基于水質(zhì)評價綜合模糊優(yōu)化法對廣州市獵德涌引清調(diào)度工程水質(zhì)改善效果的研究

楊 娟

(廣州市河涌管理中心，廣東 廣州 510640)

隨著水生態(tài)文明的大力推進，城市河涌的水環(huán)境和水景觀問題受到了全社會的普遍關(guān)注，實行調(diào)水補水是治污截污前提下改善城市河涌水環(huán)境和水景觀的一種常見且有效的措施，但對于水質(zhì)改善效果缺乏符合客觀實際、操作簡便的評價。本文以廣州市獵德涌補水工程為例，利用綜合模糊優(yōu)化法對其水質(zhì)改善效果進行定量評價。

1 研究背景

1.1 獵德涌補水工程概況

獵德涌補水工程隸屬于廣州市北部水系建設(shè)沙河涌等3條河涌聯(lián)合補水工程。工程按提水—輸水—蓄水—補水的工藝流程，通過對沙河涌、獵德涌、車陂涌補水，解決截污后河涌露底和無流動水現(xiàn)象?？菟冢摴こ掏ㄟ^從珠江前航道抽水引至長虹調(diào)蓄湖，再從長虹調(diào)蓄湖抽水補給獵德涌。

1.2 獵德涌水資源概況

獵德涌流域范圍內(nèi)沒有水文觀測站，無歷史實測水位、流量資料，區(qū)域內(nèi)河流受潮汐影響，無實測徑流資料，河道天然徑流主要來自于降雨。根據(jù)《廣東省水文圖集》(1991年)徑流深查算圖表，多年平均徑流深975mm，根據(jù)獵德涌流域面積，推算河涌的多年平均徑流量，見表1。

表1 獵德涌天然徑流量計算成果

根據(jù)廣州市全年降雨分布可知，獵德涌在每年10月至次年3月枯水期無雨工況下，河涌主要水源來自于長虹湖補水，當(dāng)長虹調(diào)蓄湖未補水時，獵德涌中上游(不受潮汐影響河段)河道內(nèi)幾乎沒有水流，河道干涸，水深較淺，水體不流動，水流態(tài)較差;當(dāng)長虹調(diào)蓄湖補水時，上中游河道水深40～70cm，流速較大，水流態(tài)較好。

1.3 區(qū)域概況

1.3.1 獵德涌地理位置

獵德涌是位于廣州新軸線且唯一流經(jīng)廣州珠江新城(CBD)的非人工河涌，地理位置優(yōu)越，距廣州最繁華商務(wù)圈太古匯、萬菱匯直線距離僅1.2km，距廣州電腦城崗頂百腦匯僅1km，距廣州市地標(biāo)性建筑廣州塔也僅1km；交通便利，獵德涌半徑1km范圍內(nèi)有5個地鐵站、20個公交站。

1.3.2 獵德涌流域概況

獵德涌發(fā)源自廣東省農(nóng)業(yè)機械工業(yè)公司，東到玉樹尖峰嶺，吉山獅山，前進深涌一帶，與黃埔區(qū)相連；南到珠江，與海珠區(qū)隔江相望；西從廣州大道、楊箕、先烈東路、永福路、沿廣深鐵路方向達登峰，與越秀區(qū)相接；北到筲箕窩，與白云區(qū)和黃埔區(qū)相接。獵德涌河口已建水閘，干流全長4.4km，下游現(xiàn)狀河寬10～25m。流域集水面積為14.1km2，上游廣深鐵路以北較高為丘陵地區(qū)，廣深鐵路以南地勢平坦。

1.3.3 獵德涌潮汐概況

獵德涌位于珠江感潮河段，潮汐性質(zhì)屬不規(guī)則半日潮，即在1個太陰日(約24h50min)里會分別出現(xiàn)兩次高潮和低潮，且相鄰的潮位和潮流歷時均不相同。潮位過程線呈不對稱正弦曲線形狀，其特點為漲潮歷時短，落潮歷時長。由于受徑流影響，年最高潮位多出現(xiàn)在汛期。

2 獵德涌補水工程水質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查與評價

在掌握獵德涌相關(guān)區(qū)域概況的基礎(chǔ)上，為深入探討獵德涌現(xiàn)狀補水模式與水質(zhì)改善效應(yīng)的關(guān)系，利用水質(zhì)評價綜合模糊優(yōu)化模型，對現(xiàn)狀不補水方案以及幾種補水流量下河涌各典型斷面的水質(zhì)開展評價。

2.1 獵德涌水質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查

通過對獵德涌各段的水質(zhì)感官情況進行了解，發(fā)現(xiàn)獵德涌上游河段水體流動性好，水體呈現(xiàn)淺灰綠色，河底拋石；中游河段水面較寬，水體流動性一般，水體呈現(xiàn)墨綠色，水質(zhì)較臟；下游河段水深較深，達2m，水體流動受下游潮汐影響，無異味，水體呈現(xiàn)墨綠色。

為進一步細致掌握獵德涌水質(zhì)現(xiàn)狀及補水前后水質(zhì)變化情況，本次研究分別于2018年11月3、4、5日,現(xiàn)場對獵德涌上、中、下游4個典型斷面(廣東水院LDC4+270、天河北路LDC3+640、海欣街LDC2+300、花城大道LDC0+830)進行了水質(zhì)檢測和采樣分析，其中溶解氧、氧化還原電位、透明度3個指標(biāo)為現(xiàn)場檢測，氨氮、總磷為采集水樣后送檢，檢測位置見圖1。

圖1 獵德涌現(xiàn)狀水系檢測點位分布

因獵德涌補水泵站為單一流量，無法調(diào)節(jié)補水流量，結(jié)合獵德涌補水路徑沿途實際情況，利用華工西湖雙向閥門對獵德涌補水流量進行調(diào)節(jié)，即在檢測前一天與華南理工大學(xué)溝通將華工西湖庫容預(yù)騰空，檢測當(dāng)天利用閥門雙向的開度對獵德涌補水流量進行調(diào)節(jié)，多余來水匯入華工西湖，待各斷面各檢測值穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)、采集水樣。獵德涌補水管位置見圖2，水質(zhì)現(xiàn)狀檢測計劃見表2。

表2 獵德涌水質(zhì)現(xiàn)狀檢測計劃

圖2 獵德涌補水管布設(shè)位置

因該檢測為現(xiàn)場實際檢測，受天氣狀況、檢測設(shè)備、相關(guān)工作人員操作經(jīng)驗等客觀因素影響，出現(xiàn)了下列情況：

a.11月3日天氣小雨，由于對水質(zhì)有影響，因此當(dāng)天所檢測的數(shù)據(jù)不能用于水質(zhì)評價。

b.在現(xiàn)場檢測的過程中發(fā)現(xiàn)，氧化還原電位檢測值不穩(wěn)定，讀數(shù)不斷下降，無法取值。經(jīng)綜合考慮，本次研究不將其納入水質(zhì)分析指標(biāo)。

因此，本次檢測可用數(shù)據(jù)為11月4、5日氨氮、總磷、溶解氧、透明度。水質(zhì)檢測結(jié)果見表3。

表3 獵德涌現(xiàn)狀水質(zhì)檢測結(jié)果

注因獵德涌中上游水深較淺，因此刻度尺放至涌底均為透明。

2.2 獵德涌水質(zhì)改善效果評價

2.2.1 水質(zhì)評價方法

對獵德涌的現(xiàn)狀水質(zhì)進行檢測、評價是開展本次研究、優(yōu)化補水方案的基礎(chǔ)性工作，利用合理、有效的評價方法，既可反映獵德涌現(xiàn)狀補水模式下的水體質(zhì)量，又可為后續(xù)建立水動力水質(zhì)模型提供邊界條件，為比選最佳補水方案提供參考和依據(jù)。

目前比較常用的河湖水質(zhì)評價方法有單因子評價法、水污染指數(shù)法[1]、主成分分析法[2]、模糊綜合評價法[3]等。單因子評價法可以合理地識別主要污染指標(biāo)[4]，即以待評價水體中最差的單項指標(biāo)所屬的水體級別來作為該水體水質(zhì)綜合類別。水污染指數(shù)法可以定量地評價水質(zhì)[5]，是基于單因子評價法的評價原則，用內(nèi)插方法計算得出某一斷面每個參加水質(zhì)評價項目的WPI，取最大WPI 作為該斷面的WPI[6]，更適用于小流域水體的定性定量評價。主成分分析法是一種降低維度的處理方法，通過將原來具有一定關(guān)聯(lián)性的變量重新合成新的少數(shù)幾個相互獨立的、能反映原變量大部分信息的綜合變量，且分析需要數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布才能合理分析，以保證分析的準(zhǔn)確性[7]。以模糊矩陣和隸屬度概念為基礎(chǔ)的模糊綜合評價法是應(yīng)用廣泛的水質(zhì)評價方法，該方法通過找出影響水質(zhì)的關(guān)鍵因素，通過計算其各自的隸屬度和權(quán)重，得到綜合隸屬度，并以此判斷水質(zhì)級別[8-9]。

模糊綜合評價法既能考慮分級模糊性，又可為各參數(shù)在總體污染中的貢獻量給予不同權(quán)重，從而使結(jié)果更為客觀可信。但其復(fù)合運算過程中取值運算的結(jié)果并未對中間項進行充分的思考，從而導(dǎo)致了評價精度降低，結(jié)果平均化。本次研究擬采用綜合模糊優(yōu)化模型[3]，直接考慮各采樣點隸屬于各水質(zhì)級別標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度，并把它作為權(quán)重，以各樣本與各級標(biāo)準(zhǔn)之間的加權(quán)廣義距離和最小為目標(biāo)函數(shù)，求出各采樣點的水質(zhì)級別隸屬度，取最大隸屬度所對應(yīng)的級別為該采樣點所屬的水質(zhì)級別，充分克服上述缺點，把所有樣本作為一個整體考慮，使得水質(zhì)評價結(jié)果更為客觀、符合實際[3]。

2.2.2 綜合模糊優(yōu)化模型原理

設(shè)某河涌有n個待評估的采樣樣本，每個樣本有m項參數(shù)指標(biāo)，即有m×n階水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)實測濃度矩陣:

(1)

i=1,2,…,m，j=1,2,3,…,n

式中：cij為污染物濃度,mg/L。

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)為分級評價標(biāo)準(zhǔn)，m項參數(shù)的t級分級標(biāo)準(zhǔn)濃度值可以組成m×t階分級標(biāo)準(zhǔn)濃度矩陣，即

(2)

i=1,2,…,m，l=1,2,3,…，t

對于濃度越大、水質(zhì)越差的參數(shù)隸屬度采用

(3)

對于濃度越大、水質(zhì)越好的參數(shù)隸屬度采用

(4)

得各樣本參數(shù)污染隸屬度矩陣：

(5)

鑒于本研究氨氮、總磷、溶解氧3個指標(biāo)對水質(zhì)評價同等重要，因此三者等權(quán)重。將式(2)～(5)作歸一化處理，將其壓縮在[0,1]區(qū)間，得歸一化的指標(biāo)綜合權(quán)重矩陣:

(6)

再根據(jù)式(7)把分級標(biāo)準(zhǔn)矩陣轉(zhuǎn)化為分級標(biāo)準(zhǔn)模糊矩陣(8):

(7)

式中：i=1,2,…,m；l=1,2,…t。

(8)

矩陣(8)的意義也可以表達為分級標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重矩陣。

第j個采樣樣本的超標(biāo)權(quán)重向量表示為

(9)

第l個采樣樣本的超標(biāo)權(quán)重向量表示為

(10)

設(shè)第j個樣本隸屬于l級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度為ujl，則n個樣本對t個級別水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度以模糊矩陣(11)來表示：

(11)

式中：j=1,2,…,n；l=1,2,3,…，t。

(12)

計算出隸屬度矩陣Un×t后即可從每個采樣樣本中選出一個最大值，其對應(yīng)的評價級別便是該樣本所屬的水質(zhì)級別。

2.2.3 獵德涌不同補水工況下水質(zhì)評價

a.獵德涌未補水工況下水質(zhì)評價。根據(jù)表3獵德涌11月5日未補水工況下4個采樣點檢測數(shù)據(jù)，取每個樣本中的最大隸屬度所對應(yīng)的等級為該采樣點所代表斷面未補水工況下的水質(zhì)級別，各樣本所屬等級見表4。

表4 獵德涌流域未補水工況下各斷面所屬水質(zhì)級別

由表4可知，獵德涌未補水工況下，上游為劣Ⅴ、下游為Ⅴ類水體，分析原因有：下游受感潮影響，污染物受到稀釋，濃度降低。下游水深較深，取水樣時采集中上層水質(zhì)，未受底泥影響；上游水深較淺，取水樣時受到底泥影響。

b.獵德涌補水工況下水質(zhì)評價。根據(jù)表3獵德涌11月5日1.0m3/s補水工況下4個采樣點檢測數(shù)據(jù)，取每個樣本中的最大隸屬度所對應(yīng)的等級為該采樣點所代表斷面補水工況下的水質(zhì)級別，各樣本所屬等級見表5。

表5 獵德涌流域11月5日1.0m3/s補水工況下各斷面所屬水質(zhì)級別

同理，獵德涌11月5日0.8m3/s補水工況下，各樣本所屬等級見表6。

獵德涌11月5日0.6m3/s補水工況下，各樣本所屬等級見表7。

表6 獵德涌流域11月5日0.8m3/s補水工況下各斷面所屬水質(zhì)級別

表7 獵德涌流域11月5日0.6m3/s補水工況下各斷面所屬水質(zhì)級別

獵德涌11月4日0.8m3/s補水工況下，各樣本所屬等級見表8。

獵德涌11月4日1.0m3/s補水工況下，各樣本所屬等級見表9。

表8 獵德涌流域11月4日0.8m3/s補水工況下各斷面所屬水質(zhì)級別

表9 獵德涌流域11月4日1.0m3/s補水工況下各斷面所屬水質(zhì)級別

3 不同補水工況對比分析

3.1 補水與未補水工況對比分析

根據(jù)表4、表5、表9，對未補水工況與1.0m3/s補水工況進行對比，由表10可知，獵德涌在未補水工況下，除LDC0+830花城大道段受珠江感潮影響為V類水外，其余3個斷面均為劣V類水；在1.0m/s補水工況下，除11月4日LDC0+830花城大道段受潮汐水質(zhì)影響為劣V類水外，其余均為V類。說明補水工況下，獵德涌水質(zhì)明顯優(yōu)于未補水工況。獵德涌11月5日未補水、補水工況各斷面水質(zhì)現(xiàn)狀對比見圖3。

圖3 獵德涌流域11月5日未補水、補水工況下各斷面水質(zhì)級別對比

表10 獵德涌各采樣點水質(zhì)評價等級統(tǒng)計

3.2 不同補水流量工況進行對比分析

為探討不感潮段河涌水質(zhì)與流量的關(guān)系，此處分別選取獵德涌上游段LDC4+270廣東水院、LDC3+640天河北路兩個斷面11月4、5日進行對比分析結(jié)果。對比結(jié)果見表11、表12。

表11 LDC4+270廣東水院斷面不同補水流量水質(zhì)評價結(jié)果對比

由表11對比分析可知，盡管1.0m3/s流量與0.8m3/s斷面水質(zhì)評價均為Ⅴ類水體，但1.0m3/s流量的Ⅴ類水體隸屬度略低于0.8m3/s流量，說明水質(zhì)更優(yōu)。因此，補水流量越大，水質(zhì)越優(yōu)。

表12 LDC3+640天河北路斷面不同補水流量水質(zhì)評價結(jié)果對比

由表12對比分析可知，1.0m3/s流量斷面水質(zhì)明顯優(yōu)于0.8m3/s流量，而0.6m3/s水質(zhì)優(yōu)于0.8m3/s是由于0.6m3/s檢測時間晚于0.8m3/s，經(jīng)過0.8m3/s、1.0m3/s流量補水檢測，河涌水質(zhì)得到一定程度改善。同時，再對11月5日1.0m3/s與0.6m3/s同為Ⅴ類水體的隸屬度進行比較分析，發(fā)現(xiàn)1.0m3/sⅤ類水體隸屬度低于0.6m3/s，說明1.0m3/s補水流量水質(zhì)優(yōu)于0.6m3/s補水流量水質(zhì)。因此，補水流量越大，水質(zhì)越優(yōu)。

4 結(jié) 語

綜合以上分析可知，不同補水模式對獵德涌水質(zhì)改善效應(yīng)不同，具體結(jié)論如下：

a.對補水前后進行比較分析，未補水工況下，除LDC0+830花城大道段受珠江感潮影響為Ⅴ類水外，其余3個斷面均為劣Ⅴ類水；補水工況下，絕大多數(shù)斷面為Ⅴ類水。由此可知：補水工況下水質(zhì)明顯優(yōu)于未補水工況。

b.對不同補水流量進行比較分析，除受檢測時間段前后的影響外，基本為補水流量越大，水質(zhì)越優(yōu)。

c.經(jīng)綜合統(tǒng)計11月4日0.8m3/s、1.0m3/s補水流量及11月5日0.8m3/s、1.0m3/s補水流量水質(zhì)評價結(jié)果，1.0m3/s補水流量工況下，水質(zhì)評價級別為Ⅴ類水體的為87.5%、劣Ⅴ類水體的為12.5%；0.8m3/s補水流量工況下，水質(zhì)評價級別為Ⅴ類水體的為50%、劣Ⅴ類水體的為50%。再次證明，補水流量越大，水質(zhì)越優(yōu)。