王藝頤,李靈軍,王銘明,賈璐璐,汪 菊,李連強,劉云韓,王云慶
(1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院,云南 昆明 650500;2.水利部綜合事業(yè)局,北京 100053)
近年來,城市化、工業(yè)化進程不斷加快,水體污染形勢愈加嚴(yán)峻,制約著經(jīng)濟和社會的發(fā)展,地表水及地下水水質(zhì)污染情況也發(fā)生了較大改變。因此,水質(zhì)監(jiān)測及評價工作尤為重要,評價方法的研究及應(yīng)用是近年來水環(huán)境領(lǐng)域的一個熱點[1- 6]。常用的水質(zhì)評價方法有單因子評價法、模糊綜合評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法、綜合污染指數(shù)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法等。徐勇等[7]用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法評價大沽河濕地海水水質(zhì)表明,河道內(nèi)站點水質(zhì)均為劣Ⅳ類水質(zhì),無機氮含量嚴(yán)重超標(biāo),富營養(yǎng)化狀態(tài)明顯,應(yīng)采取有效措施,提高大沽河濕地水質(zhì)質(zhì)量,從而保證濕地區(qū)域的生態(tài)環(huán)境安全;馬京久等[8]把綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法應(yīng)用于漢江中下游地區(qū),評價結(jié)果表明,2001年~2014年漢江中下游水質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn),可為該流域水污染防治提供理論依據(jù);張龍等[9]在阿哈水庫水質(zhì)評價中采用模糊綜合評價法的研究結(jié)果表明,模糊綜合評價法能客觀評價各采樣點的水質(zhì),可廣泛應(yīng)用于水質(zhì)評價中;陳玲等[10]采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對常州市北市河水質(zhì)進行評價發(fā)現(xiàn),斷面水質(zhì)變化趨勢比較一致,總體上春冬季水質(zhì)優(yōu)于夏秋季水質(zhì)。
每種評價方法在評價水質(zhì)時的側(cè)重點不同,評價方法各有優(yōu)缺點[11]。單一的水質(zhì)評價方法會造成評價結(jié)果較差或過于理想化,多種水質(zhì)評價方法相結(jié)合,使評價結(jié)果更客觀,更趨近事實。為此,本文把單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法和模糊綜合評價法4種常用的水質(zhì)評價方法結(jié)合起來,克服單一水質(zhì)評價的弊端,應(yīng)用于研究牛欄江—滇池補水工程開通前后滇池外海的水質(zhì)變化。
在所有參評的水質(zhì)指標(biāo)中,將其實測值和GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的標(biāo)準(zhǔn)值作比較,確定水質(zhì)類別,選擇其中最差類別作為水質(zhì)評價的結(jié)果。
綜合污染指數(shù)法是計算單因子指數(shù)和綜合污染指數(shù),根據(jù)綜合污染指數(shù)進行水質(zhì)級別的劃分。以污染分擔(dān)率表征各污染物的貢獻并識別主要污染物,公式如下[12]
(1)
(2)
(3)
式中,Ci為水質(zhì)因子i的實測濃度;Si為GB 3838—2002中水質(zhì)因子i的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值;Pi為污染因子i的單因子指數(shù);P為綜合污染指數(shù);Ki為水質(zhì)因子i的污染分擔(dān)率;n為參評指標(biāo)的個數(shù)。綜合污染指數(shù)水質(zhì)級別劃分見表1。
表1 綜合污染指數(shù)水質(zhì)級別劃分
灰色關(guān)聯(lián)度分析法是灰色系統(tǒng)理論的基本方法,是通過對研究系統(tǒng)內(nèi)各要素的相互關(guān)系、作用與影響進行關(guān)聯(lián)度量化,從而確定參考序列與多個對比序列間的關(guān)聯(lián)性[13]?;疑P(guān)聯(lián)度分析法的步驟如下[14]:
(1)確定參考序列和比較序列。一般把地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作為比較數(shù)列,實測水質(zhì)作為參考數(shù)列。參考序列可以用x0,x1,…,xi表示,第i個實測樣本的參考序列xi可表示為xi(1),xi(2),…,xi(n);比較序列可以用y1,y2,…,yn表示,第j級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的比較序列yj可表示為yj(1),yj(2),…,yj(n)。
(2)數(shù)據(jù)歸一化處理。由于各樣本序列中量綱的不同,數(shù)值和數(shù)量級相差比較懸殊,無法直接進行比較,需要對數(shù)據(jù)進行無量綱化處理[15],求出各年份評價指標(biāo)和地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中項目的平均值,用平均值除各年份評價指標(biāo)的實測值和標(biāo)準(zhǔn)值即可。
(3)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)εji。公式為
(4)
式中,Δji為比較序列和參考數(shù)列的差數(shù)列;Δmax為差序列的最大值;Δmin為差序列的最小值;ρ一般取0.5。
(4)計算關(guān)聯(lián)度Rji。公式為
(5)
式中,n為參評指標(biāo)的個數(shù)。
(5)對序列排序。關(guān)聯(lián)度中最大值即為所求水質(zhì)類別。
模糊綜合評價是對多種因素所影響的事物或現(xiàn)象,根據(jù)給出的評價標(biāo)準(zhǔn)和實測值,經(jīng)過模糊變換,對其做出總評價的一種方法,使系統(tǒng)中的不確定性通過隸屬度加以量化,在環(huán)境質(zhì)量評價中顯現(xiàn)出其優(yōu)越性,近年來在環(huán)境科學(xué)中得到了應(yīng)用[16]。具體步驟如下[17]:
(1)建立評價因子集和評價集。評價指標(biāo)作為評價因子集,GB 3838—2002水質(zhì)類別作為評價集。
(2)建立模糊關(guān)系矩陣。通常用降半梯形和升半梯形求兩端的隸屬度,用對稱山形求中間的隸屬度。
當(dāng)實測值為Ⅰ級,隸屬度函數(shù)為
(6)
當(dāng)實測值為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級,隸屬度函數(shù)為
(7)
當(dāng)實測值為Ⅴ級,隸屬度函數(shù)為
(8)
式中,rij為評價指標(biāo)i對j級水質(zhì)的隸屬度;Ci為指標(biāo)實測值濃度;Sij為評價指標(biāo)的j級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值。
(3)確定權(quán)重??刹捎梦廴疚餄舛瘸瑯?biāo)加權(quán)法計算。公式為
(9)
(10)
式中,Si為評價指標(biāo)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)超標(biāo)限值;Wi為評價指標(biāo)的權(quán)重。
(4)建立模糊綜合評價。公式為
(11)
式中,B為樣本對于水質(zhì)的模糊關(guān)系;r11表示第1種污染物的環(huán)境質(zhì)量數(shù)值可以被評價為第Ⅰ類環(huán)境質(zhì)量的可能性,即第1種污染物對第Ⅰ類環(huán)境質(zhì)量的隸屬度;m代表評價因子數(shù);n代表水質(zhì)類別。
滇池位于云南省昆明市,處于長江、紅河、珠江三大水系的分水嶺地帶,是云南九大高原湖泊,有35條河流注入。滇池分為外海和草海,外海為滇池的主體部分。滇池湖面面積約300 km2,總蓄水量15.6億m3,流域面積2 920 km2,流域徑流6.961億m3/a,湖面降水約2.72億m3/a,共9.68億m3/a[18]。
滇池流域降水量少,蒸發(fā)量大,無徑流補給,使得滇池嚴(yán)重缺水,周邊工農(nóng)業(yè)排放污水,使得水污染加劇。在國家方針政策的大力支持下,2013年開通了牛欄江—滇池補水工程。本文選用滇池外海2009年~2015年水質(zhì)指標(biāo)實測數(shù)據(jù)(見表2),采用單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法、模糊綜合評價法進行評價。選取化學(xué)需氧量(COD)、高錳酸鉀指數(shù)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷、總氮作為評價水質(zhì)類別指標(biāo)。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)見表3。
表2 滇池外海2009年~2015年水質(zhì)指標(biāo)實測數(shù)據(jù) mg/L
表3 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) mg/L
單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析法、模糊綜合評價法4種評價方法對滇池外海2009年~2015年的水質(zhì)評價結(jié)果與水質(zhì)實測值對比見表4。從表4可知:
表4 4種水質(zhì)評價結(jié)果與水質(zhì)實測值對比
(1)在4種評價方法中,單因子評價法水質(zhì)結(jié)果最差,因為該方法忽略了評價指標(biāo)的整體作用,選取最差的指標(biāo)類別作為水質(zhì)評價的結(jié)果,具有單一性和片面性,評價結(jié)果水質(zhì)類別100%為劣Ⅴ類。單因子評價法更適合確定主要的污染物,其中化學(xué)需氧量、總磷、總氮3種指標(biāo)是導(dǎo)致水質(zhì)劣Ⅴ類的關(guān)鍵因素。
(2)綜合污染指數(shù)法可以評價水質(zhì)污染程度,但無法評價水質(zhì)類別,水質(zhì)級別重污染占比57%,嚴(yán)重污染占比43%。此外,綜合污染指數(shù)法能對水質(zhì)給出一定的定性判斷,通過綜合污染指數(shù)的計算結(jié)果能定量反映水質(zhì)的差異,尤其是在水質(zhì)較差的情況下,更能反映水質(zhì)的區(qū)別[19]。牛欄江—滇池補水工程開通前,滇池外海水質(zhì)級別為嚴(yán)重污染,經(jīng)計算,綜合污染指數(shù)分別為1.81、2.13、2.12、2.07,該階段污染程度差異性不大。牛欄江—滇池補水工程開通后,滇池水質(zhì)級別為重污染,經(jīng)計算,污染指數(shù)為2.06、1.78、1.43,在2014年污染指數(shù)首次低于2,這說明工程開通后在一定程度上改善了滇池的水質(zhì)。通過計算水質(zhì)因子的污染分擔(dān)率,可以得到滇池外海化學(xué)需氧量和總磷為主要的污染因子,污染分擔(dān)率為28%~32%。
(3)灰色關(guān)聯(lián)度分析法Ⅲ類水質(zhì)占比43%,Ⅳ類水質(zhì)占比57%,水質(zhì)類別整體滿足滇池保護規(guī)劃2018年~2035年要求。到2025年,滇池草海和外海水質(zhì)穩(wěn)定達到Ⅳ類及以上??梢钥闯?,灰色關(guān)聯(lián)度分析法相比其他3種方法水質(zhì)評價結(jié)果更好,水質(zhì)類別整體控制在Ⅲ類和Ⅳ類,水質(zhì)類別整體偏高,能看出水質(zhì)轉(zhuǎn)變趨勢和發(fā)展趨勢。
(4)模糊綜合評價法的主要特點是系統(tǒng)性強、結(jié)果清晰,還能科學(xué)地解決邊界模糊的問題,在解決水質(zhì)問題時,可以通過模糊綜合評價法反映水質(zhì)邊界的模糊性,使評價結(jié)果更加具有科學(xué)性。但是,模糊綜合評價法也存在著缺點,模糊綜合評價法的權(quán)重是通過超標(biāo)法完成的,也就是說超標(biāo)的越多,其權(quán)重也越大,突出了超標(biāo)污染物的影響,忽略了一些實測濃度地的評價因子。另外,對于同一種水質(zhì)指標(biāo),模糊綜合評價法認(rèn)為其不同的水質(zhì)類別的權(quán)重相同,這也是其缺點之一[20]。模糊綜合法Ⅳ類水質(zhì)占比14%,Ⅴ類水質(zhì)占比86%。通過計算隸屬度可以看出,滇池外海2009年~2015年超標(biāo)污染物為高錳酸鉀指數(shù)、化學(xué)需氧量、總磷、總氮,生化需氧量和氨氮無明顯超標(biāo)跡象。
本文利用滇池外海2009年~2015年水質(zhì)指標(biāo)實測數(shù)據(jù),采用4種方法評價牛欄江—滇池補水工程開通前后滇池外海水質(zhì)的變化,得出以下結(jié)論:
(1)單因子評價法可直觀看出超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo),并選取最差指標(biāo)的類別作為評價結(jié)果,水質(zhì)評價結(jié)果均為劣Ⅴ類,帶有片面性,在水質(zhì)評價工作中應(yīng)用較少。
(2)綜合污染指數(shù)法把各個指標(biāo)都納入評價范圍,但不能評價水質(zhì)類別,只能得出水質(zhì)污染程度,應(yīng)用范圍較為狹窄。
(3)模糊綜合評價法和灰色關(guān)聯(lián)度分析法可以反映當(dāng)下實際水質(zhì)和看出水質(zhì)轉(zhuǎn)變趨勢。相比前2種方法,在水質(zhì)評價領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛。