基于模糊綜合評價法的東江湖水質(zhì)評價

楊 楠， 馬豐豐， 吳天樂， 周 莉， 馬紅華， 歐慶洪， 張燦明

(1.湖南省水資源研究和利用合作中心， 湖南 長沙 410013； 2.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長沙 410004； 3.資興市環(huán)境監(jiān)測站， 湖南 資興 423400； 4.資興市科技局， 湖南 資興 423400)

基于模糊綜合評價法的東江湖水質(zhì)評價

楊 楠1，2， 馬豐豐2， 吳天樂2， 周 莉3， 馬紅華4， 歐慶洪4， 張燦明1，2

(1.湖南省水資源研究和利用合作中心， 湖南 長沙 410013； 2.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長沙 410004； 3.資興市環(huán)境監(jiān)測站， 湖南 資興 423400； 4.資興市科技局， 湖南 資興 423400)

以湖南省郴州市的東江湖為研究對象，運用模糊綜合評判模型對3個監(jiān)測斷面的24個監(jiān)測因子進(jìn)行綜合評判。結(jié)果表明：東江湖水質(zhì)總體狀況較好，符合功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其中1月、4月、7月東江湖水質(zhì)對I類水的隸屬度最高，10月對Ⅱ類水的隸屬度最高。水質(zhì)污染因子中最重要的污染因子為鉛，與東江湖流域內(nèi)存在金屬尾礦區(qū)有關(guān)。評價結(jié)果為污染控制提供了科學(xué)依據(jù)。

東江湖； 水質(zhì)； 模糊綜合評價法

東江湖位于湖南省資興市南部，地處東經(jīng)113°15′—113°36′，北緯25°34′—26°00′之間，行政區(qū)涉及資興、汝城、桂東、宜章4個縣市，面積160 km2，儲水量81.2億m3，流域總面積4 703 km2[1]。流域內(nèi)山嶺層疊，溝壑縱橫，地形復(fù)雜，最高海拔1 691 m，最低海拔180 m。東江湖涉及資興、汝城、桂東、宜章4個縣市共52個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，譽稱“南洞庭”，是一個具有發(fā)電、防洪、航運、旅游和供應(yīng)城市生活工業(yè)用水等綜合效益的國家特大型水庫。全流域基本屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，雨量充沛，年平均降水量1 538.3 mm，徑流總量75.61億m3；流域內(nèi)土壤類型主要為紅壤、黃紅壤、黃棕壤、山地草甸土和紫色土等，自然植被以常綠闊葉林、馬尾松為主，森林覆蓋率高達(dá)96%以上，生態(tài)環(huán)境良好。礦產(chǎn)資源種類較多、分布較廣，已探明的礦種有煤、鐵、錳、鎢、錫、鉛、鋅、銅等30余種。

東江湖作為湘江的源頭之一，為湘江流域抗旱、防洪、通航和電力等方面發(fā)揮了極為重要的作用。同時，東江湖作為資興、郴州乃至長株潭城市群上千萬人口的飲用水源地，對湖南的經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有極為重要的戰(zhàn)略意義。為了加強東江湖水環(huán)境保護(hù)，防止水污染，2001年11月湖南省第九屆人民代表大會常務(wù)委員會審議通過了《湖南省東江湖水環(huán)境保護(hù)條例》。結(jié)合該條例，湖南省郴州市編制了《東江湖流域污染防治規(guī)劃》、《資興市生態(tài)建設(shè)規(guī)劃》等相關(guān)的地方規(guī)劃和制度，進(jìn)一步加強東江湖水環(huán)境保護(hù)工作。

本研究通過對東江湖連續(xù)性的監(jiān)測(2008—2012)，在基于模糊綜合評判模型的基礎(chǔ)上，對東江湖的水質(zhì)進(jìn)行了綜合評判，旨在為東江湖的水資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 模糊綜合評價法

在水體的水質(zhì)級別判定及綜合評價中，存在著大量的不確定性。模糊綜合評價法以模糊數(shù)學(xué)模型理論和方法為依據(jù)，能定量化不同指標(biāo)對水質(zhì)的影響[2]，有效的克服了評價過程中可能出現(xiàn)極限狀態(tài)的不合理性[3]，保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性以及客觀性，是定量研究水質(zhì)的有效手段，因而被廣泛用于水質(zhì)綜合評價中[4-9]。

模糊綜合評價法的基本思路為：根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)建立各因子指標(biāo)對各級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度集，形成隸屬度矩陣；將因子的權(quán)重集與隸屬度矩陣相乘得到模糊積，獲得綜合評判集，直接表明評價水體水質(zhì)對各級標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)的隸屬程度；通過對評判集的分析判定水質(zhì)級別[10]。具體步驟如下：

1.1建立評價因子集

因子是參與評價的評價指標(biāo)。在環(huán)境質(zhì)量評價中，因子集就是參與評價的m個污染因子的實際測定濃度組成的模糊子集，即

(1)

1.2建立評價集

評價集是與因子集中評價因子相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)集合。在環(huán)境質(zhì)量評價中，評價集是各個污染因子相應(yīng)的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級的集合。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)中的地表水水域功能和保護(hù)目標(biāo)，將地表水水質(zhì)分成了5類，故確定評價集為：

(2)

1.3確定權(quán)重向量B

水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重的確定是模糊評價中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[11-13]，權(quán)重向量的確定采用主成分分析法，從數(shù)學(xué)的角度來說，屬于一種降維處理的方法[14-15]，根據(jù)評價因素的累積貢獻(xiàn)率的方法確定權(quán)重向量，根據(jù)各種污染因素在水質(zhì)中的作用分別給予不同的權(quán)重。由權(quán)重的大小確定主要污染因素，本研究中選擇權(quán)重大于5%的作為主要污染因素。其計算公式為

Wi=Ci/Si

(3)

式中，Ci為第i種評價因子的實測值，Si為第i種評價因子的基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)值。對Wi做歸一化處理：

Bi=Wi/∑Wi

(4)

式中，Bi為權(quán)重向量B中第i種評價因素的權(quán)重。將各單因子的實測值和選定的評價標(biāo)準(zhǔn)分別代入式(1-2)，求得各單因子的權(quán)重值，并由其組成權(quán)重向量B。

1.4模糊關(guān)系矩陣R

假定參與水質(zhì)評價的因子有m個，水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)由n個類別組成。用rij表示第i種污染物的環(huán)境質(zhì)量數(shù)值可以被評價為第j類環(huán)境質(zhì)量的可能性(即i對j的隸屬度)，從而構(gòu)成水質(zhì)評價因子與類別的模糊關(guān)系矩陣R，代表污染因子對水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度。

(5)

式中，m為評價因子數(shù)。

根據(jù)GB3838-2002水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對各個水質(zhì)類別的隸屬度rij計算如下：

(6)

式中，ui為第j類標(biāo)準(zhǔn)；ci為被評價因子i的實測值。

2 數(shù)據(jù)來源

2.1樣品采集時間和地點

樣品采集時間為月初，每年分1、4、7、10四個月采樣，具體采樣時間為1月5-7日，4月6-9日，7月4-6日，10月6-9日。

采樣點位于黃草、白廊和滁口三個位置，每個點設(shè)三次重復(fù)取樣。取樣點位置見圖1。

圖1 東江湖區(qū)位圖及取樣點設(shè)置Fig.1 Dongjiang Lake position and sampling position

2.2分析參數(shù)與方法

水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)包括水溫(℃)、pH值、溶解氧、CODMn、化學(xué)需氧量、BOD5、氨氮、總磷、總氮、銅、鋅、氟化物、砷、汞、鎘、六價鉻、鉛、氰化物、揮發(fā)酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物等24個指標(biāo)，檢測方法及材料依據(jù)《GB3838- 20025地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，由湖南省資興市環(huán)境監(jiān)測站進(jìn)行檢測。

3 東江湖水質(zhì)類別判定

在模糊綜合評價中，采用主因素決定型來判斷水質(zhì)類別。即通過復(fù)合計算X=B·R，得到權(quán)重向量B與模糊關(guān)系矩陣R的模糊積，根據(jù)其結(jié)果來判斷出水質(zhì)類別。

在收集東江湖2008—2012年基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以水質(zhì)監(jiān)測24個指標(biāo)的監(jiān)測值為代表性指標(biāo)，以GB3838-2002的Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)值，按上述步驟在MATLAB中實現(xiàn)計算方程，計算24個指標(biāo)的污染貢獻(xiàn)率，以I>5%為界限，篩選出8個污染因子：COD，BOD，TN，TP，As，Hg，Pb，揮發(fā)酚。將各評價因子的實測值以及各水質(zhì)類別相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值代入公式計算出4個月份的模糊關(guān)系矩陣R1(1月)、R2(4月)、R3(7月)、R4(10月)以及權(quán)重B1(1月)、B2(4月)、B3(7月)、B4(10月)，結(jié)果見式(7)和表1。

(7)

將上述結(jié)果代入復(fù)合計算X=B·R，得到模糊積的計算結(jié)果。

X1=B1·R1=(0.506 1 0.424 1 0.069 8)

(8a)

X2=B2·R2=(0.507 2 0.402 4 0.090 4)

(8b)

X3=B3·R3=(0.475 4 0.463 6 0.061 0)

(8c)

X4=B4·R4=(0.418 5 0.469 7 0.111 8)

(8d)

分析式(8)的結(jié)果，得到東江湖分別在1、4、7、10月的水質(zhì)級別。從式(8)可以看出，1、4、7月東江湖水質(zhì)對I類水的隸屬度分別為0.506 1、0.507 2、0.475 4，高于Ⅱ類水的隸屬度0.424 1、0.402 4、0.463 6和Ⅲ類水的隸屬度0.069 8、0.090 4、0.061 0，而10月對Ⅱ類水的隸屬度為0.469 7，高于I類水的隸屬度0.418 5和Ⅲ類水的隸屬度0.111 8。

4 結(jié)論與討論

(1)根據(jù)模糊綜合評價法，東江湖各時期水環(huán)境質(zhì)量的變化由好到差依次為4月>1月>7月>10月。對應(yīng)豐水期、平水期、枯水期分別為平水期>豐水期>枯水期。

(2)從污染因子分析，鉛的權(quán)重因子超過25%，是各因子中占權(quán)重比重最大的因子，從而是東江湖污染的最主要因子。其次占權(quán)重較大的是汞和揮發(fā)酚，均超過10%。東江湖流域存在部分金屬尾礦區(qū)，尾礦區(qū)尾砂由于存放原因，降雨后容易引發(fā)水土流失并匯入東江湖水體，可能是造成重金屬為東江湖庫區(qū)水質(zhì)污染的重要污染物的主要原因，同時也是造成豐水期水質(zhì)比平水期水質(zhì)差的原因。

(3)利用模糊綜合評價模型進(jìn)行東江湖水環(huán)境質(zhì)量評價，既可以反映出各種因子共同作用下的水質(zhì)狀況，又能確定主要污染物和主要污染類型，是一種比較綜合和客觀的方法。

(4)由于監(jiān)測數(shù)據(jù)的限制，本研究只選取了東江湖的3個監(jiān)測點，這些監(jiān)測點是資興市環(huán)境監(jiān)測站長期監(jiān)測位點。為加強東江湖水質(zhì)保護(hù)，建議相關(guān)部門增加投入，加大監(jiān)測力度，設(shè)置更多更全面的監(jiān)測點。另外葉綠素的評價等級在國際水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中還未作出明確的分級標(biāo)準(zhǔn)，故該項指標(biāo)有待進(jìn)一步分析測定。

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WaterqualityassessmentofDongjiangLakebasedonfuzzycomprehensiveevaluation

YANG Nan1，2， MA Fengfeng2， WU Tianle2， ZHOU Li3， MA Honghua4，OU Qinghong4， ZHANG Canming1，2

(1.Hunan Cooperation Center of Water Resources Research and Development， Changsha 410013， China；2.Hunan Academy of Forestry， Changsha 410004， China；3.Zixing Environmental Monitoring Station， Zixing 423400， China；4.Zixing Science and Technology Bureau， Zixing 423400， China)

The water quality of Dongjiang Lake in Chenzhou，Hunan was studied in this paper.Comprehensive evaluation of three monitoring cross sections and 24 monitoring factors was conducted by fuzzy mathematical comprehensive evaluation model.The evaluation result showed that，the water quality of the Dongjiang Lake was in good condition，met the standards of water environmental quality.The water quality of Dongjiang Lake in January，April，July was Grade Ⅰ while in October was Grade Ⅱ.The most important pollution factor was Pb，may caused by the tailings in the watershed.The evaluation results provide a scientific basis for pollution control.

Dongjiang Lake； water quality； fuzzy comprehensive evaluation

2016-03-18

湖南省自然科學(xué)基金(11JJ5021)；科技部國際合作專項(2015DFA90450,2012DFB30030)；湖南省科技廳基礎(chǔ)平臺項目(2012TP1001)。

楊 楠(1980-)，男，湖南長沙人，高級工程師，博士，主要從事流域生態(tài)、水資源保護(hù)與可持續(xù)利用研究。

X 824

A

1003-5710(2016)05-0081-04

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2016. 05. 0016

(文字編校：張 珉)