牛欄江—滇池補水工程對滇池外海水質(zhì)變化的多方法評價研究

王藝頤，李靈軍，王銘明，賈璐璐，汪 菊，李連強，劉云韓，王云慶

(1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.水利部綜合事業(yè)局，北京 100053)

0 引 言

近年來，城市化、工業(yè)化進程不斷加快，水體污染形勢愈加嚴(yán)峻，制約著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，地表水及地下水水質(zhì)污染情況也發(fā)生了較大改變。因此，水質(zhì)監(jiān)測及評價工作尤為重要，評價方法的研究及應(yīng)用是近年來水環(huán)境領(lǐng)域的一個熱點[1- 6]。常用的水質(zhì)評價方法有單因子評價法、模糊綜合評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法、綜合污染指數(shù)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法等。徐勇等[7]用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法評價大沽河濕地海水水質(zhì)表明，河道內(nèi)站點水質(zhì)均為劣Ⅳ類水質(zhì)，無機氮含量嚴(yán)重超標(biāo)，富營養(yǎng)化狀態(tài)明顯，應(yīng)采取有效措施，提高大沽河濕地水質(zhì)質(zhì)量，從而保證濕地區(qū)域的生態(tài)環(huán)境安全；馬京久等[8]把綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法應(yīng)用于漢江中下游地區(qū)，評價結(jié)果表明，2001年～2014年漢江中下游水質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn)，可為該流域水污染防治提供理論依據(jù)；張龍等[9]在阿哈水庫水質(zhì)評價中采用模糊綜合評價法的研究結(jié)果表明，模糊綜合評價法能客觀評價各采樣點的水質(zhì)，可廣泛應(yīng)用于水質(zhì)評價中；陳玲等[10]采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對常州市北市河水質(zhì)進行評價發(fā)現(xiàn)，斷面水質(zhì)變化趨勢比較一致，總體上春冬季水質(zhì)優(yōu)于夏秋季水質(zhì)。

每種評價方法在評價水質(zhì)時的側(cè)重點不同，評價方法各有優(yōu)缺點[11]。單一的水質(zhì)評價方法會造成評價結(jié)果較差或過于理想化，多種水質(zhì)評價方法相結(jié)合，使評價結(jié)果更客觀，更趨近事實。為此，本文把單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法和模糊綜合評價法4種常用的水質(zhì)評價方法結(jié)合起來，克服單一水質(zhì)評價的弊端，應(yīng)用于研究牛欄江—滇池補水工程開通前后滇池外海的水質(zhì)變化。

1 水質(zhì)評價方法

1.1 單因子評價法

在所有參評的水質(zhì)指標(biāo)中，將其實測值和GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的標(biāo)準(zhǔn)值作比較，確定水質(zhì)類別，選擇其中最差類別作為水質(zhì)評價的結(jié)果。

1.2 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是計算單因子指數(shù)和綜合污染指數(shù)，根據(jù)綜合污染指數(shù)進行水質(zhì)級別的劃分。以污染分擔(dān)率表征各污染物的貢獻并識別主要污染物，公式如下[12]

(1)

(2)

(3)

式中，Ci為水質(zhì)因子i的實測濃度；Si為GB 3838—2002中水質(zhì)因子i的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值；Pi為污染因子i的單因子指數(shù)；P為綜合污染指數(shù)；Ki為水質(zhì)因子i的污染分擔(dān)率；n為參評指標(biāo)的個數(shù)。綜合污染指數(shù)水質(zhì)級別劃分見表1。

表1 綜合污染指數(shù)水質(zhì)級別劃分

1.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析法

灰色關(guān)聯(lián)度分析法是灰色系統(tǒng)理論的基本方法，是通過對研究系統(tǒng)內(nèi)各要素的相互關(guān)系、作用與影響進行關(guān)聯(lián)度量化，從而確定參考序列與多個對比序列間的關(guān)聯(lián)性[13]?；疑P(guān)聯(lián)度分析法的步驟如下[14]：

(1)確定參考序列和比較序列。一般把地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作為比較數(shù)列，實測水質(zhì)作為參考數(shù)列。參考序列可以用x0，x1，…，xi表示，第i個實測樣本的參考序列xi可表示為xi(1)，xi(2)，…，xi(n)；比較序列可以用y1，y2，…，yn表示，第j級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的比較序列yj可表示為yj(1)，yj(2)，…，yj(n)。

(2)數(shù)據(jù)歸一化處理。由于各樣本序列中量綱的不同，數(shù)值和數(shù)量級相差比較懸殊，無法直接進行比較，需要對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理[15]，求出各年份評價指標(biāo)和地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中項目的平均值，用平均值除各年份評價指標(biāo)的實測值和標(biāo)準(zhǔn)值即可。

(3)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)εji。公式為

(4)

式中，Δji為比較序列和參考數(shù)列的差數(shù)列；Δmax為差序列的最大值；Δmin為差序列的最小值；ρ一般取0.5。

(4)計算關(guān)聯(lián)度Rji。公式為

(5)

式中，n為參評指標(biāo)的個數(shù)。

(5)對序列排序。關(guān)聯(lián)度中最大值即為所求水質(zhì)類別。

1.4 模糊綜合評價法

模糊綜合評價是對多種因素所影響的事物或現(xiàn)象，根據(jù)給出的評價標(biāo)準(zhǔn)和實測值，經(jīng)過模糊變換，對其做出總評價的一種方法，使系統(tǒng)中的不確定性通過隸屬度加以量化，在環(huán)境質(zhì)量評價中顯現(xiàn)出其優(yōu)越性，近年來在環(huán)境科學(xué)中得到了應(yīng)用[16]。具體步驟如下[17]：

(1)建立評價因子集和評價集。評價指標(biāo)作為評價因子集，GB 3838—2002水質(zhì)類別作為評價集。

(2)建立模糊關(guān)系矩陣。通常用降半梯形和升半梯形求兩端的隸屬度，用對稱山形求中間的隸屬度。

當(dāng)實測值為Ⅰ級，隸屬度函數(shù)為

(6)

當(dāng)實測值為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，隸屬度函數(shù)為

(7)

當(dāng)實測值為Ⅴ級，隸屬度函數(shù)為

(8)

式中，rij為評價指標(biāo)i對j級水質(zhì)的隸屬度；Ci為指標(biāo)實測值濃度；Sij為評價指標(biāo)的j級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值。

(3)確定權(quán)重?？刹捎梦廴疚餄舛瘸瑯?biāo)加權(quán)法計算。公式為

(9)

(10)

式中，Si為評價指標(biāo)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)超標(biāo)限值；Wi為評價指標(biāo)的權(quán)重。

(4)建立模糊綜合評價。公式為

(11)

式中，B為樣本對于水質(zhì)的模糊關(guān)系；r11表示第1種污染物的環(huán)境質(zhì)量數(shù)值可以被評價為第Ⅰ類環(huán)境質(zhì)量的可能性，即第1種污染物對第Ⅰ類環(huán)境質(zhì)量的隸屬度；m代表評價因子數(shù)；n代表水質(zhì)類別。

2 研究區(qū)背景

滇池位于云南省昆明市，處于長江、紅河、珠江三大水系的分水嶺地帶，是云南九大高原湖泊，有35條河流注入。滇池分為外海和草海，外海為滇池的主體部分。滇池湖面面積約300 km2，總蓄水量15.6億m3，流域面積2 920 km2，流域徑流6.961億m3/a，湖面降水約2.72億m3/a，共9.68億m3/a[18]。

滇池流域降水量少，蒸發(fā)量大，無徑流補給，使得滇池嚴(yán)重缺水，周邊工農(nóng)業(yè)排放污水，使得水污染加劇。在國家方針政策的大力支持下，2013年開通了牛欄江—滇池補水工程。本文選用滇池外海2009年～2015年水質(zhì)指標(biāo)實測數(shù)據(jù)(見表2)，采用單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法、模糊綜合評價法進行評價。選取化學(xué)需氧量(COD)、高錳酸鉀指數(shù)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷、總氮作為評價水質(zhì)類別指標(biāo)。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表2 滇池外海2009年～2015年水質(zhì)指標(biāo)實測數(shù)據(jù) mg/L

表3 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) mg/L

3 結(jié)果對比與分析

單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法、模糊綜合評價法4種評價方法對滇池外海2009年～2015年的水質(zhì)評價結(jié)果與水質(zhì)實測值對比見表4。從表4可知：

表4 4種水質(zhì)評價結(jié)果與水質(zhì)實測值對比

(1)在4種評價方法中，單因子評價法水質(zhì)結(jié)果最差，因為該方法忽略了評價指標(biāo)的整體作用，選取最差的指標(biāo)類別作為水質(zhì)評價的結(jié)果，具有單一性和片面性，評價結(jié)果水質(zhì)類別100%為劣Ⅴ類。單因子評價法更適合確定主要的污染物，其中化學(xué)需氧量、總磷、總氮3種指標(biāo)是導(dǎo)致水質(zhì)劣Ⅴ類的關(guān)鍵因素。

(2)綜合污染指數(shù)法可以評價水質(zhì)污染程度，但無法評價水質(zhì)類別，水質(zhì)級別重污染占比57%，嚴(yán)重污染占比43%。此外，綜合污染指數(shù)法能對水質(zhì)給出一定的定性判斷，通過綜合污染指數(shù)的計算結(jié)果能定量反映水質(zhì)的差異，尤其是在水質(zhì)較差的情況下，更能反映水質(zhì)的區(qū)別[19]。牛欄江—滇池補水工程開通前，滇池外海水質(zhì)級別為嚴(yán)重污染，經(jīng)計算，綜合污染指數(shù)分別為1.81、2.13、2.12、2.07，該階段污染程度差異性不大。牛欄江—滇池補水工程開通后，滇池水質(zhì)級別為重污染，經(jīng)計算，污染指數(shù)為2.06、1.78、1.43，在2014年污染指數(shù)首次低于2，這說明工程開通后在一定程度上改善了滇池的水質(zhì)。通過計算水質(zhì)因子的污染分擔(dān)率，可以得到滇池外海化學(xué)需氧量和總磷為主要的污染因子，污染分擔(dān)率為28%～32%。

(3)灰色關(guān)聯(lián)度分析法Ⅲ類水質(zhì)占比43%，Ⅳ類水質(zhì)占比57%，水質(zhì)類別整體滿足滇池保護規(guī)劃2018年～2035年要求。到2025年，滇池草海和外海水質(zhì)穩(wěn)定達到Ⅳ類及以上?？梢钥闯?，灰色關(guān)聯(lián)度分析法相比其他3種方法水質(zhì)評價結(jié)果更好，水質(zhì)類別整體控制在Ⅲ類和Ⅳ類，水質(zhì)類別整體偏高，能看出水質(zhì)轉(zhuǎn)變趨勢和發(fā)展趨勢。

(4)模糊綜合評價法的主要特點是系統(tǒng)性強、結(jié)果清晰，還能科學(xué)地解決邊界模糊的問題，在解決水質(zhì)問題時，可以通過模糊綜合評價法反映水質(zhì)邊界的模糊性，使評價結(jié)果更加具有科學(xué)性。但是，模糊綜合評價法也存在著缺點，模糊綜合評價法的權(quán)重是通過超標(biāo)法完成的，也就是說超標(biāo)的越多，其權(quán)重也越大，突出了超標(biāo)污染物的影響，忽略了一些實測濃度地的評價因子。另外，對于同一種水質(zhì)指標(biāo)，模糊綜合評價法認(rèn)為其不同的水質(zhì)類別的權(quán)重相同，這也是其缺點之一[20]。模糊綜合法Ⅳ類水質(zhì)占比14%，Ⅴ類水質(zhì)占比86%。通過計算隸屬度可以看出，滇池外海2009年～2015年超標(biāo)污染物為高錳酸鉀指數(shù)、化學(xué)需氧量、總磷、總氮，生化需氧量和氨氮無明顯超標(biāo)跡象。

4 結(jié) 語

本文利用滇池外海2009年～2015年水質(zhì)指標(biāo)實測數(shù)據(jù)，采用4種方法評價牛欄江—滇池補水工程開通前后滇池外海水質(zhì)的變化，得出以下結(jié)論：

(1)單因子評價法可直觀看出超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)，并選取最差指標(biāo)的類別作為評價結(jié)果，水質(zhì)評價結(jié)果均為劣Ⅴ類，帶有片面性，在水質(zhì)評價工作中應(yīng)用較少。

(2)綜合污染指數(shù)法把各個指標(biāo)都納入評價范圍，但不能評價水質(zhì)類別，只能得出水質(zhì)污染程度，應(yīng)用范圍較為狹窄。

(3)模糊綜合評價法和灰色關(guān)聯(lián)度分析法可以反映當(dāng)下實際水質(zhì)和看出水質(zhì)轉(zhuǎn)變趨勢。相比前2種方法，在水質(zhì)評價領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛。