朱隈水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

李華欣

(莊河市林業(yè)水利服務(wù)中心，遼寧 莊河 116400)

0 引 言

人口規(guī)模的增大、工農(nóng)業(yè)的發(fā)展及污染控制工程的滯后，使得河流水體中的污染物質(zhì)逐漸增多，并對(duì)人體健康和人類生活環(huán)境產(chǎn)生一系列的危害，我國(guó)許多地區(qū)的水質(zhì)污染問(wèn)題已十分嚴(yán)峻。岳霞等研究認(rèn)為全國(guó)七大水系均存在不同程度的污染現(xiàn)象，局部水域的污染治理取得一定的成效。針對(duì)我國(guó)主要湖泊、河流的水質(zhì)狀況，許多學(xué)者自20世紀(jì)中期就開(kāi)展了安全評(píng)價(jià)研究。近年來(lái)，針對(duì)重金屬引起的水環(huán)境污染問(wèn)題國(guó)內(nèi)諸多研究者做了大量工作，對(duì)巢湖、太湖、長(zhǎng)江、海河、黃河等水體環(huán)境進(jìn)行了現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，現(xiàn)有研究認(rèn)為我國(guó)水質(zhì)狀況呈逐年下降趨勢(shì)[1]。

根據(jù)2014年1月發(fā)布的地表水水質(zhì)月報(bào)數(shù)據(jù)，全國(guó)388條河流的701個(gè)斷面的主要污染因子有CODMn、TP、BOD5、COD Cr、NH3-N，其中屬于劣Ⅴ類、Ⅳ-Ⅴ類、Ⅰ-Ⅲ類水質(zhì)的斷面占比為12%、30%、68%。參與水質(zhì)監(jiān)測(cè)的十大河流體系中，水質(zhì)較優(yōu)的有西南諸河、珠江流域和西北諸河，長(zhǎng)江流域的水體環(huán)境整體為良好水平，淮河、遼河、松花江及浙閩片河流水質(zhì)為輕度污染，其中污染較重的河流為黃河。結(jié)合2015年水利部發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，全國(guó)23.5萬(wàn)km的河流中屬于劣Ⅴ類、Ⅴ類、Ⅳ類、Ⅲ類、Ⅱ類、Ⅰ類水質(zhì)的河長(zhǎng)占比分別為11.8%、4.1%、10.0%、21.7%、44.2%、23.6%。從地理空間上，西南、西北諸河為Ⅰ-Ⅲ類水質(zhì)的河長(zhǎng)占比約97%，珠江、東南諸河和長(zhǎng)江區(qū)河流Ⅰ-Ⅲ類水質(zhì)的河長(zhǎng)占比為78%-86%，松花江、黃河區(qū)河流為Ⅰ-Ⅲ類水質(zhì)的河長(zhǎng)占比為65%-70%。從行政區(qū)劃的角度，湖南、西藏、新疆、重慶等省市河流為Ⅰ-Ⅲ類水質(zhì)的河長(zhǎng)占比>90%，河南、安徽、吉林、陜西、黑龍江等省市河流為Ⅰ-Ⅲ類水質(zhì)的河長(zhǎng)占比為50%-70%。所以，對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的科學(xué)評(píng)價(jià)可為水環(huán)境治理和保護(hù)、區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用等提供科學(xué)的決策依據(jù)，為評(píng)價(jià)分析不同水系現(xiàn)狀水質(zhì)狀況的重要方法。

根據(jù)水環(huán)境評(píng)價(jià)目標(biāo)選取科學(xué)的評(píng)價(jià)方法、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)參數(shù)，綜合評(píng)定水體利用價(jià)值為水質(zhì)評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容。通常情況下，水環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)家或地方政府頒布的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，模糊綜合法、灰色關(guān)聯(lián)法、污染指數(shù)法、單因素評(píng)價(jià)法及層次分析法等為水質(zhì)評(píng)價(jià)的常用方法。模糊綜合評(píng)價(jià)法因考慮了各不同因素的影響作用，相對(duì)于其他方法具有更高的可靠性和適用性。其中，權(quán)重的計(jì)算為影響模糊評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。每個(gè)指標(biāo)關(guān)于不同對(duì)象的超標(biāo)程度計(jì)算為當(dāng)前模糊綜合法的重要內(nèi)容，運(yùn)算量大，且在權(quán)重計(jì)算過(guò)程中無(wú)法體現(xiàn)重金屬因素間的相關(guān)性。有學(xué)者對(duì)指標(biāo)權(quán)重利用熵權(quán)法和綜合權(quán)重法進(jìn)行計(jì)算，并將權(quán)重計(jì)算結(jié)果與單指標(biāo)權(quán)重法對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)較單指標(biāo)權(quán)重法綜合權(quán)重具有更好的計(jì)算結(jié)果，各指標(biāo)在評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)的權(quán)重采用熵權(quán)法可一次計(jì)算確定，從而顯著降低了評(píng)價(jià)過(guò)程的工作量。在解決多目標(biāo)、多級(jí)別水環(huán)境質(zhì)量問(wèn)題時(shí)模糊物元分析法具有較好的適用性和可行性，評(píng)價(jià)指標(biāo)的無(wú)偏好權(quán)重利用熵權(quán)原理計(jì)算確定，并對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)選用歐式帖進(jìn)度確定，不僅保證了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀真實(shí)性，而且較為系統(tǒng)、全面的反映水環(huán)境狀況受不同指標(biāo)的影響。

水質(zhì)評(píng)價(jià)屬于一種分類識(shí)別水質(zhì)樣本與水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的綜合性系統(tǒng)問(wèn)題，在吸納相關(guān)領(lǐng)域與學(xué)科研究成果的同時(shí)水質(zhì)評(píng)價(jià)逐漸得到深入的研究，理論方法和評(píng)價(jià)體系趨于成熟。針對(duì)水質(zhì)分析方法國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了許多研究，如張嘉嘉等研究認(rèn)為非點(diǎn)源和點(diǎn)源污染為渭河流域面臨的主要問(wèn)題，其中水土流失及農(nóng)業(yè)化肥施用灌溉退水為主要的非點(diǎn)源，城鎮(zhèn)生活污水和化肥工業(yè)廢水為主要的點(diǎn)源，NH3-N為影響流域水質(zhì)的關(guān)鍵因子之一；郭蓉等提出水質(zhì)評(píng)價(jià)中綜合評(píng)價(jià)和單因子指數(shù)法應(yīng)用較為普遍，該方法能夠直觀的反映評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與水質(zhì)狀況之間的關(guān)系，具有原理清晰、簡(jiǎn)單明了等優(yōu)點(diǎn)；劉榮榮等對(duì)瀏河水環(huán)境質(zhì)量運(yùn)用單因子標(biāo)準(zhǔn)法評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示該流域水環(huán)境受到一定程度的污染，現(xiàn)已無(wú)法滿足地表水質(zhì)要求；周璐紅等在空間和時(shí)間上對(duì)渭河線西段水質(zhì)變化趨勢(shì)利用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)咸陽(yáng)段的污染最嚴(yán)重且線西段呈污染加重趨勢(shì)；易文利等對(duì)典型河段的6個(gè)斷面水質(zhì)狀況采用模糊綜合評(píng)價(jià)法分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)參評(píng)的所有斷面均能滿足水功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)要求[2-6]。莊河作為莊河市重要的飲用水源，現(xiàn)有研究涉及該河流水質(zhì)的評(píng)價(jià)分析較少，且對(duì)其污染現(xiàn)狀的調(diào)查分析比較缺乏，有必要對(duì)該河段水質(zhì)狀況進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)研究。據(jù)此，本文以莊河市朱隈水庫(kù)監(jiān)控?cái)嗝嫠|(zhì)為例，采用模糊物元評(píng)價(jià)模型科學(xué)分析了該水源地的水質(zhì)狀況。研究成果可為保護(hù)莊河流域生態(tài)環(huán)境和水源地水質(zhì)提供決策依據(jù)，對(duì)于確保居民生活用水安全和莊河市飲用水質(zhì)具有重要意義。同時(shí)，為解決以上方法存在的問(wèn)題，保證評(píng)價(jià)結(jié)果的全面、科學(xué)和合理性，對(duì)各監(jiān)測(cè)指標(biāo)權(quán)證利用熵權(quán)法計(jì)算，有效避免了主觀賦值和單因子評(píng)價(jià)存在的不足。然后根據(jù)歐式貼進(jìn)度和熵權(quán)理論建立模糊物元評(píng)價(jià)模型，對(duì)2014-2018年朱隈水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量利用模糊物元模型和評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

朱隈水庫(kù)位于莊河西支流，具有優(yōu)越的地理環(huán)境和便利的交通條件，該水庫(kù)是一座集灌溉、防洪、養(yǎng)殖、供水等功能于一體的(二)型水利工程，主要為莊河市、大連市等區(qū)域提供居民生活飲用水。流域內(nèi)河網(wǎng)密布，景觀變化比較劇烈、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度較快，該河流水環(huán)境質(zhì)量直接影響著莊河市和大連市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和社會(huì)穩(wěn)定[7-9]。

1.2 資料來(lái)源及因子選取

根據(jù)莊河市朱隈水庫(kù)2014-2018年水環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)和地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合莊河水質(zhì)狀況選取7項(xiàng)典型評(píng)價(jià)指標(biāo)，即總磷、總氮、氨氮、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧和五日生化需氧量，對(duì)水庫(kù)監(jiān)控?cái)嗝嫠|(zhì)利用模糊物元模型進(jìn)行科學(xué)分析[10-12]。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1) 模糊物元基本概念。事物M的特征定義為C，量值利用x來(lái)反映，由此構(gòu)成的有序三元組R為評(píng)價(jià)對(duì)象的物元，即。若給定的事物有m個(gè)特征，相應(yīng)的量值為x且具有模糊性，則構(gòu)成一個(gè)m維模糊物元R。m維物元關(guān)于n個(gè)事物的組合構(gòu)成矩陣Rmn，以不同等級(jí)的隸屬度替代矩陣Rmn的量值，矩陣Rmn即為復(fù)合模糊物元，其表達(dá)式為：

(1)

式中：Ci、Mj為特征i和事物j；xij為特征i關(guān)于事物j的模糊量值。

(2)

根據(jù)單項(xiàng)從優(yōu)隸屬度原則構(gòu)造較優(yōu)化的模糊物元矩陣，以水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作為單項(xiàng)指標(biāo)從優(yōu)隸屬度。標(biāo)準(zhǔn)樣本下各單因子模糊量值的隸屬程度為從優(yōu)隸屬度獲取方法，由于不同因子對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)的影響方向不同，從優(yōu)隸屬度標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中存在兩種不同的類型。針對(duì)正向和負(fù)向優(yōu)屬度的處理公式如下：

μji=(xji-minxji)/(maxxji-minxji)

(3)

μji=(minxji-xji)/(maxxji-minxji)(4)

式中：minxij、maxxij為各評(píng)價(jià)樣本所有量值中評(píng)價(jià)指標(biāo)i的最大與最小值；xji為評(píng)價(jià)指標(biāo)i關(guān)于事物j的量值。

(5)

式中：Δji=(u0i-uji)2；μ0i為標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0m的從優(yōu)隸屬度。

4) 熵權(quán)系數(shù)的計(jì)算。不同指標(biāo)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)率存在一定差異，在綜合評(píng)價(jià)前有必要計(jì)算確定各因子權(quán)重。熵是描述系統(tǒng)無(wú)序化程度的重要參數(shù)，在水質(zhì)評(píng)價(jià)中中信息熵的大小代表了指標(biāo)包含有效信息量的多少，因此系統(tǒng)信息的效用及有序度采用信息熵評(píng)價(jià)。熵權(quán)法可將各指標(biāo)權(quán)重按照真實(shí)數(shù)據(jù)確定，能夠有效避免人為因素的干擾，更加客觀的反映評(píng)價(jià)對(duì)象的實(shí)際狀況，熵權(quán)系數(shù)計(jì)算流程如下：

設(shè)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)為m，評(píng)價(jià)樣本數(shù)為n，結(jié)合河流水質(zhì)情況構(gòu)造判斷矩陣R=(xji)n×m，其中i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。采用歸一化計(jì)算公式(3)-(4)判斷矩陣R處理，從而構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)矩陣B，樣本j關(guān)于指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)值為bij。根據(jù)熵的具體內(nèi)涵計(jì)算指標(biāo)的熵Hi，計(jì)算公式為：

(6)

(7)

根據(jù)以上修正的計(jì)算公式求解指標(biāo)i的權(quán)重Wi為，其表達(dá)式如下：

(8)

5)計(jì)算貼進(jìn)度。標(biāo)準(zhǔn)樣本與待評(píng)價(jià)樣本之間的接近程度利用歐式貼進(jìn)度來(lái)反映，由此可類別劃分或優(yōu)劣排序各評(píng)價(jià)方案。根據(jù)上述計(jì)算方法建立標(biāo)準(zhǔn)樣本與待評(píng)樣本之間的歐式貼近度復(fù)合模糊物元RρH，表達(dá)式為：

(9)

其中，ρHj為標(biāo)準(zhǔn)樣本與評(píng)價(jià)對(duì)象的第j個(gè)接近程度，應(yīng)滿足下述計(jì)算式，即：

(10)

ρHj值越大，則標(biāo)準(zhǔn)樣本與評(píng)價(jià)對(duì)象間的接近程度隨貼進(jìn)度值的增大而增加；反之，則貼近程度越小。因此，標(biāo)準(zhǔn)樣本與水環(huán)境質(zhì)量之間的差別程度可利用貼進(jìn)度來(lái)表征。

2 結(jié)果分析

2.1 相關(guān)性分析

采用SPSS19.0和朱隈水庫(kù)2014-2018年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)各參數(shù)信息進(jìn)行相關(guān)性分析和統(tǒng)計(jì)性描述。其中，達(dá)到Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)有BOD5、COD、DO，其它各指標(biāo)均滿足Ⅲ類要求，2014-2018年期間年均變化幅度較大的參數(shù)值有COD、CODMn，TN、TP、NH3-N、BOD5、DO、pH變化較小，如表1所示。

表1 各評(píng)價(jià)因子統(tǒng)計(jì)性描述

續(xù)表1 各評(píng)價(jià)因子統(tǒng)計(jì)性描述

相關(guān)性分析見(jiàn)表2。

表2 指標(biāo)相關(guān)性分析

注：“*”、“**”為0.05和0.01水平上顯著相關(guān)

根據(jù)表2可知呈極顯著正相關(guān)的有CODMn與BOD5，二者的P<0.01，r=0.995，呈顯著正相關(guān)的有NH3-N與TN；CODMn與BOD5、NH3-N與TN在朱隈水庫(kù)水源地監(jiān)測(cè)斷面中具有同步增大的現(xiàn)象，遷移規(guī)律和復(fù)合污染趨勢(shì)基本上保持一致且可能存在幾種相似的污染來(lái)源。

2.2 水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

選取COD、CODMn，TN、TP、NH3-N、BOD5、DO、pH7項(xiàng)指標(biāo)作為朱隈水庫(kù)2014-2018年水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)定10個(gè)事物為5級(jí)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和5a朱隈水庫(kù)監(jiān)測(cè)斷面，7個(gè)特征與7項(xiàng)濃度值一一對(duì)應(yīng)，由此構(gòu)成復(fù)合模糊物元，如表3所示。

除DO為正向指標(biāo)外選取的其它6項(xiàng)水環(huán)境質(zhì)量均為負(fù)向指標(biāo)，對(duì)各指標(biāo)量值的從優(yōu)隸屬度分別選用公式(3)、(4)進(jìn)行計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)模糊物元為矩陣中最大的從優(yōu)隸屬度，即各項(xiàng)參評(píng)指標(biāo)關(guān)于矩陣R0n的值均為1，由此可構(gòu)造朱隈水庫(kù)差平方復(fù)合物元，如表4所示。

表3 朱隈水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量模糊物元

表4 水環(huán)境質(zhì)量差平方復(fù)合物元

根據(jù)7個(gè)指標(biāo)和10個(gè)事物構(gòu)成判斷矩陣，然后采用歸一化處理公式對(duì)判斷矩陣中各因子值進(jìn)行處理，并將計(jì)算結(jié)果代入熵值計(jì)算公式，從而確定各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，如表5所示。

表5 各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

根據(jù)歐式貼進(jìn)度計(jì)算公式和各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)、熵值計(jì)算結(jié)果，獲取朱隈水庫(kù)2014-2018年水環(huán)境質(zhì)量排序，見(jiàn)表4。從表5可以看出，2014-2018年期間朱隈水庫(kù)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)優(yōu)劣排序?yàn)?016年>2018年>2014年>2017年>2015年，其中水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)接近Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)的為2016年，評(píng)價(jià)等級(jí)最高，研究期間水質(zhì)評(píng)價(jià)最差的為2015年，但仍能夠達(dá)到Ⅰ類要求，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，在2014-2018年期間朱隈水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量較高，評(píng)價(jià)等級(jí)較高，可作為居民飲用水源地且完全符合飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。水體水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果較好，這與水源地周邊多農(nóng)業(yè)用地、遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)及城區(qū)、處于農(nóng)村地區(qū)等因素相關(guān)，水體污染源較少以少量農(nóng)業(yè)面源污染和地表徑流為主。依據(jù)實(shí)地考察結(jié)果，建議相關(guān)部門加強(qiáng)對(duì)飲用水源地的水質(zhì)監(jiān)測(cè)與管控，重視莊河流域農(nóng)藥、化肥等施用管控，保障水體環(huán)境和飲水安全。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)朱隈水庫(kù)2014-2018年主要污染物趨勢(shì)和水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)莊河流域的水質(zhì)狀況整體良好，可作為居民飲用水源地且完全符合飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，其中水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)接近Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)的為2016年，評(píng)價(jià)等級(jí)最高，水質(zhì)評(píng)價(jià)最差的為2015年，但仍能夠達(dá)到Ⅰ類要求。

五日生化需氧量、溶解氧、化學(xué)需氧量及高錳酸鹽指數(shù)為被測(cè)水體主要污染物來(lái)源，2014-2018年期間年均值變化幅度較大的為化學(xué)需氧量和高錳酸鹽指數(shù)，這兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)的影響較大。根據(jù)實(shí)地考察結(jié)果，建議相關(guān)部門加強(qiáng)對(duì)飲用水源地的水質(zhì)監(jiān)測(cè)與管控，重視莊河流域農(nóng)藥、化肥等施用管控，保障水體環(huán)境和飲水安全。