嫩江干流水環境質量評價研究

□ 李樂樂（河南省水利宣傳中心）

1 緒論

1.1 背景及意義

水是生命之源、生產之要素、生態之基礎。由于我國的資源狀況，決定了在水問題上將面臨嚴峻的挑戰。無論是當代還是未來，水資源優化配置都是人們關心、關注的重要問題。因此，防治水體污染、保護水資源、改善水體環境、維持水生態將是人們生存與發展的重要課題。

1.2 主要研究內容

水質評價是根據水體的用途，按照一定的參數、質量標準和評價方法，對水體的質量做出定性、定量的評定。根據實地考察及嫩江干流的具體情況，該江河干流排污口主要污染指標為:化學耗氧量COD、生化需氧量BOD、氨氮、揮發酚。同時，通過對比資料成果實地考察并進行分析，本文確定了DO、BOD5、氨氮、揮發酚、總砷、COD、總氰化物7項為評價指標。

2 水環境特征

嫩江是松花江的北源，發源于我國東北地區的大興安嶺伊勒呼里山，由西北向東南流淌172km后與二根河匯合，之后便被稱為嫩江干流。自此，水流由北向南流經東北地區15個市、縣（旗），在吉林省松原市三岔河口與發源于長白山的第二松花江匯合后，始稱松花江。嫩江全長1370km，流域面積2.97×105km2,流域多年平均徑流量228億m3。

嫩江作為河道外用水，其主要作用為工業及城鎮供水水源、農業灌溉、養殖業水源和濕地水源。作為河道內用水，主要用于航運和城市環境用水。

3 水環境質量評估

3.1 模糊識別評價簡介

水環境質量是多因素影響的反映，水環境系統中污染物質之間存在復雜關系，各污染物對水體的影響不盡相同，水質分級標準很難形成統一。而模糊評價法是在水環境質量評價中引入模糊性概念，運用模糊數學的原理來開展水質評價，對水環境質量評價中的一些模糊性問題做出定量化處理，從而更好地反映水體質量的不確定性。引入模糊數學的方法及模型，是計算水質評價指數的一個新思路。

3.2 模糊識別評價模型

本文以嫩江水質為研究對象，選擇了一些具有代表性或者比較重要的水體斷面數據作為參考，應用模糊識別方法對嫩江水質進行評價。根據著名學者陳守煜建立的模糊識別理論的模型框架:已知若干個模式或標準樣本，識別與計算研究對象屬于各個模式的相對隸屬度，計算相對狀態（或級別）特征值，從而識別并同時判斷對象屬于哪一個模式或標準樣本。

設有需要對模糊概念或模糊子集進行識別的n個樣本組成的集合，有m個指標特征值，則有樣本集的指標特征值矩陣X,矩陣中元素 Xij為樣本 j指標 i的特征值，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。建立指標特征值矩陣X。

如樣本依據m個指標按c個級別的已知指標標準特征值進行識別，則有指標特征值矩陣Y，矩陣中元素Yih為狀態或級別 h指標 i標準特征值，h=1，2，…，c；i=1，2，…，m。建立指標特征值矩陣Y。

樣本j級別h對模糊子集的相對隸屬度公式的完整形式為:

上式、稱為模糊模式識別理論模型，具有廣泛的適應性與通用性。

3.3 模糊識別評價

根據考察，收集了嫩江各水質斷面枯水期水質監測數據，并建立數據資料表格如表1所示。

表1 嫩江各水質斷面枯水期水質監測結果表

由表1建立樣本特征值矩陣X:

為使本文的水質評價參數、成果更加客觀，根據具體情況，結合實地考察，最終確定7項河流枯水期水質評價參數，本文采用《地表水環境質量標準》作為評價標準。如表2所示。

表2 評價標準表

由表2建立指標特征值矩陣Y:

對上述兩個矩陣進行規格化，由此得S矩陣:

將樣本j的m個指標相對隸屬度分別與矩陣S的第1，第2，…，第m行的行向量逐一地進行比較，可得樣本j的級別上限值bj和級別下限值aj。各指標重要程度相同，故各指標權重相等。令距離參數p=1，為海明距離，則:

得到Dhj矩陣:

根據模糊模式識別理論模型，當α=1時，可得U矩陣:

由上矩陣得出各個斷面水質評價結果為:

石灰窯斷面:u11×1+u21×2+u31×3+u41×4+u51×5=1.08

該斷面水質為Ⅰ級；

庫莫屯斷面:u12×1+u22×2+u32×3+u42×4+u52×5=1.55

該斷面水質為Ⅱ級；

尼爾基斷面:u13×1+u23×2+u33×3+u43×4+u53×5=1.78

該斷面水質為Ⅱ級；

拉哈斷面:u14×1+u24×2+u34×3+u44×4+u54×5=1.82

該斷面水質為Ⅱ級；

瀏園斷面:u15×1+u25×2+u35×3+u45×4+u55×5=1.76

該斷面水質為Ⅱ級；

白沙灘斷面:u16×1+u26×2+u36×3+u46×4+u56×5=2.86

該斷面水質為Ⅲ級；

大安斷面:u17×1+u27×2+u37×3+u47×4+u57×5=2.42

該斷面水質為Ⅱ級。

4 研究課題應用及可行性分析

本文的目的是找出嫩江干流的主要污染斷面及主要污染物，并采用模糊評價法，對嫩江干流水質現狀進行綜合評價，了解嫩江干流目前的水質狀況。根據嫩江干流的河流特點，建立嫩江干流水質模糊模式識別模型，并利用該水質模型對河流水質進行一些預測，進而對嫩江干流水質變化、水環境污染的發展趨勢做一些更好地了解。

本文在評價中引入模糊數學概念，隸屬函數的應用，可以描述水質分界線，注意到了界限的模糊性，使評價結果接近客觀。考慮了各項參數在總體污染中的作用差異，給予了不同的權重，因此，該研究成果具有一定的參考價值。其意義在于:

第一，能夠很直觀地發現嫩江干流的主要污染斷面所處的位置及主要污染物是什么，為河流的綜合治理提供科學依據。

第二，使水行政主管部門更好地了解其水質現狀，為合理利用嫩江水資源提供決策依據。

第三，對于河流水質的預測能夠使水行政主管部門、科研工作者了解水質變化趨勢，為綜合治理提供理論依據。

污染物質進入河流水體后，由于各種復雜的物理、化學變化如遷移、轉化、沉淀、吸附等，同時水體中的污染物之間也會相互作用，這些都對水體及相關環境因素產生影響，降低未考慮這些作用影響的單一水質模型的模擬精度。因此，筆者認為，這就要求水行政主管部門要加強污染機理研究、高參數估值準確度及所研究模型存在的不確定性，這也是科研部門在今后研究河流綜合水質模型的一個思考重點和重要方向。目前，不僅僅是嫩江，我國很多河流水體污染嚴重，這必將會很大程度地制約社會經濟發展，也將對人民群眾的生產生活帶來很大的不良影響。合理開發利用水資源，加強飲用水源地和重點河流、湖泊的生態環境保護將是我國水利工作者今后需要努力的一項長期的戰略任務。

[1]胡乃利.玉清湖水庫水質評價及預測研究[D].山東大學,2008.

[2]陳守煜.工程模糊集理論與應用[M].北京:國防工業出版社，1998.

[3]范曉娜.嫩江干流水環境質量與保護對策研究[D].東北師范大學，2003.