幾種水質(zhì)評價(jià)方法在涑水河的應(yīng)用與比較研究

劉璐瑤，馮民權(quán)

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，西安 710048)

幾種水質(zhì)評價(jià)方法在涑水河的應(yīng)用與比較研究

劉璐瑤，馮民權(quán)*

(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，西安 710048)

采用模糊綜合評價(jià)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)，并對結(jié)果進(jìn)行比較，分析3種水質(zhì)評價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件。基于涑水河長期的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對涑水河9個(gè)斷面進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)，評價(jià)結(jié)果表明：涑水河污染嚴(yán)重，氨氮、總氮、COD指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，總氮的污染指數(shù)最大。水質(zhì)最差的斷面為廟上和郭家莊，相對污染較輕的為冷口和呂莊水庫斷面。模糊綜合評價(jià)法對污染物的單項(xiàng)參數(shù)都進(jìn)行了評價(jià)，解決了難以量化的模糊問題，能夠?qū)λw的功能和類型進(jìn)行評價(jià)；改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法客觀，能反映水體的污染程度，因此內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對水體污染程度更適用；綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法能進(jìn)行定性和定量評價(jià)，并對水體類型與水體是否黑臭進(jìn)行合理評價(jià)。

模糊綜合評價(jià)法；綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法；內(nèi)梅羅污染指數(shù)法；水質(zhì)評價(jià)

目前，水環(huán)境質(zhì)量的綜合評價(jià)有很多方法，主要有單因子評價(jià)法[1]、指數(shù)評價(jià)法[2]、層次分析法、模糊綜合評價(jià)法[3]、灰色評價(jià)法[4]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]、綜合污染標(biāo)識指數(shù)法[6]等，應(yīng)用比較廣泛的為內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和模糊綜合評價(jià)法[7-9]。Puckett等運(yùn)用主成分分析法對美國弗吉尼亞州部分河流的水質(zhì)進(jìn)行了評價(jià)；S.Thareja用主成分分析進(jìn)行了恒河在北印度的工業(yè)中心坎普爾地區(qū)的水質(zhì)評價(jià)；Yang等[10]將模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，提出了模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)模型，應(yīng)用于韶關(guān)水域的水質(zhì)評價(jià)中；寇文杰等[11]對內(nèi)梅羅污染指數(shù)法在水質(zhì)評價(jià)中存在的問題進(jìn)行了修正； 閆濱等[12]運(yùn)用模糊綜合評價(jià)法及層次分析法對斷面的豐、枯水期的水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)；申劍等[13]采用灰色關(guān)聯(lián)無量綱化法，對2012年丹江口河流中典型斷面水體污染因子進(jìn)行了評價(jià)；徐祖信[6]將綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法用于上海河流的水質(zhì)評價(jià)，以及水體是否黑臭進(jìn)行合理評價(jià)[14-15]。

采用合理的水質(zhì)評價(jià)方法，準(zhǔn)確地描述河流水質(zhì)狀況，才能為水質(zhì)管理提供治理方案。當(dāng)前對模糊綜合評價(jià)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法等評價(jià)方法的相互比較還缺乏系統(tǒng)性。采用模糊綜合評價(jià)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對涑水河進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)，通過結(jié)果分析，判斷3種水質(zhì)評價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，其分析結(jié)論對流域水質(zhì)評價(jià)有一定的借鑒作用。

1 基本理論與方法

1.1 模糊綜合評價(jià)法

1.1.1 建立權(quán)重向量

將標(biāo)準(zhǔn)的平均值作為劃分污染等級間的分界點(diǎn)，并對其權(quán)重作歸一化處理[16]：

(1)

(2)

(3)

W1×m=[W11…W1m]

(4)

1.1.2 建立模糊關(guān)系矩陣

隸屬度函數(shù)如下[16]：

1)當(dāng)j=1時(shí)，隸屬度函數(shù)為：

(5)

2)當(dāng)1

(6)

3)當(dāng)j=n時(shí)，隸屬度函數(shù)為：

(7)

1.1.3 確定水質(zhì)

模糊綜合評價(jià)法將定性評價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評價(jià)，充分考慮了各項(xiàng)水質(zhì)影響因子在總體水環(huán)境中的地位，其運(yùn)算為：

B1×n=W1×mRm×n

(8)

1.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法

1)單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)表示為[6]：

P=X1.X2X3

(9)

式中X1為第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別；X2為監(jiān)測數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置，根據(jù)公式按四舍五入的原則計(jì)算確定；X3為水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果，表示評價(jià)指標(biāo)的污染程度，為1位或2位有效數(shù)字。

2)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)計(jì)算公式為[6]：

WOI=(∑Pi/n)X3X4

(10)

式中(ΣPi/n)為單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)總和的平均值；n為參加水質(zhì)評價(jià)因子個(gè)數(shù)；X3為水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別比較結(jié)果；X4為參加整體水質(zhì)評價(jià)的指標(biāo)中，劣于功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)指標(biāo)個(gè)數(shù)，通過參評的單因子標(biāo)識指數(shù)Pi中的X3不為0的個(gè)數(shù)來確定。

1.3 改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法計(jì)算公式如下[17]：

(11)

式中F′為權(quán)重最大的污染因子對應(yīng)的F值。

第i種污染因子的權(quán)重[17]為：

ri=smax/si

(12)

(13)

式中ri為第i種污染因子的相關(guān)性比值；si為各污染因子的標(biāo)準(zhǔn)值；smax為第i種污染因子的最大標(biāo)準(zhǔn)值；m為評價(jià)污染因子的個(gè)數(shù)。

2 涑水河水質(zhì)現(xiàn)狀評價(jià)

2.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

研究區(qū)域?yàn)殇乘?，涑水河是運(yùn)城市境內(nèi)最長的一條河流，發(fā)源于運(yùn)城市絳縣陳村峪，全長196.6 km，是一條集給水、排水、灌溉、養(yǎng)殖、防洪等于一體的多功能河流。流經(jīng)絳縣、聞喜、夏縣、鹽湖、臨猗、永濟(jì)6 個(gè)縣(市、區(qū))，屬黃河一級支流，在永濟(jì)市上源頭村附近注入黃河(圖1)[18]。由于涑水河上游來水量的逐漸減少，基本成為沿河兩岸工業(yè)企業(yè)及城鎮(zhèn)廢污水的排污河，蒲州斷面水質(zhì)已達(dá)到劣Ⅴ類。

選取9個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面的溶解氧、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量(COD)、總磷、總氮6項(xiàng)主要污染指標(biāo)，采用2013年涑水河各斷面水質(zhì)監(jiān)測值和2009—2014年涑水河冷口和蒲州斷面的水質(zhì)監(jiān)測平均值進(jìn)行水質(zhì)現(xiàn)狀評價(jià)(表1、表2)。

圖1 涑水河流域水系概況Fig.1 Sushui River watershed overview

表1 2013年涑水河水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 1 Water quality monitoring data of Sushui River in 2013 (mg/L)

表2 2009—2014年冷口和蒲州斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 2 Lengkou and Puzhou section water quality monitoring data in 2009—2014 (mg/L)

2.2 評價(jià)結(jié)果與分析

2.2.1 模糊綜合評價(jià)法評價(jià)結(jié)果

評價(jià)結(jié)果見表3、表4。

表3 2013年涑水河各斷面模糊綜合評價(jià)法評價(jià)結(jié)果Table 3 Sushui River each section of the fuzzy comprehensive evaluation results in 2013

表4 2009—2014年涑水河模糊綜合評價(jià)法評價(jià)結(jié)果Table 4 Sushui River fuzzy comprehensive evaluation results in 2009—2014

2.2.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價(jià)結(jié)果

評價(jià)結(jié)果見表5、表6。

表5 2013年涑水河各斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價(jià)結(jié)果Table 5 Sushui River each section of comprehensive water quality identification index method evaluation results in 2013

續(xù)表5

表6 2009—2014年涑水河綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價(jià)結(jié)果Table 6 Sushui River Comprehensive water quality identification index method evaluation results in 2009—2014

2.2.3 改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價(jià)結(jié)果

評價(jià)結(jié)果見表7、表8。

表7 2013年涑水河各斷面改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價(jià)結(jié)果Table 7 Each section of Sushui River evaluation results improved Nemerow index method in 2013

表8 2009—2014年涑水河改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價(jià)結(jié)果Table 8 Sushui River evaluation results improved Nemerow index method in 2009—2014

2.2.4 水質(zhì)評價(jià)結(jié)果對比

根據(jù)模糊綜合評價(jià)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行對比分析見表9、圖2、圖3。

表9 2013年涑水河各斷面3種評價(jià)結(jié)果對比Table 9 Comparison of 3 kinds of evaluation results of Sushui River sections in 2013

由表9、圖2可見，3種方法評價(jià)結(jié)果基本一致。由圖3可見，各斷面中污染最嚴(yán)重的是總氮和氨氮。水質(zhì)最差的斷面為廟上和郭家莊，相對污染較輕的為冷口和呂莊水庫斷面。

模糊綜合評價(jià)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法和改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法都能對水質(zhì)進(jìn)行定量評價(jià)，數(shù)值越大，其水質(zhì)越差。模糊綜合評價(jià)法采用隸屬度函數(shù)表示隸屬度，可以解決難以量化的模糊問題，可以評價(jià)水體的功能和類型，但缺乏對劣V類水質(zhì)的識別。改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法計(jì)算各污染因子的權(quán)重，結(jié)果更客觀，它能反映水污染的程度。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法能進(jìn)行定性和定量評價(jià)，并對水體類型與是水體否黑臭進(jìn)行合理評價(jià)。

圖2 2009—2014年涑水河冷口和蒲州斷面3種評價(jià)結(jié)果Fig.2 Three evaluation results on Lengkou and Puzhou section of Sushui River in 2009—2014

圖3 2013年涑水河各水質(zhì)斷面污染物和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)

3 結(jié) 論

1)通過對涑水河9個(gè)斷面進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)，評價(jià)結(jié)果表明：涑水河污染嚴(yán)重，氨氮、總氮、COD這3項(xiàng)指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，總氮的污染指數(shù)最大。水質(zhì)最差的斷面為廟上和郭家莊，相對污染較輕的為冷口和呂莊水庫斷面。

2)模糊綜合評價(jià)法應(yīng)用較廣泛，它對污染物的單項(xiàng)參數(shù)都進(jìn)行評價(jià)，解決了難以量化的模糊問題，能夠?qū)λw的功能和類型進(jìn)行評價(jià)。但是，由于缺乏對劣V類水質(zhì)的識別，計(jì)算過程復(fù)雜，使得模糊綜合評價(jià)方法在應(yīng)用過程中存在一定的局限性。

3)改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法能反映水體的污染程度，對水體污染程度更適用，但難于反映污染的特征。

4)綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法是在單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的基礎(chǔ)上，分析各類水體的污染狀況，既能進(jìn)行定性又能定量評價(jià)，并對水體類型與水體是否黑臭進(jìn)行合理評價(jià)。

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Several evaluation methods in the study and comparison of the application of Sushui River

LIU Lu-Yao， FENG Min-Quan*

(StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicEngineeringinAridArea，Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an710048，China)

Compared with the method of fuzzy comprehensive evaluation， comprehensive water quality identification index method， Nemero pollution index method is improved， and the results were compared， analysis the advantages and disadvantages of these three kinds of evaluation methods and applicable conditions. Based on Sushui River long-term water quality monitoring data and through the water quality evaluation of the 9 sections of Sushui River， the evaluation results show that Sushui River pollution is serious， the 3 indexes of ammonia nitrogen， total nitrogen， COD seriously exceed the standard， the pollution index of total nitrogen is the largest. The worst sections of the water quality are Miaoshang and Guojiazhuang， and the relatively polluted ones are the section of the Lengkou and the Lvzhuang Reservoir. Each parameter of pollutants and fuzzy comprehensive evaluation method of evaluation， can solve the fuzzy problem difficult to quantify， can function as well as the type of water to be evaluated; Nemero index improved objectively， can reflect the water pollution degree， so the Nemerow index method is more suitable for the master degree of water pollution. Comprehensive water quality identification index method can be qualitatively and quantitatively evaluated， and reasonable assessment of water types and black or foul water bodies is carried out.

fuzzy comprehensive evaluation method; comprehensive pollution index method; Nemero pollution index method; water quality assessment

10.13524/j.2095-008x.2017.03.033

X8204

A

2095-008X(2017)03-0006-09

2017-08-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51679191);山西省水利廳科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2016-10)

劉璐瑤(1991-)，女，陜西渭南人，碩士研究生，研究方向：水環(huán)境模擬與污染控制，E-mail：306472803@qq.com;*

馮民權(quán)(1964-)，男，山西永濟(jì)人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，研究方向：水環(huán)境模擬與污染控制，E-mail：mqfeng@ xaut.edu.cn。