泰安市黃前水庫水質模糊綜合評價

張 琦，徐玉新*，李華榮，陰勝利

(1.山東農業大學 資源與環境學院，山東 泰安 271028;2.泰安市自來水公司，山東 泰安 271028)

1 引言

我國是一個水資源貧乏的國家，水資源總量雖在世界各國中排第六名，但人均占有量卻只有相當于世界人均占有量的22%，是世界13個貧水國家之一。水環境質量評價是水資源保護的基礎工作和重要手段。通過水環境質量評價，可以真實有效地反映水體質量及變化，了解環境質量的過去、現在和將來發展趨勢及其變化規律，掌握影響本地區環境質量的主要污染因子和主要污染源，制定綜合防治措施和改善環境質量的污染源治理方案。采用合理的水質評價方法至關重要。由于環境質量評價中"污染程度"的界線是模糊的，具有不確定性［1］，因此模糊數學在水質綜合評價中得到廣泛應用。

模糊綜合評價法是通過函數關系，把反映各種水質污染問題的實測值轉化為反映水質質量優劣程度的質量值，它是以隸屬度來描述模糊的水質分級界線的［2，3］。為了更充分的利用綜合評價的信息，本研究以泰安市主要飲用水源地－－黃前水庫為對象，按照《地表水環境質量標準》(GB3838－2002)，采用模糊綜合評價－加權平均復合模型，對1997～2010年的監測指標進行處理分析和評價，評價14年來黃前水庫水質變化，為泰安市的飲用水源地環境管理的科學決策提供更有效的信息支持，保護地表飲用水源水質。

2 材料和數據處理

2.1 研究區域概況

黃前水庫坐落在泰山東麓(117°4'～117°22'E、36°16'～36°28'N)，北接大青山，南接窩角山，西依泰山，東依黑山。南北長8 Km公里，東西寬5 Km，最深處達90多m。屬黃河流域，大汶河水系，水源由泰山、長青嶺和大青山三條溪流匯集而來。壩址以上控制流域面積292 km2，總庫容8248萬m3，興利庫容5913萬m3。是泰山市區主要水源地，占泰安城區供水總量的2/3。流域水系范圍見圖1所示。

該庫區氣候屬溫帶大陸性半濕潤季風氣候，雨熱同季，四季分明，具有區域小氣候氣候特征。多年平均氣溫18.5℃，年平均無霜期196 d，平均降水量758 mm，75%的降水集中在6～9月。

圖1 黃前水庫流域水系圖Fig 1 The map of Huangqian Lake basin water system

2.2 監測數據的處理

1997～2000年，每年監測兩次，監測時間為5月、8月中旬。2001～2010年，每月監測一次，監測時間為每月中旬。采樣點均為庫中，每次采樣3次。本文將1997～2010年每年的各監測數據運用SPSS分析軟件進行初步檢驗分析，然后取具有顯著性的各監測數據平均值進行統計分析與評價。

3 黃前水庫水質評價

3.1 評價參數的選擇和評價標準的建立

按照監測條件和主要污染物的代表性，結合庫區的地理環境因素及人為因素的影響，選擇六項參數作為評價代表因子進行模糊綜合評價，即評價對象的因素集為U={溶解氧，氨氮，化學需氧量，總磷，氟化物，糞大腸菌群}。黃前水庫1997～2010年水質監測結果見表1。經過統計分析，各監測數據達到顯著差異(P＜0.05)，采用監測數據的平均值進行模糊計算。

表1 黃前水庫水質監測結果Table 1 Water quality results of Huangqian Lake

注:糞大腸菌群單位為個/L，其余項單位為mg/L。Note:Unit of fecal coliform is A/L.The others are mg/L.

依據《地表水環境質量標準》(GB3838－2002)，把黃前水庫水質分為5個等級。本文環境評價選用的標準值［4］詳見表2，即評價標準集為:V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

表2 地表水環境質量標準(GB3838－2002)Table 2 Environmental quality standards for surface water(GB3838－2002)

3.2 計算各參數的隸屬度，建立模糊關系矩陣R

在U和V都給定之后，因素論域(各污染因子)與評價論域(評價標準)之間的模糊關系可以用模糊矩陣R來表達，即用實測濃度值分別求出不同級別水的隸屬度。

對于第 i個評判參數 ui，其單因素評判結果為 Ri=［ri1，ri2，…，ri5］，(i=1，2，…n)。rij表示第 i種因素的環境質量數值，屬于第j類評價標準的隸屬度。

隸屬度可以通過隸屬函數計算求得。如果指標越小越好，則第i個指標對各級水的隸屬函數可做如下定義［5］:

某水質評價因子對Ⅰ級水環境質量的隸屬函數，即j=1時

某水質評價因子對第Ⅱ級至第Ⅳ級的隸屬函數，即j=2，3，4時

某水質評價因子對第Ⅴ級的隸屬函數，即j=5時

式中:x－－第i種指標的實測值(i=1，2，…，m)mg/L;

vij－－第 i種因素第 j級水的標準值(j=1，2，…，5)，mg/L。

如果指標越大越好，如本文評價中的DO指標，改變上述隸屬函數的定義域符號即為該指標的隸屬函數［6，7］。因此，可得出如下的 DO 隸屬函數:

根據各評價指標的隸屬函數，進行單因素評價，從而建立模糊矩陣R。以2009年為例，根據隸屬函數得到如下的6×5單因素評判矩陣R:

3.3 各評價因子權重的確定

各評價因子在水質綜合評價中的權重向量為W(W1，W2，…Wm)。本文評價采用水環境中水質評價因子的實測值與其相應等級標準的比值來計算權重。第i個因子的權系數公式為由于本次評價單項指標分為5個級別，所以對于Si取其均值，即Si=(S1+S2+S3+S4+S5)/5。由于DO不是水質污染物，其值越大說明水質越好。故其權系數應取倒數，即WDO=SDO/CDO。最后，將各單項權系數歸一化，即:

按照上述公式來確定1997～2010年黃前水庫水質單項因子的權重，結果詳見表3。如2009年各單項評價因子對水質的貢獻占總體貢獻的百分數為 W=(0.230，0.165，0.238，0.245，0.110，0.012)。

表3 各水質評價因子權重Table 3 The weighing of every water quality assessment factors

3.4 計算模糊綜合評價矩陣［8］

根據“相乘取小，相加取大”的原則，對權系數矩陣W和隸屬度矩陣R進行模糊矩陣復合運算，得出1×5的綜合評價矩陣B。

其中，B=(b1，b2，…bn)是評價論域上的一個模糊子集。bi為水質隸屬于某級別水質的程度，一般取bi的最大值為水質的綜合評價結果。如下是計算2009年水質綜合評價矩陣B的過程:

若B中出現兩個最大值時，需考慮次大值貼近哪個級別。同理可得出其它年限的黃前水庫水質模糊綜合評價結果。

3.5 加權綜合判斷［9］

表4 模糊綜合評價結果Table 4 The results of fuzzy comprehensive assessment

4 結果討論

利用單指標模糊綜合評價法評價水質，可以反映出單個因子對整個水質的貢獻度［10］。依據表4的模糊綜合評價結果，按照最大隸屬度的原則，可以評價出黃前水庫水質1998年屬Ⅴ類水，其主導貢獻因素是氨氮含量超國家Ⅲ類標準4.67倍;2002年屬Ⅴ類水，其主導貢獻因素是總磷含量超國家Ⅲ類標準2.6倍;2000年屬Ⅳ類水，其主導貢獻因素是氨氮含量超國家Ⅲ類標準0.53倍;2003年屬Ⅲ類水;1999年和2009年屬Ⅱ水;其余年份水質屬Ⅰ類水，水質較好。由a值的大小確定黃前水庫歷年水質的優劣順序為:2001＞1997＞2010＞2008＞2006＞2004＞2009＞2005＞2007＞1999＞2003＞2000＞2002＞1998年。具體變化趨勢如圖2所示:

圖2 黃前水庫歷年水質趨勢變化Fig.2 The variation of water qulity in several years

由上圖可知，在1997～2003年期間，黃前水庫水質波動較大，其中以1998年(a=1.384)和2002年(a=1.638)水質最差，2000年次之，已達不到生活飲用水標準。經分析調查，其主要原因可歸納為以下兩點:

1)自然因素:每年隨著降雨時節的到來，增大了水庫本身的污染物底泥沉積物等的交換頻率，減少了地表徑流［11］。

2)人為因素:生活在黃前水庫周邊的人民農業生產使用的化肥、農藥隨雨水向水庫遷移，生活污水、畜禽養殖糞便和含磷洗滌劑產生的廢水等直接排入水庫，對水庫中氨氮和總磷的貢獻最大，導致該兩項指標超標嚴重。同時，在水庫周邊垂釣以及旅游業的發展，也會對水體造成不同程度的污染。

依據此狀況，相關部門采取了對黃前水庫的水質保護的措施，加大生態農業的發展，控制污染源，加強水質監測管理，集中綜合治理。2009年規定禁止在黃前水庫垂釣。自十五后期(2003年起)到十一五期間黃前水庫水質有了大幅度改善，基本屬Ⅰ類水質，整體水質滿足國家規定的飲用水標準，總體上水質有逐漸好轉的趨勢。

5 建議及防治措施

為了更有效的保障人民的生活健康質量，實現以人為本的科學發展觀、構建和諧社會的理念，有必要加強對黃前水庫水環境的保護，做好水庫資源的合理利用。依據此情況，提出以下建議及控制措施:

1)控制面源污染。降低流域內化肥施用量，大力發展農業標準化生產基地;發展庫區生態型畜禽養殖業;集中處理生活垃圾。加強流域內工業企業及旅游業等重點污染源的防治。

2)控制人口總量與密度。水庫污染與人口的活動強度密切相關。

3)加強監管。提高監測技能，多個部門協作，實現對水庫統一監管。

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