撫順市東洲區(qū)地表水水質(zhì)綜合評價

劉姍姍

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局),沈陽 110000)

近年來,撫順市水環(huán)境問題日趨突出,地表水質(zhì)量狀況關(guān)系著供水區(qū)用水安全。我國許多學(xué)者利用不同方法研究評價了區(qū)域水質(zhì)狀況,如層次分析法、可拓物元法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、屬性識別法、綜合指數(shù)法以及灰色系統(tǒng)法等,不同方法的適用范圍和優(yōu)缺點各異[1-4]。在計算權(quán)重時熵權(quán)法能夠有效避免人為主觀因素的干擾,故選擇熵權(quán)法與模糊綜合法定量評價撫順市東洲區(qū)地表水質(zhì)狀況。

1 模糊綜合評價方法

1.1 熵值法計算權(quán)重

熵是一種衡量不確定性的參數(shù),參評因子的信息量越多則其確定性越大,賦予的熵也就越小,反之則賦予的熵越大[5-6]。根據(jù)熵的特性一般利用熵值評定其離散狀況,離散程度越大則評價結(jié)果受該因子的影響越顯著。設(shè)由m個決策樣本的n個參評指標(biāo)所構(gòu)成的初始數(shù)據(jù)矩陣為X:X=(xij)m×n,其中i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;參評因子xij的差距越大則對評價等級的貢獻(xiàn)越高。信息論中的系統(tǒng)有序程度可以利用信息熵來衡量,有序程度越高則該信息熵越大;反之,則計算的信息熵越小。

為保證水質(zhì)評價的客觀合理性,研究選用熵權(quán)法進(jìn)行賦權(quán),該方法不存在非線性的復(fù)雜關(guān)系式,具有邏輯清晰、計算簡單等優(yōu)點,其主要計算流程為[7]:

步驟1:由于各參評因子的單位或數(shù)量級不同無法直接參與運算,必須先對各因子初始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理,對正、負(fù)向因子的預(yù)處理公式為:

(1)

式中:rij、xij為決策樣本i的第j項因子的歸一化和初始數(shù)值;xjmin、xjmax為各決策樣本中第j項因子的最大和最小值。

步驟2:然后利用下式計算因子j的熵值Hj:

(2)

步驟3:采用公式(3)計算參評因子j的權(quán)重ωj,即:

(3)

1.2 模糊綜合評價流程

模糊綜合法主要是利用模糊數(shù)學(xué)原理將定性分析轉(zhuǎn)變成定量計算,對于受多因素制約的復(fù)雜系統(tǒng)評價具有較好的適用性[8-10],其主要流程如下:

步驟1:設(shè)U={u1,u2,…,um}、V={v1,v2,…,vn}為參評因子集和評價等級集,其中um、vn表示地表水污染因子值及其相應(yīng)的等級標(biāo)準(zhǔn)。

步驟2:以降半梯形分布函數(shù)計算隸屬度,對于j=1時,j=2,3,…,(m-1)時和j=m時的隸屬函數(shù)分別如下:

(4)

(5)

(6)

式中:xi為參評因子實測數(shù)據(jù);si,j-1、sij、si,j+1為參評因子i隸屬于相應(yīng)水質(zhì)類別的標(biāo)準(zhǔn)值,通過上述計算構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣P=(pij)m×n。

步驟3:將模糊關(guān)系矩陣P=(pij)m×n與權(quán)重向量W利用合成算子“·”進(jìn)行復(fù)合計算,從而建立地表水水質(zhì)模糊評價子集B,其計算公式為:

(7)

依據(jù)上述計算結(jié)果可以確定各評價樣本隸屬于不同水質(zhì)類別的隸屬度,遵循最大隸屬度原則評定地表水水質(zhì)等級。

2 實例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

東洲區(qū)地處撫順市區(qū)的東南部,總面積664km2,地貌構(gòu)造為剝蝕低山丘陵,屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),全區(qū)年均降水量780.0mm,多集中于7～8月份,冬春雨量偏少。全境均在渾河流域內(nèi),共有大小河流7條,年均徑流量1.394億m3。全區(qū)平均每人占有水資源量433.0m3,在東洲區(qū)境內(nèi)主要河流有3條,即渾河、章黨河、東洲河[11-13]。

根據(jù)東洲區(qū)水資源以流域與行政相結(jié)合的管理方式,本次評價采取流域套行政鄉(xiāng)鎮(zhèn)級分區(qū)作為基本評價分區(qū)。其中,流域分區(qū)是以自然條件、水資源分布特點及河流徑流情勢等形態(tài)為主要因素劃分的,根據(jù)《遼寧省水資源分區(qū)》,東洲區(qū)流域劃分為2個水資源四級區(qū),如表1所示。

表1 東洲區(qū)地表水資源評價分區(qū)

2.2 地表水水質(zhì)

根據(jù)東洲區(qū)水資源評價相關(guān)資料選擇大伙房水庫以上的渾河干流1段、大伙房水庫以下黨章河段、東洲河段和渾河干流2段為監(jiān)測點,水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 東洲區(qū)主要河段水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù) mg/L

參照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)選擇評價因子為當(dāng)?shù)刂饕廴疚?采用公式(1)和表2中的數(shù)據(jù)確定rij,然后利用公式(2)～(3)計算各參評因子的熵值Hj和權(quán)重ωj,結(jié)果顯示糞大腸桿菌群、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、揮發(fā)酚、BOD5和氨氮的熵值Hj=[0.988671,0.810861,0.906417,0.646738,0.987960,0.991075],糞大腸桿菌群、化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、揮發(fā)酚、BOD5和氨氮的權(quán)重W=[0.015128,0.280142,0.151775,0.522957,0.017250,0.012748]。然后利用隸屬度函數(shù)(4)～(6)構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣P=(pij)m×n,以大伙房水庫以上渾河干流1段為例,計算確定其模糊關(guān)系矩陣P渾1如下:

(7)

將模糊關(guān)系矩陣P渾1與權(quán)重向量W應(yīng)用合成算子“·”進(jìn)行加權(quán)處理,從而建立大伙房水庫以上渾河干流1段的水質(zhì)評價模糊子集B渾1=(0,0.214,0.762,0.019,0.005);同理,可以依次求出其它河段的水質(zhì)評價模糊子集,如表3所示。

表3 東洲區(qū)主要河段水質(zhì)評價等級

由表3可知,大伙房水庫以上渾河干流1段達(dá)到Ⅱ類水等級,大伙房水庫以下黨章河段達(dá)到Ⅱ類水等級,而大伙房水庫以下東洲河段和渾河干流2段達(dá)到Ⅲ類、Ⅳ類水等級,主要河段水質(zhì)均符合生活用水標(biāo)準(zhǔn)要求,但個別河段水質(zhì)較差應(yīng)加強監(jiān)管力度。

2.3 驗證分析

為進(jìn)一步檢驗熵權(quán)-模糊綜合法的適用性與可靠性,對撫順市東洲區(qū)主要河段利用綜合指數(shù)法評價其水質(zhì)狀況,并將評價結(jié)果與熵權(quán)-模糊綜合法相比較,如表3所示。

由表3可知,采用綜合指數(shù)法與熵權(quán)-模糊綜合法評價的主要河段水質(zhì)存在明顯差異。其中,熵權(quán)-模糊綜合法評定的Ⅱ類水河段有2個,評定的Ⅲ類、Ⅳ類水河段分別為1個,而選用綜合指數(shù)法評定的4個河段均為Ⅳ類水質(zhì)。通過對比分析初步確定造成這種差異的原因如下:①由于過于突出地表水質(zhì)受單項超標(biāo)因子值的不利影響,因此綜合指數(shù)法評定的水質(zhì)相對較差;②綜合指數(shù)法忽略了不同因子對水質(zhì)評價的影響作用;③在水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)中綜合指數(shù)法未考慮評定等級受界限邊緣指標(biāo)值的影響,對于水質(zhì)分級界限熵權(quán)-模糊綜合法進(jìn)行了精細(xì)的劃分。因此,對于地表水質(zhì)熵權(quán)-模糊綜合法表現(xiàn)出較高的精準(zhǔn)度和較好的適用性。

2.4 對策建議

1)完善水資源管理配套法律法規(guī)保障體系。目前,東洲區(qū)水資源管理還處在粗放的管理模式,相應(yīng)配套法律法規(guī)還不完善,如水功能區(qū)劃及管理辦法;重點水源保護(hù)區(qū)劃及管理辦法;水資源管理保護(hù)條例等水資源管理的配套法規(guī),應(yīng)加快制定,實現(xiàn)水資源有序開發(fā)、利用的動態(tài)調(diào)控,使全區(qū)水資源管理走向法制化管理的軌道,為今后水資源管理在法律上得到保障奠定堅實基礎(chǔ)。

2)優(yōu)化用水結(jié)構(gòu),提高用水效益及與效率。調(diào)整用水結(jié)構(gòu),引進(jìn)高效益、節(jié)水型、低污染的工業(yè)企業(yè),在改善環(huán)境的基礎(chǔ)上,促進(jìn)經(jīng)濟增長,應(yīng)合理開發(fā)利用水資源,改善城鎮(zhèn)供水的狀況,減少供水損失,在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水上提高用水效率和效益。

3)加強水資源統(tǒng)一規(guī)劃,強化水資源管理。充分考慮境內(nèi)水資源分布不均的情況,應(yīng)將水當(dāng)作重要的資源和環(huán)境要素實施科學(xué)管理,通過政策和經(jīng)濟手段逐步建立起統(tǒng)一用水制度,科學(xué)調(diào)配水資源,應(yīng)用新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝提高用水效率,推廣節(jié)水技術(shù),堅持“開源節(jié)流并重”的思想,生活用水要安裝節(jié)水設(shè)施,進(jìn)一步開展節(jié)水灌溉規(guī)劃,全面推進(jìn)節(jié)水工作的開展。新建項目、改擴建項目及辦理取水許可證須經(jīng)水資源論證,以保證項目用水、退水的合理性可靠性。

4)加大治污力度,強化水資源保護(hù)。東洲區(qū)工農(nóng)業(yè)兼有,以工業(yè)為主,由于一些點源和面源的污染,部分地表水和地下水受了一定的污染,如東洲河部分河段、渾河干流章黨河口等都受到了工業(yè)、生活排污的污染,生態(tài)環(huán)境和水資源系統(tǒng)受到不利影響。因此,必須加強生產(chǎn)和生活廢污水處理,所有企業(yè)的排水必須達(dá)標(biāo)。另外,還要通過加大廢污水處理和回用來提高我區(qū)水資源的利用效率,使污水資源化,有效改善我市水環(huán)境,加強水功能區(qū)的管理,不斷提高水功能區(qū)的功能和達(dá)標(biāo)率,滿足各區(qū)域水功能區(qū)用水需求。

5)發(fā)展節(jié)水灌溉,搞好灌溉工程規(guī)劃。東洲區(qū)轄有4個鄉(xiāng)鎮(zhèn),農(nóng)村水利發(fā)展方向主要是鞏固現(xiàn)有水澆地面積,適量發(fā)展新的灌溉工程,對現(xiàn)有工程進(jìn)行優(yōu)化提高,在穩(wěn)定水田面積的情況下,走節(jié)約灌溉之路,大力提倡經(jīng)濟作物的噴灌、滴灌的灌溉方式,進(jìn)行灌區(qū)節(jié)水配套改造,提高和改善農(nóng)村的灌溉和供水條件。

3 結(jié) 論

1)文章采用熵權(quán)-模糊綜合評價法定量評定了東洲區(qū)主要河段地表水水質(zhì),結(jié)果顯示大伙房水庫以上分區(qū)渾河干流1段達(dá)到Ⅱ類水質(zhì),大伙房水庫以下的黨章河段達(dá)到Ⅱ類水質(zhì),而東洲河段和渾河干流2段達(dá)到Ⅲ類、Ⅳ類水水質(zhì);熵權(quán)-模糊綜合評價法可以解決相鄰等級界限存在的模糊性問題,實際應(yīng)用中具有較好的精準(zhǔn)度和適用性。

2)地表水水質(zhì)評價是一項涉及因素多、覆蓋范圍廣的復(fù)雜系統(tǒng)性問題,實際評價時具有一定不確定性、模糊性及復(fù)雜性。采用熵權(quán)法和隸屬度函數(shù)計算參評因子權(quán)重及其水質(zhì)分級界限,能夠直觀準(zhǔn)確地反映其模糊性界限和地表水質(zhì)特征,采用該方法可以較為詳細(xì)的評價地表水質(zhì)受單項參數(shù)的影響。在判斷過程中該方法降低了人為誤差和主觀因素的干擾,保證結(jié)果科學(xué)合理性。