武汉市东湖水质动态的探讨

武汉市东湖水质动态的探讨

东湖是长江中下游的一个小型淡水湖泊，位于武汉市东北。湖泊面积约32km2,平均水深为2.21m,湖水面积127.50km2,湖容约为1亿m3。但是近年来,随着居住人口的增加,及湖区周围高技术产业的高速发展,致使东湖水体水质下降,富营养化现象严重,水污染程度日趋严重,水生生态系统的结构和功能失调,出现逆性演替,影响到人民的生活和身体健康。正是水污染的日益加重,致使原东湖自来水厂被迫停产,现正实行“湖改江”工程,以保证湖区居民的饮用水水质安全。由此可见,对东湖水质进行探讨,分析东湖污染源水质变化动态,制定富营养化治理对策显得尤为重要。环境质量评价就是对环境素质优劣的定量与定性相结合的评述。它以国家制定的环境标准或污染物在环境中的本底值作依据,将环境素质的优劣转化为定量的可比数据,最后将这些定量的结果划分等级,以标明环境受污染的程度。应用灰色理论来解决模糊问题,建立了合适的隶属函数模型,将不可比的数据映射成隶属度,并加以权重,最后在多目标综合指数评价决策矩阵中确定最佳局势,以确定水环境的污染程度。1模糊数学法和灰色理论法关于水质质量评价的研究在湖泊水质质量评价中,各国学者进行了深入的研究,尚未形成统一的确定的数学模型。由于水质质量是个模糊概念也是个灰色的概念,因此模糊数学法和灰色理论法倍受重视。模糊集将经典集中的{0,1}取值扩展到闭区间的连续取值,是现代数学的重大突破。模糊数学法在进行水质质量评价时,克服了信息的模糊性,但存在着多方面的不足:如易出误判;有多种运算模型,选择不当,会丢失部分信息;计算较为烦琐等。灰色理论法克服了信息的不确定性,但也存在丢失部分信息的不足。应用模糊数学中的模糊综合评判法,确定水质的模糊综合指数,对东湖水体的水质变化趋势进行了探讨。1.1水环境质量模糊综合评价模型的建立设影响地面水环境质量的因子有n个,由这几个因子构成评价因子集U,则U={u1、u2、u3、…、un}。给定m个评判标准,并由其组成与U相对应的评价标准集V,则V={v1、v2、v3、…、vm}。在U和V给定后,其模糊关系可用模糊矩阵R表示:R=(rij)=⎡⎣⎢⎢⎢⎢r11r21⋯rn1r12r22⋯rn2⋯⋯⋯⋯r1mr2m⋯rnm⎤⎦⎥⎥⎥⎥(1)R=(rij)=[r11r12⋯r1mr21r22⋯r2m⋯⋯⋯⋯rn1rn2⋯rnm](1)式中:rij表示第i种污染物的环境质量数值,可以被评为j类环境质量的可能,即i对j的隶属度。当污染物的环境质量数值不在标准区间内,取rij=0。n表示污染因子数,i=1,2,3,…,n。m表示水体质量级别数,j=1,2,3,…,m。评价因子集U的模糊子集A={a1,a2,a3,…an},式中ai表示因素Ui在水体质量所有因子的权重权数。其中,则水环境质量模糊综合评价模型为:B=A·R(2)式中:B={b1,b2,b3,…bm};;j=1,2,3,…,m)。模糊综合指数b0=max{bj};j=1,2,3,…,m。1.2采用模糊综合指数计算1.2.1m级为n,s,n,nm模糊关系矩阵R代表了每一个污染因子对每一级水体质量标准的隶属程度,也可以把隶属度看成为污染物的浓度和环境质量标准的指数。假设水体级别划分为m级,则可以S(1),S(2),…,S(m)表示。监测值为X的污染因子对各个水体级别的隶属度rij按下式计算:rij=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪1s(j+1)−xs(j+1)−s(j)0x＜s(j)s(j)≤x≤s(j+1)(j=1,2,3,⋯,m)x＞s(j+1)(3)rij={1x＜s(j)s(j+1)-xs(j+1)-s(j)s(j)≤x≤s(j+1)(j=1,2,3,⋯,m)0x＞s(j+1)(3)1.2.2求各因子权重污染因子的权重系数是衡量参加评价的各污染因子对水体环境质量影响的大小,分别赋予不同的权重,采用污染贡献率计算方法求单因子权重系数,计算式为:式中:Ci为i种污染因子的实测浓度(mg/L),C0i为第i种污染因子的分级基准值(mg/L)。2近年来，东湖水生环境的质量评价2.1评估因素的选择以东湖1991～1998年主要污染因子年均值作为评价因子,见表1所示。2.2分级基准值的确定按照地面水环境质量标准GB3838-88将在面水质标准分为五级,分别以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ表示,取GB3838-88第Ⅲ级水质标准作为分级基准值C0i。各级标准见表2。2.3直隶度计算将表1中所列东湖水体历年来各项污染指标的监测数据代入公式(1)中,可计算出水中各项污染因子的隶属度,计算结果见表3。2.4权重系数的计算由公式(4)可计算出各污染因子的权重值,见表4。2.5采用模糊综合指数计算将表3、表4中所列数据代入公式(2)中,以确定东湖的综合水质状况,见表5。3主要污染因子a.从表5的评价结果可以看出,东湖水质近几年来没有太大的变化,水体基本处于Ⅳ类,属较重度污染。东湖水质稳定,一方面说明水资源保护工作做的较好,短期内无明显恶化现象;另一方面也说明东湖水质已恶化到相当程度,破坏了原有的生态平衡,东湖的治理迫在眉睫。b.从表3的数据中通过对各年度隶属度分析,能清楚地看出在决定水质级别方面起重要作用(即在Ⅳ、Ⅴ级中隶属度值较大)的主要污染因子均为:BOD5、NH3-N、总磷。从表4的权重系数的计算结果看,权重系数较大的污染因子为总磷(0.3092～0.5764);NH3-N(0.1782～0.3746);BOD5(0.0677～0.2238)。从上述分析可以得出东湖的主要污染物是总磷、NH3-N、BOD5,属有机污染型。正是由于严重的有机污染,导致原东湖自来水厂无法继续正常运营,池内藻类大量繁殖,出厂水Ames试验呈强阳性,从而被迫停产,武汉市政府为此实施“湖改江”工程,以保证居民生活饮用水的安全性。c.处于同一级别的水体其水质并不一样,单从监测数据上很难区分其差别,应用模糊综合指数法则能明确判断出水质级别,这正是模糊综合指数法判断水质的优点之处。水体中各种污染物浓度不断发生变化,部分污染因子浓度增高,而另一部分则可能降低,整个水体质量是升高还是降低,从监测数据中不易确定,原因是各因子对水质的影响程度