元陽(yáng)梯田區(qū)大魚(yú)塘小流域水質(zhì)分析與模糊綜合評(píng)價(jià)
——以元陽(yáng)梯田區(qū)大魚(yú)塘小流域?yàn)槔?/h1>

2021-06-04 06:51:48劉詩(shī)雨

環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊訂閱 2021年3期 收藏

關(guān)鍵詞：魚(yú)塘梯田水樣

劉詩(shī)雨

(中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

水是一切生命賴以存在的基礎(chǔ)，是自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)不可替代的要素，是人類生活和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)條件[1-2]。隨著人口與經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，水資源的需求量不斷增加，水資源短缺與水環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，越來(lái)越嚴(yán)重地困擾人類的生存與發(fā)展[2]。水質(zhì)評(píng)價(jià)是對(duì)水資源進(jìn)行監(jiān)督管理的重要手段。水質(zhì)評(píng)價(jià)即選取水體的水質(zhì)指標(biāo)以及相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)科學(xué)的計(jì)算方法確定各指標(biāo)重要性，并評(píng)價(jià)水體的綜合水質(zhì)等級(jí)[3]。

元陽(yáng)梯田已有1300多年的歷史，其核心區(qū)約有梯田1.32×104hm2，分布于海拔700～1800m，坡度為15～75°的溝壑山嶺間[4]，其最典型的土地利用格局是在坡面上形成了森林-哈尼聚落-梯田的垂直空間分布模式，其中水生態(tài)過(guò)程是維持景觀穩(wěn)定性最重要的過(guò)程[5]。

因此，水質(zhì)現(xiàn)狀是否良好不僅影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)與生活發(fā)展，也影響著梯田的可持續(xù)發(fā)展。

目前，采用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要包括: 算數(shù)或加權(quán)平均法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]、綜合污染指數(shù)法[7]、單因子評(píng)價(jià)法[8]、灰色聚類分析法[9]和模糊綜合評(píng)價(jià)法等[10]。由于水體環(huán)境存在大量不確定因素，且水質(zhì)類別的劃分、標(biāo)準(zhǔn)確定都具有模糊性，選擇所需數(shù)據(jù)量少的模糊綜合評(píng)價(jià)法能較客觀、全面地反映水體污染程度和水質(zhì)類別，使評(píng)價(jià)結(jié)果更具有可靠性。

1 模糊綜合評(píng)價(jià)模型概述

模糊綜合評(píng)價(jià)法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)給出的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)值，經(jīng)過(guò)模糊變換，對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象給出總的評(píng)價(jià)的一種方法。在水質(zhì)評(píng)價(jià)中，應(yīng)該找出影響水質(zhì)的各主要因素，確定評(píng)價(jià)因素集、評(píng)判集、隸屬函數(shù)，然后通過(guò)計(jì)算各因素的權(quán)重和隸屬度，得到綜合隸屬度，確定水質(zhì)級(jí)別。該方法可以體現(xiàn)水質(zhì)污染程度由輕到重逐漸變化的模糊特性，評(píng)價(jià)結(jié)果比較合理，更加接近客觀實(shí)際[11]。建立模糊綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型的步驟如下[12]：

(1)構(gòu)造因素集U=(TN(總氮)，TP(總磷))=(x1，x2)；被評(píng)判對(duì)象的各因素組成的集合。

(2)構(gòu)造評(píng)判集V=(Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí)，Ⅴ級(jí))=(y1,y2,y3,y4,y5)；評(píng)語(yǔ)組成的集合。

(3)權(quán)重系數(shù)的確定。在評(píng)價(jià)中要考慮到各單項(xiàng)指標(biāo)在總體污染中作用大小不同。這不僅與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大小有關(guān)，而且與某種用途水中各指標(biāo)的允許濃度有關(guān)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相同而允許濃度高標(biāo)準(zhǔn)卻低的指標(biāo)對(duì)污染程度影響較小。因此在綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中要進(jìn)行權(quán)重計(jì)算[13]。各因素在綜合評(píng)價(jià)中的權(quán)重計(jì)算公式為：

(1)

式中：Wki為權(quán)重因子，Xki為第k種水樣第i個(gè)因子的實(shí)測(cè)濃度；Si為第i個(gè)因子各等級(jí)代表值的算術(shù)平均值；ai為第i種指標(biāo)在各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的代表值；n為分級(jí)數(shù)；Sim為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中各級(jí)濃度標(biāo)準(zhǔn)值。為進(jìn)行模糊復(fù)合運(yùn)算，各單因素權(quán)重必須做歸一化處理，公式為：

(2)

式中：aki為第k個(gè)水樣的第i個(gè)因子的權(quán)重值。

將n個(gè)單因子的實(shí)測(cè)值和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值代入公式(1)和(2)，便可求得各單因子的權(quán)重值，并由其組成模糊矩陣A,即因子權(quán)重集A=(ak1,ak2,…,akn)。

(4)建立隸屬函數(shù)和模糊關(guān)系矩陣R。

(3)

(4)

(5)建立綜合評(píng)判矩陣B=(b1,b2,…,bm)，即

(5)

2 大魚(yú)塘小流域水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)

2.1 研究區(qū)概況

大魚(yú)塘村位于云南省紅河哈尼彝族自治州元陽(yáng)縣，屬于山區(qū)。距離村委會(huì)0.00km,距離新街鎮(zhèn)29.00km，國(guó)土面積5.55km2，海拔1920.00m，年平均氣溫14.00℃，年降水量1370.00mm，適宜種植水稻、玉米等農(nóng)作物。有耕地70.43hm2(1056.46畝)，其中人均耕地0.073hm2(1.10畝)；有林地302.147hm2(4532.20畝)。全村轄1個(gè)村民小組，有農(nóng)戶219戶，鄉(xiāng)村人口1051人，其中農(nóng)業(yè)人口1051人，勞動(dòng)力654人，其中從事第一產(chǎn)業(yè)人數(shù)556人。2015年全村經(jīng)濟(jì)總收入641.00萬(wàn)元，農(nóng)民人均純收入3707.00元。農(nóng)民收入主要以種植業(yè)、畜牧業(yè)為主，沒(méi)有溝長(zhǎng)制度存在[14]。

2.2 采樣點(diǎn)的布設(shè)及樣品采集

2.2.1 采樣點(diǎn)布設(shè)

以《HJ/T 91-2002地表水和污水檢測(cè)技術(shù)規(guī)定》[15]、元陽(yáng)梯田獨(dú)特的“森林—聚落—梯田—江河”四素同構(gòu)的土地利用格局、是否經(jīng)過(guò)聚落為考慮要素，從上到下依次選取九處采樣檢測(cè)點(diǎn)位(森林上方G01、S02,森林出口G03、H05、J02,大魚(yú)塘G09,梯田交匯口J05,河流入水口H03、H01)(見(jiàn)圖 1)，并用 GPS 對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行定位(見(jiàn)表 1)。

表1 采樣點(diǎn)地理位置

2.2.2 樣品采集

根據(jù)《HJ/T 91-2002地表水和污水檢測(cè)技術(shù)規(guī)定》和《GJW-03-SSG-002國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)網(wǎng)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)(2017)》標(biāo)準(zhǔn)[16]，用具塞聚乙烯瓶作盛樣容器，采集水樣之前，用水樣沖洗采樣容器和盛樣容器 2～3次。采用地表表層水取樣法。由于是對(duì)總氮和總磷進(jìn)行分析，故需采集的水樣為 500mL(總磷)、250mL(總氮)即可。靜置30min后，用吸管虹吸的方式一次或幾次移取水樣，吸管進(jìn)水尖嘴應(yīng)插至水樣表層50mm以下位置，再加保存劑保存。貼好不干膠標(biāo)簽后將外蓋蓋緊，存放在陰涼處并及時(shí)送回實(shí)驗(yàn)室，放置于 4℃冰箱保存，并盡快測(cè)定。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)和對(duì)象的確定

根據(jù)《GB 5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[17]：采用地表水為生活飲用水水源時(shí)應(yīng)符合《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(見(jiàn)表2)的有關(guān)規(guī)定[18]。結(jié)合大魚(yú)塘小流域監(jiān)測(cè)資料(表3)，選取2種典型污染物作為評(píng)價(jià)對(duì)象。

表2 GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) (mg/L)

表3 大魚(yú)塘采樣點(diǎn)的水質(zhì)分析結(jié)果 (mg/L)

2.4 指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)權(quán)重系數(shù)的定義，將地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中各級(jí)規(guī)定的數(shù)值和各斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)帶入公式(1)與(2)中，將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，并先考慮2項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的作用完全一致[19]。

2.5 建立隸屬度函數(shù)和模糊關(guān)系矩陣

模糊集定義在實(shí)數(shù)域上，模糊集的隸屬函數(shù)可以成為模糊分布，根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)確定分布中所含的參數(shù)。由于水質(zhì)受污染程度和水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)屬于模糊現(xiàn)象，又由于數(shù)字越小代表水質(zhì)質(zhì)量越好，所以采用降半梯形分布進(jìn)行單因素模糊評(píng)價(jià)。根據(jù)表2中地表水質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及公式(3)和(4)確定各單因子實(shí)測(cè)值(Xi)對(duì)各級(jí)別(即j=1、2、3、4、5時(shí))的隸屬度。各指標(biāo)的隸屬度矩陣計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同斷面各指標(biāo)對(duì)各級(jí)指標(biāo)的隸屬度

以G01為例，可得隸屬度的模糊關(guān)系矩陣R。同理可以計(jì)算得到其他采樣點(diǎn)的隸屬度。

表4 水質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)權(quán)重

2.6 計(jì)算綜合評(píng)價(jià)矩陣

經(jīng)過(guò)各因素指標(biāo)權(quán)重和隸屬度的計(jì)算，將評(píng)判等級(jí)連續(xù)并定量化，最后進(jìn)行歸一化處理，按照最大隸屬原則，判定大魚(yú)塘各檢測(cè)斷面水質(zhì)類別，按照公式(5)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 大魚(yú)塘水質(zhì)等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)

3 結(jié)果討論

(1)大魚(yú)塘小流域水質(zhì)污染總體不嚴(yán)重，屬于Ⅰ類水質(zhì)。從檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出除H05、G09點(diǎn)總氮、總磷較G01對(duì)應(yīng)值大外，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)的污染物濃度較水庫(kù)入口值小或相當(dāng)。

(2)從9個(gè)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)等級(jí)隸屬度可以看出，除G09(大魚(yú)塘村寨)水質(zhì)屬于V類水質(zhì)，G01(森林上方)、J05(梯田交匯處)水質(zhì)部分指標(biāo)屬于IV類水質(zhì)，其中G01水質(zhì)Ⅲ類、Ⅳ類隸屬度分別為0.33和0.33；J05水質(zhì)Ⅲ類、Ⅳ類隸屬度分別為0.56和0.22。其余斷面水質(zhì)大多屬于Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)，對(duì)部分流域需加強(qiáng)關(guān)注。采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行非點(diǎn)源污染評(píng)價(jià)，在確定水質(zhì)級(jí)別和判斷水體污染程度上具有優(yōu)勢(shì)。

(3)村寨上游污染源產(chǎn)生的污染物在梯田溝渠進(jìn)入山區(qū)河道的過(guò)程中降解作用顯著，對(duì)小流域水質(zhì)影響較大。相關(guān)管理部門應(yīng)從保護(hù)小流域水質(zhì)和促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面考慮，完善各級(jí)監(jiān)測(cè)體系并加強(qiáng)管理，控制村寨規(guī)模并加大污染物治理力度，改變農(nóng)業(yè)技術(shù)并積極發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，完善大魚(yú)塘小流域水質(zhì)管理。

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