人工濕地對礦業污染物凈化效果評價與分析

周林飛，張明含，王鶴翔，張 靜

(1. 沈陽農業大學水利學院，沈陽 110866；2. 遼寧省供水局，沈陽110003)

隨著我國礦業的飛速發展，由于礦產資源的不盡合理開發與利用，在進行礦業活動時不可避免產生大量的礦業污染物，礦業污染物主要來源于礦坑水，選礦、冶煉廢水及尾礦池水等。其中煤礦、各種金屬、非金屬礦業的廢水以酸性為主，并含有大量的重金屬及有毒、有害元素，如銅、鉛、鋅、砷、鎘、六價鉻、汞、氟化物、氰化物以及CODCr、BOD5、懸浮物等[1]。在某些地區，礦業廢水在未經達標處理的情況下就任意排放，導致礦山及其周邊的江河湖海等受到嚴重污染[2]，隨之出現了一系列處理礦業水污染問題的新方法與新技術，其中，人工濕地是一種典型的對水污染進行生態凈化處理的新方法。人工濕地系統是模擬自然濕地的生態系統，利用植物等對污水進行處理的生態系統[3]。人工濕地從入口到出口水質的變化是衡量其對污染物凈化效果的直接體現，所以，為了驗證人工濕地對其上游礦業活動所產生的礦業污染物是否具有明顯的凈化效果，本文通過選取礦業活動所產生的礦業污染物作為評價因子，評價標準采用《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，對濕地入口、中間和出口的水質變化情況進行評價，并對評價結果進行分析，以明確人工濕地對礦業污染物的凈化效果。人工濕地對礦業污染物凈化效果的評價，主要是評價流經人工濕地水體的水質等級的變化情況。目前，國內外有許多水質評價方法，如灰色類聚法[4]、層次分析法[5]、多元統計分析法[6]、模糊綜合評價法[7-9]等。水污染及其污染程度大小屬于模糊概念范疇[10]，而模糊模式識別法能較好地反映水環境中客觀存在的模糊性和不確定性，故用該方法對水質進行評價具有較強的合理性[11]，而且級別特征值的變化可以反映水體中的污染物變化情況，即可得出人工濕地是否對礦業活動產生的礦業污染物具有明顯的凈化效果。本文采用模糊模式識別法，以石佛寺人工濕地為研究背景，對濕地進口、中間和出口的水質進行綜合評價，能夠較客觀地反映水體流經濕地的水質狀況及礦業污染變化情況。

1 模糊模式識別水質綜合評價模型的建立

1.1 建立指標特征值矩陣及標準特征值矩陣

設X為由n個樣本組成的集合，每個樣本有m項評價指標的實測特征值，則有評價指標的實測值矩陣X=(xij)m×n，其中xij是樣本j的第i個評價指標的實測值，mg/L，i=1,2,…,m,j=1,2,…,n。若濕地的水質級別共分c級，則m項評價指標分c級評價標準所對應的標準值為yih，則指標的標準特征值矩陣為Y=(yih)m×c。

通常可將指標分為遞增型和遞減型.遞增型。級別隨著指標標準值的增大而增大時，按式(1)和式(2)進行計算；遞減型：級別隨著指標標準值的減小而增大時，按式(3)和式(4)進行計算，最終得到分別與X、Y所對應的相對隸屬度矩陣R和S，見式(5)和式(6)。

(4)

R=(rij)m×n

(5)

S=(sih)m×c

(6)

式中：rij為樣本j指標i的特征值對模糊集的相對隸屬度；sih為級別h指標i的標準特征值對模糊集的相對隸屬度；yi1、yic為指標i所對應的第1級和第c級的標準特征值，mg/L；R為與X所對應的相對隸屬度矩陣；S為與Y所對應的相對隸屬度矩陣。

1.2 建立指標綜合權重矩陣[12,13]

在確定指標的綜合權重時，由于相對隸屬度矩陣R其數學意義是表達了全體樣本全部指標對模糊子集的相對隸屬度，也被稱作超標權重矩陣,并不能直接反映各項因素在評價中的影響程度，因此，不僅要考慮超標權重，還應考慮各個因素的指標權重，用指標權向量表示,見式(7)。計算指標權重的方法很多，如熵值賦權法、專家評估法和層次分析法等。本文以污染貢獻率來求解每個因素的權重，污染“貢獻”越大進而權重就越大，按式(8)進行歸一化處理。

(8)

綜合考慮超標權重與指標權重，最后構建n個樣本m項指標的綜合權重矩陣，見式(9)，按列對矩陣A進行歸一化處理得矩陣W，見式(10)。

(10)

1.3 模糊模式識別模型

(11)

式中：uhj為樣本j對級別h的相對隸屬度；bj,aj為分別為樣本j的級別上下限；wij為樣本j在指標i上的綜合權重；dhj為樣本j與級別h間的廣義權距離；p為歐氏距離，取p=2。

由式(11)可得相對隸屬度矩陣U=(uhj)c×n。

1.4 確定水質的級別

由于通用的取大原則具有不適用性，這里采用陳守煜[14]教授提出的級別特征值法，設左極限記為序數1，自左向右的中間狀態記為2，3,…，直到右極點狀態記為序數c，即狀態或級別值依次記為h=1,2,…,c。級別特征值見式(12)，最終根據計算得到的級別特征值判定水質的級別。

(12)

2 石佛寺人工濕地對礦業污染物凈化效果評價與分析

石佛寺水庫地處遼河干流，是遼寧省最大的平原水庫，位于沈陽市沈北新區黃家鄉和法庫縣依牛堡鄉，距沈陽市47 km。石佛寺人工濕地是在石佛寺水庫基礎上，于2009年5月建成，其目的是改善生態環境凈化水質，位于庫區內遼河的左岸。選取的濕地植物為適宜東北地區生長存活的蘆葦、蒲草和荷花，2012年遙感調查結果表明：蘆葦的面積為170.93 hm2，蒲草185.63 hm2，荷花107.07 hm2。

2.1 數據采集與評價標準

(1)數據采集與處理。石佛寺人工濕地建成后，在濕地進口、中間和出口建立3個監測點，即監測點1、2和3，見圖1。為了了解濕地對礦業活動所產生的礦業污染物的凈化效果，本文選取由礦業活動所產生的5個主要污染指標作為監測指標和評價因子，分別為化學需氧量(CODCr)、5日生化需氧量(BOD5)、Cu、Zn、氟化物；每個監測點同時取3個水樣，取算術平均值作為最后監測數據；監測頻次為每月月初監測1次。為研究水體流經石佛寺人工濕地后水質狀況及礦業污染的變化情況，本文選取監測點1(進口)、2(中間)和3(出口)的水質監測數據作為評價樣本；并將3個監測點自2014年的逐月水質數據處理為汛期(6-9月)和非汛期(1-5月、10-12月)，見表1。

圖1 石佛寺水庫人工濕地的監測點布置Fig.1 Monitoring arrangement of Shifosi artificial wetland

mg/L

(2)評價標準。評價標準采用通用的《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，據此評價標準可將水質分為5個級別，則評價集V={Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級，Ⅴ級}，每個評價指標對應著不同的閾值，依據各閾值對水質進行評價，具體見表2。

2.2 計算結果

(1)建立相對隸屬度矩陣。根據式(1)對各指標的實測值進行計算，得到實測值X對樣本的相對隸屬度rij，見表3；利用式(2)對各指標的指標標準值進行計算，得到指標標準值Y對樣本的相對隸屬度sih。由于數據繁多篇幅有限本文不予列出。

表2 地表水質5級評價標準值 mg/L

表3 實測指標X對樣本的相對隸屬度rijTab.3 Measured indicators X the relative membership degree of sample rij

(2)建立指標綜合權重矩陣。本文采用綜合權重法來確定權重，該方法同時考慮了指標權重和超標權重，通過計算合成指標權重和超標權重來建立綜合權重矩陣，利用式(8)計算出各指標權向量V，即V=(0.229，0.218，0.167，0.159，0.227)，再由前面求得的X的相對隸屬度矩陣R根據式(9)可得指標綜合權重aij，利用式(10)對其做歸一化處理可得wij，見表4。

表4 各指標的綜合權重ωijTab.4 Comprehensive weight of each index ωij

(3)建立樣本對各個級別的相對立隸屬度矩陣。把前面所求出的R、S、W按式(11)進行運算可得樣本集對各個級別的相對隸屬度uhj，見表5。

(4)確定水質級別。根據式(12)對表4中各個級別的相對隸屬度數據進行運算，得出各評價對象的級別特征值Hj，據此確定各評價對象的水質等級，見表5、圖2。

2.3 結果分析

從表5中的評價結果可知：

(1)從整體上看，濕地水質狀況良好，均處于Ⅲ級和Ⅲ級以上，即中污染、輕污染和未污染，不存在用水障礙；無論在汛期還是非汛期，水在流經濕地后，出口的水質與進口的水質相比較均降低了一個等級；分別是在汛期由進口的Ⅱ級降低到出口的Ⅰ級，在非汛期由進口的Ⅲ級降低到出口的Ⅱ級。由圖2可知，無論是汛期還是非汛期水質級別特征值關系均為進口>中間>出口，從進口到出口的級別特征值有明顯的降低，并且汛期降低的幅度明顯大于非汛期的降低幅度，而且從實測數據表1同樣可以看出濕地汛期和非汛期實測值的關系是進口>中間>出口，各種礦業污染物濃度均有明顯的下降，從未達標降到達標。以上分析充分說明了由礦業活動產生的礦業污染物在流經濕地后，得到了非常明顯的凈化，即人工濕地對礦業產生的污染物具有非常顯著的凈化效果。

表5 樣本對各個級別的相對立隸屬度uhjTab.5 Samples for all levels of relative membership degree uhj

圖2 級別特征值Hj的變化曲線Fig.2 Change curve of level characteristics value Hj

(2)2014年非汛期的級別特征值表明進口>中間>出口，說明人工濕地對礦業活動產生的礦業污染物質具有凈化效果.雖然在非汛期水生植物凈化作用很微弱，但水流至此流速減緩，一些礦業污染物質會隨泥沙等沉降，儲存在底泥中，亦起到凈化水質的作用。

(3)2014年汛期的級別特征值關系均為入口>中間>出口，而且中間和出口處的級別特征值均小于非汛期，這說明在汛期石佛寺人工濕地對礦業活動產生的礦業污染物的凈化效果更為明顯。主要原因如下：汛期濕地內各種水生植物生長茂盛，吸收了大量的礦業污染物質；微生物在汛期由于溫度高，也是最活躍的時期，對礦業污染物質也具有去除作用；汛期水流流量大，對礦業污染物質也具有一定的自凈與稀釋作用。對石佛寺人工濕地的水質評價結果表明：石佛寺人工濕地對由礦業活動產生的礦業污染物具有明顯的凈化效果.且汛期凈化效果好于非汛期，這主要是因為汛期水生植物繁茂、微生物活躍，對污染物質具有吸收、轉化等作用。

3 結 論

人工濕地是一種對礦業污染物非常有效的生態凈化處理方式，而人工濕地的水質變化評價又是衡量其對礦業污染物的凈化效果的直接體現。本文選取5個礦業污染物指標作為評價因子，評價方法采用模糊模式識別，評價結果直接反映了人工濕地對礦業污染的凈化效果.由于水污染及其污染程度具有不確定性及復雜性，屬于模糊概念范疇，并且級別特征值的變化可以反映水體中的污染物變化情況，即得出人工濕地是否對礦業污染物具有明顯的凈化作用，故可以使用模糊模式識別理論對水質進行綜合評價。由于權重對水質評價結果具有很大影響，本文采用綜合權重法進行賦權，既考慮了指標權重也考慮了水質的超標權重，使得結果更為客觀，比單因素法確定權重更加精確。評價結果利用級別特征值確定，避免了通用的取大原則的不適用性，而且當水質處于同一級別時，可根據級別特征值進行比較。因此，本文所采用的評價方法可全面客觀地反映水質的實際情況。為了使理論與實踐相結合，本文將模糊模式識別理論與模型應用于石佛寺人工濕地對礦業污染物的凈化效果評價中，得到了全面客觀的評價結果。結果表明人工濕地對礦業活動產生的污染物具有明顯的凈化效果，這充分說明了模糊模式評價法是一種能夠簡便、快捷、客觀地反映水質現狀及水污染變化情況的科學評價法，具有廣闊的應用前景和推廣價值。

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