灰色系统理论是邓聚龙教授在1 9 8 2 年首先提出的。灰色模型( g r e ym o d e l ) 简 称g m 或d m 模型，是灰色系统理论的基本模型，也是灰色控制理论的基础