兩種方法對(duì)泰萊盆地河流水質(zhì)評(píng)價(jià)的分析

趙 耘，趙長春，蘭 天，王 鵬，鄭夢(mèng)琪，田明剛

(中國冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院，山東 濟(jì)南 250000)

0 引 言

水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)是以定量的方式對(duì)水環(huán)境的總體狀況做出評(píng)價(jià)，為水資源污染的控制和管理提供科學(xué)依據(jù)[1]。地表水是水循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)，特別是我國很多地區(qū)地表水和地下水具有較好的補(bǔ)排關(guān)系，對(duì)地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)也是進(jìn)行環(huán)境管理與決策的前提。當(dāng)前，用于河流水環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)模型及方法有近30種[2-4]。由于河流水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)自身存在的特殊性，不同的評(píng)價(jià)方法對(duì)同一水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)得出不同的評(píng)價(jià)結(jié)果，至今沒有一個(gè)被大家公認(rèn)通用的、具有可比性的水質(zhì)評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，在具體的水質(zhì)評(píng)價(jià)工作中，單因素評(píng)價(jià)法以其計(jì)算流程簡便[5]，易于實(shí)現(xiàn)、原理清晰易懂的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。但單因素評(píng)價(jià)法無法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行總體上，僅僅是根據(jù)最壞的指標(biāo)來確定水質(zhì)級(jí)別，往往高估或低估了綜合水質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)程度，不能全面反映水體質(zhì)量的真實(shí)狀態(tài)。基于模糊數(shù)學(xué)的模糊綜合評(píng)價(jià)方法在應(yīng)用于水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中時(shí)，方法通過計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際濃度的超標(biāo)權(quán)重以及相對(duì)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的貼近程度，運(yùn)用模糊算子進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算完成各水體質(zhì)量類別綜合評(píng)價(jià)，被國內(nèi)外研究人員大量應(yīng)用[6-8]，且被證明該方法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中切實(shí)可行[9]；但模糊綜合評(píng)價(jià)法操作相對(duì)繁瑣，計(jì)算比較復(fù)雜，對(duì)于評(píng)價(jià)斷面、評(píng)價(jià)指標(biāo)較多的研究區(qū)在應(yīng)用過程中存在過程冗長，結(jié)果易出錯(cuò)的弊端被各位研究學(xué)者所詬病，影響方法的推廣使用率。

泰萊盆地位于魯中地區(qū)，處于“濟(jì)南都市圈”的東南部，區(qū)位優(yōu)勢(shì)較為明顯。在盆地內(nèi)具有羊里水源地、寨里水源地、業(yè)馬曹水源地等15個(gè)地下水水源地。研究表明，區(qū)內(nèi)地表河流域地下水源具有較好的補(bǔ)排關(guān)系，地表河流水質(zhì)對(duì)地下水源地水質(zhì)具有較大的影響關(guān)系[10]。因此，急需對(duì)區(qū)內(nèi)地表水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，查明地表水環(huán)境狀況，為區(qū)域水環(huán)境管理提供依據(jù)。因此，本文以泰萊盆地區(qū)內(nèi)6條主要河流為研究對(duì)象，運(yùn)用加權(quán)歐式距離法和模糊綜合指數(shù)法對(duì)泰萊盆地內(nèi)地表水的水質(zhì)做出評(píng)價(jià)，旨在得出泰萊盆地區(qū)內(nèi)地表水體水質(zhì)情況，并通過對(duì)兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果的比較分析，優(yōu)選出兩種方法中較為優(yōu)良的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于魯中地區(qū)，北以泰山山脈為界，南以蒙山及其余脈為界，東至魯山，西臨東平湖東岸，面積8 173 km2，屬暖溫帶季風(fēng)大陸性氣候，四季分明，春旱多風(fēng)，夏熱多雨，秋旱少雨，冬寒少雪，季節(jié)性干旱嚴(yán)重。多年平均氣溫11～13 ℃，最高溫度達(dá)42.5 ℃(1955年8月11日)，最低氣溫-27.5 ℃(1963年1月15日)。區(qū)內(nèi)多年平均降水量765.3 mm，年最大降水量1 571.7 mm(1964年)，年最小降水量263.1 mm(1989年)，日最大降雨量222.5 mm(1983年8月31日)，最高洪水位186.5 m(1966年7月5日)。冰凍期11月上旬至次年4月上旬。年總蒸發(fā)量1 664.2～1 927.0 mm。研究區(qū)水系較發(fā)育，樹枝狀河網(wǎng)密布其間，主要有大汶河等6條河流；有15個(gè)地下水水源地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

表1 評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)值 mg/L

表2 研究區(qū)河流水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果 mg/L

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1加權(quán)歐式距離法

加權(quán)歐式距離評(píng)價(jià)法根據(jù)待評(píng)價(jià)斷面水質(zhì)實(shí)測(cè)值，計(jì)算相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的污染超標(biāo)超標(biāo)權(quán)重，以各個(gè)待評(píng)價(jià)斷面到“原點(diǎn)”間的歐式距離確定待評(píng)價(jià)斷面水質(zhì)級(jí)別?！霸c(diǎn)”一般以GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的I類濃度作為基準(zhǔn)點(diǎn)[11-12]。

(1)評(píng)價(jià)空間。設(shè)有i個(gè)水質(zhì)評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)斷面，j個(gè)水質(zhì)評(píng)價(jià)污染因子，5級(jí)水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測(cè)樣本矩陣為C；根據(jù)地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)含有n個(gè)評(píng)價(jià)污染因子的5級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)矩陣為B。即

(1)

式中，cij為第i個(gè)評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)斷面第j個(gè)污染因子的實(shí)測(cè)濃度值；bkj為第j個(gè)污染因子的第k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值。

(2)評(píng)價(jià)指數(shù)的確定。以I級(jí)水質(zhì)作為基本點(diǎn)與原點(diǎn)距離為“1”，結(jié)合權(quán)重計(jì)算出每個(gè)待評(píng)單元以及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中其他各級(jí)水質(zhì)與“原點(diǎn)”的加權(quán)歐式距離，將此加權(quán)歐式距離定義為加權(quán)歐氏距離綜合評(píng)價(jià)指數(shù)PI。這里

(2)

式中，Dh為h指標(biāo)的綜合指數(shù)值；ωjk為第j個(gè)污染因子的第k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度權(quán)重。評(píng)價(jià)流程見圖1。

圖1 加權(quán)歐式距離法流程示意

1.3.2模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中，可定量處理不同指標(biāo)對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度，以反映水環(huán)境的總體情況[13]。由于模糊綜合評(píng)價(jià)法已廣泛應(yīng)用，具體方法及隸屬度函數(shù)的建立在此不做贅述，其評(píng)價(jià)流程見圖2。

圖2 模糊綜合評(píng)價(jià)法流程示意

2 結(jié)果與分析

根據(jù)河流各斷面水質(zhì)實(shí)測(cè)值，分別采用加權(quán)歐式距離法、模糊綜合評(píng)價(jià)法2種方法對(duì)地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)和研究區(qū)地表河流水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)各等級(jí)歐式距離綜合評(píng)價(jià)指數(shù)見表3，2種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法計(jì)算結(jié)果見表4和表5。

表3 地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)各等級(jí)對(duì)應(yīng)歐氏距離綜合評(píng)價(jià)指數(shù)PI值

表4 研究區(qū)河流各斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

表5 2種方法評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

(1)通過兩種評(píng)價(jià)方法對(duì)泰萊盆地區(qū)內(nèi)地表河水環(huán)境的評(píng)價(jià)，全區(qū)地表水以II和III類為主，其中以牟汶河和柴汶河的上游存在超過IV類，水質(zhì)較差。西部下游的大汶河和匯河水質(zhì)要好于東部地區(qū)河流水質(zhì)。泰萊盆地區(qū)內(nèi)II類～I(xiàn)II類以上水質(zhì)的評(píng)價(jià)斷面兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果相差2個(gè)，III類以上水質(zhì)的評(píng)價(jià)斷面兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果相差2個(gè)。兩種方法略有差異，表明最終的評(píng)價(jià)結(jié)果是真實(shí)可靠的。

(2)對(duì)單條河流上下游斷面水質(zhì)的綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，盡管同一斷面采用不同的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法得到的結(jié)果存在不盡相同的現(xiàn)象；但加權(quán)歐式距離法與模糊綜合指的結(jié)果表明，研究區(qū)東側(cè)的牟汶河和柴汶河，2條河流上游的監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)歐氏距離綜合評(píng)價(jià)指數(shù)值分別為3.944 7和3.976 8，均大于III類水標(biāo)準(zhǔn)值3.936 1。這可能由于兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面距離萊蕪市城區(qū)和新泰市城區(qū)較近，城市排放的污水進(jìn)入到河流中，導(dǎo)致河流水質(zhì)較差。而隨著水流流動(dòng)，2條河流下游水質(zhì)趨于良好。這可能是河流自凈作用及下游其他河流較好水質(zhì)匯入所致。

(3)瀛汶河和方下河位于萊蕪市的西北部，2條河流在徂徠鎮(zhèn)匯入大汶河。其水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，2條河流水質(zhì)以III水為主；在泰萊盆地的西測(cè)，大汶河和匯河水質(zhì)以II和III水為主，其中大汶河上游和下游監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)為II類，中游水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)為III類，這可能是與中游監(jiān)測(cè)斷面距離汶陽鎮(zhèn)較近，受城鎮(zhèn)產(chǎn)生污染所致；匯河上游監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)為II類，中游和下游監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)為III類，這可能是中游和下游監(jiān)測(cè)斷面距離東平縣縣城較近，城鎮(zhèn)產(chǎn)生的污染所致。

(4)2種方法在對(duì)同一斷面進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，出現(xiàn)不同評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果偏差的現(xiàn)象。如柴汶河上游斷面的，2種方法最終的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果有所不同。對(duì)2種評(píng)價(jià)方法計(jì)算過程的深入分析顯示，造成巨大差異的主要原因在于模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算污染物指標(biāo)超標(biāo)權(quán)重的不合理。在這2個(gè)斷面，影響水質(zhì)的主要污染物因子在于揮發(fā)酚，但模糊綜合評(píng)價(jià)法在進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重計(jì)算時(shí)采用了不合理的“基準(zhǔn)原點(diǎn)”，使得污染物超標(biāo)倍數(shù)未能真實(shí)反映實(shí)際污染程度，使得最終的評(píng)價(jià)結(jié)果趨于更差。

3 結(jié) 論

(1)通過2種評(píng)價(jià)方法對(duì)泰萊盆地區(qū)內(nèi)地表河水環(huán)境的評(píng)價(jià)，全區(qū)地表水以II和III類為主，其中以牟汶河和柴汶河的上游存在超過IV類，水質(zhì)較差，這可能是2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面距離萊蕪市城區(qū)和新泰市城區(qū)較近，城市排放的污水進(jìn)入河流，導(dǎo)致河流水質(zhì)較差。西部下游的大汶河和匯河水質(zhì)要好于東部地區(qū)河流水質(zhì)以II類和III類為主。

(2)在水質(zhì)評(píng)價(jià)過程中，模糊綜合評(píng)價(jià)法引入相對(duì)隸屬度概念，一定程度上能較好反映污染情況，但需要針對(duì)每一級(jí)別逐一建立隸屬函數(shù)，過程較繁，并且求解污染物指標(biāo)權(quán)重時(shí)以I～V類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)平均值作為“基準(zhǔn)”出現(xiàn)個(gè)別評(píng)價(jià)指標(biāo)“基準(zhǔn)”較高，評(píng)價(jià)失真的現(xiàn)象。

(3)對(duì)于加權(quán)歐式距離法，模型最終評(píng)價(jià)成果在給出評(píng)價(jià)斷面所屬水質(zhì)類別的同時(shí)還給出了評(píng)價(jià)斷面相對(duì)于不同類別水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的趨近度；并且在計(jì)算指標(biāo)權(quán)重方面，加權(quán)歐式距離以各評(píng)價(jià)指標(biāo)Ⅰ類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作為基準(zhǔn)“原點(diǎn)”，較能完整反映不同污染物實(shí)際超標(biāo)情況。與模糊綜合評(píng)價(jià)法相比，加權(quán)歐式距離法得出的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果更能反映水體實(shí)際狀況及變化趨勢(shì)，更好表現(xiàn)評(píng)價(jià)斷面的水質(zhì)狀況；方法反映出的信息要更多，可為河流治理提供方向。