滹沱河流域水質的評價體系研究

王未英

（忻州市水文水資源勘測分局　山西　忻州　034000）

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滹沱河流域水質的評價體系研究

王未英

（忻州市水文水資源勘測分局山西忻州034000）

摘要滹沱河流域面積廣，供水范圍大，但水質情況復雜，為此建立滹沱河流域水質評價體系對于水質檢測、水質改善、流域水環境治理等具有十分重要的意義，本文主要針對該流域18個檢測點豐水期、平水期、枯水期分別進行檢測，運用層次分析法，建立滹沱河流域水質的評價體系，運用matlab軟件結合矩陣運算求解，以治河為例進行具體分析，并對全流域各大檢測點分別計算，給出滹沱河流域水質評價結果，并說明滹沱河流域水質評價體系與評價方法的應用前景與效果。

關鍵詞層次分析；綜合評價；滹沱河流域；數學模型；水質

1　研究意義

滹沱河流域面積達2.73km2，其流域內的主要支流包括治河、同河、陽武河、太平河、清水河、云中河、牧馬河、南坪河等，滹沱河全長587km，其中穿越的山丘、峽谷眾多，水流摻雜的碎石于該流域西南部沉淀。其所攜帶的泥沙主要源于黃河上游，在其流域內部自上游逐漸沉淀，最終進入其他流域。

滹沱河流域面積較大，流域內有34個市，包擴石家莊、陽泉等大中城市，同時其水質情況較為復雜，流域內植被相對較少，水土保持情況較差，該河流對于該流域的整體用水質量影響巨大，建立滹沱河流域水質的評價體系對于水質檢測、水質改善、流域水環境整治等具有十分重要的意義[6,7]。

2　層次分析模型建立

由于滹沱河流域水質情況復雜，本文選用層次分析法，對該流域的整體水質情況進行綜合評價，對于滹沱河流域水質情況的檢測過程，經歷該流域的豐水期、平水期、枯水期的全部階段，以得到準確系統的檢測結果，同時避免水質在水量變化情況下，自調節功能不同的影響，以使檢測結果準確可靠[1]；同時本次檢測取樣站包含各大支流上、下游的16個檢測站，通過對每個檢測站多點隨機取樣測量，實現對主要支流整體情況進行宏觀檢測。并運用層次分析法來確定測量樣本中各水質指標在綜合評價中的權重[2]。

2.1構造各地區水質綜合評價的的階梯層次結構

構造滹沱河流域水質綜合評價指標的基本檢測指標主要有：pH、DO、CODMn、NH3- N，評價的標準是以兩年時間中不同時期的均值和年均值為依據[3]。構造綜合評價的目標層、準層等結構如圖1所示：

2.2建立目標層判斷矩陣

首先，在建立目標層判斷矩陣之前，需要確定參數優先級，即比較參數之間的重要性，對于目標層，水質指標的年均值是最重要的，同時年均值比年內各個時期的均值優先級要高，而在其他各個時期當中（如：豐水期，平水期，枯水期）選擇流量最大的時期為較高優先級，本例中為豐水期，依據此方式我們將制定出目標層判斷矩陣A：

圖1　滹沱河流域綜合評價體系結構圖

表1　治河觀測站觀測指標統計表

2.3準則層判斷矩陣

準則層判斷矩陣中的參數βij計算方法如下：

首先將目標層判斷矩陣中參數A1、A2、A3、A4中各指標的測量結果用如下公式進行標準化處理：

其次令:

再次計算:

設:

對于任意的βz與βt相比，其判斷矩陣元素βzt由以下確定:

表2　各指標觀測值的標準化值

最后，由以上各式可得準則層的判斷矩陣，運用矩陣運算結合matlab數據工具箱求出目標層判斷矩陣A。

2.4特征值計算

為確保結果準確可靠，需要進行一致性檢驗，因此需據下式計算B(1)、B(2)、B(3)的最大特征值λmax：

得出B(1)、B(2)、B(3)的最大特征值λmax，再進行一致性檢驗：求得一致性指標CI與一致性比例系數CR：

（注：只有當CR小于0.1時，才能認為該矩陣的一致性較好。）

2.5水環境質量的綜合評價指數的計算

水環境質量綜合評價指數PI為本綜合評價體系的最終參考指標之一[4]，其計算公式如下所示：

其中，疊加系數n主要依據參考指標個數確定，本例中為固定值“4”，歸一化特征向量VA（n）、VB(n）通過方根計算法得，在此不做過多贅述。

3　綜合評價模型求解——以滹沱河流域為例

以治河觀測站為例，通過對其16個觀測站兩年時間的觀測值進行分層計算，求該觀測站的水質綜合評價指數。根據觀測站測量的24個月的觀測值，統計得到下面的平均值表：

標準化計算得相應于上表中各指標觀測值的標準化值如表2：

計算準則層的判斷矩陣分別為：

用方根法計算出判斷矩陣A,B (1),B(2),B (3)的歸一化特征向量:

以上代表的是目標層判斷矩陣分別在豐水期、平水期、枯水期、以及年均指標在綜合評價體系中的權重，即VA、V（B1）、V（B2）、V（B3）、V（B4）分別指酸堿性PH、溶解氧含量DO、CODMn、NH3- N在全年、豐水期、平水期、枯水期下的指標權重值[5]。

計算判斷矩陣的最大特征值結果如下：

并進行一致性檢驗得：

一致性指標:

一致性比例：

其中R.I.為平均一致性指標，查表R.I. =0.9，計算得：

當C.R.＜0.1時判斷矩陣具有好的一致性，故一致性檢驗滿足要求。

最后進行水環境質量的綜合評價指數的計算得：

根據國家環保總局標準處推薦的評價標準為參考依據，見下表：

表3　水質評價標準

通過上述計算，我們可以得出陽武河上游、云中河上游、牧馬河上游、同河上游、清水河上游、南坪河上游、冶河上游、太平河上游、陽武河下游、云中河下游、牧馬河下游、同河下游、清水河下游、南坪河下游、冶河下游、太平河下游各檢測站的28組檢測數據所計算的綜合評價指標值，并通過與上表比對，確定該流域總體水質情況，以及各河流在這個長時間序列下的水質變化情況。其評價指標PI計算結果如下：

由上表計算得最終滹沱河流域各地區水質情況綜合評價結果如下：

其中權值ωκ是通過加權平均法計算得出整個流域各支流對該流域整體水質情況的影響權重值，本文采用超標指數法或指數賦權法，即根據各地區水質的質量分級指數Cok來確定權重。其公式為：

式中PIi為各地區水庫分級指數，Coi為PIi對應分級指數的最大允許值。將上表中所得到的PIi值代入Ii式算得水質總體PI結果為：

表4　滹沱河流域近兩年來16個觀測點的綜合評價指標值

表5　滹沱河流域各地區的水質情況的綜合評價結果

故可以認為滹沱河流域近兩年來的水質情況為Ⅲ類。

4　結語

本文采用的分析數據，由一個長時間序列下檢測得到，這樣一個長時間序列，將經歷該流域的豐水期、平水期、枯水期的全部階段，可以得到準確、系統的檢測結果，同時避免水質在水量變化情況下自調節能力不同的影響，檢測結果準確可靠；同時本次檢測站包含各大支流上、下游，對主要支流整體情況進行宏觀檢測，既能有效的降低檢測效率與成本，又能客觀的反應滹沱河流域水質的整體情況。由兩年內各時段計算結果可知，滹沱河流域各支流在不同時間段（豐水期、平水期、枯水期）水質情況變化較大，可知本文采用的長時間序列檢測十分必要。由各流域水質總檢測評價指標結果可知，滹沱河流域整體水質情況為Ⅲ類標準，即水質情況一般，其中由滹沱河流域上游到下游水質逐漸變差，但變化十分緩慢，只有南平河下游輕度污染，其他地區均滿足Ⅲ類水質質量標準。該水質評價體系很好地反映了滹沱河流域在時間和空間上的水質變化情況，利于有針對性地對滹沱河流域進行治理，對于改善水質、治理流域水環境等具有十分重要的意義。同時該評價方法具有普遍適用性，對于我國各大流域的水質評價均具有較高的借鑒意義。

對該流域，其水質整體情況為三類標準，但個別支流存在輕度污染，從時間角度來看，該流域的整體水質情況處于逐漸惡化趨勢，應當加強監管力度，嚴厲打擊排污、排廢等非法行為；加大生態水利、生態河道的宣傳理念，積極開發生態混凝土等新型材料，引用生態護坡、適應性河床等新技術；提高宣傳教育力度，樹立積極健康的環境友好型河流建設理念。同時，也應實時進行水質選點檢測，周期性進行綜合評價，按需進行宏觀調控，最大限度提高水質，保護水環境。陜西水利

參考文獻

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[2]張巖祥,肖長來,劉泓志等.模糊綜合評價法和層次分析法在白城市水質評價中的應用[J].節水灌溉, 2015.3: 010.

[3]高宗軍,董紅志,許傳杰等.層次分析法在地下水質量評價中的應用[J].地下水, 2014 (3): 49.50.

[4]數學建模[M].高等教育出版社, 2014.

[5]譚渝峰,張琪,朱莎等.基于簡單建模與因子分析的湖泊水質評價[J].生態與農村環境學報, 2015.31(3): 432.439.

[6]韓曉霞,朱廣偉,吳志旭等.新安江水庫(千島湖)水質時空變化特征及保護策略[J].湖泊科學, 2013.25(6): 836.845.

[7]朱廣偉,陳偉民,李恒鵬等.天目湖沙河水庫水質對流域開發與保護的響應[J].湖泊科學, 2013.25(6): 809.817.

（責任編輯：闕嘉雯）

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