灃河流域水質(zhì)的時空對比分析

羅平平， 武 陽， 王雙濤， 張 媛， 朱 偉， 呂繼強(qiáng)， 周美梅， 霍艾迪

(1.長安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 3.寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司 工程技術(shù)事業(yè)本部 動力事業(yè)部， 上海 201999)

1 研究背景

在自然因素和人類活動的交互影響下，灃河流域水體污染越來越嚴(yán)重[1]。2017年3月，時任陜西省委書記婁勤儉在灃河調(diào)研工作時提出，要實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)“八水繞長安”的目標(biāo)，就必須以新發(fā)展觀為指引，實(shí)施彈性節(jié)水政策的統(tǒng)籌工程建設(shè)[2]。2019年10月，陜西省重點(diǎn)水利部門安排全省水利重要任務(wù)時強(qiáng)調(diào)，保護(hù)秦嶺主要水源地是水生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重中之重[3]。

流域水質(zhì)的優(yōu)劣程度影響著其水資源的可利用性[4]，因此對流域水資源狀況的優(yōu)劣進(jìn)行快捷、準(zhǔn)確、簡便地評價尤為重要。迄今為止，已經(jīng)有部分學(xué)者針對灃河流域展開了系列研究，段慧敏[5]和朱記偉等[6]對灃河流域的歷史變化和灃河主流生態(tài)環(huán)境治理維護(hù)的必要性進(jìn)行了研究；高榕[7]、李懷恩等[1]和王莉等[8]對灃河流域主要污染源、污染變化特征、影響因素以及流域污染變化趨勢進(jìn)行了詳細(xì)分析。但是，目前的研究成果中對灃河流域水質(zhì)綜合評價的時空分析還不夠全面，不能完整反映灃河流域的水質(zhì)時空狀況。

本文在對灃河水環(huán)境背景資料及其水污染狀況調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法和模糊綜合指數(shù)法4種水質(zhì)評價方法探索灃河水環(huán)境的時空變化規(guī)律，并對灃河流域的水質(zhì)狀況進(jìn)行比較分析。研究成果可以為灃河流域水環(huán)境治理提供詳細(xì)科學(xué)的理論依據(jù)，具有一定的前瞻性。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

灃河是西安市第三大河流，地處陜西省西安市的西南部[9]，水系分布呈扇形。灃河流域?qū)儆谂瘻貛О霛駶檯^(qū)[10]，受其河道影響，供水匯流時間較短，洪峰流量較大。林地和耕地為流域內(nèi)的主要土地利用類型，兩者占比達(dá)到90%，建設(shè)用地、草地和未利用地等類型所占比重較小[11]。

2.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)

以灃河流域?yàn)檠芯繉ο?，設(shè)置8個水質(zhì)監(jiān)測斷面，流域的地理位置與范圍、水系分布及水質(zhì)監(jiān)測斷面信息見圖1和表1。于2018年9月-2019年8月每月中下旬對灃河流域8個監(jiān)測斷面進(jìn)行一次表層水采樣，每次取3個平行水樣進(jìn)行分析，測定結(jié)果取平均值。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)選取了5種最主要的水質(zhì)評價因子(見表2)進(jìn)行測定與分析[12]，同時根據(jù)灃河流域水質(zhì)在豐、平、枯不同水期變化差異明顯的特征，對灃河水質(zhì)分不同水期進(jìn)行評價，不同水期的時間劃分參照文獻(xiàn)[13]。

圖1 灃河流域地理位置與范圍、水系分布及水質(zhì)監(jiān)測斷面設(shè)置

表1 灃河流域水質(zhì)監(jiān)測斷面設(shè)置

表2 水質(zhì)參數(shù)及分析方法

2.3 水質(zhì)評價方法

2.3.1 單因子指數(shù)法 單因子指數(shù)法是將研究區(qū)各項(xiàng)評價因子的實(shí)測濃度與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，最后由全部評價因子中最差的水質(zhì)類別來確定水體水質(zhì)類別的方法[14]。

2.3.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法 內(nèi)梅羅指數(shù)法的評價等級是由內(nèi)梅羅污染指數(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)等級指數(shù)對照得出。其中污染指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)可以利用評價因子的監(jiān)測濃度和標(biāo)準(zhǔn)值算得[15]。傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)法計(jì)算公式為：

(1)

改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法依據(jù)傳統(tǒng)方法忽略了某些濃度小但難以去除或濃度大且易于去除的污染因子的權(quán)重，而傾向于對僅受濃度值最大污染因子的影響過于明顯的缺點(diǎn)進(jìn)行修正，修正方法參見文獻(xiàn)[16]、[17]。將單項(xiàng)評價因子的最大值Fj max修正為：

(2)

式中：Fw為權(quán)重最大的單項(xiàng)因子值。

因此，基于最大值修正后的內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

(3)

2.3.3 灰色關(guān)聯(lián)分析法 灰色關(guān)聯(lián)分析法是一種通過判斷各因素隨時間變化發(fā)展趨勢之間的同步程度，來描述各因素之間的大小、強(qiáng)弱、次序的關(guān)聯(lián)性[18]的分析方法。同步變化程度越高則越相似，反之則相關(guān)性越弱[19]。此方法比較適合多因素之間關(guān)聯(lián)性的動態(tài)過程分析[20-22]。

選定體現(xiàn)水質(zhì)變化特征的因子(DO、CODMn、NH3—N、TN、TP)作為參考序列，選定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等級(I、II、III、IV、V類)為比較序列；對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化和無量綱化處理[23]；按沈珍瑤等[24]提出的理論計(jì)算絕對差；用平均值法求出關(guān)聯(lián)度，最后將關(guān)聯(lián)度最大值對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)選定為該水體的水質(zhì)類別[25]。

2.3.4 模糊綜合評價法 模糊綜合評價法在水質(zhì)評價方法中也較為典型，它可以綜合評價地表水環(huán)境的不確定性[26]。模糊綜合評價法是一種利用模糊數(shù)學(xué)法的隸屬度理論對事物進(jìn)行定性和定量評價的方法，且這種事物通常受到多種要素的制約[27]。該方法權(quán)重因子的獲取是通過將待評價水體的各項(xiàng)評價因子的實(shí)測值相對各類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值的超標(biāo)程度經(jīng)過歸一化處理得到[28]。評價方法的一般步驟如下：

(1)模糊綜合評價體系的構(gòu)建。確定因子集U={DO、CODMn、TP、TN、NH3—N}，確定評價集V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}

(2)構(gòu)建權(quán)重向量Q={Q1，Q2，…，Qn}

根據(jù)模糊綜合評價法采用超標(biāo)比獲取權(quán)重因子的方法構(gòu)建權(quán)重向量[28]。

(4)

式中：Qi為單項(xiàng)因子的權(quán)重；Ii為單項(xiàng)因子的實(shí)測值相對于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)倍數(shù)。

(3) 構(gòu)建隸屬矩陣R。

選用降半梯形分布函數(shù)[29]構(gòu)建隸屬度矩陣

(5)

(4)模糊評價集的計(jì)算和水質(zhì)等級的判斷

模糊評價集Bi由隸屬矩陣Ri與權(quán)重Qi相乘得到，即：

Bi=Qi×Ri=(Q1,Q2,…,Qn)×

(6)

在實(shí)際應(yīng)用過程中，超標(biāo)倍數(shù)最大的水質(zhì)指標(biāo)會影響傳統(tǒng)模糊綜合評價法，使其評價結(jié)果局限于悲觀范圍，且不能分層次展現(xiàn)多因素之間的關(guān)系并將各因素與評價主體的關(guān)系關(guān)聯(lián)起來。因此，需要基于層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)[30]和熵權(quán)法對權(quán)重因子進(jìn)行修正和重分配，并將其作為改進(jìn)的模糊綜合評價法[31]。修正方法為：在構(gòu)建權(quán)重向量時，將層次分析法(AHP)得出的權(quán)重因子[32]和熵權(quán)法得出的權(quán)重因子[33]進(jìn)行算術(shù)平均，得到最后的綜合權(quán)重。

(7)

式中：Q′為綜合權(quán)重；Qa、Qe分別為層次分析法和熵權(quán)法得出的權(quán)重值。

3 結(jié)果與分析

3.1 各水質(zhì)評價方法的評價結(jié)果

3.1.1 單因子指數(shù)法 圖2為單因子指數(shù)法對灃河流域不同水期及全年的主要水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)倍數(shù)評價結(jié)果。由圖2可以看出，灃河整體水質(zhì)污染程度為中游較差，下游略好，上游最好；豐水期水質(zhì)最優(yōu)，平水期次之，枯水期水質(zhì)較差。灃峪斷面TN超標(biāo)倍數(shù)的最高值出現(xiàn)在豐水期，而在其他斷面基本以枯水期最高、豐水期最低。這種情況的出現(xiàn)可能是由于豐水期灃河流域上游灃峪段為風(fēng)景旅游區(qū)，往來游客增多，產(chǎn)生了較多的生活垃圾和廢水，使得灃峪段污染程度增高[34]。灃河流域典型的污染因子除了TN還有TP和NH3—N，從監(jiān)測斷面來看，中游潏入灃斷面的TN和TP污染較為集中，超標(biāo)倍數(shù)最大，且該斷面NH3—N的超標(biāo)倍數(shù)也較大，表明灃河流域中游水質(zhì)劣于上、下游。

圖2 單因子指數(shù)法對灃河流域不同水期及全年的主要水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)倍數(shù)評價結(jié)果

3.1.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法 內(nèi)梅羅指數(shù)法劃分水質(zhì)等級標(biāo)準(zhǔn)參照文獻(xiàn)[13]，傳統(tǒng)的和改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法對灃河流域不同水期及全年的各監(jiān)測斷面水質(zhì)評價結(jié)果見圖3。從傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果中(圖3(a))可以看出，灃河流域整體水質(zhì)污染指數(shù)在1.68～5.21之間，污染程度在時間和空間上的變化趨勢與單因子指數(shù)法評價結(jié)果一致。上游灃峪段水質(zhì)最好，超過其他任一監(jiān)測斷面水質(zhì)。改進(jìn)后的內(nèi)梅羅指數(shù)法水質(zhì)變化在時間上的趨勢與改進(jìn)前相同(圖3(b))，不同的是改進(jìn)評價方法后整體水質(zhì)污染指數(shù)減小，顯示出上游和下游水質(zhì)較好，中游水質(zhì)也優(yōu)于改進(jìn)前的傳統(tǒng)方法評價結(jié)果，主要的水質(zhì)類別為Ⅱ類、Ⅲ類和IV類。水質(zhì)的空間變化特點(diǎn)為上游波動較大，下游趨于穩(wěn)定，中游變化波動較小。

圖3 內(nèi)梅羅指數(shù)法對灃河流域不同水期及全年的各監(jiān)測斷面水質(zhì)評價結(jié)果

3.1.3 灰色關(guān)聯(lián)分析法 圖4為灰色關(guān)聯(lián)分析法對灃河流域不同水期及全年的各監(jiān)測斷面水質(zhì)等級評價結(jié)果。由圖4可以看出，在全年當(dāng)中，Ⅰ類水?dāng)嗝嬲急冗_(dá)到75%，主要集中在上游和下游，僅25%斷面為Ⅴ類水，出現(xiàn)在中游灃河口和潏入灃斷面；平水期Ⅰ類水?dāng)嗝嬲急扰c全年相同，但Ⅴ類水?dāng)嗝嬲急炔坏?5%，小于全年，說明灃河水質(zhì)整體表現(xiàn)出較好的趨勢。從時間維度看，整體污染嚴(yán)重程度趨勢與單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法得到的結(jié)果相同，整體水質(zhì)達(dá)標(biāo)程度為62.5%，說明整體上灃河各類水體功能處于正常狀態(tài)；從空間狀況來看，不同監(jiān)測斷面處水質(zhì)差異較為明顯，其中潏入灃處污染相對嚴(yán)重。

圖4 灰色關(guān)聯(lián)分析法對灃河流域不同水期及全年的各監(jiān)測斷面水質(zhì)等級評價結(jié)果

3.1.4 模糊綜合評價法 圖5為模糊綜合評價法對灃河流域不同水期及全年的各監(jiān)測斷面水質(zhì)等級評價結(jié)果。由圖5可以看出，以改進(jìn)前傳統(tǒng)的模糊綜合評價法進(jìn)行評價，則灃峪斷面在平水期和豐水期的水質(zhì)等級均為Ⅰ類，水質(zhì)良好，僅需進(jìn)行簡單的物理或化學(xué)處理便可達(dá)到飲用水的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)層次分析法(AHP)和熵權(quán)法組合賦權(quán)改進(jìn)后的評價方法得到的評價結(jié)果顯示，灃峪斷面水質(zhì)僅在平水期有劣化趨勢，但也達(dá)到了Ⅲ類水的等級，符合國家規(guī)定的達(dá)標(biāo)類等級規(guī)定。其他斷面在不同水期的水質(zhì)狀況也有不同程度的提升，枯水期上游灃峪斷面水質(zhì)為Ⅰ類，豐水期中游潏入灃斷面水質(zhì)為Ⅲ類，枯水期下游嚴(yán)家渠斷面水質(zhì)為Ⅱ類，水質(zhì)狀況整體較好。在空間維度上，水質(zhì)健康狀況表現(xiàn)為上游>下游>中游。上、下游斷面的全年水質(zhì)等級基本為Ⅱ類和I類；在時間維度上，平水期污染較嚴(yán)重，枯水期次之，豐水期水質(zhì)最優(yōu)。污染狀況在時間維度上的評價結(jié)論與其他方法有所不同，其原因在于改進(jìn)后模糊綜合評價法的計(jì)算方法及平水期TN超標(biāo)倍數(shù)的波動變化。由單因子指數(shù)法評價結(jié)果(圖2)可知，平水期TN的變化波動程度大于豐水期和枯水期，因而其信息熵權(quán)值較大，根據(jù)公式(5)計(jì)算的隸屬度值也較高，導(dǎo)致平水期水質(zhì)等級的評價劣于改進(jìn)前。

圖5 模糊綜合評價法對灃河流域不同水期及全年的各監(jiān)測斷面水質(zhì)等級評價結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 各水質(zhì)評價方法的綜合對比 對上述4種典型的水環(huán)境質(zhì)量評價方法進(jìn)行對比得出：最大污染指標(biāo)最易影響單因子指數(shù)法、傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法，所以這3種方法的水質(zhì)評價結(jié)果比其他方法的評價結(jié)果差，略顯保守。改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法在評價過程中削弱了TN對水質(zhì)結(jié)果的影響，比傳統(tǒng)方法的判定結(jié)果更合理，而且可以分辨出更劣的水體，缺點(diǎn)是難以反映污染物質(zhì)的特征，即不能體現(xiàn)出污染指標(biāo)的超標(biāo)情況。灰色關(guān)聯(lián)評價法評價出的水質(zhì)等級優(yōu)于其他方法的評價結(jié)果，主要原因是監(jiān)測數(shù)據(jù)的評價因子經(jīng)過了標(biāo)準(zhǔn)化處理，受到最小絕對差、最大絕對差和最優(yōu)水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的影響較大，其缺點(diǎn)則是各斷面對某種水質(zhì)等級的關(guān)聯(lián)度界限不甚清晰。為了平衡最大污染指標(biāo)與其他指標(biāo)的權(quán)重，將層次分析法(AHP)和熵權(quán)法的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合對模糊綜合評價法進(jìn)行改進(jìn)[28]，使得改進(jìn)后方法的評價結(jié)果更客觀和更有層次感。其缺點(diǎn)與灰色關(guān)聯(lián)分析法相似，即按照權(quán)重系數(shù)區(qū)分的水質(zhì)等級界限不是很明確。4種評價方法各有其優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)根據(jù)具體研究對象結(jié)合評價方法的特點(diǎn)選擇應(yīng)用。對于灃河水質(zhì)評價而言，可選擇改進(jìn)后模糊綜合評價法，該方法可以綜合多方面因素進(jìn)行水質(zhì)分析，雖然其權(quán)重因子的獲取稍顯復(fù)雜，但其評價結(jié)果更為精細(xì)。

3.2.2 灃河水質(zhì)污染狀況的空間分析 從空間上來分析灃河流域的水質(zhì)污染狀況，污染程度表現(xiàn)為中游>下游>上游。西安市近些年來的城市化發(fā)展與人口變化對灃河水質(zhì)有較大影響[35]。灃河中游的土地利用程度增加，建設(shè)用地及農(nóng)業(yè)用地比例增大，農(nóng)村生活污水和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的面源污染經(jīng)灌溉、降雨等方式排入灃河，造成了中游水質(zhì)的惡化[36]，同時流域附近工廠含有大量氮磷營養(yǎng)元素的工業(yè)廢水也被排入中游水體，使中游水質(zhì)惡化加劇[5]。灃河下游的污染物主要是來自嚴(yán)家渠附近企業(yè)的工業(yè)廢水。灃河下游工業(yè)化水平較中游低，且人口密度較中游小，加上2000年以來西安市政府不斷調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，貫徹實(shí)施工業(yè)廢水的排污濃度控制和排污總量控制，使得灃河下游污染有一定程度的改善。

3.2.3 灃河水質(zhì)污染狀況的時間分析 灃河作為渭河支流，在時間維度上的水質(zhì)變化趨勢與渭河相同，表現(xiàn)為枯水期較嚴(yán)峻，豐水期最輕，平水期略差[37]。水質(zhì)優(yōu)劣程度主要受降水、溫度、水力條件等因素影響存在季節(jié)性差異?？菟谒w匯流減少，流速降低，水體負(fù)荷量變小，使降水中攜帶的污染物進(jìn)入河流后不能及時排出，對流域水體造成污染[38]。冬季溫度下降，水體中具有凈化功能的微生物活性降低，水體自然調(diào)節(jié)能力減弱，使得枯水期階段水質(zhì)在全年表現(xiàn)最差。平水期水體負(fù)荷量和入河污染物均相對較小，因此水環(huán)境質(zhì)量較好。夏季豐水期極易產(chǎn)生降雨，大量雨水匯入河流，容易使河流中污染物加速進(jìn)行物理稀釋和化學(xué)消解，并被排出水體，使水質(zhì)得以改善。

4 結(jié) 論

本研究基于2018年9月-2019年8月灃河流域8個監(jiān)測斷面的水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)，選取5種主要水質(zhì)指標(biāo)作為評價因子，采用4種典型的水質(zhì)評價方法評價了灃河流域的水環(huán)境質(zhì)量，主要結(jié)論如下：

(1)TN、TP和NH3—N是灃河流域最主要的污染物。

(2)灃河流域水質(zhì)狀況整體上呈現(xiàn)出時空分異特性，在時間上的變化遵循一般流域水質(zhì)隨季節(jié)波動的規(guī)律，體現(xiàn)為枯水期水質(zhì)差，平水期略好，豐水期最優(yōu)。在空間上體現(xiàn)為上游水質(zhì)最好，中游受人為活動影響水質(zhì)較差，下游水質(zhì)處于兩者之間。水質(zhì)最優(yōu)的斷面為流域上游的灃峪斷面，水質(zhì)較差的斷面為流域中游的潏入灃斷面。

(3)4種典型的水質(zhì)評價方法各有優(yōu)點(diǎn)，但改進(jìn)的模糊綜合評價法權(quán)重分配更為合理，評價結(jié)果更客觀且可以綜合多方面因素分析水質(zhì)，適合灃河流域的水質(zhì)評價。其評價結(jié)果表明，灃河上、下游水質(zhì)較好，污染主要出現(xiàn)在中游。