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    湟水流域西寧段主要水質(zhì)參數(shù)的時(shí)空分布特征及污染評(píng)價(jià)

    2022-08-28 00:35:54王司陽(yáng)張靜萍
    中國(guó)農(nóng)村水利水電 2022年8期
    關(guān)鍵詞:湟水需氧量西寧

    賈 潔,王司陽(yáng),張靜萍

    (1.青海省水文水資源測(cè)報(bào)中心,西寧 810001;2.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院,武漢 430072)

    0 引 言

    湟水作為黃河上游的重要支流,是黃河主要補(bǔ)給水源之一,被稱為青海“母親河”。近年來(lái),由于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展,湟水流域西寧段水環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重,對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民群眾的日常生活造成了嚴(yán)重的影響[1,2]。由于湟水流域西寧段工業(yè)、農(nóng)業(yè)設(shè)施眾多,大量污水隨意排放,造成流域水質(zhì)污染狀況日趨嚴(yán)重,城鎮(zhèn)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人畜飲水受到較大影響[3]。因此,開(kāi)展湟水流域西寧段水質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià),不僅有助于準(zhǔn)確掌握西寧市河流水污染情況,同時(shí)也有助于開(kāi)展重點(diǎn)河段生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工作。目前,河流水質(zhì)評(píng)價(jià)方法包括單因子評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、主成分分析法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、貝葉斯數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法等方法[4-6]。其中,單因子評(píng)價(jià)法是水質(zhì)評(píng)價(jià)中應(yīng)用最廣泛的評(píng)價(jià)方法,通過(guò)評(píng)價(jià)參數(shù)實(shí)際監(jiān)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值比較,從而判別水質(zhì)類型[7,8]。單因子評(píng)價(jià)法的分析結(jié)果僅僅表示水質(zhì)等級(jí)的評(píng)價(jià),不能全面的反映河流的污染狀況,當(dāng)評(píng)價(jià)結(jié)果一致時(shí)無(wú)法區(qū)分或更好的反映河流的污染程度。主成分分析法是通過(guò)將多指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo),簡(jiǎn)化了統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),確保在不損失原有信息基礎(chǔ)的前提下,將多個(gè)影響水質(zhì)參數(shù)重新組合成新的、相互之間無(wú)關(guān)的、較少的綜合指標(biāo),達(dá)到降維、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)和提高分析結(jié)果的目的[9]。模糊綜合評(píng)價(jià)法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),應(yīng)用模糊關(guān)系合成原理,將一些邊界不清、不易定量的因素定量化,運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)法中的隸屬度描述評(píng)價(jià)等級(jí),確定各污染因子的權(quán)重,進(jìn)而評(píng)價(jià)水質(zhì)類別[10]。由于模糊綜合評(píng)價(jià)法選取的評(píng)價(jià)因子過(guò)多、權(quán)重過(guò)小,造成模糊矩陣信息丟失,不易區(qū)分和分辨。除上述評(píng)價(jià)方法外,目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者也采用聚類分析法、多元統(tǒng)計(jì)法等評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況。例如,張緒美等[11]采用聚類因子分析對(duì)我國(guó)太湖流域水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià),國(guó)外學(xué)者采用多元統(tǒng)計(jì)法分析西班牙Pisuerg 河[12]、韓國(guó)Nakdong河[13]的區(qū)域水質(zhì)變化特征。

    目前水質(zhì)評(píng)價(jià)方法大多依據(jù)單一的分析方法,或者對(duì)多種分析方法進(jìn)行比較。本研究充分考慮不同水平評(píng)價(jià)方法優(yōu)劣,采用單因子評(píng)價(jià)法分析流域河流水質(zhì)整體變化情況,利用主成分分析法確定評(píng)價(jià)因子的指標(biāo)權(quán)重,通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)湟水流域西寧段水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。前期關(guān)于湟水流域水質(zhì)的研究大多聚焦于湟水干流[6,14],缺乏流域?qū)用嫦到y(tǒng)考慮,不能完全反映流域不同河流水質(zhì)污染狀況。本研究綜合考慮湟水流域西寧段水污染特點(diǎn),通過(guò)對(duì)2018-2019年西寧市轄區(qū)湟水干流及北川、西納川、沙塘川、藥水河、南川、甘河溝、小南川、云谷川、拉拉河等支流逐月水質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià),分析西寧市河流水污染狀況,以期為城市水環(huán)境管理與治理提供科學(xué)依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)域概況

    西寧市地處黃河流域湟水谷地,平均海拔2 260 m,市內(nèi)主要河流為湟水及其支流,多年平均徑流量為11.07 億m3;西寧市降水時(shí)空分布不均,全年降水總量的70%集中在6-9月,降水量年際變化大,最大年降水量為最小年降水量的2~3 倍[15]。西寧市作為青海省的政治、經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心,承載著全省40%的人口,城市大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污水經(jīng)北川、南川、沙塘川等支流匯入湟水河,嚴(yán)重威脅湟水河水環(huán)境安全。湟水流域西寧段水環(huán)境質(zhì)量不僅關(guān)系到湟水流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全維護(hù),也關(guān)系到黃河中下游地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[16]。為了進(jìn)一步研究湟水流域西寧段水質(zhì)時(shí)空分布特征及污染狀況,選取西寧市內(nèi)湟水干流及其支流北川、西納川、沙塘川、藥水河、南川、甘河溝、小南川、云谷川、拉拉河等共10 條河流進(jìn)行調(diào)查分析,通過(guò)對(duì)湟水流域西寧段河流水環(huán)境要素的質(zhì)量?jī)?yōu)劣程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià),為流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)和河流治理提供科學(xué)依據(jù)。本文研究河流基本信息如表1所示。

    表1 河流基本信息Tab.1 Basic information of rivers

    1.2 樣品采集與監(jiān)測(cè)

    2018年1月至2019年12月對(duì)西寧市內(nèi)湟水干流及其支流拉拉河、西納川、甘河溝、云谷川、藥水河、南川、北川、小南川、沙塘川等共計(jì)10條河流進(jìn)行逐月采樣監(jiān)測(cè),每條河流上選取距離城鎮(zhèn)最近的監(jiān)測(cè)斷面,依次選取西寧、大華鄉(xiāng)、西納川、甘河溝、云谷川、董家莊、六一橋、朝陽(yáng)、王家莊、沙塘川橋共10 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位置見(jiàn)圖1所示。

    圖1 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of the Monitoring River

    按照《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》(SL219-2013)[17]進(jìn)行樣品采集,參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)[18]進(jìn)行水溫、pH 值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)等24 項(xiàng)基本水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)。由于24 項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)中水溫和pH 不參與水質(zhì)評(píng)價(jià),除了高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、化學(xué)需氧量、氨氮和總磷5 項(xiàng)指標(biāo)以外,其他水質(zhì)參數(shù)含量極低,根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性和代表性,我們選擇高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、化學(xué)需氧量、氨氮和總磷等5項(xiàng)有效指標(biāo)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與水質(zhì)評(píng)價(jià)。

    1.3 數(shù)據(jù)處理分析方法

    本研究區(qū)域不同監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水質(zhì)參數(shù)的顯著性分析均在SPSS Statistics 19.0 軟件上進(jìn)行,水質(zhì)參數(shù)年度比較采用獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)分析,水質(zhì)參數(shù)季節(jié)性分析及不同斷面間比較采用one-way ANOVA 檢驗(yàn),所有樣本數(shù)據(jù)在進(jìn)行分析檢驗(yàn)前均進(jìn)行了正態(tài)分布檢驗(yàn)。P<0.05代表顯著性水平。

    1.4 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

    1.4.1 單因子評(píng)價(jià)法

    單因子評(píng)價(jià)法可以非常清晰表示研究水體是否滿足水質(zhì)要求,是水質(zhì)評(píng)價(jià)中常用的評(píng)價(jià)方法[7]。通過(guò)選取某一個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)的多次監(jiān)測(cè)的極值或者平均值,與該因子的標(biāo)準(zhǔn)值比較,以最高類類別為斷面綜合水質(zhì)類別。在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中,我們按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中對(duì)應(yīng)的限值進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

    1.4.2 主成分分析法

    主成分分析法(PCA 法),是一種將多維因子納入同一系統(tǒng)中進(jìn)行定量化的降維處理技術(shù),通過(guò)將眾多具有一定相關(guān)性的指標(biāo),轉(zhuǎn)化成幾個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)反映多個(gè)變量間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[19]。

    其主成分分析的模型:

    綜合評(píng)價(jià)函數(shù):

    式中:a1m、a2m、…、anm為原始變量矩陣的協(xié)方差矩陣的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量;ZX1、ZX2、…、ZXn為原始變量矩陣經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理的值;λ1、λ2、…、λp為標(biāo)準(zhǔn)化處理矩陣的特征值;n 為因子個(gè)數(shù);m為樣本個(gè)數(shù);p為主成分個(gè)數(shù)。

    1.4.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法

    模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法,根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià),即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià),具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn),能較好地解決模糊的、難以量化的問(wèn)題,適合各種非確定性問(wèn)題的解決。該方法被廣泛用于各種類型水體的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)[20-22]。其模糊綜合評(píng)價(jià)的模型為:B=A×R。

    式中:A 為歸一化處理的主成分分析法賦權(quán)確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重組成的行矩陣;R 為m 項(xiàng)參數(shù)對(duì)5 級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)模糊關(guān)系隸屬度矩陣。隸屬度表征評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)各級(jí)別的程度,可以通過(guò)隸屬度函數(shù)求解。一般水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)的隸屬度函數(shù)由降半梯形分布函數(shù)法確定。

    (1)j=1時(shí),相應(yīng)隸屬度函數(shù)為:

    (2)j=2、3、4時(shí),隸屬度函數(shù)為:

    (3)j=5時(shí),隸屬度函數(shù)為:

    式中:ci為第i種污染物實(shí)測(cè)濃度值(i=1,2,…,m),mg/L;si為第i種污染物j級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(i,j=1,2,…,5),mg/L。

    2 結(jié)果分析

    2.1 2018年和2019年水質(zhì)參數(shù)比較

    根據(jù)2018年和2019年湟水流域西寧段逐月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),同一年份內(nèi)水質(zhì)參數(shù)變化較大。具體而言:2018年高錳酸鹽指數(shù)濃度范圍為1.2~7.2 mg/L,化學(xué)需氧量濃度范圍為2~23 mg/L,五日生化需氧量濃度范圍為0.8~8.0 mg/L,氨氮濃度范圍為0.043~123 mg/L,總磷濃度范圍為未檢出~0.19 mg/L;2019年高錳酸鹽指數(shù)濃度范圍為0.9~3.2 mg/L,化學(xué)需氧量濃度范圍為2~21 mg/L,五日生化需氧量濃度范圍為0.6~8.0 mg/L,氨氮濃度范圍為0.050~47.1 mg/L,總磷濃度范圍為未檢出~0.13 mg/L。按照年度比較分析,2018年高錳酸鹽指數(shù)平均濃度(2.45 mg/L)顯著高于2019年的相應(yīng)值(2.02 mg/L,P<0.05);其他水質(zhì)參數(shù)均無(wú)顯著差異,但是表現(xiàn)出均值降低趨勢(shì)(化學(xué)需氧量均值呈增加趨勢(shì))。

    具體斷面而言,西寧、大華鄉(xiāng)、云谷川、六一橋、朝陽(yáng)斷面水質(zhì)參數(shù)2018年和2019年均無(wú)顯著差異;2019年西納川斷面化學(xué)需氧量濃度顯著高于2018年的相應(yīng)值(P<0.05),其他水質(zhì)參數(shù)無(wú)顯著差異;與2018年相比,2019年甘河溝斷面氨氮濃度顯著降低,總磷濃度顯著升高,其他水質(zhì)參數(shù)無(wú)顯著差異;董家莊斷面高錳酸鹽指數(shù)濃度顯著降低,化學(xué)需氧量濃度顯著升高,其他水質(zhì)參數(shù)無(wú)顯著差異;王家莊斷面總磷濃度顯著降低,其他水質(zhì)參數(shù)無(wú)顯著差異;沙塘川橋斷面高錳酸鹽指數(shù)、氨氮濃度均顯著降低,其他水質(zhì)參數(shù)無(wú)顯著差異(表2)。

    表2 2018年和2019年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) mg/LTab.2 Water quality monitoring data for 2018-2019

    根據(jù)2018年、2019年水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果和不同河流斷面水質(zhì)目標(biāo),通過(guò)單因子評(píng)價(jià)法分析西寧市內(nèi)湟水干流及支流拉拉河、西納川、甘河溝、云谷川、藥水河、南川、北川、小南川、沙塘川水質(zhì)狀況。2018年和2019年水質(zhì)達(dá)標(biāo)率均為90.0%,但水質(zhì)優(yōu)于III 類標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)斷面比例從2018年的60.0%提升至2019年的70.0%。為了更具體分析湟水流域西寧段水質(zhì)年際變化特征,參考2010年至2017年《青海省水資源質(zhì)量年報(bào)》評(píng)價(jià)結(jié)果,2010-2019年湟水流域西寧段水質(zhì)達(dá)標(biāo)率從40.0%上升至90.0%,水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于III 類標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)斷面從40%上升至80%(圖2)。從近十年水質(zhì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析,湟水流域西寧段水質(zhì)除甘河溝斷面水質(zhì)較差以外,其余河流水質(zhì)整體都呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

    圖2 2010-2019年湟水流域西寧段水質(zhì)類別變化Fig.2 Changes of water quality types in Xining Section of Huangshui River Basin from 2010 to 2019

    2.2 不同水質(zhì)參數(shù)的季節(jié)性變化

    我國(guó)大部分地區(qū)河川徑流量的年內(nèi)變化大,而北方地區(qū)氣象要素季節(jié)性變化也更為明顯,因此,水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的年均值往往不能反映出河流水質(zhì)季節(jié)性的變化。西寧地處青藏高原東北部。屬高原高山寒溫性氣候,按常規(guī)四季月份的劃分方案并不適用于高原地區(qū),因此按照西寧氣溫和日照時(shí)間劃分為,春季(3-5月)、夏季(6-7月)、秋季(8-10月)、冬季(11-12月、1-2月)。水質(zhì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,主要水質(zhì)參數(shù)在不同季節(jié)中呈現(xiàn)出了相異的分布特征,高錳酸鹽指數(shù)濃度夏秋季顯著性高于冬春季(P<0.05)[圖3(a)],其他水質(zhì)參數(shù)無(wú)季節(jié)性顯著差異。按照季節(jié)性平均值分析,化學(xué)需氧量四季差異較小,僅在不同斷面間具有一定差異,湟水、甘河溝、南川、北川以及小南川等流經(jīng)工業(yè)和農(nóng)業(yè)較密集區(qū)域的河流化學(xué)需氧量濃度量較高于其他區(qū)域河流的相應(yīng)值[圖3(b)]。大部分河流中五日生化需氧量在春季平均值較高,秋冬季節(jié)含量相對(duì)較低;從區(qū)域分布來(lái)看,湟水、甘河溝、南川和沙塘川中五日生化需氧量較高[圖3(c)]。部分監(jiān)測(cè)斷面中較高的五日生化需氧量可能源于生活、工業(yè)等含有大量有機(jī)物的污水隨意排放,這些有機(jī)物在水體中分解時(shí)要消耗大量溶解氧,從而破壞水體中氧的平衡,使水質(zhì)進(jìn)一步惡化[23]。從整體分布來(lái)看,氨氮呈現(xiàn)出的規(guī)律和五日生化需氧量的規(guī)律相似,即秋季均值最低,春、夏季和冬季含量普遍增高[圖3(d)],并且水體的污染程度和其含量高低呈正相關(guān)關(guān)系??偭诐舛燃竟?jié)性變化并不明顯,與其他季節(jié)相比,冬季含量有所上升[圖3(e)]。

    圖3 西寧市主要河流中水質(zhì)參數(shù)的季節(jié)性變化Fig.3 Seasonal variation of water quality parameters in major rivers in Xining

    表3 2018年和2019年湟水西寧站水文徑流數(shù)據(jù)Tab.3 Hydrological runoff data of Xining Station on Huangshui River in 2018 and 2019

    不同區(qū)域河流水質(zhì)參數(shù)的季節(jié)性分布特征受水文徑流的影響較為明顯,遼寧大凌河季節(jié)性調(diào)查結(jié)果顯示,豐水期水體總體評(píng)價(jià)為II類水標(biāo)準(zhǔn),在枯水期降低至III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[24]。新疆喀什地區(qū)河流研究結(jié)果具有類似規(guī)律,豐水期由于水量較為充沛,水質(zhì)總體維持在II 類~I(xiàn)II 類標(biāo)準(zhǔn),枯水期由于水量減少,水質(zhì)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),降低至III 類~I(xiàn)V 類標(biāo)準(zhǔn)[25]。從上述分析中可以看出,湟水流域也具有此類特征,水質(zhì)季節(jié)性分布特征受徑流的影響明顯,形成夏秋季水質(zhì)優(yōu)于冬春季的現(xiàn)象。張潔[26]研究結(jié)果顯示,城市點(diǎn)源排放是導(dǎo)致水質(zhì)季節(jié)性變化的主要原因。本研究中,主要水質(zhì)參數(shù)含量變化與徑流量關(guān)系較大,以湟水為例,水質(zhì)最好時(shí)候出現(xiàn)在夏秋兩季的豐水期內(nèi),水質(zhì)最差時(shí)候則在春冬兩季的枯水期內(nèi)。雖然不同季節(jié)存在著不同的水文徑流變化,但是自然水體也存在著復(fù)雜的生物地球化學(xué)循環(huán),加之甘河溝等斷面亦存在著較為嚴(yán)重的城市點(diǎn)源污染,因此水質(zhì)季節(jié)性分布的影響因素仍然值得深入研究。

    2.3 水質(zhì)污染評(píng)價(jià)

    水質(zhì)污染評(píng)價(jià)方法較多,本文采取主成分分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。其中,主成分分析法是通過(guò)降低數(shù)據(jù)緯度的方式,將多個(gè)影響水質(zhì)因子簡(jiǎn)化成幾個(gè)綜合因子以反映水體污染狀況,廣泛應(yīng)用各類水體水質(zhì)評(píng)價(jià)[27,28],主成分的優(yōu)勢(shì)在于可以保留所有原始因子的信息,但是無(wú)法直接對(duì)水質(zhì)狀況進(jìn)行綜合評(píng)估。模糊綜合評(píng)價(jià)法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),應(yīng)用模糊關(guān)系合成原理,對(duì)受多種因素影響的事物做出全面評(píng)價(jià)的多因素決策方法,該方法已被廣泛用于各種水體水質(zhì)評(píng)價(jià)[29,30]。模糊綜合評(píng)價(jià)法的優(yōu)勢(shì)在于處理受多因素影響或者影響因素難以定量化的評(píng)價(jià)分析,缺點(diǎn)是由于評(píng)價(jià)因子較多,權(quán)重分布不合理,會(huì)造成模糊矩陣信息丟失。本研究綜合考慮主成分分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法的優(yōu)缺點(diǎn),利用主成分分析法確定評(píng)價(jià)因子指標(biāo)權(quán)重,通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)湟水流域西寧段水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

    基于主成分分析賦權(quán)的模糊綜合評(píng)價(jià)法分析內(nèi)容包括:首先,將水質(zhì)監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,計(jì)算出相關(guān)關(guān)系矩陣及其特征值與特征向量;其次,計(jì)算方差貢獻(xiàn)率,根據(jù)貢獻(xiàn)率確定主成分個(gè)數(shù),確定因子載荷矩陣,計(jì)算主成份荷載值,確定因子權(quán)重,進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重歸一化;最后,計(jì)算隸屬度函數(shù),建立模糊關(guān)系矩陣,基于主成分分析法確定的指標(biāo)權(quán)重,綜合評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況。

    我們對(duì)湟水流域西寧段干支流10 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮和總磷5 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣計(jì)算其對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣及其特征值,并計(jì)算分析主成分貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率。由表4可知,前2 個(gè)主成分特征值分別為2.949、1.322,累積方差率達(dá)到了85.422%,按照特征值大于1,累積貢獻(xiàn)率大于85%的原則,確定主成分的個(gè)數(shù)為2,即前兩個(gè)主成分可以反映絕大部分的信息。

    表4 特征值及貢獻(xiàn)率Tab.4 Eigenvalue and contribution rate

    計(jì)算初始因子載荷矩陣,每一個(gè)載荷量表示主成分與對(duì)應(yīng)變量的相關(guān)系數(shù),正值表示正相關(guān),負(fù)值表示負(fù)相關(guān),絕對(duì)值越接近1,表示相關(guān)程度越高。參照劉劍[31]研究方法,根據(jù)初始因子載荷量,計(jì)算主成分荷載值,從而確定因子指標(biāo)權(quán)重,并進(jìn)行歸一化處理,計(jì)算結(jié)果如表5 所示。根據(jù)主成分分析法的賦權(quán)計(jì)算結(jié)果,氨氮、五日生化需氧量和化學(xué)需氧量占據(jù)相對(duì)較大的權(quán)重,總磷權(quán)重比例相對(duì)較低。

    表5 主成分因子荷載及賦權(quán)計(jì)算結(jié)果Tab.5 Principal component factor load and weight calculation results

    利用模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算選取評(píng)價(jià)因子對(duì)各級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度,并組成模糊矩陣R,結(jié)合主成分分析確定的指標(biāo)權(quán)重,確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重的行矩陣A=(0.270,0.268,0.130,0.276,0.056),構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型B=A×R,綜合評(píng)價(jià)湟水流域西寧段水質(zhì)狀況。計(jì)算結(jié)果顯示,2018年湟水I 類的可能性為21.6%,II 類的可能性為0,III 類的可能性為57.83%,IV 類的可能性為20.57%,根據(jù)最大隸屬度原則,即哪一級(jí)水質(zhì)隸屬度最大,則水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果為哪一級(jí),因此2018年湟水水質(zhì)級(jí)別為III 類,同理計(jì)算其他斷面各級(jí)隸屬度及評(píng)價(jià)結(jié)果,評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表6。通過(guò)比較單因子評(píng)價(jià)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果,模糊綜合評(píng)價(jià)法的水質(zhì)等級(jí)與單因子評(píng)價(jià)等級(jí)相同或高一等級(jí),單因子評(píng)價(jià)結(jié)果強(qiáng)調(diào)了單個(gè)污染指標(biāo)的影響,而模糊評(píng)價(jià)是考慮了多種水質(zhì)污染因子的影響,更接近實(shí)際水質(zhì)結(jié)果,評(píng)價(jià)結(jié)果也更為科學(xué),其缺點(diǎn)是對(duì)劣V 類等極差水體水質(zhì)無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的反映。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,甘河溝等斷面水污染狀況仍然較為嚴(yán)重。

    表6 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.6 Fuzzy comprehensive evaluation results

    雖然近十年來(lái),湟水流域西寧段水質(zhì)呈現(xiàn)逐漸好轉(zhuǎn)趨勢(shì)(圖2),但是考慮到未來(lái)西寧城市建設(shè)發(fā)展和廢污水排放量增長(zhǎng),未來(lái)城市河流水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)依然較高。根據(jù)《青海省統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)年鑒》和《青海省水資源公報(bào)》中西寧市近十年(2010—2019年)經(jīng)濟(jì)及廢污水的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表7),西寧市人口及國(guó)民經(jīng)濟(jì)逐年增長(zhǎng),廢污水排放量也在不斷增加,其中第二產(chǎn)業(yè)廢污水量、城鎮(zhèn)居民生活廢污水量近年來(lái)呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì),未來(lái)西寧城市河流環(huán)境治理應(yīng)重點(diǎn)強(qiáng)化工業(yè)廢污水達(dá)標(biāo)排放,嚴(yán)格城鎮(zhèn)居民生活污水處理,加快污水處理廠的提標(biāo)改造,加強(qiáng)甘河溝等斷面工業(yè)園區(qū)綜合治理,持續(xù)開(kāi)展湟水流域西寧段水質(zhì)評(píng)價(jià),為西寧城市河流水環(huán)境監(jiān)測(cè)和生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

    表7 2010-2019年西寧市國(guó)民經(jīng)濟(jì)及廢污水排放統(tǒng)計(jì)表Tab.7 2010-2019 statistics on Xining's national economy and wastewater discharg

    3 結(jié)論與建議

    (1)2018年和2019年水質(zhì)參數(shù)比較顯示,高錳酸鹽指數(shù)平均濃度顯著降低,其他水質(zhì)參數(shù)均無(wú)顯著差異,但是表現(xiàn)出均值降低趨勢(shì);近十年(2010-2019年)湟水流域西寧段水質(zhì)達(dá)標(biāo)率從40.0%上升至90.0%,水質(zhì)達(dá)到或優(yōu)于III 類標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)斷面從40%上升至80%,湟水流域西寧段水質(zhì)除了僅甘河溝水質(zhì)較差,氨氮超標(biāo)嚴(yán)重以外,其他河流整體呈現(xiàn)出好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

    (2)湟水流域水質(zhì)季節(jié)性分布特征受徑流的影響明顯,形成夏秋季水質(zhì)優(yōu)于冬春季的現(xiàn)象,其中夏秋季高錳酸鹽指數(shù)濃度顯著高于冬春季,且冬季高錳酸鹽濃度(平均值1.88 mg/L)顯著低于其他任何季節(jié),其他水質(zhì)參數(shù)無(wú)季節(jié)性顯著差異。雖然湟水流域的水質(zhì)有明顯的改善,但仍然存在著像甘河溝這樣的點(diǎn)源污染。

    (3)基于主成分分析-模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,西寧市河流水質(zhì)污染程度排序?yàn)楦屎訙希句宜灸洗ǎ颈贝ǎ旧程链ǎ拘∧洗ǎ驹乒却ǎ舅幩樱疚骷{川>拉拉河;相比單因子評(píng)價(jià)法,模糊綜合評(píng)價(jià)法考慮多種污染因子的影響,更接近實(shí)際水質(zhì)結(jié)果,評(píng)價(jià)結(jié)果也更為科學(xué),其缺點(diǎn)是對(duì)劣V 類等極差水體的水質(zhì)無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的反映。

    (4)甘河溝、湟水、南川及北川的水質(zhì)狀況相對(duì)較差,其中城市工業(yè)廢污水及城鎮(zhèn)生活廢污水排放是導(dǎo)致水質(zhì)惡化的主要原因。雖然近年來(lái)湟水流域治理力度不斷加大,但由于湟水流域城鎮(zhèn)化的不斷加速,廢污水排放總量不斷增加,水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)依然存在。因此,未來(lái)西寧城市河流環(huán)境治理應(yīng)重點(diǎn)強(qiáng)化工業(yè)廢污水達(dá)標(biāo)排放,嚴(yán)格城鎮(zhèn)居民生活污水處理,加快污水處理廠的提標(biāo)改造,加強(qiáng)甘河溝等斷面工業(yè)園區(qū)綜合治理,持續(xù)開(kāi)展湟水流域西寧段水質(zhì)評(píng)價(jià),為西寧城市河流水環(huán)境監(jiān)測(cè)和生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

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