（环境科学专业论文）基于模糊理论和神经网络方法的渤海湾富营养化模型研究.pdf

摘要 随着环渤海地区经济的快速发展和海岸带高度开发，渤海湾海水富营养化问 题日趋严重，是制约滨海地区经济可持续发展的重要因素。富营养化的预测与评 价模型的建立，对于近岸海域富营养化的防治、修复和管理具有重要的意义。 本文以渤海湾为研究背景，运用统计学、模糊理论、神经网络、遗传算法等 信息技术方法，借助于m a t l a b 语言，研究了渤海湾的海水富营养化评价模型， 并通过研究渤海湾环境因子同浮游植物量的关系，建立了叶绿素值的预测模型。 通过分析渤海湾中与富营养化有关的主要因素，综合了物理、化学和生物指 标，提出了渤海湾海水富营养化的模糊综合评价方法，用加权平均原则对结果进 行了处理，评价结果显示天津港口及排污口附近富营养化状况严重。为避免人为 主观因素的影响，使用了一种基于数据库模糊规则的获取方法，建立了叶绿素预 测的模糊逻辑模型。 另外，本文建立了渤海湾海水富营养化的b p 网络评价模型，采用足够多的 学习样本对b p 网络进行训练，并经过检验样本检验了网络的泛化能力。与模糊 评价进行了比较，评价结果相差较小。通过对遗传算法理论的研究，提出了二级 遗传算法优化神经网络的拓扑结构和初始权值的方法，建立了基于二级遗传算法 优化的神经网络预测模型，对渤海赤潮监控区的叶绿素值进行了预测，并与传统 的b p 预测模型进行了比较，结果显示前者仿真效果更满意。 最后，研究了模糊逻辑与神经网络的结合一自适应神经网络模糊系统 a n f i s ，并结合监测的数据，通过减法聚类对输入输出数据进行处理，建立了 初始的模糊推理系统，后用神经网络对其进行自适应的学习，建立了渤海湾叶绿 素的自适应神经网络模糊预测模型。对赤潮监控区的个站位进行了模拟研究， 预测结果大部分与实测值接近。 关键词：富营养化评价模型预测模型模糊理论神经网络遗传算法 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i cr o u n dt h eb o h a is e ar e g i o na n d h i g he x p l o i m t i o no fc o a s t ，s e a w a t e re u t r o p h i c a t i o np r o b l e mo fb o h a ib a yb e c o m e s i n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，w h i c hh a sh e a v i l yr e s t r i c t e ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fc o a s t a l e c o n o m i c e s t a b l i s h i n go fa s s e s s m e n tm o d e la n dp r e d i c t i o nm o d e lf o re u t r o p h i c a t i o n w i l lh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rp r e v e n t i o n ，r e p a i r i n ga n dm a n a g e m e n to fc o a s t a l w a t e re u t r o p h i c a t i o n a p p l y i n gi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e so fs t a t i s t i c st h e o r y , f u z z yt h e o r y , n e u r a l n e t w o r ka n d g e n e t i ca l g o r i t h m se t c ，a n du s i n gm a t l a bs o f t w a r ep a c k a g e ，t h i st h e s i s e m p h a s i z e so nt h er e s e a r c ho fs e a w a t e re u t r o p h i c a t i o na s s e s s m e n tm o d e lo fb o h a i b a ya n dp r e d i c t i o nm o d e lo fc h l o r o p h y l lv a l u eb yr e s e a r c h i n gt h er e l a t i o n s h i po f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa n d p h y t o p l a n k t o nb i o m a s s t h r o u g ha n a l y z i n gm a i nf a c t o r s r e l a t e dt oe u 仃o p h i c a t i o ni n b o h a ib a ya n d s y n t h e s i z i n gp h y s i c a l ，c h e m i c a l a n d b i o l o g i c a li n d i c a t o r s ，t h e m e t h o do f c o m p r e h e n s i v ef u z z ya s s e s s m e n tf o rs e a w a t e re u t r o p h i c a t i o ni sp u tf o r w a r d t h e r e s u l t st r a n s f o r m e db yw e i g h t e d a v e r a g ep r i n c i p l es h o wt h a te u t r o p h i c a t i o ni ss e r i o u s n e a rt i a n j i np o r ta n dt h eo u t l e t s i no r d e rt oa v o i dt h ee f f e c to fs u b j e c t i v ef a c t o r s ，a m e t h o do ff u z z yr u l e se x t r a c t i o nb a s e do nd a t a b a s ei s a p p l i e d ，t h e nt h ef u z z yl o g i c p r e d i c t i o nm o d e lo fc h l o r o p h y l lv a l u ei se s t a b l i s h e d i na d d i t i o n ，t h i st h e s i se s t a b l i s h e ss e a w a t e re u t r o p h i c a t i o na s s e s s m e n tm o d e l b a s e do nb p n no fb o h a ib a y t h i sm o d e lu s e se n o u g ht r a i n i n gs a m p l e sf o rt h eb p n e u r a ln e t w o r k ，a n dc h e c k st h eg e n e r a l i z a t i o no fn e t w o r kb yt e s t i n gs a m p l e s t h e d i f f e r e n c eo fb pa s s e s s m e n tr e s u l t sa n df u z z ya s s e s s m e n tr e s u l t si sn o ts i g n i f i c a n c e b a s e do nt h er e s e a r c ho f g e n e t i ca l g o r i t h m s ，am e t h o do fo p t i m i z a t i o no fb ps t r u c t u r e a n di n i t i a lv a l u e sw i t ht w o g r a d eg e n e t i ca l g o r i t h m si sp r o p o s e d ，a n dt h e nag e n e t i c n e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i o nm o d e lo fc h l o r o p h y l lv a l u ei nr e dt i d em o n i t o r i n ga r e ao f b o h a ib a yi sb u i l ti nt h i st h e s i s t h er e s u l ti s - b e t t e rb yo p t i m i z e dp r e d i c t i o nm o d e l t h a nb yt r a d i t i o n a lb p p r e d i c t i o nm o d e l t h i sp a p e ra l s os t u d i e so nt h ec o m b i n a t i o no ff u z z yl o g i ca n dn e u r a ln e t w o r k a n f i s ( a d a p t i v en e u r o f u z z yi n f e r e n c es y s t e m ) t h es u b t r a c t i v ec l u s t e r i n gi su s e dt o b u i l di n i t i a lf u z z yi n f e r e n c es y s t e mw i t hm o n i t o r i n gd a t a ；a n dt h e na n f i si sa d o p t e d t ob u i l dp r e d i c t i o nm o d e lo fc h l o r o p h y l lv a l u e a na p p o i n t e ds t a i o ni ss i m u l a t e da n d m o s to ft h er e s u l t sa r ec l o s et of a c tv a l u e s k e yw o r d s ：e u t r o p h i c a t i o n ，a s s e s s m e n tm o d e l ，p r e d i c t i o nm o d e l ，f u z z y t h e o r y , n e u r a ln e t w o r k , g e n e t i ca l g o r i t h m s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：向如今签字日期：加p 年莎月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：面先拿 导师签名： 签字日期：加g 年月6 日 签字目期：笨月也吖争埤 仉谬 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 富营养化是一种氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。在 自然条件下，随着河流夹带冲击物和水生生物残骸在水体中的不断沉降淤积，水 体会从贫营养过渡为富营养，进而演变为沼泽和陆地，这是一种极为缓慢的过程。 但由于人类的活动，将大量工业废水和生活污水以及农田径流中的植物营养物质 排入湖泊、水库、河口、海湾等缓流水体后，水生生物特别是藻类将大量繁殖， 使生物量的种群、种类以及数量发生改变，破坏了水体的生态平衡。大量死亡的 水生生物沉积到水底，被微生物分解，消耗大量的溶解氧，使水体溶解氧含量急 剧降低，水质恶化，以致影响到鱼类的生存，大大加速了水体的富营养化过程。 水体出现富营养化现象时，由于浮游生物大量繁殖，往往使水体呈现蓝色、红色、 棕色、乳白色等，这种现象在江河湖泊中叫水华，在海中叫赤潮。在发生赤潮的 水域里，一些浮游生物暴发性繁殖，使水变成红色，因此叫“赤潮”。这些藻类 常有恶臭和毒性，鱼类不能食用。藻类遮蔽阳光，使水底生植物因光合作用受到 阻碍而死去，腐败后放出氮、磷等植物的营养物质，再供藻类利用。这样年深月 久，造成恶性循环，藻类大量繁殖，水质恶化而有腥臭，造成鱼类大量死亡。 1 1 1 近岸海域海水富营养化的原因与影晌 随着沿海地区的经济发展，人民群众的生活水平日益提高，作为陆地产生污 水最后归宿的海洋，尤其是近岸海域正受到越来越严重的污染。近岸海域受到污 染后，经过各种过程的演变，形成海水富营养化，不断发生的赤潮现象就是海水 富营养化的直接后果。海水的富营养化已越来越多地为全社会所关注。 1 1 1 1 引起海水富营养化的原因 引起海水富营养化的原因可分为两大类：自然因素和人为因素。由自然因素 引起的富营养化情况很少，而且这一过程对于研究现实污染问题的影响意义不 大。在此只讨论由人为因素引起的富营养化。海水在正常情况下，由于受海流、 潮汐和扩散等因素的影响，混合良好，海水中各化学要素的分布趋于均匀。因此， 海水的富营养化往往发生在沿岸、河流入海口、海湾等受人类活动影响比较强烈 而水体交换不良的地区。海洋中浮游植物所需的营养成份有很多，主要有氮、磷、 第一章绪论 硅、有机物、微量元素及各类维生素。由于硅、有机物、微量元素和维生素在海 水中的含量都相对比较大，一般不会成为浮游植物生长的限制因素。海洋中影响 浮游植物生长的限制因素通常只有氮、磷两种元素，向近海海域大量输送氮、磷 是发生富营养化的主要原因。向近海海域输送氮、磷，影响明显的是以点源方式 输送的，如河流、工业和生活污水、海水养殖等，同时如农业、旅游业等面源方 式也应引起足够的重视。此外，海底沉积物中氮、磷等物质的溶解、富含营养物 质的深层水与表层水的混合，也可以引起浅海海域的营养物质增加，尤其是暴风 雨等恶劣天气过后。 1 1 1 2 海水富营养化的影响 由于海水中营养成份的增加，海域的浮游植物初级生产率增加，从而导致次 级生产率的增加。因此，在一定程度上，适度的富营养化是有益的，尤其是对水 产养殖和渔业生产来讲。但这种理想情况是很难在现实中出现的，因为人为因素 引起的富营养化过程无法与环境中所需要的富营养化相吻合，一旦引起了水质的 富营养化就会导致负面效应。 对浮游生物而言，富营养化的海水再加上合适的温度和光照等条件，浮游植 物便会大量繁殖( 尤其是鞭毛藻类) ，相应的以这些浮游植物为生的浮游动物也 会大量增加( 尤其是桡足类甲壳动物) 。虽然同时也会发生有机物的垂直对流， 但由于海水中跃温层的存在，这种对流量是很小的，因此，水体中的有机物就在 海水表层大量堆积，而无机营养物质则随着时间的推移而逐渐减少( 消耗量远大 于通常的输送量) ，这种趋势一直要到某种营养物质的枯竭才会停止，这种营养 物质通常为氮或磷。接着而来的是藻类的大量死亡和水体中的有机物大量向底层 转移。转移到底层的有机物在腐烂过程中消耗大量的氧，使底层生态环境恶化， 从而影响底栖生物的生长。 对底栖生物而言，富营养化增加了底栖动植物的食物，也增加了适光层的氧 气供应量。但是水体中藻类的大量繁殖也降低了水体的透明度，从而限制了生活 在较暗水域的褐藻和红藻的繁殖。通常，底栖动物能很快地吃掉上层水体中沉降 下来的有机物，而不至于导致多余有机物的细菌分解，从而使底层水体处于厌氧 状态。但是如果上层水体过度“肥沃”，藻类过度繁殖，情况就不同了。除了多 余的有机物在分解时消耗氧气以外，底栖动物的大量繁殖也要消耗大量的氧气。 在一些垂直对流差及水交换不良海区，氧消耗量就有可能超过供应量，从而使底 层水体处于厌氧环境。这时厌氧细菌通过消耗硫酸盐和硝酸盐来进行新陈代谢。 其结果是水体中出现如硫化氢和氨之类的有毒气体，最后必定引起底栖生物的大 量死亡，这又给厌氧细菌提供了大量的高质量的“食物”，使其繁殖更迅速，从 2 第一章绪论 而形成恶性循环。海域的第一次厌氧环境对底栖大型生物的破坏尤为严重，它可 以使经过多年才建立起来的底栖生物群落毁于一旦。 对整个生态系统结构和生物分布而言，由于水体富营养化，在改变浮游植物 结构的同时，也改变了整个生态平衡。如在水体富营养化之前，通常是硅藻占支 配地位，这时高等鱼种的生产量较高。而在水体富营养化之后，水体中的浮游植 物便以鞭毛藻类为主，导致食植动物增加，食肉动物减少，高级鱼种开始减少， 低级的普通鱼种增加，这对于渔业显然是十分不利的。在浮游植物( 或动物) 数 量减少的同时，它们的种群数量也在减少( 由于富营养化，生存环境变得越来越 只适应少数种类的生长) ，生物多样性变少，破坏了原有的生态平衡。 另外，富营养化还可能改变海域的沉积模式( 大量死亡的浮游植物在沉降过 程中同时也吸附了大量的悬浮物一同沉到海底) 。由水体富营养化引起的有毒藻 类的大量繁殖，还会造成贝类等海洋生物的中毒，不仅使近海滩涂养殖减产，也 间接地影响人类的身体健康。除此之外，海水富营养化引起的浮游植物大量繁殖， 还会对沿岸旅游业造成不利影响，生活在表层的大量藻类很容易被带到海岸边和 沙滩上，大大影响了海滨的景观，加速河口、海湾的填埋( 死亡) 。另一方面， 水体富营养化有助于海水中有机物向底层转移，从而加速海水作为大气中二氧化 碳储存库的过程，从这一点来看对地球气候变暖能有一定的缓解作用，这个过程 是长期的，其综合影响要很长时间才能看出来。 1 1 2 渤海湾富营养化概况 据国家海洋局公布的资料显示，作为我国唯一内海的渤海，到2 0 0 0 年底4 0 的海域已经受到严重污染，整个海域呈现富营养化状态。作为渤海三大海湾( 辽 东湾、渤海湾和胶州湾) 之一的渤海湾，是一个典型的半封闭海湾，地理特点为 湾口窄，内径大，海水交换能力差，又地处经济重镇京津冀地区，富营养化问题 亟待治理。 渤海湾天津近岸海域富营养化主要是由于陆源污染物排放和海岸带高度开 发所致。天津滨海新区海岸带是高度开发的岸线，经济较为发达，天津港、交通 运输、海上采油、海洋化工、围海造地、海水养殖和旅游业发展很快。渤海湾每 年接纳天津、北京和河北省的污水约1 0 亿吨，有些污水直接在岸边排放而未有 任何污水处置工程。对于这种典型的淤泥质缓坡海岸，波浪潮流作用下污染物沿 岸输移趋势明显，而且渤海湾又是渤海中的滞缓区，水体交换能力较弱，陆源排 放的污染物，难于交换到渤海中部或外海，从而造成滩涂和近岸海域的严重污染， 致使该地区生境退化严重。目前，在渤海湾海岸带上，该区海陆之间的整体生态 系统已经被人为的经济活动所分隔、损伤甚至破坏。19 9 0 年“渤海黄海海域污 第一章绪论 染防治研究一【1 1 表明渤海湾各生态类群，生物群落的种类组成、数量已出现异 常变化，经济鱼类衰竭，生物多样性降低，并且赤潮频繁发生，已严重威胁着天 津近海地区经济的可持续发展。 1 2 海水富营养化的评价方法 沿岸富营养化是近几十年才认识到的现象，但其已成为困扰世界各国的主要 环境问题之一【2 j 。近几十年来各种人类活动显著地增加了水体中营养盐的输入， 并改变了营养盐的组成，肥化了浮游和底栖植物，提高了生产力及颗粒有机物的 含量，从而导致有害和有毒赤潮、近底层水缺氧、水下植被损失和底栖动物损害。 受湖沼学家于2 0 世纪6 0 年代广泛开展的湖泊富营养化研究的影响，第l 代河 口及沿岸富营养化模型强调把营养盐输入的变化作为1 个信号，而将浮游植物生 物量和初级生产力的增加、浮游植物分解产生的有机物以及由此而造成的底层水 低氧等现象作为对信号的响应，即1 个信号和l 组密切相关的响应【3 1 。评价方法则 是通过测定透明度、营养盐和叶绿素a 等参数建立以营养盐为基础的评价体系【4 1 。 然而，近几十年的研究发现，河口近海生态系统对营养盐过富的响应与湖泊有 很大差异，前者具有更为显著的系统属性差别和更为复杂的直接和间接响应【5 】， 如：有害有毒赤潮的产生、底栖生物群落的演变等。对富营养化问题认识上的 进步以及环境管理部门决策的需要，催生了若干以富营养化症状为基础的河口及 沿岸海域富营养化多参数评价模型，即当前的第2 代河口及沿岸海域富营养化评 价模型。 1 2 1 第1 代河口及沿岸海域富营养化评价模型 要了解水体所处的富营养化程度，必须有一个评价标准。几十年来国内外许 多学者致力于研究并提出了评价水体富营养化的几十种方法，其中大部分是从淡 水水体的富营养化评价中移植过来的。迄今为止，国际上尚未有一个统一的富营 养化评价标准或模型。评价方法从评价参数的选择方面可分为单因子法和综合指 数法两大类。 1 2 1 1 单因子法 ( 1 ) 物理参数法：气温、水色、透明度、照度、辐射量等。通常用透明度， 这是因为富营养化现象主要是藻类形成的初级生产增大的现象。所以，通过测定 藻类现存量的最简便方法，就是测定水体的透明度，j t l j c a r l s o n 的营养状态指数： t s i = 1 0 ( 6 一i 0 9 2 z ) ，z 为用塞氏园盘测得的透明度。由于水体中悬浮物也影响透 4 第一章绪论 明度，因此，本方法不适用于悬浮物含量高的河口等地区。 ( 2 ) 化学参数法：用d o 、c 0 2 、n 、p 、c o d m n ( 高锰酸钾法测得的化学 耗氧量) 等这些与藻类增殖有直接关系的化学物质的含量来衡量水体富营养化的 程度。根据防止赤潮发生提出的富营养化临界值，拟定c o d 3 0 m g l 、d i n 0 3 m g l 、d i p 0 0 2m g l 为富营养化的阈值【6 j 。 ( 3 ) 生物学参数法：藻类现存量或叶绿素a ( c h l a ) ，浮游植物种类，多 样性指数，藻类增殖的潜力( a g p ) 等。李清雪等【_ 7 】探讨了浮游植物对海水富营 养化程度的指示作用，并用浮游植物群落结构指数对天津近岸海域的富营养化水 平进行了评价。 1 2 1 2 综合指数法 ( 1 ) 营养状态质量法，这一方法从湖泊富营养化评价中转化而来，在国内 海水富营养化评价中使用较为广泛，国家海洋局将其列为技术规范在海水水质监 测中使用，其公式为： n q i ：c o d + 旦+ 旦 c o d 。t n 。t p s c o d 。、t n 。、t p 。分别为c o d 、t n 、t p 的标准值。n q i 值大于3 为富营养水平， 在2 3 之间为中营养水平，小于2 为贫营养水平。 ( 2 ) 邹景忠等8 1 在1 9 8 3 年提出了营养指数法( e i ) ，并对渤海湾的水域进 行了评价，这一指数在国内的海水富营养化评价中应用比较广泛，其公式为 e i ：c o d x d i n x d i p 1 0 l 6 = 一 。 4 5 0 0 ( 1 2 ) 此值大于或等于l 即为富营养化( 式中要素单位均为m g l ) 。本方法仅适用于没 有藻类生长限制因素( n 或p ) 的水域。 ( 3 ) i g n a t i a d e s 等1 9 j 先把水体分为四类：a 近岸海湾水；b 离岸海湾水c 近 岸大洋水；d 离岸大洋水，然后用统计学方法把n 、p 等数据归一化，使数据成 正态分布，确定数据在正态分布时的刀和万，如果实测值介于乃和( 万+ 歹) 之 间为贫营养型；介于( 乃+ 万) 和( 万+ 2 厅) 之间为中营养型；介于( 乃+ 2 厅) 和( 露+ 3 万) 之间为富营养型。 ( 4 ) 鉴于水体富营养化程度是一个模糊的概念，近年来，有些学者提出了 以模糊理论为基础的模糊评判法。早在1 9 8 2 年容跃等【旧j 已将模糊数学理论应用 第一章绪论 于水质评价。1 9 9 1 年曹斌等1 又将其应用于湖泊水质富营养化的评价。彭云辉 等首次将模糊数学理论应用于近海( 包括河口区) 水体富营养化水平评价。由 于以模糊数学理论为基础的评价方法更能客观、科学的反映富营养化程度的实际 情况，所以得到了广泛的研究和推广。 1 2 2 第2 代河口及沿岸海域富营养化评价模型 最为著名的和正被广泛应用的有美国的“国家河口富营养化评价( n e e a ) 【1 3 】和欧盟的“综合评价法”( o s p a r - - c o m p p ) f 14 1 。其中，n e e a 最近被扩展 和优化为“河口营养状况评价 综合方法( 即a s s e t s ) 。 1 2 2 1 综合评价法( o s p a r - - c o m p p ) 综合评价法( c o m p r e h e n s i v ep r o c e d u r e ) 是由欧盟于2 0 01 年提出并应用于所 有欧盟国家沿岸海域的富营养化状况评价。一般根据盐度将评价海域分为沿岸海 域和近岸海域。综合评价法由以下4 类评价因子及标准构成： i 类：营养盐过富程度( 致害因素) ( 1 ) 河流和直排总氮( t n ) 、总磷( t p ) 通量：输入量增加或趋势增加( 较 以前年份高出5 0 以上) ； ( 2 ) 冬季无机氮( d ) 或无机磷( d l p ) 浓度：浓度增加( 高出与盐度相 关的和或区域专属背景值的5 0 以上) ； ( 3 ) 冬季n p 比值：n p 比值增大( ) 2 5 ) 。 i i 类：富营养化的直接效应( 生长期) ( 1 ) 叶绿素a 浓度最大值和平均值：浓度增加( 高出区域专属背景值5 0 以 上) ： ( 2 ) 区域专属浮游植物指示种：水平增加( 和持续期延长) ； ( 3 ) 大型植物包括大型藻类( 区域专属) ：如从长期生长种转变为短期生 长种或有害种。 i 类：富营养化的间接效应( 生长期) ( 1 ) 缺氧程度：含量降低( ( 2m g l 为急性危害；2 - - - 5m g l 为危害- 缺乏； 5 6m g l 为不足) ； ( 2 ) 底栖动物改变死亡和鱼类死亡：死亡( 与缺氧或有毒藻有关) ，底栖 动物生物量和种类组成的长期变化； ( 3 ) 有机碳有机物：含量增加( 适用于沉积区) 。 类：富营养化可能产生的其它效应 如藻类毒素d s p p s p 贻贝传染事件等。 6 第一章绪论 对沿岸海域富营养化状况的评价分为以下4 个步骤： ( 1 ) 根据各评价标准进行分级( 3 级) ，了解是否观测到浓度的提高或输入 量的增加或改变； ( 2 ) 将4 个类别的级数合并为3 组( i ，+ i v ) ； ( 3 ) 对所有的相关资料进行评价( 包括辅助因子) ； ( 4 ) 综合分级为问题海域( p r o b l e ma r e a ，p a ) 、潜在问题海域( p o t e n t i a l p r o b l e ma r e a ，p p a ) 和无问题海域( n o np r o b l e ma r e a ，n p a ) 。问题海域( p a ) 定义为：有证据表明由于人为的富营养化已经对海洋生态系统造成不良干扰的海 域；潜在问题海域( p p a ) 定义为：人为的营养盐输入有时可能对海洋生态系统 造成不良干扰的海域；无问题海域( n p a ) 定义为：没有证据表明由于人为的富 营养化已经或将来可能对海洋生态系统造成不良干扰的海域。 1 2 2 2 河口营养状况评价( a s s e t s ) 河口营养状况评价( a s s e t s ) 是在美国提出的“河口富营养化评价”( n e e a ， n a t i o n a le s t u a r ye u t r o p h i c a t i o na s s e s s m e n t ) 的基础上精炼而成。n e e a 已被应用 于美国1 3 8 个河口、葡萄牙的l o 个河口及德国沿岸海域的富营养化评价。一般将 河口分为3 个盐度区：感潮淡水区( s ( 0 5 ) ，混合区( s = 0 5 - - 2 5 ) ，海水区( s 2 5 ) 。评价因子包括3 类，即：压力、状态和响应。 总的人为影响：即系统致害压力，用人为的d i n 浓度比率表达； 总富营养状况：描述系统的状态，包括初级症状( 叶绿素a ，附生植物，大 型藻类) 和次级症状( 缺氧状况，水下植被损失，有害和有毒赤潮) ； 未来前景展望：人类活动的响应，即预期的未来营养盐压力和系统的敏感性 分析。 不同的参数具有不同的定义和使用方法： 压力评价只使用人为的无机氮( d i n ) 浓度与预期的总浓度的比值来衡量。 叶绿素评价使用藻华期叶绿素a 最大浓度( c h l a ) 6 0 u g l - 过度富营养化； 2 0 u g l ( c h l a ( 6 0 u g l ：高：5 u g l ( c h l a 2 0 u g l ：中；c h l a ( 5 u g l ：低) 。 溶解氧评价利用底层溶解氧浓度( o m g l 为缺氧；0 d o ( 2 m g l 为低氧；2 m g l 代数和以。口( x ，y ) = 心( x ) + t b ( y ) - - u a ( x ) , u b ( y ) 有界和心。占( x ，y ) = m i n 1 ，i u a ( x ) + t b ( y ) ) 2 2 2 模糊逻辑的系统设计 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 2 2 2 1 模糊逻辑系统的组成 1 ) 模糊产生器 模糊产生器的作用是将一个确定的点映射为输入空间的一个模糊集合，也称 模糊化。对于实际问题输入的模糊化是建立模糊推理系统的第一步，也就是选择 系统的输入变量并根据其相应的隶属度函数来确定这些输入分别归属于恰当的 模糊集合。 2 ) 模糊规则库 模糊规则库是由若干个“i f - t h e n ”规则的总和组成，它是模糊系统的核心部 分，系统其他部分的功能在于解释和利用这些模糊规则来解决具体问题。关于模 糊规则的获得，需要一些相关的专业和实践知识。模糊规则在模糊系统中起着极 第二章基于模糊理论的富营养化模型研究 为重要的作用，它的优劣决定了模糊系统性能的好坏。获取模糊规则的手段有很 多，如果当地的生态学知识比较完备，可以凭借专家的经验知识来获得。当条件 不具备时，可以借助数学工具，主要有两大类，一类是基于神经网络的模糊规则 提取方法，一类是基于模糊集理论的模糊规则提取方法，这两种方法一般都是借 助于聚类技术来生成模糊规则。 3 ) 模糊推理机 模糊推理机主要是将模糊规则库中的“i f - t h e n 规则转换成某种映射，即将 输入空间上的模糊集合映射到输出空间的模糊集合。主要包括连接词的计算、 “i f - t h e n ”规则的表示、直觉推理判据和一些相关的运算性质。 4 ) 模糊消除器 模糊消除器的目的是将输出空间的一个模糊集合映射为一个确定的点，以达 到实际运用的目的，又称解模糊化、去模糊化。 2 2 2 2 模糊逻辑系统结构 最常见的模糊推理系统有三类：纯模糊逻辑系统、具有模糊产生器和模糊消 除器的模糊逻辑系统( m a m d a n i 型) 以及高木一关野( t a k a g i - - s u g e n o ) 型模糊 逻辑系统。 ( 1 ) 纯模糊逻辑系统的输入与输出均为模糊集合，其框图如图所示。图中 的模糊规则库由若干“i f - t h e n ”规则构成。由于纯模糊逻辑系统的输入和输出均 为模糊集合，而现实世界大多数工程系统的输入和输出都是精确值，因此纯模糊 逻辑系统不能直接应用于实际工程中。 输入模糊 图2 1 纯模糊逻辑系统框图 模糊集合 ( 2 ) 具有模糊产生器和模糊消除器的模糊逻辑系统 在纯模糊逻辑系统的输入和输出部分分别添加模糊产生器和模糊消除器，使 得模糊逻辑系统的输入与输出均为精确量，因而可以直接在实际工程中加以应 第二章基于模糊理论的富营养化模型研究 用，这类模糊逻辑系统就称为具有模糊产生器和模糊消除器的模糊逻辑系统。由 于其应用的广泛性，通常就将其简称为模糊逻辑系统。这类模糊逻辑系统的结构 如图2 2 所示： 输 图2 2 具有模糊产生器和模糊消除器的模糊逻辑系统 ( 3 ) 高木一关野型模糊逻辑系统 其通常又简称为s u g e n o 型系统，是在1 9 8 5 年被最早提出的，是一类较为特 殊的模糊逻辑系统，其模糊规则不同于一般的模糊规则形式。其采用如下形式的 规则： i f x i 是彳l ，x 2 是彳2 ，x 。是彳。，t h e n y = + c ，木x ， l 其中，a ，( i = 1 ，2 ，刀) 是输入模糊语言值，c ，( i = 0 ，l ，2 ，刀) 是确定值参数。 该系统的输出量在没有模糊消除器的情况下仍然是精确值。这类模糊逻辑系 统的优点是由于输出量可以用输入值的线性组合来表示，因而能够利用参数估计 方法来确定系统的参数；同时可以应用线性控制系统的分析方法来近似分析和设 计模糊逻辑系统。但缺点是规则的输出部分不具有模糊语言值的形式，因此不能 充分利用专家的控制知识，模糊逻辑的各种不同原则在这种模糊逻辑系统中应用 的自由度也受到限制。 2 3 渤海湾富营养化的模糊评价模型 2 3 1 评价因子及评价标准的确定 海水的富营养化是指n 、p 等营养物大量进入水体，使得海水中藻类等浮游 生物旺盛增殖，从而破坏了水体的生态平衡，使得水体失去原有的价值。因此海 水富营养化的形成主要受无机营养盐氮、磷的影响。叶绿素a 是海洋中初级生产 者浮游植物生物量的一个重要指标，也是浮游植物进行光合作用的主要素，海洋 初级生产力与叶绿素a 含量密切相关。c o d 是反映水体中可降解的有机物含量， 2 0 第二章基于模糊理论的富营养化模型研究 s d 是指水体透明度，反映水体中的悬浮物含量，这些都侧面的指示了水体的污 染程度。 根据海水水质标准g b 3 0 9 7 1 9 9 7 和国外的相关资料文献 4 0 - 4 3 】，以及浮游生物 生长的最佳氮磷比和赤潮发生时各因子的临界浓度4 4 1 ，确定了渤海湾富营养化评 价标准( 表2 2 ) 。 表2 2 富营养化评价标准 2 3 2 模糊转化 根据分级系统的各级标准分别建立每种评价因子相应于不同级别的隶属函 数。隶属函数的确定方法通常可分为模糊统计方法与指派方法两种，常用的是指 派方法。所谓指派方法就是根据问题的性质套用现成的某些形式的模糊分布，然 后根据测量的数据确立分布中包含的参数。指派方法是一种主观的方法，它可以 把人们的实践经验考虑进去，若模糊集定义在实数域尺上，则模糊集的隶属函数 便成为模糊分布。根据隶属函数形式和前人经验，本文选用较为简便的降半梯形 分布函数，以确定隶属度。其隶属函数分布图如图2 3 所示。 l 0 5 0 s i l 5 i 2 s i 3 图2 3 隶属函数分布图 第二章基于模糊理论的富营养化模型研究 污染因子隶属函数值分别由各因子的富营养化评价标准和各因子实测值算 出，海水各污染因子隶属函数用下列通式表示： 州班睁 “，2 ( ) = u j 3 ( 薯) 毛s l s i l x t s 晓 薯s 2 x is s i t ，x i s i 3 s | i x i s 2 s i 2 x i s i 3 x i 2 s i 2 材，s 2 s 2 墨时，权重形- x , 互。 分别在每一类内对彬作归一化处理，则有： 矿= 形形 ，互l ( 2 1 8 ) 其中，玎为每一类内参加评价的污染因子个数。权重系数矿皆可组成因子论域上 的模糊子集a k = 彤，暖，死，可以表示，污染因子在所在类中所起污染作用大 小的量度。 实际中常用的评价结果常使用最大隶属度原则，但这个方法存在有效性问 题，会得出不合理的评价结果，并且很难对评价结果进行比较，比如两个站位得 到的模糊矩阵分别为z 1 = 【o 4 90o 5 l 】和z 2 = o 2o 3 50 4 5 ，就很难说明哪个站位 污染更严重，所以本文采用加权平均原则对模糊评价结果进行分析，得到了富营 养化程度指标，即 3 z ，2 b = 型广 z ，2 厶一。i j = 1 ( 2 - 1 9 ) 式中z 为隶属于第，等级的隶属度。 根据富营养化与中营养化以及中营养化与贫营养化的临界值来确定b 的分 级标准，计算可得当b 塑5 时为富营养化；1 5 b 2 5 时为中营养化；b 2 4 3 结果与分析 本章选定渤海湾赤潮监控区作为研究区域。2 0 0 6 和2 0 0 7 年6 月1 0 月期间， 在五个月内对监控区的表层海水进行了每个月两次，共十个航次的水质调查。在 渤海湾3 8 。4 97 2 0 - 3 8 。5 5 0 0 ，n ，1 1 7 0 3 7 o o ”1 1 7 0 5 07 0 0 ”e 的范围内共设6 个站位， 用5 号站位的监测数据作为验证。模型的拟合结果和预测结果如下图2 5 和图2 - 6 所示： 图2 5 模型的拟合图 第二章基于模糊理论的富营养化模型研究 图2 - 6 模型预测数据与实测值的比较图 从图中可以看出，模型的拟合效果较好，计算其均方误差为1 0 6 7 2 ；而模型 的预测结果基本满足要求，其均方误差为2 0 7 5 7 ，除第4 和1 5 次有较大误差外， 其余的误差均较小。 本文是基于数据库提取了模糊规则，由于实测时不可避免的有偶然因素，以 及数据库资源有限，所以建立的模糊规则仍需改进。同时在参数调整中不可避免 的加入了人为主观因素，这些参数是否最优还有待验证，可通过神经网络进行训 练，这正是本文第四章所研究的问题。 2 5 本章小结 1 研究了模糊数学的基本概念以及一些基本的运算法则。 2 研究了模糊逻辑的基本理论以及模糊逻