松花江哈爾濱段水環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化研究

孟伯陽(yáng)，赫俊國(guó)，王 鵬

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)英才學(xué)院，哈爾濱150090;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地表水環(huán)境出現(xiàn)污染的現(xiàn)象越來(lái)越引起人們的關(guān)注，河流水質(zhì)的好壞可以影響到整個(gè)區(qū)域社會(huì)－經(jīng)濟(jì)－生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)是否能夠可持續(xù)發(fā)展[1].因此，對(duì)河流水質(zhì)評(píng)價(jià)問(wèn)題一直是環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[2－4].河流水質(zhì)評(píng)價(jià)是指根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)河流的水質(zhì)現(xiàn)狀、變化趨勢(shì)及其變化原因進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)河流水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)可以了解水環(huán)境質(zhì)量的過(guò)去、現(xiàn)在以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和變化規(guī)律，可以了解和掌握影響本地區(qū)環(huán)境質(zhì)量的主要污染因子和主要污染源，從而有針對(duì)性地制定改善環(huán)境質(zhì)量的污染源治理方案和綜合防治規(guī)劃與措施[5].但是由于對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)會(huì)涉及到很多指標(biāo)，各指標(biāo)之間也存在內(nèi)在的聯(lián)系，因此可以認(rèn)為河流水質(zhì)是由多因素控制的、復(fù)雜的、非線性的模糊系統(tǒng)，對(duì)這類系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)具有模糊性.而模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法是基于水質(zhì)評(píng)價(jià)中的模糊性及不確定性建立起來(lái)的一種評(píng)判方法，因此，該方法在天然水體的水質(zhì)評(píng)價(jià)中得到了廣泛的研究與應(yīng)用[6－9].由于一個(gè)流域的水環(huán)境在不同斷面、不同水期環(huán)境質(zhì)量存在一定的差異，存在著眾多影響因素，系統(tǒng)具有比較典型的模糊特征，為此，本文采用模糊綜合評(píng)判法，以松花江(哈爾濱段)的水環(huán)境為研究對(duì)象，對(duì)該地表水體中水環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，以期找出該水體水環(huán)境質(zhì)量變化的主要影響因素.

1 研究方法與研究對(duì)象

1.1 研究方法

研究方法采用模糊綜合評(píng)判法.模糊數(shù)學(xué)是用數(shù)學(xué)方法研究和處理具有“模糊性”現(xiàn)象的數(shù)學(xué).模糊數(shù)學(xué)誕生于1965年.模糊數(shù)學(xué)自誕生以來(lái)，其應(yīng)用不僅體現(xiàn)在數(shù)學(xué)問(wèn)題的處理上，對(duì)于處理模糊的實(shí)際事物更能體現(xiàn)出它的應(yīng)用價(jià)值.采用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行水質(zhì)級(jí)別評(píng)判的核心問(wèn)題是對(duì)于監(jiān)測(cè)結(jié)果建立隸屬函數(shù).本研究采用降半梯形分布法確定各元素隸屬函數(shù)，降半梯形分布公式為:

模糊綜合評(píng)判就是模糊變換問(wèn)題，其原理是:

其中權(quán)重的計(jì)算是該方法中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，計(jì)算權(quán)重的方法不同，水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果差異就可能有很大區(qū)別.本文采用目前最為常用的單項(xiàng)指數(shù)評(píng)價(jià)法確定權(quán)重[10－11].

該方法通過(guò)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)占標(biāo)準(zhǔn)值的百分比，在一定程度上，反映了污染超標(biāo)的輕重對(duì)因子權(quán)重的影響.公式為:

其中:wij為第i個(gè)因子的權(quán)重;xi為第i個(gè)因子的實(shí)測(cè)值;Sij為第i個(gè)因子的標(biāo)準(zhǔn)值.

評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)值采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)中的規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值.

1.2 研究對(duì)象

研究對(duì)象為松花江哈爾濱段.哈爾濱市至佳木斯市是松花江干流中段，主要匯入支流有阿什河與呼蘭河.

本研究選用松花江(哈爾濱段)2010年水體6個(gè)斷面8個(gè)月份的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征的系統(tǒng)研究.6個(gè)采樣斷面中有4個(gè)斷面為主流斷面，另外兩個(gè)斷面分別為匯入松花江的支流斷面，即阿什河口內(nèi)與呼蘭河口內(nèi);8個(gè)月份分別代表了研究水體枯水期、平水期以及豐水期的水體狀況.監(jiān)測(cè)斷面以及相互位置關(guān)系見圖1.

圖1 松花江(哈爾濱段)監(jiān)測(cè)斷面位置示意圖

2 松花江哈爾濱段水環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征分析

2.1 水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

2.1.1 數(shù)據(jù)選用

根據(jù)對(duì)松花江哈爾濱段2010年不同水期不同監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取了1、2、5、6、7、8、9、10代表枯水期、平水期、豐水期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為本研究的對(duì)象.

2.1.2 評(píng)價(jià)因子和評(píng)價(jià)集

在原始的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，經(jīng)過(guò)篩選，選擇了高錳酸鹽指數(shù)、COD、BOD、氨氮、總磷、以及氟化物等6項(xiàng)能夠反映該水體污染特征的指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，即U={高錳酸鹽指數(shù)，氨氮，COD，BOD，總磷，氟化物}.根據(jù)國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838－2002)的規(guī)定，將水質(zhì)級(jí)別定為5級(jí)，因此，評(píng)價(jià)集為v={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}.

2.1.3 單因子評(píng)價(jià)矩陣的確定

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定的限值，采用半梯形法確定各指標(biāo)屬于各水質(zhì)級(jí)別的隸屬函數(shù)，從而 ，確定單因子隸屬度，得到單因子評(píng)價(jià)矩陣R.

2.1.4 權(quán)重計(jì)算

采用單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法權(quán)重賦值方法進(jìn)行了權(quán)重的計(jì)算，結(jié)果見表1.

表1 權(quán)重計(jì)算結(jié)果一覽表(以樣本1為例)

2.1.5 評(píng)價(jià)結(jié)果

采用以隸屬度最大值對(duì)應(yīng)的級(jí)別為評(píng)判結(jié)果的方法確定各水體所屬的級(jí)別進(jìn)行評(píng)價(jià)，其綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表2及圖2.

表2 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

圖2 松花江干流4個(gè)斷面不同水期的環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 松花江哈爾濱段水環(huán)境質(zhì)量隨時(shí)間變化特征分析

從表2與圖2可以看出，松花江哈爾濱段干流4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在不同月份所反映出的水環(huán)境質(zhì)量存在著一定的變化，而且變化規(guī)律存在著一定的相似性，無(wú)支流影響的朱順屯與大頂子山斷面的環(huán)境質(zhì)量隨時(shí)間變化規(guī)律具有一致性;而同樣有支流匯入的阿什河口下與呼蘭河口下質(zhì)量的變化情況也具有相似性.總體而言，在枯水期(1、2月份)各斷面的水環(huán)境質(zhì)量較差，處于Ⅲ級(jí)以下水平，甚至是處于Ⅴ級(jí)狀態(tài);而且，2月份的水質(zhì)在所有監(jiān)測(cè)的8個(gè)月份中最差.進(jìn)入5月份以后，環(huán)境質(zhì)量逐漸改善，特別是在9月份達(dá)到了環(huán)境質(zhì)量最好的狀態(tài).分析認(rèn)為，溫度上升，地表水體自凈能力開始增強(qiáng);同時(shí)，隨著降雨增加，松花江從枯水期進(jìn)入小豐水期、平水期和豐水期，水流量的增加，對(duì)污染物的稀釋起到了較大的作用.圖3給出了松花江哈爾濱段2010年月平均流量的變化情況，從圖中可以看出:5月份、6月份平均流量開始增加，水環(huán)境質(zhì)量變好，7月份平均流量降低，朱順屯與大頂子山斷面的水環(huán)境質(zhì)量變差，等到8月份隨著平均流量的增加，水環(huán)境質(zhì)量又開始向改善的方向變化，在9月份達(dá)到最佳的狀態(tài).

圖3 松花江哈爾段干流流量月變化情況曲線圖

2.3 松花江哈爾濱段水環(huán)境質(zhì)量隨空間變化特征分析

從朱順屯到大頂山斷面大約長(zhǎng)度為66 km，期間主要有阿什河與呼蘭河支流的匯入，從表2可以看出，兩條支流的環(huán)境質(zhì)量狀況均較差，尤其是阿什河支流，基本處于Ⅴ級(jí)水平，呼蘭河則處于Ⅲ級(jí)至Ⅴ級(jí)之間.阿什河與呼蘭河支流匯入到松花江干流后，對(duì)松花江干流的水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響.分別見圖4、5.從中可以看出:松花江干流對(duì)支流匯入的污染物起到了較大的稀釋作用，例如:阿什河支流匯入前環(huán)境質(zhì)量處于Ⅴ及水平，匯入到干流后則變?yōu)棰艏?jí)或Ⅲ級(jí)水平.但對(duì)于干流而言，阿什河支流的匯入對(duì)松花江干流產(chǎn)生了一定的影響，特別是5月份與9月份，造成了松花江水環(huán)境質(zhì)量級(jí)別產(chǎn)生了較大變化.

圖4 阿什河支流匯入后松花江水環(huán)境質(zhì)量對(duì)比情況示意圖

圖5 呼蘭河支流匯入后松花江水環(huán)境質(zhì)量對(duì)比情況示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

松花江哈爾濱段干流4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在不同月份所反映出的水環(huán)境質(zhì)量存在著一定的變化，總體而言，在枯水期(1、2月份)各斷面的水環(huán)境質(zhì)量較差，處于Ⅲ級(jí)以下水平，甚至是處于Ⅴ級(jí)狀態(tài)，2月份的水質(zhì)在監(jiān)測(cè)的8個(gè)月份中最差.在8、9月份達(dá)到了環(huán)境質(zhì)量最好的狀態(tài).分析認(rèn)為，溫度上升，松花江干流平均流量增加是水質(zhì)變化的主要影響因素.

阿什河與呼蘭河支流的匯入，對(duì)松花江干流的水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響，而松花江干流對(duì)支流匯入的污染物起到了較大的稀釋作用.阿什河支流匯入前環(huán)境質(zhì)量處于Ⅴ級(jí)水平，匯入到干流后則變?yōu)棰艏?jí)或Ⅲ級(jí)水平.對(duì)于干流而言，阿什河支流的匯入對(duì)松花江干流產(chǎn)生了一定的影響，特別是5月份與9月份，造成了松花江水環(huán)境質(zhì)量級(jí)別產(chǎn)生了較大變化.

[1]陳 奕，許有鵬.河流水質(zhì)評(píng)價(jià)中模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法的應(yīng)用與比較[J].四川環(huán)境，2009，28(1):94－98.

[2]金菊良，楊曉華，金保明，等.水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的新模型[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2000，16(4):42－47.

[3]陳仁杰，錢海雷，闞海東，等.水質(zhì)評(píng)價(jià)綜合指數(shù)法的研究進(jìn)展[J].勞動(dòng)醫(yī)學(xué)，2009，26(6):581－584.

[4]方紅衛(wèi)，孫世群，朱雨龍，等.主成分分析法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用及分析[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2009，34(12):152－154.

[5]程西方，譚炳卿.水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)及存在問(wèn)題淺析[C]//水環(huán)境保護(hù)與管理文集，鄭州:黃河水利出版社，2002.232－261.

[6]沈繼紅，付肖燕 ，趙玉新.模糊綜合評(píng)估模型的改進(jìn)[J].模糊系統(tǒng)與數(shù)學(xué)，2011，25(3):127－132.

[7]潘 峰，付 強(qiáng)，梁 川.模糊綜合評(píng)價(jià)在水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境工程，2002，20(2):58－60.

[8]潘 怡，仵彥卿，葉屬峰，等.上海海域水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2009，28(3):283－287.

[9]劉延美，劉守江，曾陽(yáng)梅.模糊數(shù)學(xué)在西昌邛海富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].四川環(huán)境，2011，30(2):67－70.

[10]朱 青，周生路，孫兆金，等.兩種模糊數(shù)學(xué)模型在土壤重金屬綜合污染評(píng)價(jià)中的應(yīng)用與比較[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2004，30(3):53－57.

[11]邵 雪，孟憲林，王 鵬.灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度法在松花江水質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)用[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)報(bào)，2011，27(6):810－813.