Assessing the Eutrophication of Shengzhong Reservoir Based on Grey Clustering Method

Abstract

Reservoir water environment is a grey system. The grey clustering method is applied to assessing the reservoir water environment to establish a relatively complete model suitable for the reservoir eutrophication evaluation and appropriately evaluate the quality of reservoir water, providing evidence for reservoir management. According to China’s lakes and reservoir eutrophication criteria and the characteristics of China’s eutrophication, as well as certain evaluation indices, the degree of eutrophication is classified into six categories with the utilization of grey classified whitening weight function to represent the boundaries of classification, to determine the clustering weight and clustering coefficient of each index in grey classifications, and the classification of each clustering object. The comprehensive evaluation of reservoir eutrophication is established on such a foundation, with Sichuan Shengzhong Reservoir as the survey object and the analysis of the data attained by several typical monitoring points there in 2006. It is found that eutrophication of Tiebian Power Generation Station, Guoyuanchang and Dashiqiao Bridge is the heaviest, Tielusi and Qinggangya the second, and Lijiaba the least. The eutrophication of this reservoir is closely relevant to the irrational exploitation in its surrounding areas, especially to the aggravation of the non-point source pollution and the increase of net-culture fishing. Therefore, it is feasible to use grey clustering in environment quality evaluation, and the point lies in the correct division of grey whitening function     

典型湖库富营养化的模糊综合评价研究

随着氮磷等营养盐类的不断排入湖库中,导致了水体的富营养化,使得水体透明度下降,产生异味,对人们的身体健康造成威胁。通过采用合适的水体富营养化评价模型,可以对水体的污染现状进行评价,得出正确的结论,以便采用适当的处理方式及时处理富营养化状况,减少对水环境和人体健康的危害。采用模糊综合评价法,将评价指标进行层次分析,并根据指标的相互关系,确定了各指标的权重,建立了模糊综合评价的数学模型。最终根据建立的评价指标体系、确定的评价标准和实测的湖库（巢湖、洱海和微山湖等）水质资料,得到了我国典型湖库的富营养化评价结论。评价结果与实际状况相吻合,说明该模型适合广泛应用     

湖北省主要大中型水库富营养状况及特征分析

水库在城市供水、工业用水、水产养殖、农业灌溉、水利防汛以及景观旅游等方面发挥着重要的作用,但随着社会经济的发展,部分水库的富营养化状况日益严重,成为影响社会经济发展的重大环境问题。通过在2010年的3、6、7、10月对湖北省30座主要大中型水库进行布点采样,对水体的水质状况分别进行了调查、监测,采用《地表水环境质量标准》湖库标准进行水质类别分析,采用湖库营养状态指数法对湖泊富营养化评价, 并运用因子聚类分析方法对这些水库进行了类型划分。结果表明：30座大、中型水库有14座水库水质类别为Ⅱ类~Ⅲ类, 占467%; 有8座水库水质类别为IV类,占267%;有8座水库水质类别为Ⅴ类或劣Ⅴ类,占267%;除白云湖水库为轻富营养化外,其余29座水库均属中营养状态;氨氮、磷作为营养物质是这些水库富营养化的主要影响因素,溶解氧对水体富营养化有重要影响,总氮、水温和有机物污染对水体富营养化产生较大影响;30座水库聚类分为城市工业废水污染源型、生活污水污染源型、农业非点源污染源型和养殖轻污染型4种水库类型。针对水库的污染类型,分别提出了减缓防治措施     

长江三峡水库水污染控制若干问题

论述了三峡水库几个重要水环境问题,对近年来三峡水库水污染控制科学研究工作进行回顾,评述了一些重要研究成果,就三峡水库水质模拟、水体富营养化、水库泥沙截留淤积和重金属污染等问题进行了深入探讨。基于国际水协会最新推出的河流水质模型,提出了三峡水库水环境模拟研究的观点和方法;基于湖泊（水库）生态动力学模型原理,在对水体中磷元素预测的基础上,从营养盐含量、水深、流速、温度因素等与富营养化非线性映射关系出发,初步建立三峡水库水体富营养化人工神经网络模型,对三峡水库水体富营养化潜势进行研究,分析讨论了一些初步结果;论述了水库泥沙截留淤积及其与水体中污染物,特别是重金属污染的相互作用;建议三峡水库近期内应予以重视的一些重要水环境科学问题。     

杭州地区大中型水库富营养化状况及影响因子分析

在2008年和2009年对杭州地区17个大中型水库进行了调查。结果表明：杭州地区大中型水库水质不容乐观,按照单因子指标评价法,只有3个水库符合Ⅱ类水体标准,2个水库符合Ⅲ类水体标准,2个水库为Ⅳ类水体,3个水库为Ⅴ类水体,其余7个水库均为劣Ⅴ类水体,定类指标均是总氮。根据综合营养状态指数结果：丰水期2个水库处于贫营养状态,13个水库处于中营养状态,2个水库处于轻度富营养状态;枯水期16个水库处于中营养状态,1个水库处于中度富营养状态。总氮和总磷作为营养物质是这些水库富营养化的主要影响因素。位于山区源头地区的水库水质最好,位于平原城乡附近的水库其次,位于城市下游及城区附近的水库水质最差     

武汉东湖富营养化现状分析及治理对策

随着人口的增长和经济的快速发展,东湖的水环境污染日益严重,尤其以富营养化的危害最大。采用营养状态指数法,对武汉东湖十个湖区进行了富营养化评价,得出富营养化的水体占到整个面积的62.21%,中营养的水体占到37.79%。磷是东湖富营养化的主控因素,在明确水体中磷富集的主要原因是点源污染的前提下,分析了东湖现有治理措施和存在的问题,建议东湖富营养化的治理要因湖区而宜,在彻底控制点源污染的同时,结合生态建设,用人工湿地的方法控制面源污染,并对富营养化严重的湖区,采取底泥疏浚工程削减内源营养盐。在东湖富营养化治理的同时,必须加强对东湖的管理,健全环境立法,强化环境监督,将东湖污染的控制纳入法制化轨道。     

基于环境一号卫星高光谱数据的太湖富营养化遥感评价模型

采用环境一号卫星高光谱数据直接监测太湖富营养化状态的方法较多光谱影像监测有着更高的精度优势,对内陆水环境监测具有一定的意义。利用2009年4月地面实测高光谱数据模拟环境一号卫星星上数据,结合确定的太湖富营养化状态遥感评价的水质因子,构建富营养化状态评价模型,并采用实测数据和环境一号卫星高光谱影像数据对模型的精度和适用性进行验证。研究结果表明：（1）选用叶绿素a作为富营养化遥感监测的水质因子监测太湖富营养化状态与综合营养指数法相比,平均相对误差为597%;（2）采用模拟的环境一号卫星高光谱影像数据结合三波段模型与采用地面实测数据评价结果之间的相关系数r=0855,平均相对误差为919%;（3）结合环境一号卫星高光谱影像对2010年5月2日太湖进行富营养化监测评价,结果显示太湖水体整体成中营养状态,存在1129%的监测水域出现轻度富营养化状态     

基于联系数与三角模糊数的黄柏河梯级水库富营养化评价

针对水体富营养化评价具有模糊性和不确定性的多属性决策问题,提出联系数与三角模糊数耦合的富营养化综合评价方法。利用多元联系数描述评价因子与评价等级之间隶属关系的不确定性,采用分段三角模糊数确定联系数差异度系数的连续变化过程和模糊性,进而计算评价因子与评价等级之间的综合联系数,并结合评价指标组合权重确定级别特征值。应用该方法对2016年7月黄柏河梯级水库的富营养化状况进行了评价。结果表明:玄庙观水库处于贫营养状态,天福庙水库、西北口水库和尚家河水库均处于中营养状态。各水库富营养化程度排序为:尚家河水库西北口水库天福庙水库玄庙观水库。该法所得结果与其它多种评价方法的结果对比表明,该方法评价结果直观有效,可以真实反映水库富营养化等级状况,能够更加细微、准确的区分同一等级水体富营养化差异,在湖库富营养化评价中具有良好的应用前景。     

基于线性变换的水质综合评价方法

对于多个因子的水质综合评价存在很多不同方法,尚未形成公认的权威评价方法。因而,对水质综合评价方法进行探索有利于积累研究经验,丰富方法手段。在把数据向[0 1]区间标准化的基础上,通过线性空间变换,把水质样本数据与《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)数据转换到同一线性空间。计算水质样本数据向量与5类水质划分等级标准数据向量的欧式距离,把欧式距离的最小值作为水质类别辨别的依据,最终得到水质的综合评价结果。借由已经公开发表的19个断面水质监测数据,运用大型工程计算软件Matlab 2010b进行计算,并与变权欧式距离模型、灰色聚类法、模糊综合指数法和BP神经网络法的评价结果相比较,符合性较好,验证了线性空间变换法应用于水质综合评价的科学性和合理性。方法可用于水质综合评价。在不对污染因子进行加权的情况下,基于线性变换的水质综合评价方法,获得的评价结果较轻。对于被评价为同一类水质的不同监测断面,可以借助"评价单元与5级水质标准的欧式距离矩阵",对评价单元水质差异进一步辨识。     

城市湖泊有机质氮同位素差异及其对水污染的指示作用分析

如何对湖泊生态环境修复效果进行评价是当前湖泊生态修复工作的难点所在,以武汉市内不同修复状态湖泊为研究对象,通过分析湖泊水体营养盐浓度、水质类别、综合营养状态指数TLI（Σ）与湖泊不同有机质δ15N的关系,探讨以水体中某一有机质δ15N指示城市湖泊水污染状态,进而作为湖泊修复效果评价指标的可行性。结果表明：武汉南湖、东湖、内沙湖水质分别为劣Ⅴ类、Ⅳ类、Ⅲ类;水体富营养化程度分别为重度富营养、轻度富营养、中营养;南湖有机质δ15N均值最高为13.193‰（8.394‰~19.380‰）;东湖δ15N次之为8.191‰（5.162‰~13.488‰）;内沙湖δ15N最低为2.940‰（0.001‰~6.433‰）。不同湖泊有机质δ15N与表层水 c(TN)、c(DIN)、c(NH+4-N)、c(TP)、水质类别和TLI（Σ）呈正相关趋势,其中悬浮有机质、沉水植物δ15N与水污染参数的相关性最为显著,均能有效表征城市湖泊水污染状态;为了采样的简便性及样品的通用性,建议以悬浮有机质δ15N作为城市湖泊水污染状态及水环境治理效果的快速评价指标。     

云南水资源可持续利用程度评价的自组织神经网络模型

水资源可持续利用程度综合评价需要综合考虑区域的社会、经济、资源、环境等各方面因素,是一个典型的多目标、多层次、多属性决策问题。结合云南省属于水资源相对较丰富的实际状况,建立了有针对性的水资源可持续利用程度评价指标体系,利用自组织神经网络自组织、自适应的聚类功能,对云南省及各地区水资源可持续利用程度进行了聚类分析,结果表明,云南省各地区的水资源可持续利用程度可分为5类,云南省总体上属于其中的第Ⅲ类,即基本能够维持水资源的可持续利用。     

黑龙滩水库氮磷平衡与富营养化评价

黑龙滩水库氮磷的输入包括东风渠、水面降水、农田径流、网箱养鱼、旅游、周围居民及地下水输入等。T N每年输入 10 76 .95t,T P每年输入 5 2 1.2t。T N的输入 ,农田径流、东风渠和网箱养鱼是主要输入源 ,其中农田径流占T N输入的 5 5 .41% ,东风渠占到 32 .8%。T P输入 ,主要由农田径流控制 ,占到 93.48%。黑龙滩水库氮磷支出有干渠输出 ,水库渗漏 ,网箱养鱼以及大水面捕获鱼所带出的氮磷量。T N每年输出 182 .82t,T P每年输出 13.0 3t。每年水库随水输出的氮磷量不大。大约有 893.99t的氮 ,5 0 8.17t的磷存留水库中 ,它们大部分以颗粒吸附态的形式沉积于水库底部、少部分溶解态N·P存留于库水中。基于水库中不同点连续 17个月采样的水质数据 ,选择SD、CODCr、T N、T P和Ch·a等五个水质指标进行富营养评价 ,得出黑龙滩水库处于中营养水平 ,有产生富营养化的潜在危险。与以前所测数据相比 ,水库的富营养化的趋势在加重。管理者应加强控制农田径流污染的工作 ,才能预防水库富营养化的发生     

三峡水库藻类“水华”预测

根据三峡库区江段16条一级支流以及重庆市35座大中型〖JP2〗水库的调查资料，分析天然河流与水库两种不同水流条件下，水体叶绿素a浓度与总磷和透明度的关系。结果发现,在水库环境中，水体叶绿素a的浓度与总磷以及与透明度都具有较好的相关性，但在河流条件下则没有明显的关系。由于三峡库区江段大多数支流的营养水平已达到富营养化状况，当三峡水库建成、水流条件发生变化后，在支流河口等水域存在爆发“水华”的风险。为此，我们根据1998年枯水期，在三峡库区长江江段流域面积大于100 km2的40条支流河口实测的总磷浓度，利用所建立的水库环境中总磷与叶绿素a 浓度的关系，对三峡成库后在局部水域爆发“水华”的可能性和程度进行了分析，并提出了相应的对策。     

气候变化和人类活动对丹江口入库径流的影响及评估

科学估算气候变化和人类活动对河川径流的影响,可以更为合理地规划利用地球水资源。针对丹江口水库入库径流的减少问题,分别采用Mann-Kendall方法和Pettitt检验,对1960~2012年间丹江口水库入库径流的年际和年内变化趋势进行了分析,并与同时期汉江上游20个地面观测站的降水、气温的年际和年内演化趋势进行了比较,从气候变化和人类活动影响的两个方面分析了入库径流减少的原因。在此基础上,利用气候弹性模型分别估算了气候变化和人类活动对径流的影响度。结果表明:近年来丹江口入库径流的减少主要受春季和秋季径流减少的影响,在春季径流的减少总量中,气候变化的贡献度为67%,人类活动为33%;秋季径流的减少总量中,气候变化的贡献度为88%,人类活动为12%。气候变化是导致丹江口入库径流减少的主要原因。     

丹江口库区可持续发展能力分析

从区域可持续发展的角度出发,以湖北省丹江口库区为例,首先定性分析库区可持续发展的优势与问题,认为库区移民安置工作困难,库区可持续发展受到限制;经济增长缓慢,基础设施建设滞后;城镇化水平较低,库区社会矛盾突出;自然资源丰富与开发不足并存,库区淹没加剧土地资源稀缺;环境质量较好,生态基础脆弱。然后采用多因素综合评价模型定量分析了1999～2005年库区可持续发展的变化趋势。结果表明：库区可持续发展能力从1999年到2003年呈现明显的上升趋势,却从2004年开始缓慢下降;而人口、经济、社会、资源和环境各子系统也呈现出不同的特征。最后针对定性和定量评价结果提出相应的对策建议：做好库区移民安置,实现移民稳定就业;减少和消除移民贫困,增加基础设施建设;加快小城镇建设步伐,解决库区社会矛盾;发挥水资源优势,改善库区生态环境。     

三峡水库蓄水初期水生态环境特征分析

以2003年10月和2004年4月的两次现场调查数据为基础,分析三峡水库蓄水初期的水生态环境特征。结果表明,蓄水初期水库水体交换能力减弱,水库有机污染甚微,但水体TN、TP浓度偏高,水库整体处于中营养状态;根据水生态环境特征的差异性,水库水域可划分为3种类型区,即坝前水域、库区干流水域以及库区支流洄水河段。对主要影响因素进行分析,发现流速、营养盐含量及水温是影响水生态环境特征的主要因素,而由于各类型区的TP、TN等营养盐含量均较高,水温及流速已成为三峡水库水生态环境特征的控制性因子。探讨3类不同水域的富营养化敏感性,表明坝前水域及库区支流洄水河段是库区未来富营养化的敏感水域。     

三峡水库水质保护与渔业利用关系探讨

捕捞渔业和不投饵养鱼对水体不会造成污染,并在一定程度上具有抑制藻类生长、减缓和控制富营养化发生的功能。投饵养鱼和施肥养鱼可增加富营养化发生的几率,但通过控制网箱的数量和布局,限定养殖种类和密度,提高低污染饲料质量,采取科学的投喂方式等措施,可减少对水体的负面影响。适度发展渔业是利用三峡水库水、土地和生物资源的有效途径之一,不仅可促进库区产业发展,增加库区移民就业和收入,而且对水库水生态环境有一定的保护作用。 要做到有序利用水面资源,必须尽快制定科学的渔业发展规划,加强渔业管理指导渔业生产,使渔业生产与环境保护、移民安置和水库其他功能相协调。     

Characterization of bottom sediments and phosphorus fractions in hyper-eutrophic Krishnagiri reservoir located in an agricultural watershed in India

The hyper-eutrophicated Krishnagiri reservoir is situated in hot tropical and semiarid climate zone in South India. There are 16 villages in the command area, which are directly benefited by this reservoir, and water from the reservoir is used for irrigation, fish rearing, livestock rearing and recreation purposes. The reservoir is located in an agricultural watershed, and the rate of soil erosion in the catchment area is very high. Thus, the reservoir is severely affected by sedimentation, and half of its capacity was reduced. Previous studies in Krishnagiri reservoir clearly indicate the lack of information on the quality of sediments and dynamics of nutrient in the reservoir. Hence, the present study was conducted on bottom sediments, and it included the assessment of physicochemical characteristics and nutrients, such as composition, redox potential, moisture content, organic carbon, organic matter, total iron, manganese, calcium carbonate, different phosphorus fractions and total phosphorus. The increasing trend in organic matter and also the significant change from positive to high negative values of redox potential clearly indicate the inflow of high organic load which may result from the disposal of sewage and industrial waste water in the upstream catchment side. The high concentration of inorganic phosphorus fractions at the inflow point of the reservoir obviously implies that there was a significant input of nutrients into the reservoir. Hence, the study concludes that the rainfall, soil erosion and runoff are the major environmental factors for the input and accumulation of large quantities of nutrients in the bottom sediments of Krishnagiri reservoir during the study period. The present study clearly suggests for a careful investigation into sediment nutrients in Krishnagiri reservoir, and it is also necessary to assess the role of sediments in the phosphorus dynamics and its significant effect on eutrophication. This study demonstrates that the examination of physicochemical characteristics and nutrients in the bottom sediments is a helpful tool to identify the sources of nutrients to the reservoir. The baseline data provided in this paper will be helpful for the policy makers to frame better policies for the sustainable management of water quality in Krishnagiri reservoir.     

基于可变模糊集理论及其模型的水利规划环境影响综合评价

地区水利规划环评处于起步阶段,存在评价形式化、方法单一化以及指标权重确定的主观性较强等问题。针对以往评价中的不足,提出了运用可变模糊集理论及其模型进行综合评价的方法。以江苏省水利发展规划作为研究实例,建立指标体系,采用模糊聚类循环迭代模型进行主客观综合指标权重的计算;从重点工程空间布局角度出发,运用调整后的可变模糊识别模型进行各市环境影响的相对优属度计算。结果表明,全省规划方案的环境影响相对优属度大于现状和零方案,南通市的相对优属度最大,其次是苏州和无锡。与层次分析法进行对比,该理论及其模型适用于地区水利规划环境影响综合评价     

武汉湖泊富营养化遥感调查与评价

利用武汉东湖各子湖多年可靠的地面监测资料和1999年9月Landsat-7的TM各波段的卫星遥感数据,建立了各子湖的营养状态指数与TMb5图像上的灰度值之间的线性关系模型,并运用该模型对武汉各湖泊进行富营养化评价。同时基于地面监测资料,用日本学者相崎守弘提出的修正富营养化指数法对武汉主要湖泊的富营养化程度进行评价。两种方法评价结果都显示,武汉大多数湖泊呈富营养化状态,一些湖泊已接近甚至达到极富营养化。在用两种方法同时评价的十个湖泊中,有四个湖泊的评价结果完全一致,其余的六个湖泊富营养化程度只相差一个级别。两种方法评价结果存在差异,可能有以下三个原因;（1）遥感方法反映了是图像所在时段的某一个区域上的平均值,营养化指数法反映的是若干个采样站的年平均值;（2）TM图像的获取时间比地面监测的时间晚;（3）遥感影像可能受到云、泥沙等悬浮物、高等水生植物以及湖泊水深等的影响。遥感评价结果与地面监测结果基本一致,利用遥感进行湖泊水体富营养化监测价是可行的,有效的,利用该方法可进行大范围的湖泊富营养化调查评价。