基于不同評價方法的居延海(東)水環(huán)境質(zhì)量分析

李 靜，沈夢蘭，張紅霞，阿麗瑪

(1.阿拉善盟生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站；2. 阿拉善烏海水文水資源分中心，內(nèi)蒙古 阿拉善 750306)

水環(huán)境質(zhì)量評價是合理利用水資源的基礎(chǔ)，通過評價可以具體掌握水體內(nèi)各種污染因子狀況，為合理利用水資源提供依據(jù)。要得到客觀、科學(xué)的評價結(jié)果就需要使用科學(xué)的評價方法[1]。近年來，評價水環(huán)境質(zhì)量的方法主要有指數(shù)評價法[2]、模糊數(shù)學(xué)法[3]、主成分分析法[4]、層次分析法[5]、灰色評價法[6]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[7]、物元分析法[8]等。

1 研究區(qū)概況

居延海(東)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟納旗，是中國第二大內(nèi)陸河——黑河的尾閣湖，地理坐標(biāo)為北緯42°10′～42°20′，東經(jīng)101°12′～101°19′。1992年干涸后，周邊生態(tài)環(huán)境惡化[9]，成為我國沙塵暴的主要發(fā)源地之一[10]。2000年，中央政府決定實施黑河水資源統(tǒng)一調(diào)度管理，2002年7月，干涸10年之久的居延海(東)又迎來黑河水，迄今多年未干涸，2020年最大水域面積達到43.0 km2。

隨著生態(tài)環(huán)境的逐步恢復(fù)，居延海(東)和黑河的生態(tài)環(huán)境狀況也成為研究熱點，主要集中在濕地恢復(fù)[11]、生態(tài)需水量[12-14]、黑河富營養(yǎng)化[15]等方面，對其水環(huán)境質(zhì)量狀況的分析較少。筆者主要以居延海(東)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 對水環(huán)境質(zhì)量狀況進行評價， 分析影響湖泊水質(zhì)的主要污染物，為科學(xué)評價居延海(東)狀況，管理保護水資源，提供科學(xué)合理的依據(jù)。

2 評價方法的選擇

水環(huán)境質(zhì)量評價是依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對水質(zhì)客觀評價，不同評價方法有不同的優(yōu)缺點，因此，筆者選取應(yīng)用較廣的指數(shù)評價法、模糊數(shù)學(xué)法和層次分析法對居延海(東)的水質(zhì)進行評價，以得到更客觀、準(zhǔn)確的評價結(jié)果。

2.1 指數(shù)評價法

2.1.1 單因子指數(shù)評價法。單因子指數(shù)評價法首先要確定水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)，再將評價因子的濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度相比，根據(jù)比值結(jié)果判斷水質(zhì)類別，最后以最差的類別作為水質(zhì)綜合評價結(jié)果。

Sij=Cij/Csi

(1)

式(1)中：Sij為污染物i在j監(jiān)測斷面的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)；Cij為污染物i在j監(jiān)測斷面的濃度(mg/L)；Csi為污染物i的評價標(biāo)準(zhǔn)(mg/L)。

當(dāng)Sij≤1時，表示水中該污染物未超過評價標(biāo)準(zhǔn)；Sij>1時，表示該污染物超過評價標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法。綜合指數(shù)法是用各種污染物的相對污染指數(shù)進行數(shù)學(xué)上的歸納和統(tǒng)計，得出一個較簡單的代表水體污染程度的數(shù)值，其中內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法是最常用的方法之一。

(2)

表1 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)等級

2.2 模糊數(shù)學(xué)法

模糊數(shù)學(xué)法是用數(shù)學(xué)的方法來研究、處理實際中存在的大量不確定的模糊的問題，在環(huán)境質(zhì)量評價中，主要是使用隸屬度來刻畫環(huán)境質(zhì)量的分界線，而隸屬度可以用隸屬函數(shù)來表達。

具體分析步驟如下：

2.2.1 評價參數(shù)的選擇和評價標(biāo)準(zhǔn)的確立。環(huán)境評價因子集合U={u1，u2…ui}，ui為水質(zhì)評價因子實測值；參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)，將湖泊質(zhì)量等級分為5級，建立評價集合V={v1，v2，v3，v4，v5}。

2.2.2 建立隸屬度函數(shù)。把各監(jiān)測因子的實測值和各質(zhì)量等級濃度標(biāo)準(zhǔn)值代入隸屬度函數(shù)公式，即得模糊矩陣R，隸屬度由隸屬度函數(shù)求得。

(3)

2.2.3 確定評價因子的權(quán)重。由于各評價因子對環(huán)境的影響程度、貢獻率不同，就要賦予各因子不同權(quán)重。然后將各因子權(quán)重進行歸一化處理，可得各因子權(quán)重。

(4)

將各因子權(quán)重組成矩陣A=(a1，a2，…an)

③農(nóng)民水費承受力計算。根據(jù)計算公式，桃花山鎮(zhèn)農(nóng)民用水者協(xié)會農(nóng)民水費承受力為90元/畝；調(diào)關(guān)鎮(zhèn)農(nóng)民用水者協(xié)會、東升鎮(zhèn)農(nóng)民用水者協(xié)會農(nóng)民承受力為90.7元/畝。

2.2.4 進行綜合評價。將各因子權(quán)重矩陣A和模糊矩陣R進行運算，可得居延海(東)的水環(huán)境質(zhì)量等級。

2.3 層次分析法

層次分析法是定性和定量分析相結(jié)合的分析方法，將負(fù)責(zé)問題層次分解，建立層次結(jié)構(gòu)模型，最終將問題歸結(jié)為最底層(方案層)相對于最高層(目標(biāo)層)的權(quán)重或優(yōu)劣排序問題，該方法具有較強的邏輯性、實用性和系統(tǒng)性。層次分析的步驟如下。

2.3.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。將水環(huán)境質(zhì)量作為目標(biāo)層(A)，評價指標(biāo)作為準(zhǔn)則層(Bi)，水質(zhì)類別作為方案層(Ci)，根據(jù)這3個層次建立居延海(東)水環(huán)境質(zhì)量層次結(jié)構(gòu)模型(見圖1)。

圖1 水環(huán)境質(zhì)量評價層次分析結(jié)構(gòu)

2.3.2 構(gòu)建判斷矩陣及一致性檢驗。將所選指標(biāo)的單因子指數(shù)兩兩比值，可得判斷矩陣(A-B)，然后計算矩陣最大特征值λmax，求得一致性指標(biāo)比率CR，對矩陣進行一致性檢驗。

(5)

當(dāng)CR<0.10時，認(rèn)為層次單排序的結(jié)果又滿意的一致性，否則需要重新判斷矩陣的元素取值。

2.3.3 進行層次總排序。將各層指標(biāo)對于目標(biāo)層的權(quán)重進行排序，以確定方案層在總目標(biāo)中的重要程度。

3 評價因子的確定

居延海(東)日常監(jiān)測因子29項，周邊無污染源排放點，因此只選取部分項目作為評價因子。居延海作為尾閭湖，極易發(fā)生富營養(yǎng)化，且高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量常年超標(biāo)，地區(qū)背景含氟、含砷較高，因此，筆者選取高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)、氟化物(F-)、砷(As)7項指標(biāo)作為評價因子。各評價因子分析方法依據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)方法進行(見表2)；采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)作為評價標(biāo)準(zhǔn)，各評價因子的標(biāo)準(zhǔn)值(見表3)。

表2 各評價因子測定方法

表3 各評價因子的標(biāo)準(zhǔn)值 單位：mg/L

4 評價結(jié)果計算及比較

運用SPSS和Excel軟件對居延海(東)2009年—2020年監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理、計算，得各方法的評價結(jié)果(見圖2)。

由圖2可知，居延海(東)2009年—2020年庫容量在波動中逐漸增大，水質(zhì)評價結(jié)果總體不斷提升并趨于穩(wěn)定。同時，不同評價方法評價結(jié)果不同：運用單因子指數(shù)評價時，居延海(東)水質(zhì)2009年—2010年在Ⅴ類或劣Ⅴ類之間變換，2012年—2015年均為劣Ⅴ類，2016年—2020年上升為Ⅴ類。單因子指數(shù)法是選取污染最嚴(yán)重的項目因子對進行水質(zhì)評價，因此與其他評價方法相比該方法的評價結(jié)果是最差的，但單因子指數(shù)法計算方法簡單，可直接、快速的反應(yīng)水質(zhì)現(xiàn)狀與評價標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系，是目前最常用的方法。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評價時，結(jié)果均為Ⅳ類，該方法既突出了污染最嚴(yán)重的項目因子對水質(zhì)的影響，同時也考慮了其他項目因子的影響，具有兼顧性。模糊數(shù)學(xué)法和層次分析法的評價結(jié)果不盡相同，2009年—2015年模糊數(shù)學(xué)法評價結(jié)果基本為Ⅴ類，層次分析法為Ⅳ類，2016年—2020年兩種評價方法結(jié)果相基本相同。

層次分析法和模糊數(shù)學(xué)法的評價結(jié)果為水質(zhì)占各類水質(zhì)類型的比重，圖3可看出不同年份比重的變化程度，層次分析法各類水質(zhì)的比重相對均勻，Ⅴ類水質(zhì)比重呈減小趨勢，Ⅲ類、Ⅳ類水質(zhì)比重呈增加趨勢，模糊數(shù)學(xué)法中，2009年和2012年Ⅴ類水質(zhì)比重超過50%，之后其比重也呈逐漸減小趨勢，Ⅲ類、Ⅳ類水質(zhì)比重逐漸增加，水質(zhì)總體向好。

圖3 層次分析法和模糊數(shù)學(xué)法水質(zhì)類別比重

對于有監(jiān)測因子嚴(yán)重超標(biāo)的年份，例如2009年—2015年間，化學(xué)需氧量的超標(biāo)較嚴(yán)重，最大超標(biāo)倍數(shù)達到3.8倍(以Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進行比較)，在權(quán)重賦值時化學(xué)需氧量的權(quán)重大幅度提高，就導(dǎo)致模糊數(shù)學(xué)法的評價結(jié)果降低，同時Ⅴ類水質(zhì)比重較大。而運用層次分析法時，權(quán)重的賦值呈動態(tài)變化，各個評價因子相互聯(lián)系，未完全放大超標(biāo)項目的影響力，更能客觀呈現(xiàn)所有評價因子對水環(huán)境質(zhì)量的影響，相比而言，層次分析法的分析結(jié)果更科學(xué)、更客觀。

5 結(jié)論與討論

居延海(東)的水質(zhì)狀況基本處于Ⅲ類～Ⅴ類，主要超標(biāo)項目為高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(CODCr)、總磷(TP)和總氮(TN)，水質(zhì)狀況總體穩(wěn)定，有改善趨勢。

水環(huán)境質(zhì)量的評價方法有很多種，各種方法都有自己的優(yōu)缺點和側(cè)重點，在評價水環(huán)境質(zhì)量時，適宜多種評價方法共用，相互補充。對居延海(東)的水環(huán)境狀況進行評價時，單因子指數(shù)法可簡單快速的確定水環(huán)境質(zhì)量，還可以得到超標(biāo)因子的超標(biāo)倍數(shù)，超標(biāo)率等特征數(shù)，但層次分析法的評價結(jié)果更科學(xué)、客觀，根據(jù)工作要求，若要快速確定水質(zhì)狀況推薦使用單因子指數(shù)法，但要獲得更科學(xué)、客觀的結(jié)果推薦使用層次分析法。