基于模糊綜合法和灰色關(guān)聯(lián)法的百花湖水質(zhì)評價

敖成歡， 鐘九生， 趙 夢， 黃國金， 段紀(jì)維， 江 麗

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴州 貴陽 550001)

隨著人類對地表影響程度的不斷加深，人地關(guān)系變得愈發(fā)密切，隨之也引發(fā)了一系列的環(huán)境問題，其中地表水環(huán)境的污染便是當(dāng)下亟需解決的問題，關(guān)于水環(huán)境污染治理問題也引起眾多水環(huán)境研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。

李延林等[1]利用綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法及灰色關(guān)聯(lián)分析了騰格里湖水質(zhì)狀況，鄧渠成等[2]利用三角模糊—貝葉斯方法對九洲江水的水體進(jìn)行了評價，郭晶等[3]利用不同評價方法對洞庭湖水質(zhì)進(jìn)行了分析，張婷等[4]利用MIKE21和灰色模式識別模型探究了洪湖水質(zhì)，楊浩等[5]采用模糊綜合評價法對洮河水質(zhì)進(jìn)行了研究，上述水質(zhì)評價方法都能較好的分析出研究區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀，但由于水質(zhì)評價方法較多，在分析不同的水環(huán)境時要選擇恰當(dāng)?shù)姆治龇椒ㄟM(jìn)行綜合評價，其中灰色關(guān)聯(lián)和模糊評價法就比較常用于水質(zhì)評價。

當(dāng)下，水質(zhì)評價的方法眾多，評價的標(biāo)準(zhǔn)體系也尚未統(tǒng)一，而水質(zhì)評價方法約有二三十種，主要有指數(shù)法和不確定方法兩大類。而模糊評價法與灰色關(guān)聯(lián)分析法可將自然界中一些邊界不清且不容易定量化的因素進(jìn)行定量分析，可針對地表水環(huán)境的不確定性進(jìn)行綜合評價。本文通過監(jiān)測水體8項理化參數(shù)，利用灰色關(guān)聯(lián)法和模糊評價法建立相應(yīng)的評價模型，得出該水庫水質(zhì)類別，旨在為相關(guān)的水資源管理部門科學(xué)開發(fā)、利用及保護(hù)該水源地提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

百花湖位于貴州省貴陽市西北郊，地理位置為106°27′—106°32′E,26°35′—26°41′N，夏秋季水溫為26 ℃左右，冬初在10 ℃左右[6]。屬云貴高原烏江支流貓?zhí)恿夐_發(fā)中的第二級大型人工水庫，建成于1966年，1987年被國務(wù)院批準(zhǔn)為國家級風(fēng)景名勝區(qū)。百花湖長18 km，平均寬度0.8 km，流域面積1 895 km2，湖面面積為14.5 km2，最大水深45 m，平均水深12.55 m，設(shè)計正常高水位1 195 m，相應(yīng)庫容1.82×109m3，發(fā)電裝機(jī)庫容2.20×104kW，湖泊補(bǔ)給系數(shù)為182.2，湖水滯留時間為0.102 a[7-9]。該水庫原始功能為發(fā)電、調(diào)洪、供水、農(nóng)業(yè)灌溉和養(yǎng)殖，兼具旅游和水上運(yùn)動等功能，其主要為貴陽市白云水廠、貴州鋁廠及朱昌鎮(zhèn)的供水，百花湖水庫設(shè)計供水3.10×109m3，水廠斷面可供水量2.90×109m3，年總供水量為2.87×107m3。

西南喀斯特生境脆弱[10]。主要表現(xiàn)為：①西南喀斯特水資源開發(fā)利用難度較大，區(qū)域儲水能力弱：因受該區(qū)域特殊的地表地貌影響，地表破碎，多發(fā)育峰叢、洼地、洞穴、裂隙、峽谷等地貌類型，地表水滲漏致使儲水蓄水能力弱，降水不易在地表長時間儲存，加之地下水埋藏較深，儲存形式復(fù)雜，導(dǎo)致水資源開發(fā)利用難度加大。此外，該區(qū)域成土過程緩慢，土層薄且不連續(xù)分布，土壤涵養(yǎng)水源的能力弱，石漠化嚴(yán)重，植被稀少，地表徑流少等原因使得其水資源開發(fā)利用難度大。②季節(jié)性干旱頻發(fā)：喀斯特區(qū)域擁有特殊的“二元”水循環(huán)系統(tǒng)，因其地表地貌復(fù)雜多樣，多發(fā)育著陡峭、破碎地形，導(dǎo)致地表水下滲，地表極難形成持續(xù)性的集水區(qū)域，且貴州降雨時空分布上的不均勻，長久下去極易造成季節(jié)性缺水、干旱頻繁。③工程性缺水問題明顯：季節(jié)性干旱及地表水下滲嚴(yán)重，必定要修建水利設(shè)施以防供水期缺水問題的出現(xiàn)，單因貴州經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為緩慢，復(fù)雜的地質(zhì)地貌條件突出，一些較大水利設(shè)施因年久失修，運(yùn)行能力低，以及小型水利設(shè)施供水不足等現(xiàn)象，致使工程性缺水突出。④水環(huán)境容易遭受外界破壞、污染，治理不易：西南喀斯特區(qū)域礦點、煤點等較多，存在重金屬污染現(xiàn)象，某些工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放的三廢，一旦遇見降雨天氣，污染物必定會隨之匯入河流、湖泊等水環(huán)境，引發(fā)水污染及富營養(yǎng)化問題，特殊的“二元”水環(huán)境系統(tǒng)使地表地下水連通性強(qiáng)，若河流、水庫、湖泊等一旦受到污染會很難治理。作為西南地區(qū)典型喀斯特區(qū)域之一，貴州喀斯特面積廣闊，地表崎嶇破碎，巖溶分布廣泛，碳酸鹽巖石出露面積占了全省總面積的73%[11]，在此地理背景之下，其生態(tài)環(huán)境較其他非喀區(qū)域更為脆弱，且根據(jù)《貴陽市城市總體規(guī)劃》，2020年將在百花湖周邊建成百花新城，如果百花湖周邊環(huán)境不加以保護(hù)，屆時百花湖污染將會更為嚴(yán)重[12]。

2 材料與方法

于2013—2016年進(jìn)行水體表層逐月采樣，根據(jù)百花湖湖泊形狀、湖泊入湖支流分布特點布設(shè)5個采樣點,共涉及溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、總氮、氟化物、糞大腸菌群8個參數(shù)。利用LocaSpace Viewer和ArcGIS10.1軟件確定采樣空間軌跡和位置，理化參數(shù)的測定標(biāo)準(zhǔn)按照金相燦等(1990)編著的《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》(第二版)進(jìn)行測定。

2.1 研究方法

2.1.1 模糊綜合評價法[13-14]

(1) 評價指標(biāo)選取與執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。選取溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、總氮、氟化物、糞大腸菌群8個理化參數(shù)，采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 模糊綜合評價法評價步驟。

①建立因子集。假設(shè)影響水質(zhì)的因子共i個，則評價因子集合可表達(dá)為U={u1,u2,u3,…,ui} 。即集合U={溶解氧，高錳酸鹽指數(shù)，化學(xué)需氧量，氨氮，總磷，總氮，氟化物，糞大腸菌群}。

②建立評價集。假設(shè)評價等級分為i個等級，該集合即為V={v1,v2,v3,…,vi}，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[14]劃分標(biāo)準(zhǔn)及百花湖實際情況可將其水質(zhì)劃分為5個等級，評價集為V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

單因素隸屬函數(shù)和模糊評價矩陣的建立：由《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[15]建立各評價因子的隸屬函數(shù)。對于溶解氧來說，其數(shù)值越大，等級就越低，隸屬函數(shù)為：

(1)

而數(shù)值越大等級越高的其余7個參數(shù)的隸屬函數(shù)為：

(2)

根據(jù)上述公式建立模糊評價矩陣，即：

(3)

式中：第i行Ri=(ri1，ri2，…，rim),i=1，…,m，i為第i個評價因子對各級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度；第j列Rj=(r1j，r2j，…，rnj)，j為各評價因子對第j級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度。

③權(quán)重的確定。

(4)

④建立綜合評價矩陣。

得出上述權(quán)重集和模糊綜合評價矩陣，可知綜合評價模型：

B=M×R={a1,a2,…,ai,…an}×

(5)

計算得出矩陣最大隸屬度值所在的對應(yīng)水質(zhì)類別即為該監(jiān)測點的水質(zhì)類別。

2.1.2 灰色關(guān)聯(lián)評價法[16-17]

(1) 評價指標(biāo)選取與執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。選取溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、總氮、氟化物、糞大腸菌群8個參數(shù)，采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)作為評價標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 灰色關(guān)聯(lián)評價法評價步驟。

①標(biāo)準(zhǔn)濃度矩陣和樣本矩陣的確定。

假設(shè)某研究水域共有p個待分級評價的水體斷面，各斷面又劃分出q項被評價的單項水質(zhì)指標(biāo)，那么可將其排列為一樣本矩陣，即：

(6)

又根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)及水體實測數(shù)據(jù)確定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度矩陣，水質(zhì)污染程度分級記為m。既有濃度矩陣

(7)

②數(shù)據(jù)歸一化處理。使用分段線性公式計算，因涉及到的評價指標(biāo)有正向指標(biāo)(指標(biāo)越大污染越重)和負(fù)向指標(biāo)(指標(biāo)越大污染越小)，所以分兩類方法計算。正向指標(biāo)：

(i=1,2,…,m；U=1,2,…,n)

(8)

(9)

(j=1,2,…,m)

負(fù)向指標(biāo):

(10)

(11)

③標(biāo)準(zhǔn)濃度矩陣歸一化后得到的矩陣。

(12)

樣本矩陣歸一化后得到的矩陣為：

(13)

④計算關(guān)聯(lián)度級關(guān)聯(lián)離散函數(shù)。目前有關(guān)聯(lián)離散函數(shù)ξ極差法與冪函數(shù)法[18]，本文采用極差法計算，即：

⑤灰色關(guān)聯(lián)分析法得出結(jié)果的評判。灰色關(guān)聯(lián)分析的最終結(jié)果應(yīng)取關(guān)聯(lián)度(Γk)最大值所對應(yīng)的分級數(shù)。

3 結(jié)果與分析

文中選取了溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷、總氮、氟化物、糞大腸菌群8個參數(shù)作為評價因子集，通過月均值進(jìn)行計算，并采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)作為評價標(biāo)準(zhǔn)，表1為本文選取的8項指標(biāo)的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值，表2—3為灰色關(guān)聯(lián)法和模糊綜合評價法計算得出的結(jié)果。

3.1 灰色關(guān)聯(lián)與模糊數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)分析

由表2可知，百花湖2013—2016年湖泊水質(zhì)整體都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)較好，除2013年5號采樣點水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)和2016年1號采樣點達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)之外，其余年份的采樣點水質(zhì)均達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)，水質(zhì)類別變化基本穩(wěn)定，從灰色綜合值來看，1—4號采樣點的Ⅰ和Ⅱ類綜合值都接近，Ⅱ類水質(zhì)隸屬度較大，水質(zhì)有從Ⅰ類變?yōu)棰蝾惖目赡埽挥杀?可知百花湖2013-2016年間水質(zhì)變化呈現(xiàn)逐年變化的趨勢，除了2015—2016年間水質(zhì)穩(wěn)定外，2013—2014年：3—5號采樣點水質(zhì)較差，這與上游紅楓湖下泄水及采樣點附近外源徑流所帶來的營養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)，水質(zhì)變化起伏較大，2013—2016年：5號采樣點水質(zhì)都為Ⅴ類水質(zhì)，2015年1—4號采樣點Ⅴ類水質(zhì)隸屬度較大，2016年1—4號采樣點Ⅳ類水質(zhì)隸屬度較大；從圖1中可以明顯得出，灰色關(guān)聯(lián)法與模糊綜合評價法計算出的百花湖水質(zhì)(2015—2016)變化大致一樣，而2013—2014年得出的評價結(jié)果區(qū)別較為明顯。但都能大致反應(yīng)出研究區(qū)水質(zhì)類別，具有一定的現(xiàn)實借鑒、參考作用。從上述可知：百花湖整體為Ⅰ類水質(zhì)，5號采樣點水質(zhì)較差，這與上游紅楓湖下泄水帶來的水體營養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)系，此外，由兩類得出的隸屬度值來看，百花湖水質(zhì)有變差的可能，所以百花湖水質(zhì)有防治的現(xiàn)實意義。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) mg/L

表2 百花湖水質(zhì)灰色關(guān)聯(lián)分析法評價結(jié)果

表3 百花湖水質(zhì)模糊綜合評價結(jié)果

如表4所示，將本文評價結(jié)果與2017年百花湖水質(zhì)類別比較可知(貴州省2017年水資源公報)：百花湖2017水質(zhì)總體為Ⅱ類，汛期水質(zhì)優(yōu)于非汛期水質(zhì)，說明水庫雨季、排水期水體得到一定的更換，水質(zhì)較優(yōu)，從2013—2016年的水質(zhì)評價結(jié)果來看，水質(zhì)總體優(yōu)于2017年水質(zhì)，歸其原因與評價方法的權(quán)重有關(guān)，歷年總氮、總磷實測值較高，會影響權(quán)重的分配比例，從而影響模糊評價法的隸屬度與灰關(guān)聯(lián)的關(guān)聯(lián)度，特別是5號采樣點各項指標(biāo)年均值均高于其余采樣點，使得評價顯示出較差的水質(zhì)結(jié)果。

此外，由于模糊數(shù)學(xué)法所計算的權(quán)重、隸屬度矩陣皆由實測水質(zhì)確定，所以受超標(biāo)指標(biāo)的影響較大，也是圖1中顯示出的在5號采樣點的模糊評價結(jié)果水質(zhì)較差的原因，而相比灰關(guān)聯(lián)評價法，其實測水質(zhì)與各級水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)過歸一化處理的，然后經(jīng)權(quán)重矩陣計算參考數(shù)列與比較數(shù)列，因而評價結(jié)果受超標(biāo)因子的影響較小，所以結(jié)果中的灰關(guān)聯(lián)結(jié)果較為穩(wěn)定[19]。

表4 2017年百花湖水質(zhì)

圖1 灰色關(guān)聯(lián)與模糊數(shù)學(xué)法水質(zhì)評價結(jié)果

由圖2可知，2013—2016年貴陽市降雨量分別為888.3，1 562，1 430.8，1045.8 mm，4 a間降雨量均值為1 231.7 mm，1960—2016年間降雨量均值為1 112.3 mm，2013—2016年年降雨量均值高于1960—2016年間降雨量均值。2014年創(chuàng)57 a間最大年降雨量，2014—2015年降雨量均高于歷年降雨量均值，而2012，2016年降雨量分別低了歷年降雨量均值224，66.5 mm，結(jié)合2017年水質(zhì)汛期水質(zhì)優(yōu)于非汛期水質(zhì)，可知降雨量大的年份(豐水期)對水質(zhì)是有一定影響的，尤其是汛期水質(zhì)優(yōu)于非汛期水質(zhì)，說明百花湖2013—2016年間水質(zhì)較優(yōu)在一定程度上是受2013—2016年間降雨量較大的影響所致。但因采樣點分布較為稀疏，某些采樣點位于干流出口，會受下泄水體攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)影響，使水質(zhì)較差。所以在分析該湖泊水質(zhì)時，應(yīng)考慮上下游間的關(guān)系，降雨量只是分析水質(zhì)優(yōu)劣的充分條件。

圖2 貴陽市歷年降雨趨勢

3.2 防護(hù)措施

整治之前的百花湖由于采礦業(yè)、制造業(yè)等不合理運(yùn)營產(chǎn)生工業(yè)廢水，農(nóng)業(yè)中大量流失的農(nóng)藥、化肥，未經(jīng)處理的城鎮(zhèn)生活污水，水產(chǎn)養(yǎng)殖遺留的剩余餌料等造成了大量營養(yǎng)物質(zhì)輸入湖泊[20]，但整治后的百花湖水質(zhì)環(huán)境已趨良好。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類活動加強(qiáng)，且2020年將在百花湖周邊建成百花新城，若百花湖周邊環(huán)境不加以保護(hù)，防范未然，勢必會污染該湖泊，針對該湖未來防治，提出以下治理措施。

(1) 湖周圍排入湖區(qū)的污水廠產(chǎn)業(yè)，要設(shè)立達(dá)標(biāo)的污水處理廠，集中凈化后排放。

(2) 合理選擇種植人工濕地植物，吸收湖底沉積物釋放的氮磷元素；有指定的定期清除濕地植物[20]。

(3) 湖區(qū)的生產(chǎn)生活垃圾要定點放置并統(tǒng)一處理，農(nóng)村廁所生態(tài)化(沼氣池)，進(jìn)行保護(hù)百花湖的宣傳教育，制定相關(guān)的法律法規(guī)。

(4) 形成健康的水循環(huán)體系，保護(hù)措施應(yīng)考慮上游地區(qū)，河湖同治，全局性的整治。

(5) 湖周圍可植樹造林，杜絕亂伐亂墾所形成的水土流失，保護(hù)湖區(qū)生態(tài)環(huán)境。

(6) 定期檢測農(nóng)業(yè)施肥區(qū)流入百花湖的河流，對河流中營養(yǎng)物超標(biāo)現(xiàn)象要及時處理：如加強(qiáng)土地管理，合理使用土地資源；改良作物方式；改進(jìn)施肥方式、保土耕作、作物輪植等[21]。

(7) 湖泊治理是“持久戰(zhàn)”，應(yīng)科學(xué)的分步驟進(jìn)行，且湖泊治理應(yīng)以控制污染源為前提，多種技術(shù)并行，保護(hù)自然生態(tài)特征是湖泊治理的前提[22]。

4 結(jié) 論

(1) 百花湖2013—2016年水質(zhì)大致集中在Ⅰ，Ⅱ類水質(zhì)，符合飲用水源標(biāo)準(zhǔn)，但歷年評價結(jié)果表明，百花湖1—4號采樣點水質(zhì)的Ⅱ類、Ⅳ類、Ⅴ類隸屬值都較大，說明百花湖水質(zhì)有變差的趨勢，湖泊水體已經(jīng)受到了一定污染，這可能與上游地區(qū)下泄水及湖泊支流攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)有關(guān)。

(2) 從評價結(jié)果可知，灰色關(guān)聯(lián)法得出的水質(zhì)較好，而模糊數(shù)學(xué)法評價出的水質(zhì)較差且波動較大。從2017年貴州水資源公報的百花湖水質(zhì)可得，本文水質(zhì)評價結(jié)果整體優(yōu)于2017年水質(zhì)，是因評價方法受權(quán)重影響,水質(zhì)結(jié)果偏優(yōu)。且降雨量大的年份，尤其是汛期水質(zhì)會優(yōu)于非汛期水質(zhì)，2013—2016年年降雨量均值高于1960—2016年間降雨量均值，一定程度上亦能說明本文水質(zhì)較優(yōu)的原因受降雨量影響。此外，本研究湖面采樣點偏少、對注入河流的干支流及水庫相關(guān)水文數(shù)據(jù)的缺失等不足使該湖泊水質(zhì)評價結(jié)果會有失偏頗，這仍是今后需要補(bǔ)強(qiáng)驗證的點。

(3) 在水質(zhì)評價過程中，為減小權(quán)重及評價方法對最終水質(zhì)結(jié)果的影響，建議使用多種水質(zhì)評價法進(jìn)行對比、分析比較可使結(jié)果更為準(zhǔn)確，當(dāng)需知研究區(qū)超標(biāo)污染物情況時，建議使用模糊數(shù)學(xué)法評價，而對于下游地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)、開發(fā)區(qū)等建議使用灰色關(guān)聯(lián)法評價，以便最大化的開發(fā)利用水資源。本研究結(jié)果僅適于作為百花湖水資源管理、水質(zhì)評價的參考。

(4) 百花湖水質(zhì)防治是“持久戰(zhàn)”，要做到湖泊自凈和科學(xué)制定治理措施就必須生物措施和工程措施相結(jié)合，該流域治理需全局兼顧，方可還百花湖“一方凈水”。