干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型及其應(yīng)用

張 晨, 白繼中, 劉璐瑤

(1.山西大學(xué) 資源與環(huán)境工程研究所 山西 太原 030006; 2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 運(yùn)城044004; 3.西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 陜西 西安710048)

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干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型及其應(yīng)用

張 晨1，2, 白繼中2, 劉璐瑤3

(1.山西大學(xué) 資源與環(huán)境工程研究所 山西 太原 030006; 2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 運(yùn)城044004; 3.西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 陜西 西安710048)

[目的] 通過(guò)建立模型修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)，評(píng)價(jià)流域水環(huán)境質(zhì)量，為生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供實(shí)用工具。 [方法] 以涑水河流域?yàn)槔捎昧藢哟畏治龇?AHP)，同時(shí)運(yùn)用模糊隸屬函數(shù)和綜合指數(shù)法對(duì)影響水質(zhì)因子的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，建立干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)體系及評(píng)價(jià)模型。 [結(jié)果] 涑水河流域2008—2011年水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅲ級(jí)，狀態(tài)一般，較健康，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際生態(tài)情況相符。 [結(jié)論] 所建立的干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)體系是合理的，能滿(mǎn)足流域水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)需要。

水環(huán)境質(zhì)量； 層次分析法； 模糊隸屬函數(shù)； 綜合指數(shù)法

文獻(xiàn)參數(shù)： 張晨, 白繼中, 劉璐瑤.干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型及其應(yīng)用[J].水土保持通報(bào)，2016,36(4)：36-40.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.007

流域是自然要素與人文要素組成的生態(tài)系統(tǒng)，其主要以水為紐帶，是實(shí)現(xiàn)國(guó)民和區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的空間載體，也是自然要素進(jìn)行物質(zhì)與能量循環(huán)和維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的基本單元。因此對(duì)各流域的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的各種研究也逐漸展開(kāi)。從20世紀(jì)70—80年代開(kāi)始，人們對(duì)河流的關(guān)注由單一的水質(zhì)保護(hù)轉(zhuǎn)移到整個(gè)流域生態(tài)系統(tǒng)，而評(píng)價(jià)內(nèi)容也開(kāi)始轉(zhuǎn)向環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，健康的內(nèi)涵更為豐富，也因此出現(xiàn)了多種評(píng)價(jià)方法[1]。國(guó)內(nèi)外也在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方面開(kāi)展了大量的工作，其中具有代表性的評(píng)價(jià)方法有基于生物完整性指(IBI)的美國(guó)快速生物評(píng)價(jià)方案(RBPs)[2-3]、歐盟水框架指令(WFD)[4]、多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法(MMIs)[5]、澳大利亞的溪流狀況指數(shù)(ISC)、澳大利亞河流評(píng)價(jià)計(jì)劃[6-8]、英國(guó)的河流無(wú)脊椎動(dòng)物預(yù)測(cè)、分類(lèi)系統(tǒng)(RⅣPACS)[9]和南非的河流健康計(jì)劃(RHP)[10-11]等。本研究建立干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀態(tài)評(píng)價(jià)體系，以提供水環(huán)境質(zhì)量健康定位指示，為進(jìn)一步修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)提供建議和實(shí)用工具。

1　干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1流域水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)干旱和半干旱流域特征，及河流上游、中游和下游水質(zhì)變化特點(diǎn)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和相似類(lèi)比法篩選出流域水環(huán)境指標(biāo)，本研究選出流域水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)指標(biāo)26項(xiàng)分別為：水溫，流量，pH值，電導(dǎo)率，溶解氧，CODMn，BOD5，氨氮，石油類(lèi)，揮發(fā)酚，汞，鉛，CODcr，總氮，總磷，銅，鋅，氟化物，硒，砷，鎘，六價(jià)鉻，氰化物，LAS，硫化物，糞大腸菌群等指標(biāo)。

1.2評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)以上26項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)及其測(cè)定結(jié)果，對(duì)干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況進(jìn)行分級(jí)，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)分為5個(gè)級(jí)別，分別用≤20分，20～40分，40～60分，60～80分，≥80分予以評(píng)分，評(píng)分越高，則說(shuō)明在該項(xiàng)指標(biāo)上水環(huán)境質(zhì)量健康狀況良好,應(yīng)用模糊函數(shù)和屬性函數(shù)的基本原理，建立各項(xiàng)指標(biāo)模糊隸屬函數(shù)和所對(duì)的打分標(biāo)準(zhǔn),結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1　干旱和半干旱流域指標(biāo)模糊隸屬函數(shù)和所對(duì)應(yīng)的打分標(biāo)準(zhǔn)

2　干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1評(píng)價(jià)方法

水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)包括重金屬指標(biāo)、總氮和氮化物指標(biāo)、微生物生化特性指標(biāo)等多種因子，如果全部因子都以數(shù)值表示，這樣進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)時(shí)涉及到大量的數(shù)據(jù)，要想從這些紛繁的數(shù)據(jù)中找出它們內(nèi)部聯(lián)系，必須借助數(shù)學(xué)方法，從多因素角度對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。為此采用層次分析法(AHP)，同時(shí)運(yùn)用模糊隸屬函數(shù)和綜合指數(shù)法對(duì)影響水質(zhì)因子的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

2.2評(píng)價(jià)步驟

干旱和半干旱水環(huán)境質(zhì)量健康狀況評(píng)價(jià)是對(duì)河流的各類(lèi)指標(biāo)情況進(jìn)行健康評(píng)價(jià)。需采取7個(gè)步驟依次完成： (1) 確定評(píng)價(jià)區(qū)域。確定干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況評(píng)價(jià)區(qū)域，流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況評(píng)價(jià)區(qū)應(yīng)該具有相似的河流狀況、河流生物類(lèi)型和水質(zhì)特征。流域水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)的基本單元—河流斷面，主要是依據(jù)河流狀況、河流中生物類(lèi)型和水質(zhì)來(lái)確定。 (2) 確定健康評(píng)價(jià)參照區(qū)。確定流域水環(huán)境質(zhì)量健康參照區(qū)，并建立與各種河流斷面對(duì)應(yīng)的水環(huán)境質(zhì)量健康參照區(qū)內(nèi)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的本底數(shù)據(jù)庫(kù)。在評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)或是相似河流斷面的其他區(qū)域選擇一塊理想或接近于理想健康狀況的水環(huán)境質(zhì)量，作為健康評(píng)價(jià)的參照區(qū)。參照區(qū)最好是該種水環(huán)境質(zhì)量健康狀況頂級(jí)，或是接近于頂級(jí)的理想狀態(tài)。參照區(qū)的26項(xiàng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)可以通過(guò)專(zhuān)家評(píng)分或是查閱歷史文獻(xiàn)資料獲得。 (3) 確定分級(jí)指標(biāo)。在前兩步的基礎(chǔ)上對(duì)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行分級(jí)，并給出相應(yīng)的分值。 (4) 權(quán)重確定方法。目前，指標(biāo)權(quán)重確定方法可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是由專(zhuān)家根據(jù)知識(shí)、經(jīng)濟(jì)判斷各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于評(píng)價(jià)目的或者其他指標(biāo)而言的相對(duì)重要程度，然后經(jīng)過(guò)綜合處理獲得指標(biāo)權(quán)重的主觀(guān)權(quán)重確定法，如：專(zhuān)家調(diào)查法、層次分析法等；另一類(lèi)是直接根據(jù)各被評(píng)對(duì)象指標(biāo)數(shù)據(jù)的特征來(lái)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的客觀(guān)權(quán)重確定方法，如：標(biāo)準(zhǔn)離差法、灰色關(guān)聯(lián)法、熵權(quán)法等[12]。權(quán)重確定方法擬采用在專(zhuān)家打分的基礎(chǔ)上采用層次分析法來(lái)確定環(huán)境質(zhì)量健康指標(biāo)體系中的指標(biāo)權(quán)重。層次分析法又稱(chēng)AHP構(gòu)權(quán)法，是將復(fù)雜的評(píng)價(jià)對(duì)象排列為一個(gè)有序的遞階層次結(jié)構(gòu)的整體，然后在各個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目之間進(jìn)行兩兩的比較、判斷，之后運(yùn)用數(shù)學(xué)與定性分析結(jié)合，計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的相對(duì)重要性系數(shù)，即權(quán)重(表2)。 (5) 計(jì)算指數(shù)。計(jì)算影響干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況(重金屬性狀，總氮、氮化物和總磷指數(shù)，水環(huán)境、微生物生化特性，水環(huán)境化學(xué)需氧量和溶解氧量指數(shù)，硒、砷、揮發(fā)酚和石油類(lèi)及硫、氯、氰等化合物指標(biāo)情況)5個(gè)屬性的健康指數(shù)。并計(jì)算干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況綜合指數(shù)。 (6) 綜合水環(huán)境質(zhì)量健康狀況評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。將干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個(gè)等級(jí)(表3)。綜合評(píng)價(jià)值越大即綜合健康得分越大，干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量表征狀態(tài)就越健康。 (7) 干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況調(diào)控對(duì)策。根據(jù)干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況中的屬性健康得分、綜合健康得分以及評(píng)價(jià)人員對(duì)參照區(qū)的綜合比較，對(duì)干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況做出全面評(píng)價(jià)和描述，并且針對(duì)干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況出現(xiàn)的問(wèn)題，提出相應(yīng)對(duì)策。最后寫(xiě)出干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況評(píng)價(jià)報(bào)告。

表2　干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

表3　干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況得分劃分標(biāo)準(zhǔn)

3　干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用

3.1數(shù)據(jù)選取及評(píng)價(jià)和驗(yàn)證原則

按照前面建立的干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況評(píng)價(jià)體系，選取涑水河2008—2011年河流上游、中游和下游水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、涑水河流域水環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)、涑水河流域地下水及地表水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，盡量收集完整近3 a河流斷面的26項(xiàng)數(shù)據(jù)資料。涑水河是黃河一級(jí)支流，發(fā)源于山西省運(yùn)城市絳縣橫嶺關(guān)陳村峪，在永濟(jì)市獨(dú)頭村匯入黃河，干流總長(zhǎng)196.6 km，縱坡1/400，河床糙率0.033。流域總面積5 553.87 km2。目前，涑水河已斷流，形成700 km2的閉流區(qū)，是山西惟一的內(nèi)流區(qū)域[13]。

3.2評(píng)價(jià)結(jié)果分析

使用提出和建立的干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況評(píng)價(jià)體系，對(duì)涑水河流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀況評(píng)價(jià)結(jié)果詳見(jiàn)表4—5。從表4可見(jiàn)，使用本研究建立的干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)體系及評(píng)價(jià)模型，對(duì)涑水河流域2008—2011年水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅲ級(jí)，狀態(tài)一般，較健康，與該流域?qū)嶋H生態(tài)情況相符。從表5可見(jiàn)，2011年1—4，10及11月綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)均小于45大于60，涑水河流域水環(huán)境質(zhì)量健康級(jí)別為Ⅲ級(jí)，狀態(tài)一般，較健康；而2011年6—9月綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)均小于70大于60，涑水河流域水環(huán)境質(zhì)量健康級(jí)別為Ⅱ，狀態(tài)良好，健康；但2011年5，12月綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)均小于45大于25，涑水河流域水環(huán)境質(zhì)量健康級(jí)別為Ⅳ，狀態(tài)惡化，病態(tài)。

經(jīng)檢驗(yàn)涑水河流域2011年各月水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際生態(tài)狀況相符，同時(shí)4 a評(píng)價(jià)均提供了基層指標(biāo)、屬性指標(biāo)和綜合評(píng)價(jià)結(jié)論，可以通過(guò)所提供的指標(biāo)數(shù)應(yīng)對(duì)各自基準(zhǔn)項(xiàng)，為人們提供水環(huán)境質(zhì)量健康定位指示，為進(jìn)一步修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)提供建議和實(shí)用工具。也表明本文建立的干旱和半干旱流域水

環(huán)境質(zhì)量健康狀態(tài)評(píng)價(jià)體系能滿(mǎn)足諸如涑水河類(lèi)似的干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀態(tài)評(píng)價(jià)需要，也進(jìn)一步說(shuō)明所建干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)體系是正確的、合理的，具有實(shí)用性和普適性。

表4　涑水河流域2008-2011年水環(huán)境健康狀況評(píng)價(jià)結(jié)果

表5　涑水河流域2011年水環(huán)境健康狀況評(píng)價(jià)結(jié)果

續(xù)表5

月份屬性層指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)健康狀態(tài)、級(jí)別評(píng)價(jià)結(jié)論5B1=44.2B2=31.2B3=38.4B4=44.4B5=23.837.46Ⅳ級(jí),狀態(tài)惡化,病態(tài)涑水河流域功能?chē)?yán)重退化,水環(huán)境受到較大破壞,水環(huán)境系統(tǒng)受到較大破壞,水環(huán)境受到干擾后不易恢復(fù),且災(zāi)害時(shí)常發(fā)生。6B1=66.8B2=62.4B3=66.6B4=70.4B5=62.567.697B1=66.8B2=67.2B3=60.4B4=58.4B5=69.366.558B1=63.8B2=62.4B3=65.8B4=59.4B5=65.765.249B1=61.5B2=62.6B3=68.5B4=57.4B5=61.863.97Ⅱ級(jí),狀態(tài)良好,健康涑水河流域河流功能較完善;水環(huán)境受到破壞較少,水環(huán)境結(jié)構(gòu)和功能比較完整,水環(huán)境受到干擾后一般可恢復(fù),災(zāi)害不太發(fā)生。10B1=60.4B2=51.2B3=48.4B4=51.4B5=41.652.2711B1=46.2B2=51.8B3=60.4B4=44.8B5=53.952.56Ⅲ級(jí),狀態(tài)一般,較健康涑水河流域功能已有明顯退化;水環(huán)境遭到破壞,但仍可維持其生態(tài)功能;水環(huán)境受到干擾后極易惡化,災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。12B1=36.2B2=41.2B3=50.6B4=34.8B5=42.841.93Ⅳ級(jí),狀態(tài)惡化,病態(tài)涑水河流域功能?chē)?yán)重退化,12月水環(huán)境受到較大破壞,水環(huán)境系統(tǒng)受到較大破壞,水環(huán)境受到干擾后不易恢復(fù),且災(zāi)害時(shí)常發(fā)生。

4　結(jié) 論

(1) 依據(jù)26項(xiàng)指標(biāo)涑水河流域2008—2011年水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅲ級(jí)，狀態(tài)一般，較健康，而2011年1—4，10，11月水環(huán)境質(zhì)量健康級(jí)別為Ⅲ級(jí)，狀態(tài)一般，較健康，6—9月水環(huán)境質(zhì)量健康級(jí)別為Ⅱ，狀態(tài)良好，健康，5，12月水環(huán)境質(zhì)量健康級(jí)別為Ⅳ，狀態(tài)惡化，病態(tài)，與該流域?qū)嶋H生態(tài)情況相符。

(2) 建立的干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀態(tài)評(píng)價(jià)體系能滿(mǎn)足諸如涑水河等類(lèi)似的干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康狀態(tài)評(píng)價(jià)需要，說(shuō)明所建立的干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量健康評(píng)價(jià)體系是正確的、合理的，具有實(shí)用性和普適性。

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Evaluation Models and Its Application of Water Environment Quality and Health Status in Arid and Semi Arid Basins

ZHANG Chen1,2, BAI Jizhong2, LIU Luyao3

(1.InstituteofResources&EnvironmentEngineering,ShanxiUniversity,Taiyuang,Shanxi030006，China; 2.ShanxiConservancyTechnicalCollege,Yuncheng,Shanxi044004，China;3.StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicEngineeringinAridArea,Xi’an,Shaanxi710048，China)

[Objective] The water quality of the river basin was evaluated through the establishment of related models in order to provide practical tool for ecosystem restoration. [Methods] Using analytic hierarchy process(AHP), fuzzy membership function and comprehensive index method, taking Sushui river basin as a study area, factors that influences water quality indexes were evaluated comprehensively. Evaluation system of water environment quality and was established and the models of the environmental health in arid and semi arid river basin was illustrated. [Results] In Sushui river basin from 2008 to 2011, the water quality environment was categorized as grade Ⅲ, at a status of ordinary health. The evaluation results were commonly the real status. [Conclusion] The health evaluation system of water environment quality in that arid and semi arid river basin proved reasonable, can meet the needs of health assessment of water environment quality in river basin.

water environment quality; analytic hierarchy process; fuzzy membership function; index selection

2015-12-29

2016-03-22

山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“干旱和半干旱流域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型及其應(yīng)用”(MJH2014-04)

張晨(1986—),女(漢族),山西省太原市人,碩士,講師,主要從事水環(huán)境工程方面的研究。E-mail:439400745@qq.com。

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1000-288X(2016)04-0036-05

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