三峽庫(kù)區(qū)次級(jí)河流水質(zhì)的模糊綜合評(píng)價(jià)—以臨江河為例

呂青鋒，羅固源，劉子巖

（重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400045）

三峽庫(kù)區(qū)次級(jí)河流污染十分嚴(yán)重，直接影響著三峽庫(kù)區(qū)的水環(huán)境［1］。本文選取三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)尾的次級(jí)河流之一的臨江河，采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型定量評(píng)價(jià)其水質(zhì)的污染程度，以此為庫(kù)區(qū)次級(jí)河流的重點(diǎn)治理和規(guī)劃提供研究方法和依據(jù)［2］。

1 水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)理論

目前的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要有綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色評(píng)價(jià)法、物元分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNs）評(píng)價(jià)法和地理信息系統(tǒng)（GIS）［3］。由于水質(zhì)評(píng)價(jià)包含一些模糊、不明確的方面，而模糊綜合評(píng)價(jià)法能很好地反映水質(zhì)級(jí)別的模糊性與連續(xù)性，其評(píng)價(jià)結(jié)果比較合理也更加接近客觀實(shí)際，是定量研究水質(zhì)的有效方法［4］。本文利用基于模糊數(shù)學(xué)理論的模糊綜合評(píng)價(jià)法作為庫(kù)區(qū)次級(jí)河流臨江河的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。

1.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)因子集和權(quán)重集

根據(jù)一定原則及實(shí)際監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，選取對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象有影響各指標(biāo)建立評(píng)價(jià)因子集，設(shè)選取m個(gè)指標(biāo)，將他們組成一個(gè)普通集合，即因子集U，U＝｛u1，u2，…um｝，是一個(gè)m維的向量。

模糊綜合評(píng)價(jià)模型中由于各因素對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象影響程度不同，因此對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)因子Ui，賦予一個(gè)反映其對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象重要性的的數(shù)值ai（i＝1，2，…，m），稱(chēng)為權(quán)數(shù)。為進(jìn)行模糊運(yùn)算對(duì)各權(quán)數(shù)歸一化處理后組成的集合A即為權(quán)重集，A＝｛a1，a2，…，am｝。將模糊綜合評(píng)價(jià)模型引入河流水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，權(quán)重表示指標(biāo)對(duì)水質(zhì)污染影響的大?。?］。

1.2 計(jì)算隸屬度及模糊關(guān)系矩陣

用隸屬度來(lái)刻畫(huà)反映水質(zhì)污染的各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度。在河流水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)中，設(shè)隸屬度rij，（i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n），m為評(píng)價(jià)因子數(shù)，n為水體的環(huán)境質(zhì)量級(jí)別數(shù)。設(shè)評(píng)價(jià)因子和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的模糊關(guān)系矩陣R，R＝

矩陣R中第i行表示第i種評(píng)價(jià)因子的數(shù)值對(duì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度。R中的第j列表示各評(píng)價(jià)因子數(shù)值對(duì)第j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度。隸屬度具體數(shù)值由采用的隸屬函數(shù)來(lái)確定。

1.3 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型B，B＝A·R＝（a1，a2，…，am）·R＝（b1，b2，…，bm，…，bn）

式中，向量B是由向量A和模糊矩陣R通過(guò)模糊關(guān)系運(yùn)算得到，其中，bj是由A與R的第j列運(yùn)算得到的，它表示被評(píng)價(jià)事物從整體上對(duì)j等級(jí)模糊子集的隸屬程度。最后對(duì)結(jié)果向量進(jìn)行分析，從而完成模糊綜合評(píng)價(jià)［6－7］。

2 臨江河水環(huán)境質(zhì)量的模糊綜合評(píng)價(jià)

臨江河是長(zhǎng)江北岸小支流，發(fā)源于重慶市永川縣西部寶峰鄉(xiāng)萬(wàn)壽山麓，經(jīng)江津縣境，于朱洋溪鎮(zhèn)鎮(zhèn)匯入長(zhǎng)江，是三峽庫(kù)區(qū)庫(kù)尾的一條次級(jí)河流。臨江河污染情況十分嚴(yán)重，屬重度污染河流。根據(jù)《三峽庫(kù)區(qū)及其上游水污染防治規(guī)劃》臨江河被列為重慶市19條水污染綜合治理的次級(jí)河流之一。臨江河的污染來(lái)源主要是永川、江津兩區(qū)排放的工業(yè)廢水、生活污水及沿途農(nóng)業(yè)面源污染水體［8］。因此對(duì)其進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)進(jìn)而進(jìn)行整治是迫在眉睫。

2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)方法

在臨江河下游河段上設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，控制河段長(zhǎng)4km，進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖1），每月監(jiān)測(cè)2～3次?？紤]臨江河的實(shí)際污染情況，本監(jiān)測(cè)選取化學(xué)需氧量COD，溶解氧DO，總氮TN和總磷TP 4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)。為了保證實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，DO當(dāng)場(chǎng)通過(guò)溶解氧儀測(cè)定，其余3個(gè)指標(biāo)均由美國(guó)哈希DR2800便攜式分光光度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

2.2 建立評(píng)價(jià)因子集和評(píng)價(jià)集

考慮臨江河的實(shí)際污染情況，本監(jiān)測(cè)選取化學(xué)需氧量COD，溶解氧DO，總氮TN和總磷TP四個(gè)水質(zhì)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，建立評(píng)價(jià)因子集U，U＝｛COD，TP，TN，DO｝?？紤]數(shù)據(jù)的代表性選取3月和5月份的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)。2010年3月份和5月份臨江河各監(jiān)測(cè)斷面污染指標(biāo)的實(shí)際監(jiān)測(cè)值見(jiàn)表1和表2。

圖1 臨江河采樣點(diǎn)位置圖

表1 臨江河各斷面水質(zhì)3月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表mg·L－1

表2 臨江河水質(zhì)5月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表 mg·L－1

我國(guó)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)將地表水水環(huán)境質(zhì)量分為5類(lèi)，所以設(shè)評(píng)價(jià)集V＝｛Ⅰ類(lèi)，Ⅱ類(lèi)，Ⅲ類(lèi)，Ⅳ類(lèi)，Ⅴ類(lèi)｝，各類(lèi)限值見(jiàn)表3。

表3 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值mg·L－1

2.3 確定權(quán)重集A

模糊綜合評(píng)價(jià)中，各單項(xiàng)指標(biāo)由于高低不同，在總體污染中的作用大小不僅與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大小有關(guān)，而且與某種用途水中各元素的允許濃度有關(guān)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相同時(shí)其允許濃度含量比標(biāo)準(zhǔn)低的，對(duì)污染程度影響要小，因此進(jìn)行權(quán)重計(jì)算很有必要。計(jì)算公式如下：

式中Sij表示水質(zhì)為j類(lèi)i指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)濃度限值；m為水質(zhì)分類(lèi)的級(jí)數(shù)。

由于溶解氧DO與其它因素性質(zhì)相反，實(shí)測(cè)DO濃度大，說(shuō)明水質(zhì)污染不嚴(yán)重，水質(zhì)好。所以DO的權(quán)重賦值取倒數(shù)。

最后將各權(quán)數(shù)值進(jìn)行歸一化處理得權(quán)重集A＝［a1，a2，a3，a4］。

經(jīng)計(jì)算3月河5月各斷面權(quán)重集表示為下，見(jiàn)表4表5；

式中：ai為i指標(biāo)的權(quán)數(shù)值；Ci為i指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度值；Si為i指標(biāo)的各類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值的平均值。其

表4 3月份各斷面權(quán)重計(jì)算結(jié)果表

表5 5月份各斷面權(quán)重計(jì)算結(jié)果表

2.4 計(jì)算隸屬度，建立模糊關(guān)系矩陣

建立隸屬函數(shù)，選取降半梯形分布函數(shù)，計(jì)算隸屬度。

隸屬函數(shù)表達(dá)式如下：

Ⅱ、Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)：

式中：x為某斷面i指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度；Sij表示水質(zhì)為j類(lèi)i指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)濃度限值［5］。

以3月份河口斷面為例，根據(jù)給出的隸屬函數(shù)和表1的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出各隸屬度組成模糊關(guān)系矩陣R：

2.5 水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)

計(jì)算模糊向量B，取算子“∨”和“∧”（取大取小算法），這樣可得出總體對(duì)于各級(jí)水質(zhì)的隸屬度，一般采取隸屬度最大的原則。如果在模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算結(jié)果中出現(xiàn)2個(gè)最大值，則考慮與次大值貼近的那個(gè)結(jié)果所在的水質(zhì)級(jí)別。對(duì)各斷面水質(zhì)進(jìn)行聚類(lèi)并評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表6和表7。

表6 3月份河流水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

表7 5月份河流水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)果分析和建議

從評(píng)價(jià)結(jié)果可以得出，臨江河水質(zhì)污染情況相當(dāng)嚴(yán)重，各斷面都很明顯處于Ⅴ類(lèi)水質(zhì)級(jí)別。此外從污染因子的權(quán)重計(jì)算過(guò)程中可知，TP和TN權(quán)重較大，污染因子以TP和TN為主，表明臨江河水體富營(yíng)養(yǎng)化十分嚴(yán)重。

因此通過(guò)以上水質(zhì)評(píng)價(jià)可以看出重慶地區(qū)以臨江河為代表次級(jí)河流污染形式嚴(yán)峻，尤其富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，為此筆者通過(guò)本文提出兩點(diǎn)建議。

1.考慮污染原因，解決臨江河為代表的次級(jí)河流水質(zhì)惡化的問(wèn)題，歸根到底要求政府來(lái)進(jìn)行全面規(guī)劃，充分發(fā)揮水體的自?xún)裟芰?，必須要求上游及沿河企業(yè)不斷改革工藝，最大限度地減少?gòu)U水排放量，防止工業(yè)廢水污染，要加大對(duì)不法排污企業(yè)的整治打擊力度，沖破地方保護(hù)主義的防線，徹底清查環(huán)境違法行為，嚴(yán)肅查處一切危害水環(huán)境質(zhì)量的違法行為。

2.引起河流富營(yíng)養(yǎng)化的氮、磷來(lái)自于城市生活和工業(yè)點(diǎn)源以及農(nóng)業(yè)面源，而庫(kù)區(qū)次級(jí)河流主要來(lái)自沿河的農(nóng)業(yè)面源污染［8］。因此本文建議要加強(qiáng)對(duì)流域附近日趨嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染以及畜禽養(yǎng)殖污染進(jìn)行有效控制，如減少化肥的使用，增施有機(jī)肥生物肥；對(duì)沿岸的養(yǎng)殖場(chǎng)加強(qiáng)管理等等。從而減少二者對(duì)河流水體的污染。以此，也可為三峽庫(kù)區(qū)次級(jí)河流的治理提供一定的借鑒。

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