基于模糊矩陣的衡水湖水環境質量評價及分析

溫曉君, 陳 輝, 白軍紅

(1.北京師范大學 環境學院, 水環境模擬國家重點實驗室, 北京100875;2.河北師范大學 資源與環境科學學院, 河北省環境演變與生態建設實驗室, 石家莊 050024)

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基于模糊矩陣的衡水湖水環境質量評價及分析

溫曉君1, 陳 輝2, 白軍紅1

(1.北京師范大學 環境學院, 水環境模擬國家重點實驗室, 北京100875;2.河北師范大學 資源與環境科學學院, 河北省環境演變與生態建設實驗室, 石家莊 050024)

運用模糊綜合評價法評價了衡水湖三個主要監測站點(洼內、小庫和冀縣)在2000—2007年水環境質量的變化過程。研究結果表明2001—2005年衡水湖整體水環境質量沒有得到明顯的改善，2006年后，衡水湖洼內和冀縣監測站點水環境質量有了改善，基本滿足Ⅲ類用水標準。三個監測站點的主要貢獻污染物也有所差異。2006年洼內監測站點水環境主要貢獻污染物為氨氮，貢獻率為0.621。其余年份均為高錳酸鹽指數，2000—2005年及2007年貢獻率為0.5左右。小庫監測站點水環境的主要貢獻污染物2003年，2004年，2005年，2007年均為總磷。2000年，2001年，2002年，2006年為氨氮且2000年和2006年貢獻率分別達到0.58，0.838。冀縣監測站點水環境主要貢獻污染物2000年，2001年，2002年，2006年為氨氮，但2001年，2002年貢獻率不到0.4，相較于2000年和2006年較低。2003年為總磷，貢獻率為0.38。2004，2005，2007為高錳酸鹽指數，貢獻率分別為0.61，0.50，0.38。并在水環境質量分析的基礎上剖析了衡水湖水環境污染的原因，給出衡水湖今后保護和管理的建議。

環境科學; 水質評價; 模糊矩陣; 主要貢獻污染物; 衡水湖

湖泊的水流速度緩慢，水體更新歷時長，導致湖泊水體的自凈能力受到一定程度的限制。湖泊水環境質量是維持湖泊生態系統健康的重要限制因子[1-2]。當前國內外對湖泊水環境質量進行評價的主要方法有單因子污染指數法，綜合污染指數法，AHP法，模糊綜合評價法等[3]。其中，單因子污染指數法將評價因子與評價標準作比較，確定各個評價因子的水質級別，在所選因子的水質級別中將最差的作為水質級別[4]；綜合污染指數法中以內梅羅指數法最具代表性，該方法選取污染最嚴重的因子與評價標準之間建立一定數學關系，通過計算結果確定水質狀況[5]；AHP法通過相關性分析，構建指標體系，確定權重等手段得出水環境質量的評價等級[3,6]。但是，單因子污染指數法和綜合污染指數法均忽略了影響湖泊水環境質量的各種因子之間的相互影響，AHP法中通過專家打分來確定權重具有一定的主觀性。

湖泊水環境系統受多種因子影響，各因子之間也存在各種復雜的聯系，這種聯系存在模糊性，各種超標因子對養殖湖泊水質狀況的影響程度也存在模糊性[2,6-8]。模糊綜合評價法將湖泊水環境系統作為一個部分信息已知的灰色系統[3]，該方法考慮了所有監測環境因子，依據各自的權重，綜合分析所有監測因子對養殖湖泊環境的作用，進而評價湖泊水體水環境質量[9]。與傳統評價方法相比，該方法能很好地解決評價過程中出現的模糊的難以量化的問題[10]，是定量評價湖泊水環境質量的有效方法。

衡水湖濕地生物多樣性豐富，具有巨大的生態服務功能價值。它既為衡水湖區域人們的生產生活提供用水來源，也是北溫帶野生動植物聚集地和候鳥南北遷徙不同路線的交匯處[11]。同時，衡水湖是華北平原第二大淡水湖，也是南水北調中線工程中的重要調蓄工程[11]，其水環境質量的變化將對南水北調工程的水質有著重要的影響[12]。因此，運用模糊綜合評價法對衡水湖濕地水環境進行評價，剖析其水環境質量演變規律可為衡水湖水質管理提供科學依據，從而保證衡水湖區域的生態安全和供水水質。

1　材料與方法

1.1研究區概況

衡水湖濕地為國家級濕地自然保護區，位于河北省衡水市境內，向北與衡水市桃城區的彭杜鄉的滏陽河相連，向南緊鄰河北省冀州市區(東經115°27′45″—115°42′6″，北緯37°31′39″—37°42′18″)。衡水湖所處氣候區為暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同期。年平均氣溫大約為13℃，一般情況下年際變動處在11.5℃到13.7℃；衡水湖地區年平均降水量為518.9 mm，主要集中在6—8月，年蒸發量為2 393萬m3[13]。

流經衡水湖的河流有滏陽河，滏陽新河以及滏東排河,屬于海河水系的子牙河水系[14]。建國以來，由于大興水利設施，河網水系的天然水文聯系被人工溝渠所取代，這就造成了水生態系統結構的不完整和生態功能的殘缺。因衡水湖地區年均降水量明顯低于年均蒸發量，目前人工調水是維持衡水湖水量的主要方式[13]。隨著經濟的發展，人口的增加，工農業和生活用水量增加，導致地表水過量開采，形成大面積地下漏斗。加之工業廢水，生活污水以及農業污水的排放，使得衡水湖水環境質量不容樂觀。

1.2數據來源及處理

選擇衡水湖濕地三個水質監測站點(洼內、小庫、冀縣)在2000—2007年的水質監測數據，以溶解氧、氨氮、總磷、高錳酸鹽指數為主要評價因子，對衡水湖水環境質量進行模糊綜合評價。對每個監測站點各年不同時間的監測數據進行均值化處理代表相應年份的水質指標。

1.3評價方法

1.3.1單項指標評價選取溶解氧，氨氮，總磷，高錳酸鹽指數共四項評價指標構成評價因素集合，并參照地表水環境質量標準(GB3838—2002，表1)建立所需評價集V，其中Vij表示每個項目對應的標準限值，每一行是一個項目分別為溶解氧(DO)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數[COD(Mn)]。

V={Ⅰ級Ⅱ級Ⅲ級Ⅳ級Ⅴ級}

取U為各單項指標集合，U={溶解氮氨氮總磷高錳酸鹽指數}，對U中的每個單項指標進行評價，通過隸屬度函數求出單項指標對于5個級別水的隸屬度。把各監測站點的溶解氧、氨氮、總磷和高錳酸鹽指數的監測值和各級濃度標準值帶入隸屬度函數公式，得到下面的模糊矩陣R：

1.3.2計算權重每一監測單項指標都會對特定的水環境綜合體產生影響，但各單項指標對某一水環境綜合體的水環境質量產生影響的貢獻存在差異；即不同的環境條件對應的監測因子對其影響程度不同。實際監測所得到的各指標的濃度值越大，該指標超標程度越重，對環境產生的負面影響也越大。因此，在進行衡水湖水環境質量評價時應該對每一單項指標賦予權重。采用能夠反映污染超標輕重的加權法計算權重，之后對各單項指標的權重進行歸一化處理。通過計算各監測點位的各單項指標的權重，可得到如下矩陣B：

表1　地表水環境質量標準(GB3838-2002)中四個指標的標準限值[15]　mg/L

1.3.3模糊矩陣復合運算通過對各單項指標進行評價和對各單項指標賦予權重后得到相應的隸屬度，即模糊矩陣R與權重模糊矩陣B，將B與R進行復合運算可得到綜合評價指數；得出的綜合評價指數也可以用矩陣B0R表示。

V={Ⅰ級Ⅱ級Ⅲ級Ⅳ級Ⅴ級}

該矩陣得出的指數即為對應于集合V上各單項指標的隸屬度。比較矩陣B中b10，b11，b12，b13最大值所對應的污染物即對應對某監測站點的主要貢獻污染物。B0R矩陣中x10，x11，x12，x13，x14最大值對應的水質級別即為該監測站點在某一年的水質級別。

2　結果與分析

2.1評價結果

以下所列為2000—2007年權重模糊矩陣B和權重模糊矩陣B與隸屬度模糊矩陣R復合運算結果得到的綜合評價指數矩陣，矩陣用B0R表示。其中，從權重模糊矩陣B可看出每年對應的站點的主要貢獻污染物。

B2000=0.110.200.170.520.020.580.280.130.050.600.210.14é?êêêêù?úúúúB0R2000=0.110.170.170.000.520.020.000.000.000.130.0130.050.000.000.6é?êêêêù?úúúúB2001=0.170.110.240.480.050.360.220.370.060.380.280.28é?êêêêù?úúúúB0R2001=0.110.240.240.480.250.050.000.000.20.220.060.000.000.060.38é?êêêêù?úúúú

B2002=0.180.300.070.440.050.430.170.350.080.390.200.33é?êêêêù?úúúúB0R2002=0.180.070.300.440.150.050.000.000.170.430.080.100.200.330.33é?êêêêù?úúúúB2003=0.160.290.080.460.160.010.560.270.060.330.380.23é?êêêêù?úúúúB0R2003=0.160.090.290.340.230.0100.000.160.160.560.330.000.060.060.38é?êêêêù?úúúúB2004=0.270.0040.060.660.100.010.460.430.220.020.140.61é?êêêêù?úúúúB0R2004=0.660.250.000.000.000.100.100.000.000.460.220.140.000.440.56é?êêêêù?úúúúB2005=0.240.020.040.700.090.250.380.280.220.160.120.50é?êêêêù?úúúúB0R2005=0.240.240.000.000.700.090.090.000.000.380.000.220.220.010.50é?êêêêù?úúúúB2006=0.3710.6210.0030.0040.1440.8380.0050.0130.3820.5830.030.031é?êêêêù?úúúúB0R2006=0.370.150.620.240.000.140.140.000.000.840.380.080.580.000.00é?êêêêù?úúúú

B2007=0.220.200.130.450.080.340.420.160.160.150.320.38é?êêêêù?úúúúB0R2007=0.220.200.460.460.000.080.080.000.160.420.160.150.380.380.00é?êêêêù?úúúú

從矩陣B0R可得2000—2007年衡水湖水環境質量見表2，洼內監測站點水質除2004年達到Ⅰ類水外，在2000—2005年期間均為Ⅳ類或Ⅴ類水。冀縣監測站點水環境質量變化趨勢與洼內站點類似，在2000—2005年期間均為Ⅳ類或Ⅴ類水。2006—2007年，洼內監測站點和冀縣監測站點水質均得到明顯改善，達到了Ⅲ類水。但是在2000—2007年期間，小庫監測站點水環境質量沒有得到改善，水環境質量為Ⅳ類或Ⅴ類水。

表2　2000-2007年衡水湖各監測站點水環境級別

矩陣B得到每個站點中，不同污染物對該站點水質級別的確定的貢獻率不同(圖1)。貢獻率大的為該站點水質污染的主要貢獻污染物。由圖1可知，2006年洼內監測站點水環境主要貢獻污染物為氨氮，其余年份均為高錳酸鹽指數。2003年，2004年，2005年，2007年小庫監測站點水環境的主要貢獻污染物均為總磷，而2000年，2001年，2002年，2006年為氨氮。對于冀縣監測站點而言，2000年，2001年，2002年，2006年的水環境主要貢獻污染物為氨氮，2003年為總磷，2004，2005，2007年為高錳酸鹽指數。

2.2污染源原因分析

有研究表明，湖泊水環境質量與所在地區工農業發展和城市建設，人口增長關系密切[16-17]。2000—2005年期間，除2004年洼內監測站點水質達到I類水外，洼內、冀縣、小庫三個監測站點的水質均為Ⅴ類或Ⅳ類。其原因在于在此期間衡水湖周邊污染型工業企業得到發展，且大部分企業不具備污水處理能力[18]，超標排放的工業廢水和因大氣沉降作用落入衡水湖內的工業生產排放的煙塵對衡水湖水環境污染產生巨大影響[19]。同時，衡水湖附近地區耕地大水漫灌引起化肥、農藥隨農田瀝水流入衡水湖內，粗放的養殖方式和增肥措施也對衡水湖水體帶來污染[11，18]。此外，衡水湖周邊生活區缺乏生活污水處理和生活垃圾處理的基礎設施，周邊村民產生的生活污水直接排入衡水湖，生活垃圾直接堆放到衡水湖附近，垃圾滲濾液及雨水的沖蝕及坡地上污水匯流至衡水湖內，導致湖水水質惡化[11,18-19]。另外，衡水湖的東線引水路線通過衛千渠經大營、棗強等城鎮，衛千渠竣工后即成為沿途大營、棗強縣城關的排污渠道，且排污口排污超標嚴重[11,20]，這也是造成衡水湖水體污染的原因。

圖1　各站點不同污染物的貢獻率

2004年洼內監測站點水環境達到I類水，這可能是由于在監測數據中，2004年洼內氨氮濃度值低于檢出限值，由此可能對最終的評價結果產生影響。2004年洼內氨氮濃度值偏低可能是由于引黃河水后，黃河流域的蒲草絨絮隨引水進入衡水湖，蒲草大量繁殖，有效地吸收水體中的氮造成[11,21]。2006—2007年，洼內和冀縣監測站點水環境有了明顯改善，符合Ⅲ類用水標準，這是因為在2004—2005年期間，衡水湖周邊地區對污染嚴重的采暖鑄造業進行產業結構調整，到2006年，對衡水湖污染產生重大影響的橡膠化工小型企業也基本搬遷完畢，衡水湖受到的污染大大降低[11]。由此，在今后對衡水湖的管理和治理工作中，要借鑒這些經驗，在衡水湖水體質和量兩個角度保證衡水湖生態環境的良好。

3　結 論

衡水湖三個監測站點洼內，冀縣，小庫的水環境質量在2000—2005年均無明顯好轉，在2006年后，洼內和冀縣的水環境質量得到明顯改善，達到Ⅲ類水，且衡水湖水體污染的主要貢獻污染物為氨氮，總磷和高錳酸鹽指數，主要由外部污染造成，與當地不合理的工業排污方式和居民的生活方式有關。衡水湖水環境質量的良好保持是其生態系統維持良好平衡的重要基礎，也是衡水市經濟社會發展的重大帶動因素。在今后的發展過程中，應對衡水湖水環境質量做好監測預報，增加設立監測站點，完善測試設備，儲備專業人才；嚴格管控污水排放，積極推進清潔生產，加強污水處理和垃圾處理基礎設施建設；優先保證生態需水，開源與節流并舉；應用生態補償機制加強跨區域合作，走生態發展道路。

衡水湖是南水北調東線工程的調蓄湖泊，對衡水湖水環境進行保護不僅僅有益于衡水地區的經濟社會的發展，也可以有效保證其周邊地區的用水安全。衡水湖上游地區引水渠道污染問題也應該受到重視。就本研究而言，在某一歷史時期闡述了衡水湖水環境質量狀況及其原因，衡水湖作為整個流域系統中的節點，自身的水環境質量的良好保持可以從其中得到借鑒。湖泊水體的水環境質量與底泥中污染物的含量存在很大關系，但是由于數據來源的限制，無法得知衡水湖底泥受污染狀況，進一步探求底泥對衡水湖水體污染的影響。所以，建議衡水湖保護區加強監測力度，完善監測系統，為衡水湖的保護和研究工作提供支持。

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Evaluation and Analysis on Water Environmental Quality of Hengshui Lake Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Method

WEN Xiaojun1, CHEN Hui2, BAI Junhong1

(1.State Key Laboratory of Water Environment Simulation, School of Environment, Beijing NormalUniversity,Beijing100875,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironmentSciences,HebeiNormalUniversity,HebeiKeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandEcologicalConstruction,Shijiazhuang050024,China)

The fuzzy comprehensive evaluation method was applied to evaluate the water environmental quality of three main monitoring sites (i.e., Wanei, Xiaoku and Jixian) of Hengshui Lake during the period from 2000 to 2007. The results showed that water environment quality of Hengshui Lake had not been improved during the period from 2001 to 2005, however, water environment quality of both Wanei and Jixian monitoring sites had been improved after 2006, and basically met class Ⅲ criteria of water quality. The main contribution ratios of these pollutants at three monitoring sites also differed each other. As for Wanei site, the major pollutant in 2006 was ammonia nitrogen with a contribution rate of 0.621 and permanganate index was the major pollutant in the rest years. From 2000 to 2005, the contribution rates were 0.52, 0.48, 0.44, 0.46, 0.66, and 0.70, respectively and it was 0.45 in 2007. At Xiaoku site, the major pollutant in 2003, 2004, 2005, and 2007 was total phosphorus, the respective contribution rate was 0.56,0.46,0.38, and 0.42, respectively, however, the major pollutant was ammonia nitrogen in 2000, 2001, 2002 and 2006, the respective contribution rates were 0.58 (2000), 0.36 (2001), 0.43 (2002), and 0.838 (2006), respectively. In contrast, the major pollutant at Jixian site was ammonia nitrogen with the contribution rates of 0.60 (2000),0.38 (2001),0.39(2002), and 0.583(2006) and it was total phosphorus with contribution rate of 0.38 in 2003, whereas it was permanganate index in 2004, 2005 and 2007 with the respective contribution rate of 0.61,0.50, and 0.38, respectively. On the basis of water environmental quality analysis, the reasons for the water environment pollution of Hengshui Lake were analyzed and some suggestions for the ecological conservation and water quality management of this lake were also put forward.

environmental science; Hengshui Lake; water environmental quality; fuzzy matrix; major contribution of pollutant

2015-03-16

2015-04-16

霍英東項目基金,國家重點基礎研究973計劃課題(2010CB951002)

溫曉君(1992—),女,河北省衡水市人,碩士,研究方向：濕地生態過程。E-mail:wxjun0405@163.com

白軍紅(1976—),男,河北省石家莊市人,教授,博士, 研究方向：濕地生態過程。E-mail:junhongbai@163.com

X822; S181.3

A

1005-3409(2016)02-0292-05