基于物元法的青衣江雨城區(qū)段水質(zhì)評(píng)價(jià)研究

李夢(mèng)玲，鄧 玉

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 雅安 625014；2.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

河流作為水資源的重要載體，正面臨著嚴(yán)重的污染問題。水質(zhì)評(píng)價(jià)是流域水環(huán)境管理的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，結(jié)合相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以簡(jiǎn)便、快速、有效的評(píng)判水體污染情況，為制定科學(xué)合理水環(huán)境規(guī)劃管理提供決策依據(jù)。目前，常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要有不確定性分析方法[1]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[2]、模糊評(píng)價(jià)法[3]、投影尋蹤模型[4]、灰色關(guān)聯(lián)度方法[5]等。但這些方法都存在不同程度的缺陷，需根據(jù)具體數(shù)據(jù)及區(qū)域特點(diǎn)選擇合適的方法對(duì)特定區(qū)域水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

物元分析法是可拓工程方法的一種，將定性分析與定量分析相結(jié)合，減少了傳統(tǒng)評(píng)估方法在權(quán)重賦值時(shí)的主觀性，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)、全面以及合理[6-8]。物元分析法已被應(yīng)用在水環(huán)境評(píng)價(jià)工作中。劉燦均等[9]通過構(gòu)建物元模型對(duì)溫榆河水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明物元分析法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中計(jì)算簡(jiǎn)捷，具有能夠綜合反映水質(zhì)狀況的特點(diǎn)。郭亮[10]構(gòu)建的物元可拓模型對(duì)葫蘆島市淺層地下水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，表明物元模型具有較高的精確度和可靠性，可應(yīng)用于水質(zhì)的定量評(píng)價(jià)分析。

本文通過分析青衣江雨城區(qū)段水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并建立物元評(píng)價(jià)模型，對(duì)青衣江雨城區(qū)段水環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)青衣江流域現(xiàn)狀提出治理建議，為青衣江流域可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

青衣江是大渡河左岸一級(jí)支流，河長(zhǎng)276 km，流域面積1.33萬km2，發(fā)源于邛崍山脈巴朗山與夾金山之間的蜀西營(yíng)(海拔高程4930 m)，流經(jīng)雅安、洪雅、夾江于樂山草鞋渡處匯入大渡河。青衣江流域?qū)偎拇ㄅ璧貋啛釒駶?rùn)氣候區(qū)，流域多年平均氣溫14.1℃～17.1℃，隨地形高低而產(chǎn)生差異，最高氣溫多出現(xiàn)在7月、8月，多年平均蒸發(fā)量1011.2 m。流域內(nèi)降雨量非常充沛，南部有峨眉暴雨中心，雨量豐沛，多年平均降雨量達(dá)1777 mm，大部分地區(qū)均在1200 mm以上。

多營(yíng)斷面是青衣江雨城區(qū)段的入境斷面，龜都府?dāng)嗝媸浅鼍硵嗝妫摵佣瘟鹘?jīng)雅安市主城區(qū)及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)，為沿岸居民提供生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水。河段內(nèi)建有沙坪、大興、龜都府等水電站，以調(diào)節(jié)流域內(nèi)用水。青衣江雨城區(qū)段流域范圍見圖1。

圖1 研究區(qū)位置

1.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源于雅安市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，包括2016年5月～2017年5月雨城區(qū)多營(yíng)斷面和龜都府?dāng)嗝娴乃|(zhì)數(shù)據(jù)，具體見表1。

表1 水功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量總體特征

2 模型評(píng)價(jià)與結(jié)果

2.1 水質(zhì)變化特征

選取總磷、溶解氧、氨氮、CODMn、五日生化需氧量五項(xiàng)指標(biāo)分析兩斷面水質(zhì)年內(nèi)變化特征，從而分析青衣江雅安段年內(nèi)水質(zhì)情況，具體見圖2。

(a)總磷

如圖2(a)所示，河段內(nèi)總磷含量相對(duì)較低，兩斷面含量基本相同，除7月、8月含量超標(biāo)外，其余時(shí)段內(nèi)含量變化不大，且均為Ⅱ類水質(zhì)。如圖2(b)所示，兩斷面溶解氧含量基本保持一致，僅7月份為Ⅱ類水，其余時(shí)段內(nèi)均為Ⅰ類水質(zhì)。河段內(nèi)溶解氧含量低，故河流污染程度較低，水質(zhì)較好[11]。由圖2(c)可得兩斷面氨氮含量基本保持在Ⅰ類水和Ⅱ類水之間，但上游含量稍高于下游。故氨氮的污染較少，在夏秋季節(jié)，降水較多，對(duì)于氨氮濃度的稀釋作用較強(qiáng)，因此含量較低[12]。如圖2(d)所示，該河段內(nèi)CODMn僅7月、8月份為Ⅱ類水質(zhì)，其余時(shí)間均為Ⅰ類水，河流中無機(jī)和有機(jī)可氧化物質(zhì)的污染較少。CODMn隨季節(jié)的變化并不明顯，表明水中無機(jī)和有機(jī)可氧化物質(zhì)的數(shù)量沒有明顯的隨季節(jié)變化，污染物的氧化過程與溫度的關(guān)系并不明顯。如圖2(e)所示，BOD5含量在全年內(nèi)均小于3 mg/L。根據(jù)國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，屬于Ⅰ類水質(zhì)，說明青衣江雨城區(qū)段受污染程度低，水體自凈能力較強(qiáng)[13]。

可見，青衣江雨城區(qū)段河流的各項(xiàng)指標(biāo)均保持Ⅰ類、Ⅱ類之間，水環(huán)境質(zhì)量較好。

2.2 模型建立

由于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)給定的地表水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)比較多，考慮到所得數(shù)據(jù)實(shí)際情況及計(jì)算量繁簡(jiǎn)等因素，篩選出具有代表性的pH值、總氮、氨氮、CODMn、溶解氧、BOD5、糞大腸菌類、硒、砷九項(xiàng)指標(biāo)為待測(cè)評(píng)物元。

由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)量化值不全相同，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)代入式(1)歸一化處理：

m1j=n1j/(n1j+n2j+n3j+n4j+n5j)

(1)

式中：m1j為n1j歸一化結(jié)果，nij為各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值。

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 歸一化水功能區(qū)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值及實(shí)測(cè)值

2.2.1 確定經(jīng)典域、節(jié)域物元和待判物元

用水質(zhì)監(jiān)測(cè)值作為待判物元，則青衣江多營(yíng)—龜都府水功能區(qū)2016年～2017年的節(jié)域物元與待判物元如下。

節(jié)域物元：

待判物元：

2.2.2 關(guān)聯(lián)度

根據(jù)式(2)～式(4)分別計(jì)算兩斷面各評(píng)價(jià)因子的參數(shù)距以及關(guān)聯(lián)函數(shù)值。

距的計(jì)算：

(2)

(3)

確定關(guān)聯(lián)函數(shù)：

(4)

|Xij|=|aij-bij|

對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)Ni(i=1，2，…，m)的門限值xji(j=1，2，…，n)，權(quán)系數(shù)為：

(5)

采用污染物濃度超標(biāo)法，運(yùn)用上述公式(5)計(jì)算各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重見表3。

表3 權(quán)系數(shù)值

2.2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

關(guān)聯(lián)度及評(píng)定等級(jí)：

kj(p)=∑aijkj(vi)(j=1,2,3…m)

(6)

式中：Kj(P)為待評(píng)價(jià)對(duì)象P關(guān)于等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度。

若Kj=max{Kj(P)}，j∈{1，2，…，m}，則評(píng)定P屬于等級(jí)j。

根據(jù)上述式(6)計(jì)算隸屬程度，結(jié)果見表4。

表4 隸屬程度結(jié)果表

質(zhì)量等級(jí)評(píng)定：

Kj多=maxKj2(P02)=0.042，因而2016年～2017年多營(yíng)斷面水質(zhì)屬于Ⅰ類水。

Kj龜=maxKj1(P01)=0.0181，因而2016年～2017年龜都府?dāng)嗝嫠|(zhì)屬于Ⅱ類水。

結(jié)果表明：位于河段上游的多營(yíng)斷面隸屬程度最大值出現(xiàn)在Ⅰ類，故多營(yíng)斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅰ類水，下游的龜都府?dāng)嗝骐`屬程度最大值出現(xiàn)在Ⅱ類，故多營(yíng)斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅱ類水。因此青衣江多營(yíng)-龜都府水功能區(qū)水環(huán)境水質(zhì)總體較好，且上游水質(zhì)明顯優(yōu)于下游。

2.3 討論

綜上所述，在各時(shí)段的總磷、氨氮、CODMn、BOD5、溶解氧的含量分析中，青衣江雨城區(qū)段水環(huán)境質(zhì)量變化幅度較小，基本維持在Ⅰ、Ⅱ類水質(zhì)。上游多營(yíng)斷面的氨氮指標(biāo)在一月超標(biāo)，但下游斷面含量有所下降，且上下游斷面各指標(biāo)變化趨勢(shì)基本一致，且含量相近，說明青衣江的流動(dòng)性較大，自身凈化能力較強(qiáng)。

基于物元分析法構(gòu)建地青衣江多營(yíng)-龜都府水功能區(qū)水環(huán)境的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型，可以實(shí)現(xiàn)歸總各因素指標(biāo)的所有內(nèi)容的目標(biāo)，避免信息的丟失，所得評(píng)價(jià)結(jié)果與水質(zhì)變化特征分析結(jié)果一致，因此該模型用于評(píng)價(jià)青衣江多營(yíng)-龜都府水功能水質(zhì)，能夠反映水質(zhì)真實(shí)狀況。

該河段流經(jīng)地區(qū)多為舊居民區(qū)，主要吸收沿岸居民生活污水、農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)企業(yè)以及養(yǎng)殖廢水等，產(chǎn)生高濃度的污染物，特別是有機(jī)物、氮、磷、細(xì)菌等，使出境斷面水質(zhì)變差。完善城區(qū)污水處理系統(tǒng)，加強(qiáng)污水處理廠的運(yùn)行管理，加大周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠的管理與投入，完善和規(guī)范運(yùn)營(yíng)機(jī)制，確保污水處理設(shè)施能夠運(yùn)行穩(wěn)定，使污水達(dá)標(biāo)排放。確保居民生活垃圾的清理運(yùn)輸工作，積極引導(dǎo)居民進(jìn)行垃圾分類，鼓勵(lì)居民共同參與到污染治理的工作中。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)，多營(yíng)斷面、龜都府?dāng)嗝嫠|(zhì)年內(nèi)基本為Ⅰ類、Ⅱ類。

(2)物元評(píng)價(jià)法的結(jié)果表明，多營(yíng)斷面水質(zhì)為Ⅰ類，龜都府?dāng)嗝嫠|(zhì)為Ⅱ類，整體水質(zhì)情況較好。且基于物元評(píng)價(jià)模型的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，真實(shí)的反應(yīng)出該河段水質(zhì)的真實(shí)情況，因此該方法具有一定的理論指導(dǎo)意義和使用價(jià)值以及良好的適應(yīng)性。