沋河濕地水環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)

權(quán)輕舟

摘要：以陜西省沋河水庫2011—2015年監(jiān)控?cái)嗝嫠|(zhì)為研究對象，在野外調(diào)查、收集和分析資料的基礎(chǔ)上，引入基于熵權(quán)的水環(huán)境質(zhì)量模糊物元評價(jià)模型對沋河水源地的水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評價(jià)。結(jié)果表明，沋河水庫2011—2015年水質(zhì)等級均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》I類標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)良好，2013年水質(zhì)綜合評價(jià)等級最高。

關(guān)鍵詞：沋河濕地;水源地;水環(huán)境質(zhì)量評價(jià);沋河水庫

中圖分類號：X522? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）21-0076-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.21.016

Abstract： Taking monitored sections water quality of Youhe river from 2011 to 2015 as the research object， a comprehensive evaluation of water quality was made through the introduction of fuzzy matter element evaluation model of water environmental quality which is based on entropy on the basis of data collection and analysis through field investigation， data collection and analysis. The results showed the water quality of Youhe river from the year of 2011 to 2015 met the first class of water environmental quality standard， with the best water quality in 2013.

Key words： Youhe wetland; water source; water environment quality evaluation; Youhe reservoir

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人口的增加，進(jìn)入水體環(huán)境中的污染物質(zhì)越來越多，這些污染物給人類生產(chǎn)生活環(huán)境和人體健康造成了許多危害。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口數(shù)量的劇增，農(nóng)業(yè)活動的頻繁，污染控制工程的滯后，國內(nèi)許多地方的水質(zhì)污染現(xiàn)象比較嚴(yán)峻。岳霞等[1]研究發(fā)現(xiàn)目前部分水域的污染治理行之有效，但全國七大水系總體呈現(xiàn)出輕度污染的特點(diǎn)。中國從20世紀(jì)中期就開始對國內(nèi)主要河流、湖泊（水庫）水質(zhì)進(jìn)行安全評價(jià)[2]。近年來，國內(nèi)學(xué)者在水環(huán)境污染方面對重金屬污染研究做了大量工作，相繼對長江[3，4]、黃河[5，6]、海河[7]、太湖[8-10]、巢湖[11，12]等水體開展了水質(zhì)現(xiàn)狀分析，多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)國內(nèi)水環(huán)境污染現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重。

據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站在2014年1月發(fā)布的全國地表水水質(zhì)月報(bào)數(shù)據(jù)顯示，全國388條河流的701個(gè)斷面中，68%斷面屬于Ⅰ～Ⅲ類、20%屬于Ⅳ～Ⅴ類，12%屬于劣Ⅴ類水質(zhì)，主要的污染因子為氨氮（NH3-N）、重鉻酸鹽指數(shù)（CODCr）、5日生化需氧量（BOD5）、總磷（TP）和高錳酸鉀鹽指數(shù)（CODMn）。十大河流體系，西北諸河、珠江流域和西南諸河總體上是較優(yōu)水質(zhì)，長江流域水質(zhì)總體上屬于良好狀態(tài)，松花江流域、遼河流域、浙閩片河流以及淮河流域在總體上屬于輕度污染水質(zhì)，黃河在總體上屬于中度污染水質(zhì)[13]。中國的水資源現(xiàn)狀不容樂觀，據(jù)國家水利部發(fā)布的《2015年中國水資源公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，2015年全國23.5萬km的河流水質(zhì)評價(jià)結(jié)果為全年Ⅰ類水河長占評價(jià)河長的8.1%，Ⅱ類水河長占44.3%，Ⅲ類水河長占21.8%，Ⅳ類水河長占9.9%，Ⅴ類水河長占4.2%，劣Ⅴ類水河長占11.7%。從水資源分區(qū)看，Ⅰ～Ⅲ類水河長占評價(jià)河長比例為西北諸河區(qū)、西南諸河區(qū)在97%以上;長江區(qū)、東南諸河區(qū)、珠江區(qū)為79%～85%;黃河區(qū)、松花江區(qū)為66%～70%。從行政分區(qū)看，Ⅰ～Ⅲ類水河長占評價(jià)河長的比例為重慶、新疆、西藏、湖南等省（自治區(qū)、直轄市）在90%以上;陜西、吉林、黑龍江、安徽、河南省為50%～70%。因此，開展水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)是非常必要的工作，它能夠科學(xué)評判當(dāng)前中國不同河流水系的水環(huán)境遭受的現(xiàn)狀情況，為水環(huán)境治理和保護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而為國家和區(qū)域水環(huán)境開發(fā)利用和治理保護(hù)提供決策依據(jù)。

水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)是按照水環(huán)境評價(jià)目標(biāo)，選擇相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)、水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)方法對水體的利用價(jià)值作出評定。一般采用國家或地方政府頒布的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前對水質(zhì)評價(jià)所應(yīng)用的方法有單因素評價(jià)法、綜合污染指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、層次分析法、模糊綜合評價(jià)法等。相對于其他方法，模糊綜合評價(jià)法通過使用權(quán)重，綜合考慮了各種因素對評價(jià)結(jié)果的影響，因此其評價(jià)結(jié)果更加符合實(shí)際[14]。在模糊綜合評價(jià)中，權(quán)重對評價(jià)結(jié)果有重要影響?，F(xiàn)有的模糊綜合評價(jià)法需要對每個(gè)對象的每個(gè)指標(biāo)計(jì)算其超標(biāo)程度，計(jì)算量較大，并且也無法把重金屬間的相關(guān)性反映在權(quán)重的計(jì)算過程。部分研究者通過采用綜合權(quán)重法和熵權(quán)法來計(jì)算權(quán)重，并且與單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)綜合權(quán)重法和熵權(quán)法比單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重法相對較好，而且利用熵權(quán)法只需計(jì)算一次就能得到評價(jià)區(qū)域中各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，大大地減少了評價(jià)工作所需的工作量[4]。模糊物元方法能解決多級別、多目標(biāo)的水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)問題，評價(jià)中引入熵權(quán)理論確定評價(jià)指標(biāo)的無偏好權(quán)重，以歐式貼近度確定水質(zhì)等級，既能比較全面地反映各指標(biāo)對地表水環(huán)境的影響程度，又能使評價(jià)結(jié)果更客觀、更符合實(shí)際[15]。

在諸多水質(zhì)分析方面的研究中，陜西境內(nèi)的相關(guān)研究比較集中，主要圍繞渭河流域開展了水質(zhì)現(xiàn)狀分析[16-22]。其中張嘉嘉等[16]的研究表明，NH3-N是渭河流域水環(huán)境的主要污染因子之一，污染源既有點(diǎn)源，也有非點(diǎn)源，且以非點(diǎn)源為主，點(diǎn)源以化肥工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水為主，非點(diǎn)源則以農(nóng)業(yè)使用化肥后的灌溉退水以及水土流失為主;渭河化學(xué)耗氧量（COD）污染以點(diǎn)源為主，點(diǎn)源以工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水為主。而李家科等[20]的研究結(jié)果顯示，渭河干流關(guān)中段主要污染物為COD、NH3-N和總氮（TN）。易文利[18]運(yùn)用模糊綜合評價(jià)法對渭河寶雞段6個(gè)斷面的水質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)，結(jié)果表明，所有斷面水質(zhì)達(dá)到功能區(qū)所要求的水質(zhì)類別，存在一定的有機(jī)污染。周璐紅等[17]同樣應(yīng)用模糊綜合評價(jià)法分析了渭河陜西段的水質(zhì)在時(shí)間上和空間上的變化趨勢，結(jié)果認(rèn)為渭河陜西段的污染在逐年加重，且咸陽污染最嚴(yán)重，渭南次之。武瑋等[22]針對渭河流域采用多種方法取樣分析結(jié)果表明，渭河的水質(zhì)情況最差，而渭河南岸支流水質(zhì)最好。沋河作為渭河南岸支流中較大的一支，近年來針對其水質(zhì)現(xiàn)狀開展調(diào)查分析的報(bào)道較為缺乏，急需開展此方面的分析研究。為此，本研究以城市居民主要飲用水源地的沋河為研究對象，開展水環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)。該研究的開展不僅對于保護(hù)渭南城區(qū)飲用水源地、確保居民生活用水安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，也為沋河水源地與沋河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供一定的管理與決策依據(jù)。同時(shí)，基于上述方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本研究利用熵權(quán)法賦權(quán)確定各監(jiān)測指標(biāo)權(quán)重，使評價(jià)結(jié)果更客觀、全面和合理，有效地克服了單因子評價(jià)法的不足與主觀賦值的影響。引入模糊物元方法，結(jié)合熵權(quán)和歐氏貼近度理論，建立基于熵權(quán)的水環(huán)境質(zhì)量模糊物元評價(jià)模型，選取評價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用模糊物元模型對沋河水庫監(jiān)控?cái)嗝?011—2015年的水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評價(jià)。

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)概況

沋河是渭河的主要支流，全長41.5 km，全流域面積269.5 km2。位于34°15′—34°32′E，109°30′—109°35′N。整個(gè)流域形狀為南北長、南寬北窄、中間僅5.5 km的葫蘆形。流域內(nèi)地勢南高北低，比降34.7%，落差較大。沋河流域地處暖溫帶半濕潤大陸性氣候區(qū)，氣候特點(diǎn)為冬寒干燥少雨雪，春暖多變升溫快，夏熱多雨有伏旱，秋涼氣爽陰雨多。流域區(qū)年平均降水量為790 mm，且多集中于汛期，7—10月降雨量占全年的60%左右。

沋河水庫是渭南市城市水源保護(hù)地，位于沋河干流上，壩址位于沋河下游的蔣家村，距離渭南市區(qū)4.5 km。水庫于1963年投入使用，目前是一座以城市供水為主、兼顧防洪和農(nóng)業(yè)灌溉的綜合性中型水利樞紐工程。1999年經(jīng)陜西省政府批準(zhǔn)設(shè)立了沋河水庫地表水飲用水源保護(hù)區(qū)，水源保護(hù)區(qū)范圍包括黃土臺塬區(qū)和丘陵溝壑區(qū)沋河集水區(qū)，南北從水庫大壩至沋河源頭以及箭峪水庫及其集水區(qū)，總面積約255.1 km2[23]。

水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)居住著14個(gè)自然村的村民，農(nóng)村垃圾及廢棄物隨意堆放，生活污水直接或間接排入水庫內(nèi)，耕地施肥經(jīng)雨水沖刷也進(jìn)入庫區(qū);庫區(qū)東西兩岸分別有西南鐵路、渭花公路穿越一類保護(hù)區(qū)并長距離經(jīng)過流域，貨物運(yùn)輸、旅客、游人也給水源帶來一定程度的污染，特別是一、二類保護(hù)區(qū)距離渭南城區(qū)僅數(shù)千米，春夏季市民來此釣魚游樂也給水源地造成一定程度的污染[13]。可見，對沋河水源地水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀進(jìn)行綜合評價(jià)是非常必要的。

1.2? 資料來源及因子選取

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002），利用2011—2015年渭南市沋河水庫水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合考慮沋河水質(zhì)的主要影響因子，選取了溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、5日生化需氧量、氨氮、總磷和總氮等7項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用模糊物元模型對沋河水庫監(jiān)控?cái)嗝娴乃h(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)。

1.3? 方法

1.3.1? 模糊物元的基本概念? 在物元分析中，由事物M、特征C和量值x 3個(gè)要素組成物元R，若量值x具有模糊性，則將R稱為模糊物元。由此，n個(gè)事物的m維物元組成復(fù)合模糊物元Rnm。

1.3.2? 從優(yōu)隸屬度的計(jì)算? 將從優(yōu)隸屬度μji定義為各單項(xiàng)指標(biāo)對應(yīng)的模糊量值從屬于標(biāo)準(zhǔn)方案對應(yīng)的模糊量值的隸屬程度，由各從優(yōu)隸屬度μji組成從優(yōu)隸屬度矩陣R′nm。

為了構(gòu)建較優(yōu)化的隸屬度模糊物元，需制定單項(xiàng)從優(yōu)隸屬度原則，即以單項(xiàng)指標(biāo)的從優(yōu)隸屬度作為標(biāo)準(zhǔn)來衡量。從優(yōu)隸屬度是各單項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的模糊量值從屬于標(biāo)準(zhǔn)樣本所對應(yīng)的各評價(jià)指標(biāo)相應(yīng)模糊量值的隸屬程度。對于越大越優(yōu)型和越小越優(yōu)型指標(biāo)可分別采用式（3）和（4）計(jì)算從優(yōu)隸屬度[15]。

式中，xji代表第j個(gè)事物中第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)對應(yīng)的量值，maxxji、minxji分別代表各評價(jià)樣本中第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)所對應(yīng)的所有量值中的最大值和最小值。

1.3.3? 標(biāo)準(zhǔn)模糊物元和差平方矩陣的計(jì)算? 標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0m是指從優(yōu)隸屬度矩陣Rnm中的最大值或最小值。若以Δji（i=1，2，…m，;j=1，2，…，n）表示標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0m與從優(yōu)隸屬度矩陣R′nm中各個(gè)元素的差的平方，則差平方矩陣RΔ可表示為：

1.3.4? 熵權(quán)系數(shù)的計(jì)算? 由于水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)的重要程度不同，因此需要確定其權(quán)重。在信息論中，熵值反映信息無序化程度，其值越小，系統(tǒng)無序度就越小，因此可用信息熵評價(jià)所獲系統(tǒng)信息的有序度及其效用，即由評價(jià)指標(biāo)值構(gòu)成的判斷矩陣來確定指標(biāo)權(quán)重。

熵權(quán)系數(shù)的具體計(jì)算步驟[24]：

設(shè)由n個(gè)事物和m個(gè)評價(jià)指標(biāo)組成判斷矩陣R。

1.3.5? 貼近度（綜合評價(jià)優(yōu)劣度）的計(jì)算? 利用歐式貼近度來表示被評價(jià)樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本的接近程度，從而對各方案進(jìn)行優(yōu)劣排序或類別劃分。歐式貼近度的復(fù)合模糊物元矩陣RPH的表達(dá)式：

式（15）中，PHj為貼進(jìn)度模糊物元矩陣RPH中的第j個(gè)貼近度，并且滿足以下條件：

貼近度越大，表示被評價(jià)樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本越接近，反之則相離越遠(yuǎn)，因此可以利用貼近度來表示被評價(jià)樣本的環(huán)境質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)樣本的差別程度。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 相關(guān)性分析

依據(jù)2011—2015年渭南市沋河水庫水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用SPSS19.0對各評價(jià)指標(biāo)的含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)與相關(guān)性分析。除DO、COD和BOD5達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)值外，其余5項(xiàng)指標(biāo)均符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，其中CODMn和COD在2011—2015年的年均值變化幅度較大，pH、DO、BOD5、NH3-N、TP、TN總體變化較小，具體見表1。

從表2可以看出，BOD5與CODMn極顯著正相關(guān)（r=0.994，P<0.01），TN與NH3-N顯著正相關(guān)（r=0.914，P<0.05）;沋河水源地監(jiān)測斷面水體中的BOD5與CODMn、TN與NH3-N之間存在同時(shí)增高的現(xiàn)象，表現(xiàn)出相似的遷移規(guī)律，在一定程度上呈現(xiàn)復(fù)合污染的趨勢，且?guī)追N污染可能存在相似來源。

2.2? 水環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)

選取2011—2015年渭南市沋河水庫水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)中DO、CODMn、COD、BOD5、NH3-N、TP和TN 7項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，將5年沋河水庫的監(jiān)控?cái)嗝婧?級水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）作為10個(gè)事物，7個(gè)污染物濃度指標(biāo)作為7個(gè)特征，組成復(fù)合模糊物元，具體見表3。

選取的水環(huán)境質(zhì)量7項(xiàng)指標(biāo)中DO為正向指標(biāo)，其他6項(xiàng)為負(fù)向指標(biāo)，因此可利用式（3）和式（4）分別計(jì)算量值的從優(yōu)隸屬度。取從優(yōu)隸屬度矩陣中的最大值組成標(biāo)準(zhǔn)模糊物元，即各指標(biāo)從優(yōu)隸屬度均為1，得到差平方復(fù)合模糊物元，見表4。

由10個(gè)事物和7個(gè)評價(jià)指標(biāo)組成判斷矩陣，利用式（8）、式（9）將判斷矩陣中的元素進(jìn)行歸一化處理，將結(jié)果代入式（12）和式（10），得到評價(jià)指標(biāo)的熵值，然后代入式（13）得到評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，見表5。

最后，將評價(jià)指標(biāo)的熵值和權(quán)重系數(shù)代入式（16）中，得到歐式貼近度，由此得到2011—2015年沋河水庫水環(huán)境質(zhì)量的綜合排序，具體見表6。

由表6可知，沋河水庫監(jiān)控?cái)嗝?011—2015年的水環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣排序?yàn)?013年>2015年>2011年>2014年>2012年，其中2013年水質(zhì)綜合評價(jià)等級最高，接近《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)的最高值，2012年屬于評價(jià)年度里等級最低者，但同樣屬于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》I類標(biāo)準(zhǔn)，且與II類標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)指標(biāo)相差較大，可見評價(jià)對象在2011—2015年水質(zhì)等級均較高，同時(shí)完全符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，作為居民飲用水源地，沋河水庫的保護(hù)成果較好。測試水體水質(zhì)良好，這與水源地處在農(nóng)村、遠(yuǎn)離城市與工業(yè)園區(qū)、周圍多為農(nóng)業(yè)用地等現(xiàn)狀有關(guān)，污染物來源相對較少，主要為地表徑流與少量農(nóng)業(yè)面源污染。結(jié)合實(shí)地走訪，建議相關(guān)部門重視沋河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大量施用化肥、農(nóng)藥的現(xiàn)狀，加強(qiáng)監(jiān)測與管控，保障飲用水源地的用水安全。

3? 小結(jié)

1）對2011—2015年沋河水源地的水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)和主要污染物的趨勢分析表明，沋河流域水質(zhì)良好，且一直保持穩(wěn)定狀態(tài)，2013年水質(zhì)最佳。

2）被測水體水質(zhì)主要污染物來源為溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量和5日生化需氧量，其中高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量在2011—2015年的年均值變化幅度較大，在水質(zhì)綜合評價(jià)中的貢獻(xiàn)率較高。

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