基于模糊综合指数法的嘉陵江汉中段水质评价

夏焕清，霍秀秀

(汉中水文水资源勘测中心，陕西汉中723000)

水是生命之源、生产之要、生态之基。随着经济社会发展，我国水资源短缺、水污染、水生态恶化等问题日益成为制约当地经济社会可持续发展的主要瓶颈。对此，我国系统总结水资源管理实践经验，于2011年中央1号文件和中央水利工作会议明确要求实行最严格水资源管理制度，确立水资源开发利用控制、用水效率控制和水功能区限制纳污“三条红线”，从制度上推动经济社会发展与水资源水环境承载能力相适应。针对中央关于水资源管理的战略决策，国务院发布了《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，全面推动最严格水资源管理制度贯彻落实，促进水资源合理开发利用和节约保护，保障经济社会可持续发展。

河流水质评价是“三条红线”实施的基础，现阶段河流水质评价的方法有：单因子评价法、模糊综合评价法、综合污染指数法、人工神经网络(ANNs)评价法、灰色关联分析法、物元分析法等。这些评价方法各有优缺，因为河流水质评价在污染程度与水质类别等方面存在笼统概念和模糊现象，所以模糊数学理论在河流水质评价中得到使用。本文通过单因子评价法与模糊综合指数法对嘉陵江略阳段做水质评价，为地方政府在嘉陵江汉中段实行最严格水资源管理提供依据。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

嘉陵江发源于陕西省凤县秦岭南麓代王山西侧大凤沟，嘉陵江干流汉中段全长141.7 km，汉中段流域面积为0.75万km2，由甘肃省徽县流入汉中市略阳县，经汉中市宁强县流入四川省广元市。区内为亚热带湿润季风气候，略阳段多年平均降水量为762.7 mm，宁强段多年平均降水量为1024.8 mm，降水由北向南逐渐递增。

1.2 断面设置

嘉陵江干流汉中段水质断面设有白水江、徐家坪、略阳、鲁光坪、燕子砭，依据断面情况，本文选取汉中段上游白水江，中游徐家坪、鲁光坪，下游燕子砭四个断面作为本次分析断面。断面布设情况见图1。

图1 嘉陵江汉中段水质断面分布图

1.3 数据来源

本文水质数据采用陕西省水环境监测中心汉中分中心2015年～2019年对嘉陵江汉中段干流四个断面的监测数据，见表1。

表1 2015年～2019年度水期水质监测数据年度均值表 单位: mg/L

2 评价标准与方法

2.1 单因子评价

水质类别按所评价项目中水质最差项目的类别确定，即评价项目监测数据与GB 3838-2002项目标准限值比对，以所有项目中最差的结果确定断面水质类别，当不同类别水质标准限值相同时，遵循从优不从劣原则。

2.2 模糊综合评价

通过构造隶属函数和隶属度矩阵，利用最大隶属度原则，对水体水质做综合评价。

2.2.1 建立评价因子集

因子是所监测项目中确定水质类别的评价项目，因子集是x个确定水质类别的评价项目组成的模糊子集Y={y1,y2,y3,…,yx}。本文选择高锰酸盐指数(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH2)、化学需氧量(DO)、总磷(TP)五个项目为评价项目。

2.2.2 建立评价集

评价集是水质评价项目确定水质类别所依据的评价标准集合(地表水环境质量标准基本项目标准限值)，其分为5个等级，评价集P={p1,p2,p3,p4,p5}。

2.2.3 建立隶属函数，建立模糊关系矩阵

隶属函数是指评价项目的测定结果是地表水环境质量标准限值某类水的程度方程。本文隶属度计算方法采用降半梯形分布。

(1)

其有两种程度方程式，一种是项目检测值越小，水质越好。例如水中高锰酸盐指数的隶属度函数为：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

另一种是项目检测值越小，水质越差。例如水中溶解氧的隶属度函数为：

第一级：

(7)

第二级至第四级：

(8)

第五级：

(9)

式中：C为评价指标的实际检测浓度值；Si，j-1、Si，j、Si，j+1分别表示第i项指标对应的第j-1、j、j+1级水质类别标准值。

根据隶属度函数公式，将断面检测项目数据代入计算出项目隶属度，依此建立模糊关系矩阵为：

式中：lmn为第m项检测项目在第n级别的隶属度。

2.2.4 建立权重集A

本文采用超标倍数法确定权重，即项目检测值与项目各级水质标准限值的平均值之比归一化处理所得到的值。本方法可以客观的表达各单因素作用的大小[2]。

(10)

(11)

项目检测值越小，水质越好，用式(10)计算，反之用式(11)计算。可得相对应的权重集A=[Q1,Q2,…,Qm]。

2.2.5 模糊综合指数法评价结果B

模糊综合评价模型为：

(12)

式中：b矩阵表示水质中的某项评价中权重等级的程度，依据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)水质类别分类构建S=[1,2,3,4,5]赋值列矩阵，用b矩阵与S矩阵相乘得断面模糊综合评价结果：

B=b·S

(13)

3 计算与分析

3.1 计算隶属度

依据式(2)～式(9)计算断面水质类别隶属度，对嘉陵江汉中段2015年～2019年的水质项目进行计算，以2015年数据为例，计算结果见表2。

表2 2015年度水期嘉陵江汉中段四个断面水质类别隶属度表

剩余年份以及断面的矩阵按同样的方法得到，不一一列出。

3.2 计算评价项目权重

依据式(10)～式(11)对断面评价项目做权重计算，以2015年数据为例：

A白水江2015=[0.17,0.13,0.16,0.38,0.16]

A徐家坪2015=[0.14,0.13,0.17,0.40,0.16]

A鲁光坪2015=[0.17,0.11,0.15,0.39,0.18]

A燕子砭2015=[0.18,0.11,0.13,0.39,0.19]

剩余年份及断面按同样的方法得到，不一一列出。

3.3 计算模糊综合指数

依据式(12)可得模糊综合评价矩阵：

b白水江2015=[0.93,0.07,0,0,0]

b徐家坪2015=[0.93,0.07,0,0,0]

b鲁光坪2015=[0.90,0.10,0,0,0]

b燕子砭2015=[0.92,0.08,0,0,0]

依据式(13)可得模糊综合指数：

B白水江2015=b白水江2015·S=1.07 (白水江为嘉陵江陕甘缓冲区);

B徐家坪2015=b徐家坪2015·S=1.07 (徐家坪为嘉陵江略阳(上段)保留区);

B鲁光坪2015=b鲁光坪2015·S=1.10 (鲁光坪为嘉陵江略阳开发利用区);

B燕子砭2015=b燕子砭2015·S=1.08 (燕子砭为嘉陵江略阳(下段)保留区);

剩余年份及断面按同样的方法得到，不一一列出。

3.4 模糊综合评价与单因子评价结果比较

由表3可知，2015年～2019年单因子评价断面水质类别多数为Ⅱ类，模糊综合评价水质类别全为Ⅰ类。

表3 模糊综合评价与单因子评价结果对比表

通过比较，断面水质评价结果采样模糊综合法水质类别几乎提升一个类别，且在同一类别下也可直观判断河流断面水质的优劣。

4 结论

(1)通过模糊综合评价，嘉陵江汉中段2015年～2019年度水质类别均为Ⅰ类，比单因子评价水质类别更优。

(2)同一水质类别，经模糊综合评价后也可比较水质的优劣，相比单因子评价更能够客观地反应断面水质。

(3)模糊综合评价水质，在2015年～2019年度嘉陵江汉中段Ⅱ水质类别中氨氮和总磷项目的权重较大，污染物在水质类别中的权重对治理污染、提升水质的措施更加具有针对性。

(4)嘉陵江汉中段水质近5 a来保持着稳定，且缓冲区优于保留区，保留区优于开发利用区，与现阶段嘉陵江汉中段水质现状相吻合。