調(diào)水過程中望虞河的水質(zhì)風(fēng)險分析

麻 林，劉 凌，宋蘭蘭，王流通

(河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇南京 210098)

近年來，隨著人們對水環(huán)境污染問題的日益關(guān)注，水質(zhì)風(fēng)險評價逐漸受到人們的重視。目前，應(yīng)用于水質(zhì)風(fēng)險評價中的方法主要有3類［1］:概率論方法［2-4］、模糊論方法［5-8］與風(fēng)險指數(shù)法［9］。概率論方法對數(shù)據(jù)信息的豐富程度和準(zhǔn)確度要求較高，但由于實際中統(tǒng)計資料不足，有時計算會變得很復(fù)雜甚至難以進(jìn)行，同時也降低了風(fēng)險的可信度。風(fēng)險指數(shù)法不采用概率來描述風(fēng)險，而采用其他指標(biāo)間接描述風(fēng)險，具有直觀簡潔的優(yōu)點，但該法缺乏系統(tǒng)理論的指導(dǎo)，不便于推廣。模糊論方法能較好地彌補以上2種方法的不足，但還需進(jìn)一步發(fā)展和完善。另外，關(guān)于水質(zhì)惡化風(fēng)險等級的劃分目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此對風(fēng)險等級劃分進(jìn)行探討是非常有意義的。

為改善太湖水環(huán)境，實施了引江濟太工程，即通過望虞河從長江引水入太湖。望虞河連接長江與太湖，是引江濟太調(diào)水工程中主要的引水通道。望虞河與其周邊眾多河流連通，彼此之間有著頻繁的水體交換，入太湖水體的水質(zhì)不僅受長江水體水質(zhì)的影響，更直接受望虞河水體水質(zhì)的影響。因此，展開調(diào)水對望虞河水質(zhì)風(fēng)險的研究很有必要。

本研究以2008年引江濟太調(diào)水試驗過程中的望虞河為研究對象，采用三角模糊數(shù)原理，計算望虞河水體中不同水質(zhì)指標(biāo)的風(fēng)險率，并進(jìn)行風(fēng)險等級劃分，進(jìn)而分析調(diào)水期間望虞河與長江、太湖及周邊水系連通條件下的水質(zhì)惡化風(fēng)險狀況。

1 望虞河概況及其水質(zhì)風(fēng)險識別

1.1 望虞河概況

2008年引江濟太期間，望虞河與周邊河流自然連通，長江引水主要進(jìn)入望虞河?xùn)|岸支流，部分水體進(jìn)入望虞河西岸支流，整個調(diào)水期間的水量入湖率不足35%。同時，望虞河西岸支流也有部分水體進(jìn)入望虞河，如張家港、錫北運河、九里河及伯瀆港等，這些支流水質(zhì)都較差，極易引起望虞河水體水質(zhì)惡化。

調(diào)水試驗期間，望虞河共設(shè)5個監(jiān)測斷面，即江邊閘內(nèi)、虞義大橋、張橋、大橋角新橋、望亭閘下5個斷面，主要監(jiān)測指標(biāo)為CODMn、NH3-N、TP、TN。調(diào)水時間為2008年1月10日至6月9日，在此期間監(jiān)測各斷面水質(zhì)指標(biāo)，并于1月5日對調(diào)水試驗前各斷面水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。引水前與引水期間望虞河各監(jiān)測斷面水質(zhì)情況見表1，望虞河周邊水系及水質(zhì)監(jiān)測斷面見圖1。調(diào)水過程中，望虞河水體流動方向為由江邊閘內(nèi)斷面流向望亭閘下斷面。

表1 望虞河各監(jiān)測斷面水質(zhì)因子監(jiān)測值與極限值Table 1 Monitoring data and limit values of water quality factors of monitoring sections of Wangyu River mg/L

1.2 水質(zhì)風(fēng)險識別

為改善流域生態(tài)環(huán)境，太湖流域調(diào)水工程中所引水體水質(zhì)一般優(yōu)于受水區(qū)河段水質(zhì)。在調(diào)水過程中，隨著新鮮水體的引入，由于稀釋沖刷等作用，大部分河段水體水質(zhì)都得到改善，但在此過程中也有部分河段由于污染物二次遷移、外部污水匯入等原因，造成水質(zhì)惡化，產(chǎn)生水質(zhì)風(fēng)險。

調(diào)水過程中，水體中污染物在沉積物和間隙水之間進(jìn)行著不間斷的平衡交換，當(dāng)上覆水體中氮磷含量較低時，沉積物中的營養(yǎng)物質(zhì)又會通過吸附/解吸作用重新釋放到水相中，成為引起水體水質(zhì)惡化的內(nèi)源［10-14］。Hou等［15］的研究表明，沉積物對氨氮的吸附-解吸行為受外部水體環(huán)境變化影響很大，隨著調(diào)水的進(jìn)行，氨氮從底泥向水體中遷移，引起氨氮質(zhì)量濃度上升，水質(zhì)惡化。彭素芬等［16］的研究表明，有機物從沉積物中釋放存在著明顯的滯后效應(yīng)，因此可能造成調(diào)水過程中水體中的有機物含量增加。望虞河西岸支流水質(zhì)較差，調(diào)水期間匯入望虞河干流會引起望虞河水質(zhì)惡化。

圖1 望虞河周邊水系及水質(zhì)監(jiān)測斷面Fig.1 Surrounding rivers and water quality monitoring sections of Wangyu River

從以上分析可知，引水過程中造成水體水質(zhì)惡化的風(fēng)險因素主要有污染物二次遷移和外來污水的匯入。根據(jù)監(jiān)測資料及以上分析，本研究選用CODMn、NH3-N、TP、TN作為水質(zhì)風(fēng)險分析因子。

2 水質(zhì)風(fēng)險評價方法

2.1 三角模糊數(shù)風(fēng)險分析法基本原理

設(shè)a、b、c分別為某一模糊變量的下限、最可能值和上限，則3個一組數(shù)(a，b，c)構(gòu)成一個三角模糊數(shù)。這里 a、b、c為實數(shù)，且相應(yīng)的隸屬函數(shù)定義［17］為

式中:X——廣域區(qū)間;α——可信度水平，α∈［0，1］。

1.4 測定項目與方法 在烤煙田間生長過程中，參照 YC/T 142─2010 標(biāo)準(zhǔn)，在各個小區(qū)調(diào)查不同烤煙品種的生育期、農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟性狀、煙葉品質(zhì)等。當(dāng)煙葉成熟時嚴(yán)格以小區(qū)為單位，采收后置于烤房的同一層烘烤，每個小區(qū)單獨計產(chǎn)，按 42 級烤煙國標(biāo)級，并計產(chǎn)、計值。各處理分別選取 X2F、C3F、B2F 煙葉樣品各 2 kg，送贛州市煙草公司進(jìn)行外觀質(zhì)量及化學(xué)成分鑒評。

2.2 風(fēng)險率計算

圖2 三角模糊數(shù)形式的污染物質(zhì)量濃度分布Fig.2 Distribution of pollutant concentration in form of triangular fuzzy number

由圖2可以看出，污染物質(zhì)量濃度三角模糊數(shù)的隸屬函數(shù)可以近似看作是線性的。由圖2及式(4)，風(fēng)險率R可用式(5)計算。

式中:S總——圖2中最大三角形總面積;S1——調(diào)水期間污染物質(zhì)量濃度超過引水前污染物質(zhì)量濃度部分的面積，即圖2中陰影部分的面積。

污染風(fēng)險的分布一般都符合正態(tài)分布，其中，最低風(fēng)險與最高風(fēng)險在整個風(fēng)險率區(qū)間［0，1］中所占比例要小于中間風(fēng)險等級。本研究將風(fēng)險分為低風(fēng)險、較低風(fēng)險、較高風(fēng)險、高風(fēng)險4個等級，其中低風(fēng)險與高風(fēng)險取值區(qū)間占整個風(fēng)險率區(qū)間的20%，較低風(fēng)險與較高風(fēng)險取值區(qū)間占整個風(fēng)險率區(qū)間的30%，具體風(fēng)險等級劃分情況見表2。

3 實例計算

3.1 三角模糊數(shù)及其α-截集構(gòu)建

以調(diào)水期間張橋斷面所監(jiān)測的CODMn質(zhì)量濃度最大值作為三角模糊數(shù)上限值，最小值作為下限值，兩者平均值作為最可能值，構(gòu)建引水期間CODMn三角模糊數(shù)=(2，3.85，5.7)，則～C1相應(yīng)的隸屬函數(shù)為

表2 風(fēng)險等級劃分情況Table 2 Risk level classification

假設(shè)采用相同的可信度水平，利用三角模糊數(shù)的α-截集技術(shù)將三角模糊數(shù)表示為區(qū)間數(shù)，得=［1.85α+2，－1.85α+5.7］。若α取整個可信度區(qū)間［0，1］，則可得到三角模糊數(shù)形式的CODMn質(zhì)量濃度分布圖，見圖3。

3.2 CODMn風(fēng)險率計算

以張橋斷面1月5日監(jiān)測的CODMn質(zhì)量濃度作為水質(zhì)控制目標(biāo)，構(gòu)建引水前CODMn三角模糊數(shù)=(4，4，4)，則=－＜0，意味著張橋斷面調(diào)水期間CODMn質(zhì)量濃度超過引水前，水質(zhì)惡化，將發(fā)生水質(zhì)風(fēng)險。

由式(5)及圖3可得望虞河張橋斷面CODMn風(fēng)險率為

圖3 三角模糊數(shù)形式的CODMn質(zhì)量濃度分布Fig.3 Distribution of CODMn concentration in form of triangular fuzzy number

由此可知，望虞河張橋斷面CODMn風(fēng)險率為0.422，屬于較低風(fēng)險，調(diào)水過程中有時會出現(xiàn)CODMn質(zhì)量濃度大于引水前的現(xiàn)象。

3.3 望虞河水質(zhì)風(fēng)險分析結(jié)果

與張橋斷面CODMn風(fēng)險率計算過程一樣，望虞河5個監(jiān)測斷面(江邊閘內(nèi)、虞義大橋、張橋、大橋角新橋、望亭閘下)的4個風(fēng)險因子(CODMn，NH3-N，TP，TN)的風(fēng)險率計算結(jié)果見表3。

由表3可見，調(diào)水過程中各風(fēng)險因子對水質(zhì)的影響情況如下:

a.望亭閘下斷面水體中CODMn風(fēng)險率為0，水質(zhì)改善，無任何風(fēng)險;大橋角新橋斷面水體中極少出現(xiàn)CODMn質(zhì)量濃度升高的現(xiàn)象，屬于低風(fēng)險;張橋斷面水體中有時出現(xiàn)CODMn質(zhì)量濃度升高現(xiàn)象，屬于較低風(fēng)險;其余2個斷面的CODMn風(fēng)險等級屬于高風(fēng)險，這兩個監(jiān)測斷面會經(jīng)常且反復(fù)地出現(xiàn)CODMn質(zhì)量濃度高于引水前的現(xiàn)象。

b.望亭閘下斷面水體中NH3-N風(fēng)險率為0，水質(zhì)改善，無任何風(fēng)險;張橋斷面極少出現(xiàn)NH3-N質(zhì)量濃度升高導(dǎo)致水質(zhì)惡化的現(xiàn)象，屬于低風(fēng)險;虞義大橋斷面在調(diào)水過程中有時出現(xiàn)NH3-N質(zhì)量濃度升高的現(xiàn)象，屬于較低風(fēng)險;其余2個斷面NH3-N風(fēng)險等級較高，這兩個監(jiān)測斷面NH3-N質(zhì)量濃度經(jīng)常高于引水前，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。

表3 調(diào)水過程中望虞河各斷面水質(zhì)風(fēng)險率Table 3 Water quality risk probabilities of various sections of Wangyu River during water diversion

c.望亭閘下斷面水體中TP風(fēng)險率為0，水質(zhì)改善，無任何風(fēng)險;虞義大橋與張橋斷面在調(diào)水過程中有時出現(xiàn)TP質(zhì)量濃度升高現(xiàn)象，屬于較低風(fēng)險;大橋角新橋斷面TP風(fēng)險等級屬于較高風(fēng)險，這個監(jiān)測斷面NH3-N質(zhì)量濃度經(jīng)常高于引水前，導(dǎo)致水質(zhì)惡化;江邊閘內(nèi)斷面TP風(fēng)險等級屬于高風(fēng)險，這個監(jiān)測斷面經(jīng)常且反復(fù)地出現(xiàn)TP質(zhì)量濃度高于引水前的現(xiàn)象。

d.張橋斷面與望亭閘下斷面水體中TN風(fēng)險率為0，水質(zhì)改善，無任何風(fēng)險;江邊閘內(nèi)與大橋角新橋斷面TN風(fēng)險等級屬于較高風(fēng)險，這兩個監(jiān)測斷面TN質(zhì)量濃度經(jīng)常高于引水前，導(dǎo)致水質(zhì)惡化;虞義大橋斷面TN風(fēng)險等級屬于高風(fēng)險，這個監(jiān)測斷面經(jīng)常且反復(fù)地出現(xiàn)TN質(zhì)量濃度高于引水前的現(xiàn)象。

引入長江水體中的泥沙粒徑在望虞河沿程逐漸變小，泥沙主要沉積在張橋斷面以上河段，造成江邊閘內(nèi)斷面水體水質(zhì)惡化的風(fēng)險因素主要為污染物二次遷移，即泥沙及底泥釋放的污染物，造成水體中污染物濃度上升。虞義大橋斷面受張家港排入望虞河污水及水體中泥沙及底泥釋放的污染物影響，造成水體水質(zhì)惡化［20］。張橋斷面各風(fēng)險因子的風(fēng)險率除TP外都較前兩個監(jiān)測斷面小，主要是因為此斷面水體中泥沙粒徑較小，且泥沙密度也較小，造成水質(zhì)惡化風(fēng)險的風(fēng)險因素主要是受到錫北運河和九里河排入望虞河污水的影響。大橋角新橋主要受伯瀆港排入污水的影響，造成水體中污染物濃度上升。望亭閘下斷面作為望虞河排入太湖的最后一個監(jiān)測斷面，其與大橋角新橋之間幾乎沒有外來污水匯入，水體經(jīng)過鵝真蕩與漕湖的緩沖與凈化，水體在此處流速變小，且污染物二次遷移過程中進(jìn)入水體的污染物微乎其微，因此此處水體沒有水質(zhì)風(fēng)險，各風(fēng)險因子風(fēng)險率為0。

4 結(jié) 論

a.2008年引江濟太過程中，造成望虞河水體水質(zhì)惡化的風(fēng)險因素主要為污染物二次遷移和西岸支流水體的匯入。

b.采用三角模糊數(shù)的α-截集技術(shù)對2008年引江濟太過程中望虞河的水質(zhì)風(fēng)險進(jìn)行分析，得出了望虞河5個監(jiān)測斷面各風(fēng)險因子的風(fēng)險率及其所屬風(fēng)險等級，表明運用三角模糊數(shù)原理進(jìn)行水質(zhì)風(fēng)險分析是可行的，結(jié)果是可信的。

c.望虞河臨近長江的監(jiān)測斷面為江邊閘內(nèi)斷面，斷面水體中各風(fēng)險因子風(fēng)險率較大，風(fēng)險等級都較高;虞義大橋斷面水體中CODMn與TN風(fēng)險率很大，風(fēng)險等級為高風(fēng)險，其余風(fēng)險因子風(fēng)險率不大，風(fēng)險等級為較低風(fēng)險;張橋斷面水體中各風(fēng)險因子風(fēng)險率較小，風(fēng)險等級都較低;大橋角新橋斷面水體中除CODMn風(fēng)險率極小外，其余風(fēng)險因子風(fēng)險率都較大，風(fēng)險等級為較高風(fēng)險;入太湖的監(jiān)測斷面望亭閘下斷面的各風(fēng)險因子風(fēng)險率為0，說明調(diào)水過程中望虞河進(jìn)入太湖的水體水質(zhì)是優(yōu)于引水前水質(zhì)的，調(diào)水對太湖水質(zhì)改善有效。

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