凌河流域不同時(shí)期水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

王　琦， 陳秋穎， 王　艷， 楊　明， 李　慧， 欒天新

(1.沈陽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽 110034； 2.遼寧省凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧朝陽 122099)

水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的好壞作出定量或半定量分析、描繪或鑒定[1]，結(jié)果可揭示特定地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的水平和差異，闡明影響水環(huán)境質(zhì)量的原因，從而有針對(duì)性地制定治理方案和綜合防治計(jì)劃，為水環(huán)境保護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)[2]。目前，單指標(biāo)評(píng)價(jià)方法因其簡(jiǎn)單明了且容易使用，成為水質(zhì)評(píng)價(jià)最常用的方法，也是其他模式的基礎(chǔ)。因此，一些簡(jiǎn)單的綜合指數(shù)法如綜合污染指數(shù)法、布朗水質(zhì)指數(shù)法、內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法和羅斯水質(zhì)指數(shù)法等發(fā)展起來了。但這些方法多是各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)加和的算術(shù)平均值，無法體現(xiàn)大區(qū)域綜合污染因子對(duì)水質(zhì)的影響。由于水環(huán)境中存在大量不確定性因素，其中水質(zhì)級(jí)別、分類標(biāo)準(zhǔn)都是一些模糊概念，因此基于模糊集合的模糊數(shù)學(xué)方法在地下水[3-4]、流域水環(huán)境[5-6]、城市空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)以及環(huán)境決策[7-8]等領(lǐng)域得到廣泛發(fā)展和應(yīng)用。模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法用隸屬函數(shù)描述環(huán)境質(zhì)量分級(jí)界限，不但考慮各單項(xiàng)參數(shù)在總體污染中的作用，給予不同權(quán)重，還考慮實(shí)際存在的界限模糊性，使評(píng)價(jià)結(jié)果更接近客觀，與單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)法相比具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。常用的模糊數(shù)學(xué)方法主要包括模糊聚類分析和模糊綜合評(píng)價(jià)[9-10]，相對(duì)于模糊聚類分析，模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)具有更好的數(shù)據(jù)相關(guān)性，能了解多個(gè)水質(zhì)參數(shù)與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)之間的綜合相對(duì)關(guān)系[11-14]。由于綜合評(píng)價(jià)法的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單、容易掌握，更適合于對(duì)多因素、多層次的復(fù)雜問題的評(píng)價(jià)，將其應(yīng)用于對(duì)水質(zhì)的評(píng)價(jià)能更客觀、科學(xué)地反映水質(zhì)情況。

凌河(大小凌河)流域橫跨遼寧省葫蘆島、朝陽和錦州3個(gè)城市。20世紀(jì)90年代沿途許多城市污水和工業(yè)廢水排入到河流當(dāng)中，超出河流的自凈能力，致使凌河流域水質(zhì)下降[9]。近年來，遼寧省凌河保護(hù)區(qū)管理局的成立，于凌河流域干流水源地到入海口實(shí)施了多處人工濕地建設(shè)及生態(tài)恢復(fù)工程，使流域水生態(tài)環(huán)境得到明顯改善，評(píng)估流域干流、支流水質(zhì)狀況是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和流域管理部門迫切須要掌握的信息。然而，目前關(guān)于凌河水質(zhì)評(píng)價(jià)的研究較少，尤其是對(duì)不同時(shí)期水質(zhì)變化的研究還須加強(qiáng)。本研究以凌河流域干流、支流水體為研究對(duì)象，在源頭、城市段前后、入?？诘仍O(shè)置采樣監(jiān)測(cè)斷面，采用單因子污染指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法評(píng)價(jià)不同水期水質(zhì)變化情況，掌握凌河流域干流、支流水環(huán)境變化規(guī)律，及時(shí)了解水環(huán)境變化趨勢(shì)，為水環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

凌河(大、小凌河)流域位于遼寧省西部，是遼寧省貧水地區(qū)。其中，大凌河北源出凌源市打鹿溝，南源出建昌縣黑山，到大城子附近會(huì)合，東北流經(jīng)努魯兒虎山和松嶺間縱谷，接納老虎山河、牤牛河、西涼河等支流，到義縣轉(zhuǎn)向循醫(yī)巫閭山西側(cè)南流，在錦縣東南注入遼東灣，河流全長397 km，流域面積達(dá)2.35萬km2，流域內(nèi)年降水量450～600 mm，年均徑流量16.67億m3；流域人均水資源占有量為378 m3，不到全省人均水資源占有量820 m3的1/2，為全國人均占有量 2 210 m3的1/6。小凌河發(fā)源于建昌東北境樓子山，北流轉(zhuǎn)入朝陽市，又東流入錦縣境內(nèi)。河流全長206 km，流域面積 5 475 km2，年平均徑流量為3.98億m3。凌河流域沿途經(jīng)過了城市和工業(yè)區(qū)，大量的生活污水和工業(yè)污水排入其中，造成河流水質(zhì)惡化，水環(huán)境承載力變低。

1.2　樣品的采集

根據(jù)凌河流域自然概況，考慮監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性與監(jiān)測(cè)過程的可行性，結(jié)合監(jiān)測(cè)目的、人力物力等因素以及采樣斷面的代表性，本研究在河流源頭、流經(jīng)濕地前后、城市段前后以及入?？诠策x取12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(圖1)，于2013年5月(汛前)、6月(汛中)和10月(汛后)采集河道斷面水下0.5 m深處水樣。根據(jù)GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的基本項(xiàng)目，本研究監(jiān)測(cè)指標(biāo)為溶解氧(DO)含量、化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)含量、總磷(TP)含量、氨態(tài)氮(NH3-N)含量。其中，DO含量使用便攜式多參數(shù)測(cè)量儀(奧立龍/ORION-520M-01A)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，COD、TN含量、TP含量、NH3-N 含量等指標(biāo)采用多參數(shù)比色計(jì)(奧立龍/ORION-AQ3700)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。

1.3　評(píng)價(jià)方法

運(yùn)用單因子污染指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)凌河流域水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，步驟如下：(1)隸屬度。以往的水質(zhì)分級(jí)中多用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)指標(biāo)為界限，造成界限兩邊分為截然不同的等級(jí)。由于水質(zhì)的污染程度屬于模糊概念，所以這里用隸屬概念來描述模糊的水質(zhì)分級(jí)界限。所謂隸屬度系指某事物所屬某種標(biāo)準(zhǔn)的程度，當(dāng)DO含量為7.1 mg/L時(shí)，隸屬Ⅰ級(jí)水的程度為100%；當(dāng)DO含量為6.9 mg/L時(shí)，隸屬Ⅰ級(jí)水的程度達(dá)95%。隸屬度可用隸屬函數(shù)表示，為方便起見，取線性函數(shù)

式中：y是對(duì)應(yīng)于x0或x1所規(guī)定的那一級(jí)水的隸屬度，x是實(shí)測(cè)值，x0、x1是某項(xiàng)參數(shù)相鄰的2級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值。

(2)權(quán)重及歸一化運(yùn)算。根據(jù)各參數(shù)超標(biāo)情況進(jìn)行加權(quán)，超標(biāo)越多，加權(quán)越大。權(quán)重值為

式中：Wi是第i種污染物以平均標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)的超標(biāo)指數(shù)，即為權(quán)重；Ci是第i種污染物實(shí)測(cè)濃度；Si是第i種污染物各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值的算術(shù)平均值。為進(jìn)行模糊運(yùn)算，將各單項(xiàng)權(quán)重再進(jìn)行歸一化運(yùn)算

式中：Vi是第i種污染物的歸一化權(quán)重。

(3)模糊矩陣的負(fù)荷運(yùn)算。在進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，會(huì)用到2個(gè)模糊矩陣的復(fù)合運(yùn)算。這種運(yùn)算同一般矩陣乘法相似，不同的是兩數(shù)相乘“·”改為“∧”，并取其中小者為“積”；兩數(shù)相加的“+”改為“∨”，并取其中大者為“和”[15]?！啊拧北硎救〖訑?shù)中最大者，而“∧”表示取相乘兩數(shù)較小者為“積”。因此得出

y=(y1類水，y2類水，…，yn類水)。

該結(jié)果對(duì)應(yīng)于集合V上的各項(xiàng)隸屬度，取其中最大者所對(duì)應(yīng)的水質(zhì)級(jí)數(shù)，作為該水體的水質(zhì)級(jí)數(shù)[13]。

(4)評(píng)價(jià)算法描述。設(shè)用污水等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)T(T表示被評(píng)價(jià)水質(zhì)的某個(gè)參數(shù))項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)，標(biāo)準(zhǔn)中等級(jí)數(shù)為Gk(k=1，2，3，…，s)，即有s個(gè)等級(jí)。假設(shè)某水質(zhì)有m個(gè)評(píng)價(jià)因素(參數(shù))uj(j=1，2，3，…，m)。每個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)有n個(gè)定性的評(píng)價(jià)等級(jí)Vi=1，2，3，…，n。這些等級(jí)按評(píng)價(jià)要求具體劃分，可以定為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、…等級(jí)別。對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)可以確定某水質(zhì)的每個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)uj所在的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，記為Rmn，得到的評(píng)價(jià)表(表1)。

表1　污水等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

表1反映了各單項(xiàng)參數(shù)與等級(jí)之間的關(guān)系，這種關(guān)系用隸屬度表示稱作模糊關(guān)系，Rji表示被評(píng)價(jià)水質(zhì)的第j個(gè)因素(參數(shù))u可能為等級(jí)Vi的概率，即隸屬度，用模糊矩陣R表示

由于評(píng)價(jià)參數(shù)中各個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)在某水質(zhì)評(píng)價(jià)中的地位不同，因此要求對(duì)評(píng)價(jià)參數(shù)賦予權(quán)值，其和為1。矩陣A表示為A=(a1，a2，…，am)，其中，設(shè)被評(píng)價(jià)水質(zhì)的參數(shù)評(píng)價(jià)矩陣為B，則B=A·R，即

A與B是2個(gè)模糊矩陣，所以以上矩陣的運(yùn)算遵循模糊矩陣的復(fù)合運(yùn)算法，得B=(b1，b2，…，bn)[9]。B矩陣表示水質(zhì)中的某評(píng)價(jià)中屬于V1等級(jí)的程度(比例)是b1，屬于V2等級(jí)的程度是b2，…，依此類推。

2　結(jié)果與分析

2.1　單一污染指標(biāo)變化特征

從表2、圖2可知，除斷面6(顧洞河上)外，汛后DO含量高于汛前和汛中，這主要是由于季節(jié)變化水溫的影響，總體上水體的DO含量均為Ⅰ類或Ⅱ類水質(zhì)。汛前COD變化波動(dòng)較大，尤其是在小凌河斷面10(羊山)、11(女兒河入河口)、12(西樹林)處，分別為96、90、76 mg/L，屬于劣Ⅴ類水，這可能是由于小凌河穿過錦州工業(yè)區(qū)到達(dá)入?？谑艿搅艘欢ǔ潭鹊墓I(yè)污染?？傮w上，汛前COD較高，汛中和汛后較低且波動(dòng)較小，大多數(shù)斷面能達(dá)國家Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)較好。凌河流域的TP含量總體較低，其中除了汛前斷面1(喀左上為 0.63 mg/L)和汛中斷面8(章吉營為0.48 mg/L)屬劣Ⅴ類水質(zhì)，其他時(shí)段各斷面均為Ⅳ類或更優(yōu)，且與汛前和汛中比較，汛后TP含量有降低的趨勢(shì)。除了5個(gè)斷面(汛前4，汛中4、6、7、12)外，其余監(jiān)測(cè)時(shí)段所有斷面的TN含量均高于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)值(2.00 mg/L)，86.1%的斷面屬于劣Ⅴ類水，且汛前高于汛中和汛后。所有監(jiān)測(cè)時(shí)段斷面的NH3-N含量均低于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)值(2.00 mg/L)，其中汛前含量明顯高于汛中和汛后。因此，從單一指標(biāo)上看，凌河流域的DO、NH3-N、TP含量都屬于輕污染水平，且部分指標(biāo)(如TN、TP含量)呈現(xiàn)汛前高于汛中和汛后的趨勢(shì)，這可能是由于汛期水量增大、污染物被稀釋的結(jié)果。COD部分點(diǎn)位污染較重，主要可能是因?yàn)榱饔蛑苓吂S的工業(yè)廢水和周邊市區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生活污水排入河流水系，污染物超過水體的自凈能力，造成水體污染。

表2　GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》

2.2　模糊綜合評(píng)價(jià)

以采樣點(diǎn)1(喀左上)為例，利用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法對(duì)其水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分別對(duì)DO含量、COD、TN含量、TP含量、NH3-N含量5項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)Ⅰ類～Ⅴ類的隸屬度求解，然后計(jì)算權(quán)重并進(jìn)行歸一化計(jì)算，結(jié)果見表3。

以喀左上斷面為例作如下說明，其余斷面計(jì)算方法與此相同。根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果可得喀左上斷面污染項(xiàng)目隸屬度及歸一化權(quán)重，根據(jù)評(píng)價(jià)參數(shù)中各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的地位對(duì)評(píng)價(jià)參數(shù)賦予權(quán)值，其和為1?？傻镁仃嘇，即A=(0.245，0.015，0.388，0.286，0.064)，此矩陣表示喀左上斷面水質(zhì)各指標(biāo)權(quán)重，將各指標(biāo)隸屬度和歸一化權(quán)重進(jìn)行矩陣符合運(yùn)算，得到矩陣R

表3　喀左上斷面5月(汛前)各類指標(biāo)隸屬度及歸一化權(quán)重計(jì)算結(jié)果

被評(píng)價(jià)的參數(shù)矩陣B=A·R=(0.245，0.030，0.051，0.000，0.674)，則d值為39.8分，因?yàn)?5分≤d≤55分，所以喀左上斷面為Ⅳ類水體。利用同樣方法對(duì)其余采樣斷面進(jìn)行計(jì)算，可得表4、表5和表6。

由表4可知，凌河流域汛前時(shí)期d值為31.6～66.3分，屬于“有污染組符合要求”或中污染水平，其中，4號(hào)李家灣大橋下、6號(hào)顧洞河上和8號(hào)章吉營3個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)為Ⅲ類水質(zhì)，3號(hào)東至卜漫水橋下，10號(hào)羊山、11號(hào)女兒河入河口和12號(hào)西樹林3個(gè)采樣點(diǎn)水質(zhì)為Ⅴ類水質(zhì)，其余采樣點(diǎn)均為Ⅳ類水質(zhì)。由歸一化權(quán)重計(jì)算結(jié)果可明顯看出，水中TN含量較高，導(dǎo)致水質(zhì)下降。由表5可知，凌河流域汛中d值為 38.7～84.9分，其中5個(gè)點(diǎn)位(41.67%)處于“有污染但符合要求”水平，7號(hào)采樣端面為Ⅱ類水質(zhì)，4、6、9、12號(hào)點(diǎn)位為Ⅲ類水質(zhì)，其他均為Ⅳ類水質(zhì)。由歸一化權(quán)重計(jì)算結(jié)果可明顯看出，水中TN含量較高，導(dǎo)致河水水質(zhì)下降。由表6可以看出，凌河流域汛后d值為46.2～71.9分，其中7個(gè)點(diǎn)位(58.33%)處于“有污染但符合要求”水平，其中 3～10號(hào)采樣端面均為Ⅲ類水質(zhì)，其他為Ⅳ類水質(zhì)，水中TN含量較高，導(dǎo)致河水水質(zhì)下降。部分流經(jīng)人工濕地前后d值有明顯上升，特別是汛中顧洞河斷面上游d值為56.2分，下游為84.9分，凈化效果明顯?？傮w上，汛中水質(zhì)優(yōu)于汛后，汛后水質(zhì)優(yōu)于汛前。凌河流域水質(zhì)污染主要由于生活污水排放與農(nóng)業(yè)肥料的施用，導(dǎo)致氮、磷等營養(yǎng)元素升高，水體環(huán)境質(zhì)量下降。

表4、表5、表6顯示，汛前5月在2、3、9、10、11、12號(hào)點(diǎn)位水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果相同，而1、4、5、6、7、8號(hào)點(diǎn)位用單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)的水質(zhì)均較模糊評(píng)價(jià)法更差。6月汛中時(shí)期，單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)的所有點(diǎn)位的水質(zhì)均較模糊評(píng)價(jià)法更差，如模糊評(píng)價(jià)顯示顧洞河上和顧洞河下分別是Ⅲ類和Ⅱ類水，而單因子指數(shù)法顯示的是Ⅴ類和Ⅳ類水。同樣在汛后10月，單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)的所有點(diǎn)位也均較模糊評(píng)價(jià)法顯示的水質(zhì)更差。可見，單一指數(shù)法簡(jiǎn)單明了，容易發(fā)現(xiàn)主要污染物，但對(duì)水質(zhì)有“過保護(hù)”的傾向，而模糊數(shù)學(xué)法能體現(xiàn)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，相對(duì)更客觀。因此，水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)合多種方法綜合評(píng)判，才能更準(zhǔn)確地掌握真實(shí)的水質(zhì)狀況。

表4　凌河流域5月(汛前)水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)

表5　凌河流域6月(汛中)水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)

表6　凌河流域10月(汛后)水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)

3　結(jié)論

本研究采用單因子污染指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)大、小凌河水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要結(jié)論如下：(1)從單一指標(biāo)上看，凌河流域DO、NH3-N、TP含量屬于輕污染水平，且部分指標(biāo)(如TN、TP含量)呈現(xiàn)汛前高于汛中和汛后的趨勢(shì)，可能是由于汛期水量增大，污染物被稀釋。其中，COD部分點(diǎn)位污染較重，主要原因可能是周邊工廠的工業(yè)廢水和市區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生活污水排入河流，導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量下降。(2)采用5項(xiàng)污染指數(shù)作為參數(shù)，水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，流域整體水質(zhì)較好。d值均在31.6～84.9分之間波動(dòng)，汛中和汛后水質(zhì)均優(yōu)于汛前，且流經(jīng)東至卜漫水橋濕地、顧洞河濕地等人工濕地前后水質(zhì)變好。水體主要污染物為TN，可能是由于農(nóng)業(yè)氮肥的使用和生活污水的排入導(dǎo)致水體營養(yǎng)元素含量升高。(3)單因子污染指數(shù)法對(duì)水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果較模糊數(shù)學(xué)法的評(píng)價(jià)結(jié)果較劣，單一指數(shù)法對(duì)水質(zhì)有“過保護(hù)”的傾向。結(jié)合多種方法綜合評(píng)價(jià)水質(zhì)，才能更準(zhǔn)確地掌握水質(zhì)狀況。

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