杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗水質(zhì)模糊風(fēng)險評估

鄭建根 傅雷 尤愛菊

摘要 通過引入模糊數(shù)學(xué)理論，對2015年杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗中嘉興市的水質(zhì)指標風(fēng)險進行了計算與評估。結(jié)果表明，調(diào)水試驗過程中，高錳酸鉀指數(shù)和溶解氧的水質(zhì)風(fēng)險較低，總磷面臨一定風(fēng)險，氨氮和總氮的水質(zhì)風(fēng)險較高。嘉興市周邊河道的水質(zhì)風(fēng)險總體低于嘉興市內(nèi)河道（調(diào)水目標區(qū)域），空間差異明顯。該研究結(jié)果對未來杭嘉湖平原河網(wǎng)開展常態(tài)化調(diào)水過程中的水質(zhì)風(fēng)險管控有著重要意義。

關(guān)鍵詞 模糊數(shù)學(xué)；平原河網(wǎng)；區(qū)域調(diào)水；風(fēng)險率計算；風(fēng)險評估

中圖分類號 X143 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）29-0056-05

Risk Assessment of Water Diversion Experiment in Hangjiahu Basin River Network Using Fuzzy Mathematics Method

ZHENG Jiangen， FU Lei*， YOU Aiju

（Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary， Hangzhou， Zhejiang 310020）

Abstract The fuzzy mathematics method has been introduced to assess the environmental risk caused by the water diversion experiment in Hangjiahu basin river network. The risk assessment indicated that during the water diversion experiment， the risk of CODmn and DO was low， the risk of TP was medium， and the risk of NH3N and TN was high. Moreover， the rivers outside Jiaxing City had lower risk than the rivers inside Jiaxing City， the spatial risks of those rivers were in different levels. The results of this study will play an important role in Hangjiahu basin water diversion project in the future.

Key words Fuzzy mathematics；Plain river network；Water diversion；Risk rate；Risk assessment

基金項目 水體污染控制與治理科技重大專項（2014ZX07101-011）；浙江省水利科技計劃項目（RB1405）。

作者簡介 鄭建根（1962—），男，浙江桐鄉(xiāng)人，高級工程師，從事水資源與水環(huán)境研究。*通訊作者，工程師，博士，從事水資源與水環(huán)境研究。

收稿日期 2017-08-16

區(qū)域調(diào)水是緩解地區(qū)性水資源短缺和水質(zhì)型缺水的重要手段。目前，我國對平原河網(wǎng)區(qū)域調(diào)水的研究多以水質(zhì)改善效果的評估為主[1-4]，對調(diào)水過程中可能出現(xiàn)的水質(zhì)風(fēng)險研究相對缺乏[5-7]。我國水質(zhì)風(fēng)險評估研究起步較晚，目前國內(nèi)的水質(zhì)風(fēng)險評估對象多為某個特定河道或流域[1-2，7]，對平原河網(wǎng)地區(qū)整體的水質(zhì)風(fēng)險評估較少。水質(zhì)指標的風(fēng)險評估主要有3種方式：概率論法[7-8]、模糊數(shù)學(xué)法[7-10]和風(fēng)險指標法[9-12]。其中，使用概率論法得出的結(jié)論可信度較高，但概率論法對數(shù)據(jù)完整性和長序列性的要求極高，目前大多數(shù)平原河網(wǎng)調(diào)水的監(jiān)測數(shù)據(jù)不足以支撐概率論法的計算；風(fēng)險指數(shù)法計算較為簡單，可操作性高，但目前對風(fēng)險指數(shù)法的理論基礎(chǔ)和評價方法仍有較大爭議[7，9，12]?；谀：龜?shù)學(xué)理論的三角模糊風(fēng)險分析法是目前較為可靠的水質(zhì)指標風(fēng)險分析方法。金菊良等[9]將隨機模擬與三角模糊數(shù)耦合入水質(zhì)風(fēng)險分析中，李如忠等[10，13]利用三角模糊數(shù)進行了簡單河道的水質(zhì)風(fēng)險分析，呂振霖等[12，14-16]進一步將模糊數(shù)學(xué)理論運用于望虞河引水的水質(zhì)風(fēng)險評估中并取得了良好的評估結(jié)果。鑒于平原河網(wǎng)調(diào)水試驗中水質(zhì)風(fēng)險評估的重要性，且目前杭嘉湖平原區(qū)河網(wǎng)調(diào)水水質(zhì)風(fēng)險的研究鮮見報道。筆者利用三角模糊風(fēng)險分析法對平原河網(wǎng)調(diào)水試驗的水質(zhì)風(fēng)險進行計算評估。

1 調(diào)水試驗概況

杭嘉湖地區(qū)屬于典型的平原河網(wǎng)水系[16-18]，境內(nèi)水質(zhì)既受本地排污影響，又受入境水質(zhì)影響，水環(huán)境形勢既嚴峻又復(fù)雜，歷來受到蘇、浙、滬兩省一市的重點關(guān)注[16，19-20]。近年來，隨著浙江省“五水共治”的推進，該地區(qū)的水質(zhì)已得到了明顯的提升。2015年11月6日—12月15日，筆者參與了杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗。該研究以該次調(diào)水試驗的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，引入模糊數(shù)學(xué)理論，對2015年杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗期間典型斷面的水質(zhì)變化情況進行了風(fēng)險率計算，并根據(jù)計算結(jié)果對該調(diào)水試驗的水質(zhì)風(fēng)險進行了評估。

調(diào)水試驗以嘉興市為試驗主體，選擇嘉興市域東西南北及中部具有代表性的5個監(jiān)測斷面作為水質(zhì)風(fēng)險評估的參評斷面，各斷面的位置分布如圖1所示。

調(diào)水試驗監(jiān)測內(nèi)容包括溶解氧、水色、水溫、pH、電導(dǎo)率、高錳酸鉀指數(shù)、總氮、總磷、氨氮9項指標，其中，水色、水溫、pH、電導(dǎo)率在試驗期間變化并不明顯。因此，筆者選取高錳酸鉀指數(shù)、總磷、氨氮、總氮、溶解氧5項指標作為水質(zhì)風(fēng)險評估的參評指標，結(jié)合圖1及2015年杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。參評的5個監(jiān)測斷面及其水質(zhì)指標背景監(jiān)測值見表1。

2 三角模糊風(fēng)險分析法

三角模糊風(fēng)險分析法是定義風(fēng)險空間并進行風(fēng)險管控的有效工具，根據(jù)三角模糊數(shù)學(xué)理論，以單個風(fēng)險因子而言，設(shè)a，b，c分別為某一模糊變量的下極限值、目標可能值和上極限值，則3個一組數(shù)（a，b，c）構(gòu)成一個三角模糊數(shù)。其中a，b，c為實數(shù)，相應(yīng)的函數(shù)可以定義為

U0xc

x-ab-aa≤x≤b

c-xc-bb

（3）氨氮和總氮指標的風(fēng)險率均維持在較高水平。氨氮濃度僅有1個斷面風(fēng)險率低于0.5，屬于較低風(fēng)險；2個斷面風(fēng)險率在0.8～1.0；2個斷面風(fēng)險率為1.0，屬于高風(fēng)險等級?？偟獫舛鹊娘L(fēng)險率與氨氮濃度的情況類似，有2個斷面風(fēng)險率處于0.5～0.8，屬于較高風(fēng)險，另有3個斷面的風(fēng)險率高于0.8，屬于高風(fēng)險。這表明2015年杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗對氨氮和總氮濃度的改善效果不佳，試驗期間部分斷面反復(fù)出現(xiàn)氨氮和總氮濃度高于背景監(jiān)測值的情況。調(diào)水試驗期間頻發(fā)降雨等惡劣天氣情況，帶動太浦河沿岸及湖州地區(qū)的生活污水進入水體，是試驗期間氨氮和總氮風(fēng)險率居高不下的主要原因。

從地理位置上看，該研究選擇的5個監(jiān)測斷面分別位于嘉興市東西南北及中部，可以代表調(diào)水試驗期間嘉興河網(wǎng)空間上的水質(zhì)風(fēng)險概率分布：

（1）總體來看，調(diào)水試驗期間，嘉興河網(wǎng)南北向河道的風(fēng)險率要小于東西向河道，從該研究參評的5個監(jiān)測斷面來看，南北向河道監(jiān)測斷面（汾湖、長山河橋）各個水質(zhì)指標的風(fēng)險率，除含氮類指標外，均處于較低水平。其中，汾湖斷面的高錳酸鉀指數(shù)風(fēng)險率為0，氨氮風(fēng)險率為0.366、溶解氧風(fēng)險率僅為0.015。從地理位置上看，試驗期間，汾湖斷面主要承接太浦河的優(yōu)質(zhì)來水（圖1）。因此，其水質(zhì)指標的風(fēng)險率很低，水質(zhì)在試驗期間較好；長山河橋斷面位于長山閘上游的長山河，是試驗期間嘉興南排工程的主要排水河道。試驗期間，長山河橋斷面的總磷風(fēng)險率為0，溶解氧的風(fēng)險率也僅為0.32，表明調(diào)水試驗期間，長山河橋斷面在長山閘開閘拉動河網(wǎng)流動的有利條件下，其總磷濃度一直維持低于背景監(jiān)測值，溶解氧濃度在試驗期間也偶爾出現(xiàn)水質(zhì)惡化的情況。

（2）東西向河道監(jiān)測斷面的水質(zhì)風(fēng)險率較南北向河道明顯增大，西部入流斷面太師大橋各項水質(zhì)指標的風(fēng)險率，除溶解氧為0.271，處于較低風(fēng)險外，總氮指標大于0.50，其余3項指標均大于0.80，水質(zhì)風(fēng)險較高。這說明調(diào)水試驗期間湖州地區(qū)進入嘉興的水質(zhì)情況一般，優(yōu)質(zhì)的太湖來水經(jīng)過湖州地區(qū)之后存在水質(zhì)下降的趨勢。而東部的青陽匯斷面除溶解氧外，其他4項水質(zhì)指標的風(fēng)險率均大于0.80，在調(diào)水試驗期間存在較大的水質(zhì)風(fēng)險。

（3）調(diào)水試驗期間，嘉興市內(nèi)河道的水質(zhì)改善效果一般，從參評的西麗橋斷面的各項水質(zhì)指標風(fēng)險率來看，其高錳酸鉀指數(shù)和總磷的風(fēng)險率為0.380和0.458，屬于較低風(fēng)險，氨氮、總氮和溶解氧的風(fēng)險率則分別高達1.000、0.988和0935，由此判斷，氨氮和總氮濃度在西麗橋斷面長時間出現(xiàn)高于背景濃度的情況。西麗橋斷面溶解氧的風(fēng)險率明顯不同于其他斷面，這是由于西麗橋斷面的溶解氧背景濃度高達4.33 mg/L，試驗期間溶解氧濃度雖然也有較長時間維持高于4.00 mg/L的地表水 Ⅲ 類水標準，但11月16日左右因大雨、太浦閘流量調(diào)整及南排工程開度調(diào)整等各種因素綜合作用下出現(xiàn)了2.10 mg/L的極低值，明顯增大了西麗橋斷面溶解氧濃度的風(fēng)險率。

5 結(jié)論

（1）該研究利用模糊數(shù)學(xué)理論對2015年杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗過程中的水質(zhì)風(fēng)險進行了計算和評估。結(jié)果表明，調(diào)水試驗中高錳酸鉀指數(shù)和溶解氧的水質(zhì)風(fēng)險較小，總磷有一定的風(fēng)險，氨氮和總氮的水質(zhì)風(fēng)險較高。

（2）在河道流動性、天氣情況、水利工程調(diào)度情況等因素的綜合影響下，調(diào)水試驗中嘉興市南北向河道水質(zhì)風(fēng)險較低，東西向河道水質(zhì)風(fēng)險較高，中部河道的水質(zhì)風(fēng)險最高。

（3）2015年杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗期間，太湖的優(yōu)質(zhì)水源從湖州和太浦河2個方向進入嘉興市，在一定程度上改善了嘉興河網(wǎng)的水質(zhì)。但試驗過程中，太湖的優(yōu)質(zhì)來水存在一定的沿程惡化情況，加之試驗期間遭遇降雨等特殊天氣，對調(diào)水試驗效果產(chǎn)生了不利影響。在未來的杭嘉湖平原河網(wǎng)常態(tài)化調(diào)水實踐中應(yīng)對此給予高度關(guān)注。

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