鐵嶺市柴河水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)估

鄭宇航

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

0 引 言

柴河水庫(kù)位于柴河中下游，總裝機(jī)容量7430kW，總庫(kù)容6.36億m3，控制面積1355km2，工程等別為Ⅱ等，該水庫(kù)是一座集供水、灌溉、防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等功能于一體的大(2)型樞紐工程，擔(dān)負(fù)著柴河流域和鐵嶺市的防洪任務(wù)。柴河中下游存在水深淺、徑流量逐年遞減、水體自?xún)裟芰Σ?、水流速度緩慢及底泥容易沉積等特征，且隨著人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化的加強(qiáng)，庫(kù)區(qū)水文情勢(shì)已發(fā)生顯著的改變，干支流來(lái)水量的減少及污染物量的增大對(duì)河流水生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。當(dāng)?shù)鼐用裆罱】蹬c水庫(kù)水質(zhì)優(yōu)劣狀況密切相關(guān)，隨著旅游業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)及周邊工況企業(yè)的發(fā)展，畜禽糞便、農(nóng)業(yè)化肥、工業(yè)和生活污水等對(duì)河流污染較為嚴(yán)重，在降雨徑流作用下排入河流并致使水庫(kù)水體持續(xù)惡化，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展、水體功能和水質(zhì)等構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[1]。

當(dāng)前，城市用水量不斷增加及環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，因水質(zhì)污染和水資源供給不足引起的用水持續(xù)緊張問(wèn)題成為城市發(fā)展的瓶頸之一，水環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向?yàn)樗畮?kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的評(píng)估[2]。在大量實(shí)踐的基礎(chǔ)上國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多評(píng)價(jià)方法并取得了豐碩成果，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色聚類(lèi)法和模糊評(píng)估法等，而密切值法相對(duì)于這些方法具有數(shù)學(xué)邏輯嚴(yán)禁、概念清晰、原理簡(jiǎn)單、計(jì)算簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，能夠更加準(zhǔn)確、全面的反映河流水質(zhì)狀況，在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[3-4]。然而，該方法因采用等權(quán)法獲取各參數(shù)重要度，使得實(shí)際情況與評(píng)價(jià)結(jié)果存在較大偏差，難以準(zhǔn)確反映各因子的貢獻(xiàn)率差異。

在處理各評(píng)估指標(biāo)時(shí)信息熵能夠顯著降低人為因素的干擾程度，從而保證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性與客觀性，據(jù)此文章考慮對(duì)指標(biāo)權(quán)重利用信息熵計(jì)算，將密切值法與信息熵相耦合系統(tǒng)評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化狀況。例如，鄭德鳳等以大連市為例，對(duì)傳統(tǒng)的密切值法采用熵值法加以改進(jìn)用于地下水質(zhì)狀況的評(píng)估；吳建華等采用多種密切值法評(píng)估了地下水環(huán)境質(zhì)量，研究認(rèn)為評(píng)價(jià)效果最為合理的為熵值密切值法；林華等對(duì)山仔水庫(kù)的營(yíng)養(yǎng)化類(lèi)型運(yùn)用屬性識(shí)別法、傳統(tǒng)密切值法、模糊數(shù)學(xué)發(fā)和熵值密切值法評(píng)估，認(rèn)為能夠客觀、科學(xué)反映水體營(yíng)養(yǎng)類(lèi)型的為熵值密切值法。

水庫(kù)功能能否得以正常發(fā)揮直接受到水質(zhì)狀況的影響，依據(jù)2010-2016年柴河水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)相關(guān)資料，對(duì)其營(yíng)養(yǎng)化狀況利用熵值密切值法科學(xué)評(píng)估，以期為提升庫(kù)區(qū)水生態(tài)功能和水環(huán)境保護(hù)力度提供指導(dǎo)。

1 密切值法的原理

密切值法是一種優(yōu)選系統(tǒng)工程的科學(xué)方法，其理論依據(jù)是選取一個(gè)能夠綜合體現(xiàn)水環(huán)境狀況的單項(xiàng)指標(biāo)替代影響水庫(kù)水質(zhì)的多項(xiàng)因子，通過(guò)設(shè)定基準(zhǔn)點(diǎn)為最劣或最優(yōu)單指標(biāo)值，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)與評(píng)估對(duì)象之間歐式距離進(jìn)行求解，將各評(píng)估對(duì)象按照密切值大小排序并確定最終的優(yōu)劣次序。

1.1 規(guī)范化處理

設(shè)水環(huán)境質(zhì)量n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為B1、B2、…、Bn，m個(gè)參評(píng)樣本數(shù)為S1、S2、…、Sn，aij為評(píng)價(jià)因子Bj關(guān)于參評(píng)樣本Si的實(shí)測(cè)值，由此可構(gòu)造n個(gè)評(píng)價(jià)因子m個(gè)參評(píng)樣本的評(píng)價(jià)矩陣A如下：

(1)

因矩陣中各參數(shù)值數(shù)量級(jí)、量綱的不同而無(wú)法直接參與比較，因此需要采用公式(2)標(biāo)準(zhǔn)化處理各評(píng)價(jià)指標(biāo)初始數(shù)據(jù)，即：

(2)

式中：aij、zaij——為評(píng)價(jià)指標(biāo)j關(guān)于參評(píng)樣本i的實(shí)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)化處理值。其中，正向指標(biāo)為效益、產(chǎn)量、產(chǎn)值等數(shù)值越大評(píng)價(jià)結(jié)果越優(yōu)型參數(shù)；負(fù)向指標(biāo)為成本、投資等數(shù)值越小評(píng)價(jià)結(jié)果越優(yōu)型參數(shù)。

1.2 最優(yōu)點(diǎn)集和最劣點(diǎn)集

(3)

(4)

1.3 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

合理的求解各指標(biāo)權(quán)重水體營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)估的關(guān)鍵，權(quán)重計(jì)算前應(yīng)歸一化處理矩陣中的各指標(biāo)值，歸一化公式為：

(5)

(6)

其中：k=(lnm)-1，hj=1-Ej。采用公式(7)求解水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)因子j的權(quán)重，計(jì)算式如下：

(7)

1.4 密切值的確定

(8)

(9)

(10)

采用以上公式即可確定各參評(píng)樣本的Ci值，然后對(duì)參評(píng)樣本按照Ci值大小排序，其值越大則水體營(yíng)養(yǎng)狀況越差，其值越小則水體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)越好。

1.5 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)河流水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化程度地表水質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程推薦的方法為線性插值評(píng)分法(簡(jiǎn)稱(chēng)SOC法)，該方法是將湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)分為重度、重度、輕度、中營(yíng)養(yǎng)和貧營(yíng)養(yǎng)5個(gè)級(jí)別，評(píng)價(jià)指標(biāo)有透明度SD、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、葉綠素Chl-a、總氮TN、總磷TP，不同等級(jí)下各參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 河湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)

續(xù)表1 河湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)等級(jí)

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 實(shí)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)化處理

依據(jù)2010-2016年柴河水庫(kù)水質(zhì)逐月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表2 柴河水庫(kù)水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

然后計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)TN、TP、SD、CODMn、Chl-a的平均值，將評(píng)估等級(jí)R4、R5、R6與逐月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均值構(gòu)成評(píng)判矩陣A如下：

A=

水環(huán)境營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)負(fù)向評(píng)估指標(biāo)為SD以外的其它4項(xiàng)參數(shù)，采用規(guī)范化處理公式對(duì)矩陣A中的指標(biāo)初始值，從而獲取規(guī)范矩陣Z如下：

Z=

2.2 評(píng)估指標(biāo)密切值

2.3 結(jié)果分析

根據(jù)柴河水庫(kù)2010-2016年各指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和表1營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)估等級(jí)，對(duì)各年份水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)等級(jí)利用SOC法和熵值密切值法進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果可知，營(yíng)養(yǎng)狀況參考依據(jù)為R4、R5、R6評(píng)價(jià)值，對(duì)柴河水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)按照密切值大小排序?yàn)椋篟6>2012年>2013年>2014年>2016年>2015年>2011年>2010年>R5>R4；水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)按照SOC值計(jì)算結(jié)果排序?yàn)椋篟6>R5>2012年>2013年>2014年>2016年>2015年>2011年>2010年>R4。柴河水庫(kù)2010-2016年?duì)I養(yǎng)狀況按照密切值法可認(rèn)為處于R5-R6等級(jí)，整體達(dá)到輕度等級(jí)；按照SOC法可認(rèn)為營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)處于R4-R5等級(jí)，總體位于中營(yíng)養(yǎng)程度。同時(shí)，不同年份的水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)按照兩種方法的排序結(jié)果存在差異，引起評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異的原因包括：

1)評(píng)估原理不同。SOC法是采用評(píng)價(jià)指標(biāo)賦分值替代實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)加權(quán)平均確定指標(biāo)賦分，湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)按照均值隸屬等級(jí)確定；密切值法是以最劣點(diǎn)和最優(yōu)點(diǎn)為基準(zhǔn)對(duì)決策方案集進(jìn)行分析，從而確定距離最劣點(diǎn)和接近最優(yōu)點(diǎn)的決策點(diǎn)，最佳方案以該決策點(diǎn)替代，各年份營(yíng)養(yǎng)狀等級(jí)排序按照密切值大小確定，因以上兩種方法評(píng)估原理的不同使得最終評(píng)價(jià)等級(jí)存在一定差異。

2)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算方法存在差異。SOC法未考慮評(píng)價(jià)結(jié)果受不同指標(biāo)影響的差異，評(píng)價(jià)指標(biāo)按照等權(quán)法確定；熵值密切值法體現(xiàn)了不同指標(biāo)對(duì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)估的差異性，所以評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況的吻合度更高，評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性和真實(shí)性更強(qiáng)。

綜上分析，對(duì)于水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的評(píng)估熵值密切值法具有更強(qiáng)的適用性，柴河水庫(kù)2010-2016年的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)處于輕度范圍，其原因?yàn)榭偟獫舛瘸瑯?biāo)致使水環(huán)境持續(xù)惡化。將密切值法利用信息熵優(yōu)化改進(jìn)，不僅能夠確定造成水質(zhì)污染的主要因素，而且避免了SOC法存在的主觀隨意性，從而保證了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀真實(shí)性，在湖庫(kù)水環(huán)境評(píng)價(jià)中該方法具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

2.4 建議措施

柴河水庫(kù)對(duì)于保障鐵嶺市各行業(yè)用水發(fā)揮著不可替代的作用，飲用水和供水水質(zhì)受總氮超標(biāo)影響顯著，為提升水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量可從如下幾方面入手：①水庫(kù)周邊垃圾和雨水徑流污染物為面源污染主要來(lái)源，因此最為有效的控制方法為清理周邊垃圾。②水庫(kù)水質(zhì)在很大程度上取決于外源入河沉淀情況，底泥可對(duì)水體環(huán)境可產(chǎn)生二次污染，在外源控制情況下氮磷、重金屬等也會(huì)在特定條件下進(jìn)入水體，并在庫(kù)區(qū)底部逐漸積累，對(duì)上部分水體產(chǎn)生影響，建議采取生物酶底泥修復(fù)與機(jī)械清淤內(nèi)源污染控制措施。③水體中氮、磷濃度較高可造成水質(zhì)惡化、水生物死亡等嚴(yán)重問(wèn)題，同時(shí)灰使得水體發(fā)黑發(fā)臭，所以這也屬于生態(tài)失衡問(wèn)題。因此，在條件允許的情況下提高總磷、總磷排放標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嵭邢蘖着欧糯胧┑染哂酗@著的成效。

3 結(jié) 論

根據(jù)柴河水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量實(shí)際情況和SOC法設(shè)置的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)2010-2016年柴河水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化狀況利用熵值密切值法進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：總氮含量超標(biāo)為造成柴河水庫(kù)2010-2016年處于輕度營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的主要因素。熵值密切值法綜合考慮了不同指標(biāo)對(duì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)估的貢獻(xiàn)率，有效避免了SOC法存在的主觀隨意性，保證了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀真實(shí)性。所以，在湖庫(kù)水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)估中熵值密切值法可作為當(dāng)前廣泛應(yīng)用的方法。為改善水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量，應(yīng)充分發(fā)揮治污措施的功能作用，制定的治污方案應(yīng)盡可能的遵循水質(zhì)凈化、生態(tài)修復(fù)、清水補(bǔ)給、外源減排等原則。