松花江哈爾濱段水環(huán)境質(zhì)量時空變化研究

孟伯陽，赫俊國，王 鵬

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)英才學(xué)院，哈爾濱150090;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，地表水環(huán)境出現(xiàn)污染的現(xiàn)象越來越引起人們的關(guān)注，河流水質(zhì)的好壞可以影響到整個區(qū)域社會－經(jīng)濟－生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)是否能夠可持續(xù)發(fā)展[1].因此，對河流水質(zhì)評價問題一直是環(huán)境科學(xué)研究的熱點問題[2－4].河流水質(zhì)評價是指根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對河流的水質(zhì)現(xiàn)狀、變化趨勢及其變化原因進(jìn)行評價，通過河流水環(huán)境質(zhì)量評價可以了解水環(huán)境質(zhì)量的過去、現(xiàn)在以及未來的發(fā)展趨勢和變化規(guī)律，可以了解和掌握影響本地區(qū)環(huán)境質(zhì)量的主要污染因子和主要污染源，從而有針對性地制定改善環(huán)境質(zhì)量的污染源治理方案和綜合防治規(guī)劃與措施[5].但是由于對河流水質(zhì)進(jìn)行評價會涉及到很多指標(biāo)，各指標(biāo)之間也存在內(nèi)在的聯(lián)系，因此可以認(rèn)為河流水質(zhì)是由多因素控制的、復(fù)雜的、非線性的模糊系統(tǒng)，對這類系統(tǒng)進(jìn)行評價具有模糊性.而模糊數(shù)學(xué)綜合評判法是基于水質(zhì)評價中的模糊性及不確定性建立起來的一種評判方法，因此，該方法在天然水體的水質(zhì)評價中得到了廣泛的研究與應(yīng)用[6－9].由于一個流域的水環(huán)境在不同斷面、不同水期環(huán)境質(zhì)量存在一定的差異，存在著眾多影響因素，系統(tǒng)具有比較典型的模糊特征，為此，本文采用模糊綜合評判法，以松花江(哈爾濱段)的水環(huán)境為研究對象，對該地表水體中水環(huán)境質(zhì)量時空變化特征進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，以期找出該水體水環(huán)境質(zhì)量變化的主要影響因素.

1 研究方法與研究對象

1.1 研究方法

研究方法采用模糊綜合評判法.模糊數(shù)學(xué)是用數(shù)學(xué)方法研究和處理具有“模糊性”現(xiàn)象的數(shù)學(xué).模糊數(shù)學(xué)誕生于1965年.模糊數(shù)學(xué)自誕生以來，其應(yīng)用不僅體現(xiàn)在數(shù)學(xué)問題的處理上，對于處理模糊的實際事物更能體現(xiàn)出它的應(yīng)用價值.采用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行水質(zhì)級別評判的核心問題是對于監(jiān)測結(jié)果建立隸屬函數(shù).本研究采用降半梯形分布法確定各元素隸屬函數(shù)，降半梯形分布公式為:

模糊綜合評判就是模糊變換問題，其原理是:

其中權(quán)重的計算是該方法中一個非常重要的環(huán)節(jié)，計算權(quán)重的方法不同，水質(zhì)的評價結(jié)果差異就可能有很大區(qū)別.本文采用目前最為常用的單項指數(shù)評價法確定權(quán)重[10－11].

該方法通過每個評價指標(biāo)占標(biāo)準(zhǔn)值的百分比，在一定程度上，反映了污染超標(biāo)的輕重對因子權(quán)重的影響.公式為:

其中:wij為第i個因子的權(quán)重;xi為第i個因子的實測值;Sij為第i個因子的標(biāo)準(zhǔn)值.

評價因子的標(biāo)準(zhǔn)值采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)中的規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值.

1.2 研究對象

研究對象為松花江哈爾濱段.哈爾濱市至佳木斯市是松花江干流中段，主要匯入支流有阿什河與呼蘭河.

本研究選用松花江(哈爾濱段)2010年水體6個斷面8個月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行水環(huán)境質(zhì)量時空變化特征的系統(tǒng)研究.6個采樣斷面中有4個斷面為主流斷面，另外兩個斷面分別為匯入松花江的支流斷面，即阿什河口內(nèi)與呼蘭河口內(nèi);8個月份分別代表了研究水體枯水期、平水期以及豐水期的水體狀況.監(jiān)測斷面以及相互位置關(guān)系見圖1.

圖1 松花江(哈爾濱段)監(jiān)測斷面位置示意圖

2 松花江哈爾濱段水環(huán)境質(zhì)量時空變化特征分析

2.1 水環(huán)境質(zhì)量綜合評價

2.1.1 數(shù)據(jù)選用

根據(jù)對松花江哈爾濱段2010年不同水期不同監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取了1、2、5、6、7、8、9、10代表枯水期、平水期、豐水期的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為本研究的對象.

2.1.2 評價因子和評價集

在原始的監(jiān)測數(shù)據(jù)中，經(jīng)過篩選，選擇了高錳酸鹽指數(shù)、COD、BOD、氨氮、總磷、以及氟化物等6項能夠反映該水體污染特征的指標(biāo)作為評價因子，即U={高錳酸鹽指數(shù)，氨氮，COD，BOD，總磷，氟化物}.根據(jù)國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838－2002)的規(guī)定，將水質(zhì)級別定為5級，因此，評價集為v={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}.

2.1.3 單因子評價矩陣的確定

按照國家標(biāo)準(zhǔn)確定的限值，采用半梯形法確定各指標(biāo)屬于各水質(zhì)級別的隸屬函數(shù)，從而 ，確定單因子隸屬度，得到單因子評價矩陣R.

2.1.4 權(quán)重計算

采用單因子指數(shù)評價法權(quán)重賦值方法進(jìn)行了權(quán)重的計算，結(jié)果見表1.

表1 權(quán)重計算結(jié)果一覽表(以樣本1為例)

2.1.5 評價結(jié)果

采用以隸屬度最大值對應(yīng)的級別為評判結(jié)果的方法確定各水體所屬的級別進(jìn)行評價，其綜合評價結(jié)果見表2及圖2.

表2 綜合評價結(jié)果

圖2 松花江干流4個斷面不同水期的環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果

2.2 松花江哈爾濱段水環(huán)境質(zhì)量隨時間變化特征分析

從表2與圖2可以看出，松花江哈爾濱段干流4個監(jiān)測斷面在不同月份所反映出的水環(huán)境質(zhì)量存在著一定的變化，而且變化規(guī)律存在著一定的相似性，無支流影響的朱順屯與大頂子山斷面的環(huán)境質(zhì)量隨時間變化規(guī)律具有一致性;而同樣有支流匯入的阿什河口下與呼蘭河口下質(zhì)量的變化情況也具有相似性.總體而言，在枯水期(1、2月份)各斷面的水環(huán)境質(zhì)量較差，處于Ⅲ級以下水平，甚至是處于Ⅴ級狀態(tài);而且，2月份的水質(zhì)在所有監(jiān)測的8個月份中最差.進(jìn)入5月份以后，環(huán)境質(zhì)量逐漸改善，特別是在9月份達(dá)到了環(huán)境質(zhì)量最好的狀態(tài).分析認(rèn)為，溫度上升，地表水體自凈能力開始增強;同時，隨著降雨增加，松花江從枯水期進(jìn)入小豐水期、平水期和豐水期，水流量的增加，對污染物的稀釋起到了較大的作用.圖3給出了松花江哈爾濱段2010年月平均流量的變化情況，從圖中可以看出:5月份、6月份平均流量開始增加，水環(huán)境質(zhì)量變好，7月份平均流量降低，朱順屯與大頂子山斷面的水環(huán)境質(zhì)量變差，等到8月份隨著平均流量的增加，水環(huán)境質(zhì)量又開始向改善的方向變化，在9月份達(dá)到最佳的狀態(tài).

圖3 松花江哈爾段干流流量月變化情況曲線圖

2.3 松花江哈爾濱段水環(huán)境質(zhì)量隨空間變化特征分析

從朱順屯到大頂山斷面大約長度為66 km，期間主要有阿什河與呼蘭河支流的匯入，從表2可以看出，兩條支流的環(huán)境質(zhì)量狀況均較差，尤其是阿什河支流，基本處于Ⅴ級水平，呼蘭河則處于Ⅲ級至Ⅴ級之間.阿什河與呼蘭河支流匯入到松花江干流后，對松花江干流的水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響.分別見圖4、5.從中可以看出:松花江干流對支流匯入的污染物起到了較大的稀釋作用，例如:阿什河支流匯入前環(huán)境質(zhì)量處于Ⅴ及水平，匯入到干流后則變?yōu)棰艏壔颌蠹壦?但對于干流而言，阿什河支流的匯入對松花江干流產(chǎn)生了一定的影響，特別是5月份與9月份，造成了松花江水環(huán)境質(zhì)量級別產(chǎn)生了較大變化.

圖4 阿什河支流匯入后松花江水環(huán)境質(zhì)量對比情況示意圖

圖5 呼蘭河支流匯入后松花江水環(huán)境質(zhì)量對比情況示意圖

3 結(jié)語

松花江哈爾濱段干流4個監(jiān)測斷面在不同月份所反映出的水環(huán)境質(zhì)量存在著一定的變化，總體而言，在枯水期(1、2月份)各斷面的水環(huán)境質(zhì)量較差，處于Ⅲ級以下水平，甚至是處于Ⅴ級狀態(tài)，2月份的水質(zhì)在監(jiān)測的8個月份中最差.在8、9月份達(dá)到了環(huán)境質(zhì)量最好的狀態(tài).分析認(rèn)為，溫度上升，松花江干流平均流量增加是水質(zhì)變化的主要影響因素.

阿什河與呼蘭河支流的匯入，對松花江干流的水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響，而松花江干流對支流匯入的污染物起到了較大的稀釋作用.阿什河支流匯入前環(huán)境質(zhì)量處于Ⅴ級水平，匯入到干流后則變?yōu)棰艏壔颌蠹壦?對于干流而言，阿什河支流的匯入對松花江干流產(chǎn)生了一定的影響，特別是5月份與9月份，造成了松花江水環(huán)境質(zhì)量級別產(chǎn)生了較大變化.

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