基于FCE方法構(gòu)建岷江流域眉山段水質(zhì)安全評價體系研究

＊伍少澤 黃明 丁圓慧 歐陽峰*

（1.雅安市環(huán)境資源科研宣教中心 四川 625000 2.西南交通大學 四川 610000）

水環(huán)境安全問題起源于二十世紀七十年代，隨著水體污染與水資源短缺日益加劇，水環(huán)境安全成為世界關(guān)注的熱點。針對岷江眉山段存在的水體污染現(xiàn)象和現(xiàn)有的水質(zhì)安全相關(guān)研究不足等問題，有必要對岷江眉山段的水環(huán)境質(zhì)量與水質(zhì)安全狀況進行研究與評價，掌握岷江眉山段的水質(zhì)安全現(xiàn)狀，采取措施降低或消除存在的水質(zhì)安全隱患，可有效防止水體污染對社會經(jīng)濟及人體健康造成不良影響。

1.區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

眉山市位于四川盆地成都平原西南部，屬亞熱帶濕潤氣候。隨著眉山社會經(jīng)濟的發(fā)展，各類環(huán)境污染層出不窮。岷江是長江的重要一級支流，其具有獨特的環(huán)境特征和重要的生態(tài)服務(wù)功能，但此區(qū)域仍存在一系列的生態(tài)問題[1]。岷江眉山段位于岷江中游，由于受到強烈的人類活動影響，岷江流域出現(xiàn)了水環(huán)境污染[2]。

本文以岷江流域（眉山段）為研究對象收集了2014年-2019年對10個監(jiān)測斷面的河水年均監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中彭山岷江大橋國控斷面2018年8月-2019年12月因岷江大橋發(fā)生部分垮塌，無監(jiān)測數(shù)據(jù)。岷江干流設(shè)有5個監(jiān)測斷面，從上游至下游依次為岷江大橋斷面、岷江彭東交界斷面、白糖廠斷面、岷江東青交界斷面及青神羅波渡斷面；支流設(shè)有5個監(jiān)測斷面，分別為毛河橋江橋斷面、體泉河的仲輝大橋斷面及體泉河口斷面、思蒙河口斷面、金牛河口斷面。將岷江眉山的水質(zhì)監(jiān)測指標分為三類：常規(guī)要素指標、營養(yǎng)狀態(tài)指標、有毒及易積累物質(zhì)類指標。根據(jù)研究區(qū)域特征，岷江流域（眉山段）水質(zhì)適用《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中Ⅲ類標準。

表1 2014年-2019年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總

續(xù)表

2.水質(zhì)安全評價指標確定

本文研究岷江流域（眉山段）水環(huán)境質(zhì)量的水質(zhì)指標眾多，這些水質(zhì)指標間存在不同程度的相關(guān)性，可能包含有重復的信息，使得許多水質(zhì)評價方法有一定的局限性，無法突出水質(zhì)指標的作用[3]。因此運用主成分分析法來評價水環(huán)境質(zhì)量，能將眾多的水質(zhì)指標重新組合成一組較少的綜合指標[4]。以2016年的主成分分析結(jié)果為例，如表2所示。

表2 特征值、方差貢獻率及累計方差貢獻率

經(jīng)計算，第一、第二與第三主成分累計方差貢獻率（Σai）為91.959%，大于85%，說明三個主成分已將指標因子的大部分信息包含在內(nèi)，能夠較好的反映岷江（眉山段）水環(huán)境質(zhì)量狀況。篩選結(jié)果選取載荷矩陣中因子荷載值大于0.9的關(guān)鍵性因子作為評價指標，最終確定岷江流域（眉山段）水質(zhì)安全評價體系的評價指標為DO、CODMn、BOD5、石油類、氟化物、氨氮、CODCr、TN及TP，共9項評價指標。

與第一主成分密切相關(guān)的評價因子是DO、CODMn、BOD5、氨氮、CODCr、TN、TP及砷，DO為負相關(guān)，其余因子為正相關(guān)，且它們與第一主成分的載荷系數(shù)均超過了0.9，這些評價因子可表征水體中有機物污染、富營養(yǎng)化狀態(tài)以及重金屬的污染，而DO在一定程度上代表了水體的自凈能力。與第二主成分相關(guān)的評價因子是氟化物和Cr6+，氟化物正相關(guān)，Cr6+負相關(guān)，氟化物主要來源于造紙廠、化工廠等工業(yè)廢水，Cr6+主要來源于電鍍、染料等工業(yè)廢水，說明第二主成分主要代表岷江的工業(yè)廢水污染狀況。與第三主成分相關(guān)的評價因子是揮發(fā)酚和硫化物，且兩個指標均為負相關(guān)，可以推斷這兩個指標來自同一個污染源，揮發(fā)酚主要來源于造紙業(yè)、化工業(yè)等生產(chǎn)廢水，硫化物主要來源于農(nóng)業(yè)和化工業(yè)等生產(chǎn)廢水，說明第三主成分可能代表岷江的化工類工業(yè)污水污染特征。第一主成分的方差貢獻率為63.39%，遠大于第二主成分和第三主成分的方差貢獻率，因此，岷江（眉山段）水質(zhì)主要是由第一主成分確定，即由DO、CODMn、BOD5、氨氮、CODCr、TN、TP及As共八項水質(zhì)因子重點影響，水環(huán)境質(zhì)量主要是受有機物污染、富營養(yǎng)化狀態(tài)以及重金屬污染的影響，說明岷江水質(zhì)污染來源復雜多樣，包括生活污染源、農(nóng)業(yè)污染源及工業(yè)污染源。

3.水質(zhì)安全評價體系構(gòu)建

(1)岷江流域(眉山段)水質(zhì)安全評價體系

水質(zhì)安全評價屬于多重因素影響下的復雜非線性問題，運用層次結(jié)構(gòu)將安全評價體系分為目標層、要素層以及指標層，不同層次相互關(guān)聯(lián)，全面地反映水環(huán)境的特征。其中，目標層是岷江流域（眉山段）水質(zhì)安全評價，要素層包括常規(guī)水質(zhì)狀況及營養(yǎng)狀態(tài)兩個方面。常規(guī)水質(zhì)狀況的指標層包括DO、BOD5、氨氮、CODCr、石油類及氟化物共六個指標；營養(yǎng)狀態(tài)的指標層包括TN、TP及CODMn共三個指標。

圖1 岷江流域（眉山段）水質(zhì)安全評價體系構(gòu)成

(2)權(quán)重系數(shù)

表3 岷江流域（眉山段）水質(zhì)安全評價體系指標權(quán)重系數(shù)

各個評價指標的權(quán)重系數(shù)反映了各個因素在綜合評價結(jié)果中所占有的不同重要程度，會直接影響到最終綜合評價結(jié)果的準確性。采用主成分分析法（PCA）[5]確定常規(guī)水質(zhì)狀況與營養(yǎng)狀態(tài)各個指標的權(quán)重系數(shù)，得到的因子載荷系數(shù)。根據(jù)因子載荷系數(shù)計算可得水質(zhì)安全評價體系的指標權(quán)重系數(shù)，常規(guī)水質(zhì)狀況層權(quán)重系數(shù)為0.658，營養(yǎng)狀態(tài)層權(quán)重系數(shù)為0.342。

(3)分級標準

分級標準是水質(zhì)安全評價體系的評價基礎(chǔ)，是構(gòu)建安全評價體系重要的一個環(huán)節(jié)。本文在參照國家現(xiàn)行標準《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）的基礎(chǔ)上，考慮到部分成熟的水質(zhì)安全評價研究成果[6]，由此明確岷江流域（眉山段）水質(zhì)安全評價體系的分級標準，將其安全程度劃分為I級水質(zhì)安全狀況好、II級水質(zhì)安全狀況較好、III級水質(zhì)安全狀況較差、IV級水質(zhì)安全狀況差四個等級，水質(zhì)安全程度越低表明水質(zhì)狀況越差，具有較高的風險程度，容易引發(fā)水體污染現(xiàn)象。

(4)模糊綜合評價

模糊集合是用隸屬函數(shù)描述的，隸屬度及隸屬度函數(shù)是模糊數(shù)學的基本概念[7]。根據(jù)模糊數(shù)學理論，建立單因素模糊關(guān)系矩陣Ri：分別用隸屬函數(shù)計算因素Ui的每一個指標對評價集V={V1,V2,……,Vp}的隸屬度，得到因素Ui全部指標的隸屬度即可建立單因素模糊關(guān)系矩陣Ri。

本研究為定量指標的隸屬度確定，采用降半梯形隸屬度函數(shù)的方法確定各評價因素的隸屬度，以評價標準集V有四個標準等級為例，sik表示第i項指標的第k級評價標準，rik表示第i項指標對第k級標準的相對隸屬度[8]。根據(jù)上述各個評價指標的隸屬函數(shù)，可構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣。

4.水質(zhì)安全評價結(jié)果

按照多級模糊綜合評價過程，本研究采用加權(quán)平均型（M(.,+)）評價方式進行運算，得到模糊綜合評價集B，遵循加權(quán)平均原則得到水質(zhì)安全類別。岷江（眉山段）水質(zhì)安全評價等級劃分如表4所示，岷江（眉山段）水質(zhì)安全評價結(jié)果見圖2。

表4 岷江（眉山段）水質(zhì)安全評價等級劃分

圖2 2014年-2019年岷江（眉山段）水質(zhì)安全評價結(jié)果

根據(jù)水質(zhì)安全評價結(jié)果，岷江流域眉山段干流水質(zhì)安全狀況大體上為I級和Ⅱ級，水環(huán)境整體狀況良好。岷江眉山段上游及中游的岷江大橋、岷江彭東交界、白糖廠及岷江東青交界斷面在2014年-2016年的水質(zhì)安全狀況穩(wěn)定處于Ⅱ級，下游的青神羅波渡斷面在2014年-2015年的水質(zhì)安全狀況穩(wěn)定處于I級，2016年下降為Ⅱ級，水質(zhì)受到污染，這可能與河流周邊的畜禽污染、生活污染及工業(yè)污染有關(guān)。岷江眉山段干流在2017年-2019年的水質(zhì)安全狀況改善為I級。

岷江眉山段各支流的水質(zhì)安全狀況在不斷改善，水體治理方案頗有成效。毛河橋江橋斷面在2014年-2015年水質(zhì)安全狀況持續(xù)處于Ⅲ級，水質(zhì)較差，在2016年-2017年水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，水質(zhì)安全狀況改善為Ⅱ級，在2018年-2019年進一步改善為I級，水質(zhì)得到改善。

5.結(jié)論

基于模糊綜合評價法對岷江流域（眉山段）水質(zhì)安全進行評價，并采用主成分分析法確定各個指標的權(quán)重系數(shù)，構(gòu)建了岷江流域（眉山段）水質(zhì)安全評價體系，得到的主要結(jié)論如下：

（1）根據(jù)評價指標篩選原則，再進一步運用主成分分析法篩選評價指標，最終確定岷江流域（眉山段）水質(zhì)安全評價體系的評價指標為DO、CODMn、BOD5、石油類、氟化物、氨氮、CODCr、TN及TP，共9項評價指標。

（2）根據(jù)岷江流域眉山段水質(zhì)安全評價結(jié)果，岷江干流水質(zhì)安全狀況整體上較好，經(jīng)過治理岷江水質(zhì)不斷改善，眉山采取的水環(huán)境綜合污染治理措施都有顯著的改善效果；岷江各支流水體受到不同程度地污染，經(jīng)過治理河水水質(zhì)均有所改善。

（3）本次模糊綜合評價結(jié)果與岷江實際情況及前述水質(zhì)評價相符，證明該方法適合岷江流域（眉山段）水質(zhì)安全評價，為岷江流域和眉山市各河流水質(zhì)安全評價提供了理論支持。