黑龍江干流水質(zhì)評價(jià)與預(yù)測

路豪杰，徐淑琴，蘇 鑫

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030)

隨著工業(yè)的發(fā)展，水環(huán)境污染越來越受人關(guān)注。污水排放是導(dǎo)致水體污染的重要原因，大量污染物未經(jīng)有效處理直接排入水體，不僅對兩岸居民生活和農(nóng)業(yè)灌溉用水造成巨大污染，同時(shí)對周圍生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。因此，對地表水水質(zhì)評價(jià)及預(yù)測已成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。

地表水的水質(zhì)評價(jià)方法有很多，我國環(huán)保部采用單因子法，這種方法根據(jù)最差單項(xiàng)指標(biāo)等級來判斷整體水質(zhì)等級，其表現(xiàn)為過保護(hù)，導(dǎo)致水質(zhì)評價(jià)結(jié)果不能反映整體水質(zhì)情況[1]。20世紀(jì)70年代，我國學(xué)者提出了運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對水資源污染狀況進(jìn)行綜合評價(jià)，主要包括主成分分析法，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，灰色評價(jià)法等，但這些模型有的摻雜了主觀因素，有的需要大量數(shù)據(jù)進(jìn)行馴化，導(dǎo)致對水質(zhì)的綜合評價(jià)過程較為復(fù)雜[2,3]。20世紀(jì)80年代，我國蔡文教授創(chuàng)立并完善了物元分析理論[4]，通過基元構(gòu)造和基元變換來反映事件質(zhì)和量相應(yīng)變換的關(guān)系以及功能目標(biāo)對環(huán)境條件可容性與事物系統(tǒng)相關(guān)性的影響，把現(xiàn)實(shí)中存在的問題概括為可容性與不可容性問題，并通過他們之間相互轉(zhuǎn)化，對系統(tǒng)進(jìn)行全面綜合評價(jià)。目前，物元分析模型已廣泛應(yīng)用于我國大多數(shù)流域如長江、黃河的水質(zhì)綜合評價(jià)中。

同時(shí)，對未來水質(zhì)的預(yù)測是預(yù)防水質(zhì)急劇轉(zhuǎn)變和提出應(yīng)對措施的前提。根據(jù)以往水質(zhì)狀況，找出水質(zhì)周期性變化規(guī)律，建立科學(xué)、可操作性的水質(zhì)預(yù)測模型，使黑龍江干流的取水地能根據(jù)預(yù)測水質(zhì)結(jié)果選擇性取水，有效地避開劣質(zhì)水體。目前灰色預(yù)測模型廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域，與物元分析模型一樣，其具有主觀性小、操作方便、預(yù)測精準(zhǔn)度高等特點(diǎn)。本文利用物元分析和灰色預(yù)測模型對黑龍江干流水質(zhì)開展綜合評價(jià)及預(yù)測，為流域水資源規(guī)劃和環(huán)境綜合治理提供理論依據(jù)。

1 物元綜合水質(zhì)評價(jià)模型

1.1 物元的定義

物元分析法是用來處理在某些條件下，解決系統(tǒng)中矛盾問題規(guī)律的一種綜合分析方法[5]。

在物元分析法中，“事物”、“特征”、“量值”3個(gè)重點(diǎn)要素構(gòu)成了基本的物元，所描述的事物M及其特征C和量值X組成了物元R，R的表達(dá)形式為[6]：

R=(M,C,X)

(1)

若一個(gè)事物M需要用n個(gè)特征及相對應(yīng)的量值來表征，則稱之為n維物元，用矩陣可表示為：

(2)

1.2 物元的經(jīng)典域與節(jié)域

(3)

式中：Ri為標(biāo)準(zhǔn)對象；xij(j=1,2,…,n)是評價(jià)等級Mi(i=1,2,…,m)關(guān)于評價(jià)參數(shù)ci(1,2,…,n)的量值域。

(4)

式中：Mp是標(biāo)準(zhǔn)對象；xpi=[api,bpi]表示標(biāo)準(zhǔn)對象Mp關(guān)于特征ci的量值范圍。顯然有xij?xpi(i=1,2,…;j=1,2,…,n)。

1.3 關(guān)聯(lián)函數(shù)

(1)距的計(jì)算。

(5)

(2)關(guān)聯(lián)函數(shù)。

(6)

1.4 各評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的權(quán)重

根據(jù)各評價(jià)項(xiàng)目對水質(zhì)質(zhì)量提供的信息，先用標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，再計(jì)算Ⅰ到Ⅴ級水質(zhì)中各個(gè)監(jiān)測指標(biāo)的權(quán)重。對于評價(jià)等級Ni(i=1，2，…，m) 的門限值xji(j= 1，2，…，n)，權(quán)系數(shù)計(jì)算公式如下：

(7)

1.5 關(guān)聯(lián)度及評定等級

關(guān)聯(lián)函數(shù)K(x)的數(shù)值表示的是一種隸屬程度，即表示所評價(jià)的水質(zhì)質(zhì)量對規(guī)定的地表水環(huán)境質(zhì)量某級標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目范圍的隸屬程度[7]。當(dāng)K(x)≥1時(shí)，表示被評價(jià)的水質(zhì)質(zhì)量超過地表水質(zhì)量某級標(biāo)準(zhǔn)的上限，且K(x)越大表示其開發(fā)潛力愈大；當(dāng)0≤K(x)≤1時(shí)，表示被評價(jià)的水質(zhì)質(zhì)量符合地表水質(zhì)量的某級標(biāo)準(zhǔn)要求，其值表示為該關(guān)聯(lián)度符合要求的等級，值愈大，愈接近該等級的上限；當(dāng)-1≤K(x)≤0時(shí)，表示被評價(jià)的水質(zhì)質(zhì)量不符合地表水質(zhì)量的某級標(biāo)準(zhǔn)要求。但具有可轉(zhuǎn)化為符合某水質(zhì)等級標(biāo)準(zhǔn)的條件；當(dāng)K(x)≤-1時(shí)，表示被評價(jià)的水質(zhì)質(zhì)量不符合地表水質(zhì)量某級的標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)也不具備轉(zhuǎn)化為符合該水質(zhì)等級標(biāo)準(zhǔn)的條件。

(8)

式中：Kt(i)為待評價(jià)對象i關(guān)于等級t的關(guān)聯(lián)度；在此，我們需要根據(jù)計(jì)算完的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行判斷，如果Kj=max{Kt(i)}(j=1,2,…,m)，則判斷評價(jià)對象i屬于等級j。

2 物元分析模型在黑龍江干流水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用

2.1 數(shù)據(jù)描述與預(yù)處理

2.1.1 數(shù)據(jù)描述

本文通過建立模糊物元水質(zhì)評價(jià)模型，取黑龍江干流4個(gè)斷面監(jiān)測站數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)與預(yù)測，數(shù)據(jù)均摘自《全國主要流域重點(diǎn)斷面水質(zhì)自動監(jiān)測周報(bào)》。

通常，水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)有高錳酸鹽指數(shù)、濁度、水溫、氨氮、pH、溶解氧及一些酸根陰離子和金屬離子，由于濁度，水溫，酸根離子和金屬離子等指標(biāo)監(jiān)測太少，無法根據(jù)這些指標(biāo)反映其對水質(zhì)的影響，故舍去。根據(jù)環(huán)保部公布的水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，結(jié)合水體的主要用途，選定評價(jià)指標(biāo)為溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和pH[8]。

2.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于4種評價(jià)指標(biāo)有著不同的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，高錳酸鹽指數(shù)和氨氮數(shù)值越小代表水質(zhì)越好，而溶解氧正好相反，而使用相同的無量綱數(shù)對所有求解參量無量綱化，能夠保證求解過程判斷的一致性[8]，因此需要對4種水質(zhì)指標(biāo)的國家標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。

觀察4種評價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值，發(fā)現(xiàn)氨氮，高錳酸鹽指數(shù)，溶解氧的評定標(biāo)準(zhǔn)雖不一樣，但存在一定規(guī)律，所以按式(9)、(10)、(11)進(jìn)行無量綱化處理，處理后新標(biāo)準(zhǔn)均為0～0.007 5，0.007 5～0.25，0.25～0.5，0.5～0.75，0.75～1.0。

D1=a/2

(11)

式中：D1、D2、D3分別為氨氮，高錳酸鹽指數(shù)，溶解氧無量綱化處理后標(biāo)準(zhǔn)值；a、b、c分別為相應(yīng)原標(biāo)準(zhǔn)值；Xmax為已知溶解氧監(jiān)測數(shù)據(jù)中最大值。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，Ⅰ～Ⅴ類水質(zhì)pH評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)均在6～9之間，由于pH評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)特性，為使其與其他三項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)保持一致，按式(12)對其進(jìn)行無量綱化處理，得到新標(biāo)準(zhǔn)為0.428 6～0.642 9。

D4=d/14

(12)

式中：D4表示pH無量綱化處理后標(biāo)準(zhǔn)值；d表示pH的原標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2 黑龍江干流水質(zhì)的物元分析評價(jià)

本文把地表水水質(zhì)分為可評價(jià)類和不可評價(jià)類，可評價(jià)類水質(zhì)包含Ⅰ～Ⅴ類地表水，不可評價(jià)類水質(zhì)人為定義為劣Ⅴ類。在實(shí)際操作中，當(dāng)某一指標(biāo)監(jiān)測值超過該指標(biāo)極限標(biāo)準(zhǔn)值，即判定該時(shí)刻斷面水質(zhì)為劣Ⅴ類，該水質(zhì)不適用于居民生活和農(nóng)業(yè)灌溉。

2.2.1 經(jīng)典域及節(jié)域

將數(shù)據(jù)預(yù)處理后Ⅰ～Ⅴ級標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的取值范圍作為經(jīng)典域Ri；再根據(jù)預(yù)處理后的標(biāo)準(zhǔn)值取值范圍及實(shí)測數(shù)據(jù)來確定模型的節(jié)域RP。

2.2.2 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的指標(biāo)數(shù)據(jù)，先用標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，再將歸一化后各級標(biāo)準(zhǔn)代入權(quán)重計(jì)算公式(7)中。權(quán)系數(shù)值見表1。

表1 權(quán)系數(shù)值

2.2.3 綜合關(guān)聯(lián)度與評價(jià)結(jié)果

由于數(shù)據(jù)較多，以黑河斷面監(jiān)測站2015年第21～31周豐水期監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，利用物元模型對該斷面水質(zhì)綜合評價(jià)。利用公式(8)計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度及評價(jià)結(jié)果見表2。

表2 綜合關(guān)聯(lián)度及評價(jià)結(jié)果

從表2知，黑河斷面的11周監(jiān)測中，物元分析法的評價(jià)結(jié)果只有第22周呈Ⅲ類水質(zhì)，其余均為Ⅱ類水質(zhì)，而單因子指數(shù)法評價(jià)的結(jié)果有7周呈Ⅲ類水質(zhì)，其余4周呈Ⅳ類水質(zhì)。兩種方法的評價(jià)結(jié)果有較大差異，且物元分析法評價(jià)結(jié)果要優(yōu)于單因子指數(shù)法。單因子指數(shù)法確定水質(zhì)類別是用最差的單項(xiàng)指標(biāo)類別來確定，而不再考慮其他指標(biāo)，此評價(jià)方法相對保守和安全。而物元分析法充分考慮了不同評價(jià)因子對整體評價(jià)結(jié)果的影響，從而能夠較好地反應(yīng)水質(zhì)的整體水平。

根據(jù)漠河北極村、大興安嶺呼瑪、黑河和伊春嘉蔭4個(gè)斷面從2015年第10周到2016年第9周的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)得到相應(yīng)斷面水質(zhì)等級比例如圖1。

圖1 黑龍江干流水質(zhì)等級比例圖

從圖1及評價(jià)結(jié)果知，在過去一年中，漠河北極村監(jiān)測斷面水質(zhì)呈Ⅰ類等級有30周，呈Ⅱ類等級有15周，主要集中在冬季和春汛期，呈Ⅲ類等級有3周，呈Ⅳ類和Ⅴ類等級均為2周，主要在平水期與冰封期。大興安嶺呼瑪監(jiān)測斷面水質(zhì)主要呈Ⅱ類，占39周，其余時(shí)間呈Ⅰ類等級；黑河監(jiān)測斷面水質(zhì)呈Ⅰ類等級有2周，呈Ⅱ類等級有30周，呈Ⅲ類等級有18周，呈Ⅳ類等級有2周；在下游伊春嘉蔭監(jiān)測斷面水質(zhì)呈Ⅰ類等級有30周，呈Ⅱ類水質(zhì)有1周，呈Ⅲ類等級有17周，4周呈劣Ⅴ類等級。

3 黑龍江干流水質(zhì)的灰色預(yù)測

通過對黑龍江干流污染物監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究，發(fā)現(xiàn)污染物排放量會有波動，灰色系統(tǒng)能夠通過對部分已知信息的生成，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的正確描述和有效控制[9,10], 為了解各項(xiàng)污染物變化趨勢及規(guī)律，本文采用灰色系統(tǒng)模型對黑龍江干流4個(gè)斷面未來26周監(jiān)測指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行預(yù)測。

3.1 水質(zhì)的灰色預(yù)測過程

將過去一年監(jiān)測數(shù)據(jù)代入到灰色預(yù)測模型[10,11]中，得到4個(gè)斷面的溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和pH的方差比和小誤差概率見表3。經(jīng)計(jì)算，所有數(shù)值預(yù)測精準(zhǔn)度合格。

3.2 水質(zhì)的灰色預(yù)測結(jié)果

未來第1～26周各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)的預(yù)測趨勢如圖2～圖5。

從圖2～5知，在未來26周4個(gè)斷面監(jiān)測數(shù)值變化情況如下：

表3 漠河北極村、大興安嶺呼瑪、黑河和伊春嘉蔭斷面4種指標(biāo)的預(yù)測精度

圖2 漠河北極村斷面未來26周水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目數(shù)值預(yù)測

圖3 大興安嶺呼瑪斷面未來26周水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目數(shù)值預(yù)測

圖4 黑河斷面未來26周水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目數(shù)值預(yù)測

圖5 伊春嘉蔭斷面未來26周水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目數(shù)值預(yù)測

(1)漠河區(qū)域水質(zhì)中pH值和高錳酸鹽指數(shù)均先降低后隨時(shí)間升高，且pH值在正常水平6～7.3，高錳酸鹽濃度3～4.5 mg/L；溶解氧含量先升高后保持相對穩(wěn)定，數(shù)值為8.0～8.2 mg/L；氨氮濃度較低，在0.15 mg/L以下，且保持穩(wěn)定。

(2)大興安嶺呼瑪區(qū)域水質(zhì)中pH值和高錳酸鹽指數(shù)均先降低后隨時(shí)間升高，且pH值在正常水平7.0～7.7，高錳酸鹽濃度3.8～4.7 mg/L；溶解氧含量由5.8 mg/L持續(xù)增加到9.6 mg/L；氨氮濃度整體在1.0 mg/L以下。

(3)黑河區(qū)域水質(zhì)中pH值整體比較穩(wěn)定，維持在6.8～7.2；高錳酸鹽指數(shù)預(yù)測值先降低且在第二周后呈平穩(wěn)趨勢，濃度在7.3 mg/L左右；溶解氧先升高，后緩慢降低，且整體保持在7.8～8.9 mg/L；氨氮的預(yù)測值很低，濃度在0.5 mg/L以下。

(4)對于黑龍江干流下游地區(qū)伊春嘉蔭斷面，pH值相對平穩(wěn)，保持7.1～7.6；高錳酸鹽指數(shù)變化較大，濃度先升高后逐漸降低，最高時(shí)刻可高達(dá)13.7 mg/L，后降至7.4 mg/L；溶解氧基本保持平穩(wěn)，且保持在9.8～10.4 mg/L；氨氮濃度預(yù)測值在1.6 mg/L以下。該地區(qū)污染物監(jiān)測值較高，未來水質(zhì)較差。

4 結(jié) 語

(1)根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，Ⅰ～Ⅲ類、Ⅰ～V類水質(zhì)分別適用于居民生活和農(nóng)業(yè)灌溉用水。過去一年，漠河北極村、大興安嶺呼瑪斷面水質(zhì)主要為Ⅰ類和Ⅱ類，占比分別為86.5%、100%；黑河斷面水質(zhì)主要為Ⅱ類和Ⅲ類，占比92.3%；伊春嘉蔭斷面水質(zhì)主要呈Ⅰ類和Ⅲ類，占比90.3%；因此黑龍江干流水質(zhì)基本可以滿足居民生活和農(nóng)業(yè)灌溉用水需要。

(2)未來26周內(nèi)，漠河、大興安嶺呼瑪?shù)貐^(qū)水質(zhì)較好；黑河、伊春嘉蔭等下游地區(qū)水質(zhì)相對較差，污染物濃度較大，尤其是在伊春嘉蔭地區(qū)易出現(xiàn)劣Ⅴ類水質(zhì)。為預(yù)防下游水質(zhì)繼續(xù)惡化，應(yīng)重點(diǎn)治理流域污水排放問題。

(3)物元分析法通過系統(tǒng)中物元的轉(zhuǎn)化，有效地解決了水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)的不相容問題，且概念清楚、物理意義明確、邏輯性強(qiáng)；與傳統(tǒng)的單因子評價(jià)法相比，物元分析法充分考慮了不同的評價(jià)因子對整體評價(jià)結(jié)果影響，評價(jià)結(jié)果更加全面、合理?；疑A(yù)測模型計(jì)算簡便，結(jié)果準(zhǔn)確，精度較高。因此本文的評價(jià)和預(yù)測結(jié)果可為黑龍江干流的水資源規(guī)劃和環(huán)境綜合治理提供理論依據(jù)。

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