安義古村門(mén)口塘小微水體水質(zhì)評(píng)價(jià)與分析

廖偉東，秦 朗，黃學(xué)平，劉在今，陳子悅，姚元?jiǎng)?，?鑫

(南昌工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

當(dāng)今受氣候變化、人類(lèi)活動(dòng)干預(yù)等影響，水環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯。國(guó)內(nèi)外針對(duì)大湖泊、大河流的治理與修復(fù)做了大量工作、取得了眾多研究成果，但對(duì)池塘等小微水體的水質(zhì)狀況與污染治理等關(guān)注不夠。相較于湖泊、河流，小微水體一般具有水域面積較小、封閉性較強(qiáng)、流動(dòng)性較差且生態(tài)結(jié)構(gòu)較為單一、自?xún)裟芰^差等特點(diǎn)，一旦有污染物遷移進(jìn)入水體，更易引發(fā)嚴(yán)重污染而成為黑臭水體[1]。因此研究池塘小微水體的水質(zhì)狀況與污染治理等對(duì)流域治理的長(zhǎng)效性具有重要意義。

科學(xué)、適宜的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法能科學(xué)地反映水質(zhì)變化規(guī)律，其評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)水污染治理等具有重要指導(dǎo)作用[2]。水質(zhì)評(píng)價(jià)方法通常有指數(shù)評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、主成分分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[3]。本研究采用傳統(tǒng)與改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)安義古村群門(mén)口塘小微水體進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，以期為小微水體的評(píng)價(jià)提供一定的參考。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域現(xiàn)狀

研究區(qū)域?yàn)榘擦x千年古村群中的3個(gè)村落(羅田村、水南村和京臺(tái)村)。村中分布著大小10余處門(mén)口塘，雨污水經(jīng)管、溝流入附近的池塘、菜地與農(nóng)田。安義古村群門(mén)口塘監(jiān)測(cè)點(diǎn)位經(jīng)緯度參見(jiàn)表1。安義古村群門(mén)口塘外觀與水處理措施實(shí)施情況參見(jiàn)表2，其中位于旅游線路顯要處的7口塘已采取安裝曝氣設(shè)施、栽種水生植物等水處理措施，剩余5口塘未采取水處理措施。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位經(jīng)緯度

表2 安義古村群門(mén)口塘外觀與水處理措施實(shí)施情況

1.2 采樣與分析方法

水樣采樣點(diǎn)分布狀況如表1所示，采樣時(shí)間為2019年11月(枯水期)。水樣采集參照HJ494—2009《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》，水樣保存參照HJ493—2009《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》。選取常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)COD、NH3-N 、TP作為水質(zhì)分析與評(píng)價(jià)指標(biāo)。水樣檢測(cè)方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)[4]即：COD濃度采用重鉻酸鹽法測(cè)定，NH3-N濃度采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，TP濃度采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定。

1.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

1.3.1 傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)水質(zhì)評(píng)價(jià)法主要突出最大污染因子影響[5]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)～(3)：

Fi=Ci/Si，

(1)

(2)

(3)

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅標(biāo)染指數(shù)值分級(jí)如表3。

表3 傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)劃分的水質(zhì)級(jí)別

1.3.2 改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法過(guò)于強(qiáng)調(diào)最大污染因子對(duì)水質(zhì)的影響而忽視了對(duì)權(quán)重的考慮，為了合理地反映水質(zhì)狀況，改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法引入了權(quán)重系數(shù)，同時(shí)，對(duì)最大值和平均值進(jìn)一步加以修正[7]。

權(quán)重系數(shù)Wi的表達(dá)式為式(4)：

(4)

式中評(píng)價(jià)因子的相關(guān)性比值Ri表達(dá)式為式(5)：

Ri=Smax/Si，

(5)

式中Si為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)值，Smax為評(píng)價(jià)指標(biāo)的最大值。

Fmax的修正表達(dá)式參見(jiàn)式(6)～(7)[8]：

(6)

(7)

式中，F(xiàn)w為n項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)鍵指標(biāo)平均值；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)項(xiàng)數(shù)；Fi為評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分值；m為Fi≥1的項(xiàng)數(shù)，當(dāng)m=0時(shí)，F(xiàn)w=0。

(8)

(9)

改進(jìn)內(nèi)梅羅標(biāo)染指數(shù)值分級(jí)如表4。

表4 改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)劃分的水質(zhì)級(jí)別

1.3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)方法

隸屬度函數(shù)表達(dá)如下[11]：

(1)第Ⅰ級(jí)(首級(jí))，即j=1時(shí)，其隸屬度函數(shù)為式(10)：

(10)

(2)第Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級(jí)(中間級(jí))，即1

(11)

(3)第Ⅴ(末級(jí))，即j=m時(shí)，其隸屬度函數(shù)為式(12)：

(12)

式中xi表示第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)濃度值；si，j表示第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子對(duì)應(yīng)的第j級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，i=1，2，…，n，j=1，2，…，m。

建立模糊評(píng)價(jià)矩陣，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式(13)：

(13)

其中i為污染因素個(gè)數(shù)，j為評(píng)價(jià)等級(jí)個(gè)數(shù)。

由于所接收到的語(yǔ)音信號(hào)包含聲道傳輸?shù)挠绊?多個(gè)麥克風(fēng)所接收到的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的傳播路徑,我們希望在多路麥克風(fēng)信號(hào)的相關(guān)性計(jì)算中盡量去除傳輸?shù)挠绊?因此對(duì)各路麥克風(fēng)接收的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行LPC[10]處理,得到反映語(yǔ)音激勵(lì)特征的殘差信號(hào)用于相關(guān)性計(jì)算[11]?；趐階LPC的殘差信號(hào)由式(7)給出。式中N為一幀信號(hào)的長(zhǎng)度。

(14)

式中Ci為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)值，Si為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)值的平均值。

模糊綜合評(píng)價(jià)法數(shù)學(xué)模型為

B=W×R，

(15)

式中B為綜合評(píng)價(jià)結(jié)果；W為評(píng)價(jià)因子權(quán)重；R為模糊關(guān)系矩陣。依據(jù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，由最大隸屬度確定水質(zhì)級(jí)別[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)分析

水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果參見(jiàn)表5。由表5可知：羅田村AY01、AY02、AY03的水質(zhì)較好，AY04、AY05、AY06的水樣TP、NH3-N濃度大于Ⅲ類(lèi)水體限值；水南村整體水質(zhì)較好；京臺(tái)村部分水樣TP、NH3-N濃度偏大于Ⅲ類(lèi)水體限值。通過(guò)計(jì)算整個(gè)古村群落評(píng)價(jià)指標(biāo)的均值發(fā)現(xiàn)：COD濃度指標(biāo)呈Ⅰ類(lèi)水體，NH3-N濃度指標(biāo)體現(xiàn)為Ⅲ類(lèi)水體，TP濃度過(guò)高(超越了Ⅴ類(lèi)水體的限值)。

表5 安義古村群水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) mg/L

2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法分析

本文參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果如表6所示。比較傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法和改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法可知，兩種評(píng)價(jià)方法得出的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果趨于一致。由于傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法過(guò)于突出最大污染指標(biāo)的影響，未考慮權(quán)重因子對(duì)低濃度指標(biāo)的作用，因此，不能夠體現(xiàn)地表水質(zhì)量的連續(xù)性[13]。傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：水質(zhì)級(jí)別主要集中在Ⅰ類(lèi)水體和Ⅳ類(lèi)水體，同時(shí)Ⅳ類(lèi)水體占比高達(dá)50%，沒(méi)有Ⅱ類(lèi)和Ⅴ類(lèi)水體。由改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果可得：整個(gè)安義古村群Ⅴ類(lèi)水體占33%，Ⅳ類(lèi)水體占16%。比較傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法和改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果可知：研究區(qū)內(nèi)大于Ⅲ類(lèi)水體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)占比達(dá)50%，整體水質(zhì)狀況不容樂(lè)觀，需進(jìn)一步采取治理措施改善水質(zhì)狀況。

表6 安義古村群內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法分析

以AY08為例，分別計(jì)算權(quán)重和其隸屬度：W08=[0.1383 0.3160 0.5457]。

同理可計(jì)算出其他各采樣點(diǎn)相關(guān)指標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表7所示。由表可知：三個(gè)村落中水質(zhì)最好的是水南村，羅田村含有3個(gè)Ⅳ類(lèi)水體，京臺(tái)村含有2個(gè)Ⅴ類(lèi)水體。通過(guò)對(duì)TP和NH3-N的權(quán)重進(jìn)行分析：

WTP=[0.5148，0.2979，0.2932，0.4482，0.5140，0.5165，0.3197，0.1383，0.1275，0.2778，0.8875，0.6252]，

WNH3-N=[0.1750，0.2784，0.3770，0.4124，0.3753，0.3970，0.3750，0.3160，0.6432，0.5885，0.0287，0.2888]，

由此可見(jiàn)TP是水質(zhì)污染的主要影響因素。

表7 安義古村群模糊綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

3 討論

三種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果參見(jiàn)圖1。由圖1可知：(1)選用的三種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法得出的結(jié)果基本一致，羅田村AY01、AY02、AY03的水質(zhì)級(jí)別均為Ⅰ類(lèi)水體，AY04、AY05、AY06的水質(zhì)級(jí)別為Ⅳ類(lèi)水體；水南村AY07、AY08的水質(zhì)級(jí)別為Ⅰ類(lèi)水體，AY09的水質(zhì)級(jí)別為Ⅲ類(lèi)水體；京臺(tái)村AY10、AY11、AY12的水質(zhì)級(jí)別均為Ⅳ類(lèi)水體。(2)三種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法均能在一定程度上反映研究區(qū)水質(zhì)狀況，說(shuō)明三種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法具有一定的合理性和適用性，同時(shí)最終的評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定差異，這與吳喜軍等[14]的研究結(jié)論相吻合。

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法側(cè)重于最大污染因子的影響，對(duì)于低濃度指標(biāo)不能夠很好第進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果不能夠體現(xiàn)地表水質(zhì)量的連續(xù)性。改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法考慮了評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，同時(shí)對(duì)最大值和平均值進(jìn)行了修正，與傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法相比，能更加客觀第反映水質(zhì)狀況。模糊綜合評(píng)價(jià)法通過(guò)建立隸屬度函數(shù)及權(quán)重系數(shù)，將定性問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)槎繂?wèn)題，在水質(zhì)評(píng)價(jià)上科學(xué)合理。改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果接近，均能夠體現(xiàn)地表水質(zhì)量的連續(xù)性?？傮w而言，模糊綜合法得出的水質(zhì)評(píng)價(jià)級(jí)別小于改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法，結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀，模糊綜合法更具合理性。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)三種評(píng)價(jià)方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，經(jīng)計(jì)算分析可得：模糊綜合法得出的水質(zhì)級(jí)別<改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法得出的水質(zhì)級(jí)別<傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法得出的水質(zhì)級(jí)別。與研究區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行比較，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法得出的評(píng)價(jià)結(jié)果最符合現(xiàn)狀。

(2)研究區(qū)水質(zhì)狀況分布如下：水質(zhì)最好的村落為水南村(均符合Ⅲ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以上)；羅田村AY01、AY02、AY03的水質(zhì)級(jí)別均為優(yōu)良(Ⅰ類(lèi))，AY04、AY05、AY06的水質(zhì)級(jí)別為較差(Ⅳ類(lèi))；京臺(tái)村的水質(zhì)狀況不容樂(lè)觀(體現(xiàn)為Ⅳ、Ⅴ類(lèi)水質(zhì))。

(3)研究區(qū)門(mén)口塘水污染物的可能來(lái)源：

(a)隨著安義古村群旅游業(yè)的發(fā)展，村內(nèi)農(nóng)家餐飲店逐漸增加，這使得部分未經(jīng)處理的餐飲廢水進(jìn)入塘內(nèi)水體。

(b)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中農(nóng)藥、化肥使用等導(dǎo)致面源污染，其殘留的氮磷元素等隨徑流進(jìn)入塘內(nèi)水體，導(dǎo)致塘內(nèi)水體的富營(yíng)養(yǎng)化加劇。

(c)雨、污水管道存在一定的錯(cuò)接、混接，使未經(jīng)處理的生活污水最終流入周邊塘內(nèi)水體。