辽宁省地表水水环境质量评价

刘雯雯

(辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110094)

在多种因素的共同影响下，区域水环境质量呈现出局部地区的不均匀性和不稳定性特征，因此很难利用单因子指数法对区域水质状况进行综合的定量评判。水环境质量评价时，通常具有明显的渐变性和模糊性特征，仅仅依据某项指标的监测数据难以准确的反映区域水环境系统的真实状况[1- 3]。针对复杂的水环境评价问题，国内外众多学者开展了大量研究，如李希灿等[1]以泰安市为例，提出了趋势灰色预测与模糊综合相结合的空气质量评价方法，有效地解决了空气质量分析存在的不确定性与随机性问题；许俊杰等[4]基于模糊数学法，构建了城市多要素污染的聚类评判法；吕宝华等[5]对辽宁省的水资源承载力进行分析，并认为该区域处于严重缺水状态，水资源供需矛盾紧张且开发利用程度较高，未来对水资源的需求量不断增大；余勋等[6]客观、系统的描述了水环境参数的不确定性与模型结构的层次问题，从而显著提高了评价结果的可靠性与真实性。在水质评价过程中，通常会存在不确定的模糊性概念，并且在多数情况下没必要、也不可能做到绝对的精准分析，因此可考虑采用模糊评价理论。该方法基于数学处理理论，对非定量化与模糊性特征的影响因素实现量化处理。

鉴于此，本文基于辽宁省水环境实际状况，通过分析模糊综合法基本理论和计算步骤，客观、全面地评价了其水环境污染状况，以期为提高环境治理措施的合理性、适用性提供依据，为促进区域水资源发展规划和人水协调发展提供参考。

1 水环境概况

辽宁省位于我国东北部地区，全省占地面积14.8万km2，临黄海、渤海，东与朝鲜相接。辽宁省下辖抚顺、铁岭、鞍山、沈阳等14个地级市以及绥中县、昌图县2个省管县，主要支流有浑河、大辽河、太子河、辽河等，其中辽河流域面积6.92万km2，全长480km，为辽宁省第一大河流。区域内年降水量在400～1100mm范围，其中75%以上的降水量集中在汛期6—9月，并多以暴雨和强降雨的形式出现。该区域水资源量主要包括降水入渗补给和地表径流量两大部分，并以大气降水补给为主，年均水资源量为341.79亿m3，在空间分布上呈现出由东南向西北逐渐降低的趋势。东南部与渤海相邻水源面积较大，降水量较为充足，西北区域降水较少并且风沙干旱现象较为频繁[7- 8]。

多年以来，由于水环境保护意识薄弱和水体过度开发，致使辽宁省境内水环境功能持续下降，水体污染日趋严重。经过长期的综合治理，该区域水质得到持续改善，相关研究显示东辽河与西辽河的水质相对较好处于Ⅳ类，而太子河与招苏台河的水质状况较差处于劣Ⅴ类，并以化学需氧量、总磷和氨氮污染物为主。相对于2010年以前，辽宁省境内主要干流的26个断面水环境质量得到明显改善，达到Ⅲ类及以上水质的断面为7.8%，处于劣Ⅴ类水质的断面占比明显下降，水体污染程度由之前的重度提升至中度水平。省内43条主要支流水质明显好转，处于劣Ⅴ类水质的支流个数大幅度降低。支流内氨氮、总磷等污染物浓度均值同比降低，其中化学需氧量、高锰酸钾盐指数等参数首次满足Ⅴ类水质标准。客观、科学地评价该区域水环境质量，对于改善辽宁省水生态环境并促进区域协调可持续发展具有重要意义。

2 构建模糊综合评价模型

2.1 模糊综合评价基本步骤

模糊综合评价法可广泛应用于区域水环境质量的评价研究，然而该方法仍具有一定的弊端主要体现在以下2个层面，如对指标权重进行确定存在一定的主观判断性；对水质不同等级利用最大隶属度原则进行判定，在各评价指标等级隶属度相差不大时存在失效现象，并因此对评价结果造成一定的偏差。依据上述弊端和局限性，本文采用模糊综合评价与灰关联分析相结合的方法进行综合评价，由此得到的评价结果相对于传统的方法具有更加可靠的准确度，主要步骤如下。

步骤一：选取评价指标。水环境问题是一个涉及生态、经济与人类活动的多层次、复杂问题，因此在选取评价指标时不仅要考虑水环境质量现状，而且还要参考水资源规划、治理等方面内容。影响水环境的因素较多，为避免多次复合运算可能引起的计算偏差，并造成重要信息的丢失，本文考虑引入合成算子建立加权平均型评判模型。结合辽宁省水资源现状，在遵循科学性、可行性、代表性原则的基础上选取了5项典型指标，然后基于全国水环境评价指标体系和相关标准，将各类指标划分为Ⅰ～Ⅴ类5个级别，见表1。

表1 评价指标体系及分级标准 单位：mg/L

步骤二：确定评价对象。引入水质评价样本集合Y=(yi;i=1，2，…，6)，其中yi为辽宁省第i个断面的水质监测数据，根据表1建立指标集U=(x1，x2，x3，x4，x5)，其中xi为第i个指标的水质样本值，辽宁省境内主要干流的6个典型断面实际监测值见表2，并以此作为评价对象。

表2 水质评价对象 单位：mg/L

步骤三：确定隶属度函数。水质类别评判的模糊性是指对处于2个级别之间的污染物浓度的判断，定义模糊区间为一级，则隶属度函数在其他区间通常为常数0或1，不同级别之间的隶属函数如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，c1～c5—分别为对应于Ⅰ～Ⅱ等级的水质分级值；x—单项因子的实测浓度，详见表2；y(x)—在第j级水质中第i项指标实测值的隶属函数。

在确定了各分级标准上评价指标的隶属函数之后，通过输入各断面实际监测数值，可建立每个监测断面的模糊关系矩阵R，见表3。

表3 A～F各监测面的模糊关系矩阵

步骤四：计算各指标权重。结合辽宁省水环境质量的5个分级标准，通过选取基点值si作为水质标准中间级别的极限标准值或中间2个级别极限值的平均值，并作为指标权重向量的参考因子。不同评价因子对水质影响的贡献率存在一定的差异，据此可通过隶属函数的求解确定各分级标准下单项指标的隶属度，然后可建立相应的模糊关系矩阵。可通过指标权重wi的求解确定各评价因子对评价结果的影响程度，公式如下：

wi=(ci/si)/∑(ci/si)

(6)

式中，si—第i项指标的实测浓度值。

步骤五：构建复合B。然后对各单项因子的权重利用上述方法求解，并建立相应的权值模糊矩阵A，据此可对模糊关系矩阵R和权重集A进行模糊复合计算，并得到矩阵B，其表达式如下：

B=A·R

(7)

综合考虑各指标的权重和隶属度，按照相乘取大的原则得到模糊判别集B=(b1，b2，b3，b4，b5)，然后按照最大隶属度原则确定水质级别。

2.2 结果分析

按照指标权重越大对水环境污染的贡献率越高的原则，并利用文中所述公式(6)确定指标权重，各断面指标权重集合见表4。

表4 各断面指标权重

然后根据公式(7)，可得到各监测断面的最终评价结果，见表5。由表5可知，辽宁省代表断面的水环境质量整体处于Ⅳ类，部分区域监测断面可达到Ⅴ类水质。这进一步说明了该区域水环境面临着严重的威胁，若不及时采取有效的措施，其水环境将会继续恶化并对饮用水造成不利影响，甚至会对人体造成危害。

表5 辽宁省主要河流监测断面水质评价

3 水环境质量改进措施

根据上述评价结果并结合辽宁省水环境调查相关资料，可分别从总氮、总磷、化学需氧量入河量等方面对水环境进行控制[9]。结合辽宁省水环境治理相关措施，目前已有技术方法，本文给出了改善该区域水环境质量的方法措施。

(1)控制外源污染全过程。本文对水环境承载力各项指标实际检测结果，可分别从污水总量收集、控制、运输和处理4个方向，对水环境总氮、总磷以及化学需氧量排放量进行外源污染过程控制。对于辽河流域沿途的印染、医化、砂洗等行业严格按照排放标准进行排查，对高污染、高能耗行业进行转降整治[10]；农药化肥以及生活垃圾在地表径流作用下，造成农业面源污染，因此可通过化肥施用量控制以及对化学农药的科学管理有效解决辽河流域农业面源污染问题；针对小散养殖场深入推广使用天然有机化肥并从根本上控制污染物总量的排放。

(2)提升水环境容量。对污水收集系统进行改善和升级，主要是针对该区域村庄已建管网、主干管网进行排查并确保各端口链接的匹配性[11]；完善污水处理和输送系统，对于具有侵蚀性的工业污水应严格排查，对污水处理能力与污水排放量不匹配的行业建议进行规模升级和校核；大辽河主干流连通基本通畅，但是次级与支流河道的结构纵横交错，因此在主干河网引排的格局上提升支干与主干河流之间的连通能力和运输水平，从而提升水资源的供应保障程度和水环境容量[12]。

(3)建设高效用水体系。建立辽河水环境监控体系并以科学、合理的制度政策和法律法规，作为辽宁省水环境污染治理的重要保障与依据。结合流域水环境管理实际状况，并针对现行法律法规执行效率低、针对性差、可操作性低以及处罚轻等问题不断完善当地法律法规，并最终实现流域环境管理与生态保护相结合、水资源循环利用与污染同步治理的人水和谐目标[13]。

4 结论

本文基于辽宁省水环境概况，选取了5项典型指标并确定了等级划分标准，然后利用模糊综合法对该区域水环境进行了科学评价，得出的主要结论如下。

(1)选取代表断面的水环境质量整体处于Ⅳ类，部分区域监测断面可达到Ⅴ类水质，该区域水环境面临着严重的威胁，若不能及时采取有效的措施，其水环境将会继续恶化并对饮用水造成不利影响，甚至会对人体造成危害。

(2)为提高该区域水环境质量并促进人水协调发展，本文从外源污染控制、提升水环境容量以及高效用水体系3个方面，提出了针对性的改善措施，为经济社会与水环境的协调发展提供参考。