朱隈水库水环境质量综合评价

李华欣

(庄河市林业水利服务中心，辽宁 庄河 116400)

0 引 言

人口规模的增大、工农业的发展及污染控制工程的滞后，使得河流水体中的污染物质逐渐增多，并对人体健康和人类生活环境产生一系列的危害，我国许多地区的水质污染问题已十分严峻。岳霞等研究认为全国七大水系均存在不同程度的污染现象，局部水域的污染治理取得一定的成效。针对我国主要湖泊、河流的水质状况，许多学者自20世纪中期就开展了安全评价研究。近年来，针对重金属引起的水环境污染问题国内诸多研究者做了大量工作，对巢湖、太湖、长江、海河、黄河等水体环境进行了现状评价，现有研究认为我国水质状况呈逐年下降趋势[1]。

根据2014年1月发布的地表水水质月报数据，全国388条河流的701个断面的主要污染因子有CODMn、TP、BOD5、COD Cr、NH3-N，其中属于劣Ⅴ类、Ⅳ-Ⅴ类、Ⅰ-Ⅲ类水质的断面占比为12%、30%、68%。参与水质监测的十大河流体系中，水质较优的有西南诸河、珠江流域和西北诸河，长江流域的水体环境整体为良好水平，淮河、辽河、松花江及浙闽片河流水质为轻度污染，其中污染较重的河流为黄河。结合2015年水利部发布的相关数据资料，全国23.5万km的河流中属于劣Ⅴ类、Ⅴ类、Ⅳ类、Ⅲ类、Ⅱ类、Ⅰ类水质的河长占比分别为11.8%、4.1%、10.0%、21.7%、44.2%、23.6%。从地理空间上，西南、西北诸河为Ⅰ-Ⅲ类水质的河长占比约97%，珠江、东南诸河和长江区河流Ⅰ-Ⅲ类水质的河长占比为78%-86%，松花江、黄河区河流为Ⅰ-Ⅲ类水质的河长占比为65%-70%。从行政区划的角度，湖南、西藏、新疆、重庆等省市河流为Ⅰ-Ⅲ类水质的河长占比>90%，河南、安徽、吉林、陕西、黑龙江等省市河流为Ⅰ-Ⅲ类水质的河长占比为50%-70%。所以，对水环境质量的科学评价可为水环境治理和保护、区域水资源开发利用等提供科学的决策依据，为评价分析不同水系现状水质状况的重要方法。

根据水环境评价目标选取科学的评价方法、水质标准和水质参数，综合评定水体利用价值为水质评价的主要内容。通常情况下，水环境评价标准为国家或地方政府颁布的相关技术标准。目前，模糊综合法、灰色关联法、污染指数法、单因素评价法及层次分析法等为水质评价的常用方法。模糊综合评价法因考虑了各不同因素的影响作用，相对于其他方法具有更高的可靠性和适用性。其中，权重的计算为影响模糊评价结果的关键环节。每个指标关于不同对象的超标程度计算为当前模糊综合法的重要内容，运算量大，且在权重计算过程中无法体现重金属因素间的相关性。有学者对指标权重利用熵权法和综合权重法进行计算，并将权重计算结果与单指标权重法对比分析，结果发现较单指标权重法综合权重具有更好的计算结果，各指标在评价区域内的权重采用熵权法可一次计算确定，从而显著降低了评价过程的工作量。在解决多目标、多级别水环境质量问题时模糊物元分析法具有较好的适用性和可行性，评价指标的无偏好权重利用熵权原理计算确定，并对水质评价等级选用欧式帖进度确定，不仅保证了评价结果的客观真实性，而且较为系统、全面的反映水环境状况受不同指标的影响。

水质评价属于一种分类识别水质样本与水环境质量标准的综合性系统问题，在吸纳相关领域与学科研究成果的同时水质评价逐渐得到深入的研究，理论方法和评价体系趋于成熟。针对水质分析方法国内学者开展了许多研究，如张嘉嘉等研究认为非点源和点源污染为渭河流域面临的主要问题，其中水土流失及农业化肥施用灌溉退水为主要的非点源，城镇生活污水和化肥工业废水为主要的点源，NH3-N为影响流域水质的关键因子之一；郭蓉等提出水质评价中综合评价和单因子指数法应用较为普遍，该方法能够直观的反映评价标准与水质状况之间的关系，具有原理清晰、简单明了等优点；刘荣荣等对浏河水环境质量运用单因子标准法评价，结果显示该流域水环境受到一定程度的污染，现已无法满足地表水质要求；周璐红等在空间和时间上对渭河线西段水质变化趋势利用模糊综合评价法进行分析，结果发现咸阳段的污染最严重且线西段呈污染加重趋势；易文利等对典型河段的6个断面水质状况采用模糊综合评价法分析，结果发现参评的所有断面均能满足水功能区标准要求[2-6]。庄河作为庄河市重要的饮用水源，现有研究涉及该河流水质的评价分析较少，且对其污染现状的调查分析比较缺乏，有必要对该河段水质状况进行科学的评价研究。据此，本文以庄河市朱隈水库监控断面水质为例，采用模糊物元评价模型科学分析了该水源地的水质状况。研究成果可为保护庄河流域生态环境和水源地水质提供决策依据，对于确保居民生活用水安全和庄河市饮用水质具有重要意义。同时，为解决以上方法存在的问题，保证评价结果的全面、科学和合理性，对各监测指标权证利用熵权法计算，有效避免了主观赋值和单因子评价存在的不足。然后根据欧式贴进度和熵权理论建立模糊物元评价模型，对2014-2018年朱隈水库水环境质量利用模糊物元模型和评价指标进行评价。

1 材料与方法

1.1 区域概况

朱隈水库位于庄河西支流，具有优越的地理环境和便利的交通条件，该水库是一座集灌溉、防洪、养殖、供水等功能于一体的(二)型水利工程，主要为庄河市、大连市等区域提供居民生活饮用水。流域内河网密布，景观变化比较剧烈、经济增长速度较快，该河流水环境质量直接影响着庄河市和大连市的经济发展速度和社会稳定[7-9]。

1.2 资料来源及因子选取

根据庄河市朱隈水库2014-2018年水环境质量检测数据和地表水环境质量标准，结合庄河水质状况选取7项典型评价指标，即总磷、总氮、氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、溶解氧和五日生化需氧量，对水库监控断面水质利用模糊物元模型进行科学分析[10-12]。

1.3 评价方法

1) 模糊物元基本概念。事物M的特征定义为C，量值利用x来反映，由此构成的有序三元组R为评价对象的物元，即。若给定的事物有m个特征，相应的量值为x且具有模糊性，则构成一个m维模糊物元R。m维物元关于n个事物的组合构成矩阵Rmn，以不同等级的隶属度替代矩阵Rmn的量值，矩阵Rmn即为复合模糊物元，其表达式为：

(1)

式中：Ci、Mj为特征i和事物j；xij为特征i关于事物j的模糊量值。

(2)

根据单项从优隶属度原则构造较优化的模糊物元矩阵，以水环境质量评价标准作为单项指标从优隶属度。标准样本下各单因子模糊量值的隶属程度为从优隶属度获取方法，由于不同因子对水质评价的影响方向不同，从优隶属度标准化过程中存在两种不同的类型。针对正向和负向优属度的处理公式如下：

μji=(xji-minxji)/(maxxji-minxji)

(3)

μji=(minxji-xji)/(maxxji-minxji)(4)

式中：minxij、maxxij为各评价样本所有量值中评价指标i的最大与最小值；xji为评价指标i关于事物j的量值。

(5)

式中：Δji=(u0i-uji)2；μ0i为标准模糊物元R0m的从优隶属度。

4) 熵权系数的计算。不同指标对水环境质量评价的贡献率存在一定差异，在综合评价前有必要计算确定各因子权重。熵是描述系统无序化程度的重要参数，在水质评价中中信息熵的大小代表了指标包含有效信息量的多少，因此系统信息的效用及有序度采用信息熵评价。熵权法可将各指标权重按照真实数据确定，能够有效避免人为因素的干扰，更加客观的反映评价对象的实际状况，熵权系数计算流程如下：

设水环境质量评价指标数为m，评价样本数为n，结合河流水质情况构造判断矩阵R=(xji)n×m，其中i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。采用归一化计算公式(3)-(4)判断矩阵R处理，从而构造标准矩阵B，样本j关于指标i的标准值为bij。根据熵的具体内涵计算指标的熵Hi，计算公式为：

(6)

(7)

根据以上修正的计算公式求解指标i的权重Wi为，其表达式如下：

(8)

5)计算贴进度。标准样本与待评价样本之间的接近程度利用欧式贴进度来反映，由此可类别划分或优劣排序各评价方案。根据上述计算方法建立标准样本与待评样本之间的欧式贴近度复合模糊物元RρH，表达式为：

(9)

其中，ρHj为标准样本与评价对象的第j个接近程度，应满足下述计算式，即：

(10)

ρHj值越大，则标准样本与评价对象间的接近程度随贴进度值的增大而增加；反之，则贴近程度越小。因此，标准样本与水环境质量之间的差别程度可利用贴进度来表征。

2 结果分析

2.1 相关性分析

采用SPSS19.0和朱隈水库2014-2018年水质监测数据，对各参数信息进行相关性分析和统计性描述。其中，达到Ⅰ类标准的指标有BOD5、COD、DO，其它各指标均满足Ⅲ类要求，2014-2018年期间年均变化幅度较大的参数值有COD、CODMn，TN、TP、NH3-N、BOD5、DO、pH变化较小，如表1所示。

表1 各评价因子统计性描述

续表1 各评价因子统计性描述

相关性分析见表2。

表2 指标相关性分析

注：“*”、“**”为0.05和0.01水平上显著相关

根据表2可知呈极显著正相关的有CODMn与BOD5，二者的P<0.01，r=0.995，呈显著正相关的有NH3-N与TN；CODMn与BOD5、NH3-N与TN在朱隈水库水源地监测断面中具有同步增大的现象，迁移规律和复合污染趋势基本上保持一致且可能存在几种相似的污染来源。

2.2 水环境质量综合评价

选取COD、CODMn，TN、TP、NH3-N、BOD5、DO、pH7项指标作为朱隈水库2014-2018年水环境质量监测数据，设定10个事物为5级水环境质量标准和5a朱隈水库监测断面，7个特征与7项浓度值一一对应，由此构成复合模糊物元，如表3所示。

除DO为正向指标外选取的其它6项水环境质量均为负向指标，对各指标量值的从优隶属度分别选用公式(3)、(4)进行计算。标准模糊物元为矩阵中最大的从优隶属度，即各项参评指标关于矩阵R0n的值均为1，由此可构造朱隈水库差平方复合物元，如表4所示。

表3 朱隈水库水环境质量模糊物元

表4 水环境质量差平方复合物元

根据7个指标和10个事物构成判断矩阵，然后采用归一化处理公式对判断矩阵中各因子值进行处理，并将计算结果代入熵值计算公式，从而确定各指标权重系数，如表5所示。

表5 各指标权重系数

根据欧式贴进度计算公式和各评价指标权重系数、熵值计算结果，获取朱隈水库2014-2018年水环境质量排序，见表4。从表5可以看出，2014-2018年期间朱隈水库监测断面的水质优劣排序为2016年>2018年>2014年>2017年>2015年，其中水质评价等级接近Ⅰ类标准的为2016年，评价等级最高，研究期间水质评价最差的为2015年，但仍能够达到Ⅰ类要求，且远远高于Ⅱ类水标准。研究表明，在2014-2018年期间朱隈水库水环境质量较高，评价等级较高，可作为居民饮用水源地且完全符合饮用水卫生标准。水体水质评价结果较好，这与水源地周边多农业用地、远离工业区及城区、处于农村地区等因素相关，水体污染源较少以少量农业面源污染和地表径流为主。依据实地考察结果，建议相关部门加强对饮用水源地的水质监测与管控，重视庄河流域农药、化肥等施用管控，保障水体环境和饮水安全。

3 结 论

通过对朱隈水库2014-2018年主要污染物趋势和水环境质量综合评价，结果发现庄河流域的水质状况整体良好，可作为居民饮用水源地且完全符合饮用水卫生标准，其中水质评价等级接近Ⅰ类标准的为2016年，评价等级最高，水质评价最差的为2015年，但仍能够达到Ⅰ类要求。

五日生化需氧量、溶解氧、化学需氧量及高锰酸盐指数为被测水体主要污染物来源，2014-2018年期间年均值变化幅度较大的为化学需氧量和高锰酸盐指数，这两项指标对水质评价的影响较大。根据实地考察结果，建议相关部门加强对饮用水源地的水质监测与管控，重视庄河流域农药、化肥等施用管控，保障水体环境和饮水安全。