張 進(jìn)
(陜西省商洛水文水資源勘測中心,陜西 商洛 726000)
丹江發(fā)源于陜西省商洛市西北部的秦嶺南麓,為漢江左岸一級支流,是漢江最大支流,商洛市第一大河流。丹江流經(jīng)商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣,于商南縣白浪鎮(zhèn)月亮灣出陜西省境。在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展進(jìn)程中,我國水資源、水生態(tài)、水環(huán)境問題日益突出,已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。為了加強(qiáng)水資源、水生態(tài)、水環(huán)境“三水”統(tǒng)籌協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)“有河要有水,有水要有魚,有魚要有草,下河能游泳”的目標(biāo),在水環(huán)境方面,有針對性地改善水環(huán)境質(zhì)量,然而改善環(huán)境的第一步就是調(diào)查清楚當(dāng)前水體水質(zhì)狀況,對水體水質(zhì)有科學(xué)明確的判斷?,F(xiàn)階段河流水質(zhì)評價的主要方法有:傳統(tǒng)的單因子評價法、模糊綜合指數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANNs)法、綜合污染指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、物元分析法等。在這些方法中模糊綜合指數(shù)法計算量較為復(fù)雜,但其評判結(jié)果最為合理,所以模糊綜合指數(shù)法在地表河流水質(zhì)評價應(yīng)用十分廣泛。本文采用模糊綜合指數(shù)法對丹江上游的四個水質(zhì)斷面進(jìn)行水質(zhì)評價。通過與單因子評價法相對比能更加真實(shí)可靠、更為準(zhǔn)確判定水質(zhì)狀況,為當(dāng)?shù)卣诘そ嫌嗡h(huán)境保護(hù)工作的進(jìn)一步開展提供科學(xué)依據(jù)。
丹江上游干流水質(zhì)斷面由上游往下依次為麻街、張村、丹鳳、月日,斷面間距分別為32 km、33 km、11 km,選取該干流四個水質(zhì)斷面作為評價目標(biāo)。
依據(jù)斷面情況本次采用模糊綜合指數(shù)法對丹江上游麻街、張村、丹鳳、月日四個水質(zhì)斷面的水體水質(zhì)狀況進(jìn)行評價,利用陜西省水環(huán)境監(jiān)測中心商洛分中心2018年~2021年的水質(zhì)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總評價。選取該四個水質(zhì)斷面的高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、五日生化需氧量(BOD5)五個監(jiān)測項(xiàng)目年均值作為評價因子。四個斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。
表1 2018年~2021年水質(zhì)斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)年均值表
通過構(gòu)造隸屬度函數(shù)和隸屬度矩陣,利用最大隸屬度原則,明確判斷水質(zhì)級別,反應(yīng)造成水體污染的主要污染物,尋找具體的污染源以便及時遏制。
因子集中所包含的各個因子是用來確定水質(zhì)類別的評價項(xiàng)目,一個因子集中可以包含n個項(xiàng)目,因子集V={v1, v2,…vn}。本文選取高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、五日生化需氧量(BOD5)五個項(xiàng)目作為評價因子。
與評價因子集相對應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)分級的集合作為評價集為U,評價集U= {u1,u2,u3,u4,u5}。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[2](GB 3838-2002)將評價標(biāo)準(zhǔn)分為5個等級,評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。
表2 評價標(biāo)準(zhǔn)
在分級之后為了表述該標(biāo)準(zhǔn)具有的特性程度,需建立隸屬度函數(shù)[3]。
第一級水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量, j=1,其隸屬函數(shù)為:
第二~四級水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量, j=2,3,4其隸屬函數(shù)為:
第五級水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量, j=5其隸屬函數(shù)為:
(1)~(3)式中j為水質(zhì)級別(j=1,2,3,4,5),i為因子項(xiàng)目種類;Ci第i種因子實(shí)測值;Sij第i種因子的第j級評價標(biāo)準(zhǔn);
根據(jù)實(shí)測值代入隸屬度函數(shù)得出隸屬度,構(gòu)成模糊矩陣關(guān)系矩陣,
式中:m為污染因子數(shù)1=1,2,3…m;n為水質(zhì)類別總數(shù)j=1,2,3, …n;rmn為第m檢測項(xiàng)目在n級別的隸屬度。
權(quán)重系數(shù)wi是用來衡量各污染因子對水體環(huán)境質(zhì)量大小,通過污染貢獻(xiàn)率分別計算出單因子系數(shù),進(jìn)行歸一化處理[4],計算式為:
或
如果檢測值越小,水質(zhì)越好用(5)式計算,反之用(6)式。式中:Ci為第i種污染因子的實(shí)測濃度,mg/L;ci0為第i種污染因子的各級標(biāo)準(zhǔn)的平均值,mg/L;由權(quán)重系數(shù)wi可得相對性權(quán)重集W={w1, w2, w3, …wm}。
根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)的水體環(huán)境評價級別,構(gòu)造出水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)類別矩陣S=[1,2,3,4,5],用B矩陣與矩陣得出綜合評級結(jié)果:
以麻街水質(zhì)斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)為例,代入(1)~(3)隸屬度函數(shù),計算結(jié)果見表3。
表3 麻街2018年~2021年的隸屬度數(shù)據(jù)表
由表3得出麻街2018年~2021年的隸屬度矩陣,按照同樣的方法可得出其余水質(zhì)斷面2018年~2021年的隸屬度矩陣,此處不一一列出。
以2021年麻街?jǐn)嗝鏋槔?,由?)式可得出各2021年權(quán)重系數(shù)wi,由權(quán)重系數(shù)wi可得相對性權(quán)重集W麻街2021。
表4 四個水質(zhì)斷面污染因子權(quán)重
續(xù)表4
由(7)式計算得出模糊指數(shù)綜合評價矩陣B麻街2021,其余斷面不一一列出。
以2021年麻街?jǐn)嗝鏋槔?,由?)式計算得出模糊綜合指數(shù),其余斷面不一一列出,具體數(shù)值見表5。
表5 四個水質(zhì)斷面評價結(jié)果
Q麻街2021=B麻街2021·S=[0.98 0.02 0 0 0]·[1 2 3 4 5]=1.02
(1)利用模糊綜合指數(shù)評價法不但能進(jìn)行同一類別水體狀況的比較,還能利用各污染因子權(quán)重的大小判別其對水體污染的貢獻(xiàn)率。
(2)通過數(shù)據(jù)分析得出,模糊綜合指數(shù)法能以數(shù)據(jù)的大小反映出多年水質(zhì)變化趨勢。從2018年~2021年丹江上游麻街、張村、丹鳳模糊綜合指數(shù)在緩慢遞減,表明水體狀況逐年向好,而月日模糊綜合指數(shù)由降到升,出現(xiàn)反彈現(xiàn)象,表明水體狀況有惡化趨勢。
(3)結(jié)果顯示丹江水質(zhì)斷面麻街、張村、丹鳳、月日,2018年~2021年之間評價因子氨氮和總磷所占權(quán)重較大,呈現(xiàn)出由增到減的下降趨勢。
(4)從評價的結(jié)果來看利用模糊綜合指數(shù)法評價丹江上游水質(zhì)更為合理,具有以定量方式反映水體水質(zhì)的優(yōu)勢。建議在水質(zhì)評價時推廣使用,為各級政府在水環(huán)境治理方面提供科學(xué)依據(jù)。