干旱和半干旱流域水環境質量評價模型及其應用

張 晨, 白繼中, 劉璐瑤

(1.山西大學 資源與環境工程研究所 山西 太原 030006; 2.山西水利職業技術學院,山西 運城044004; 3.西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地, 陜西 西安710048)

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干旱和半干旱流域水環境質量評價模型及其應用

張 晨1，2, 白繼中2, 劉璐瑤3

(1.山西大學 資源與環境工程研究所 山西 太原 030006; 2.山西水利職業技術學院,山西 運城044004; 3.西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地, 陜西 西安710048)

[目的] 通過建立模型修復水生態系統，評價流域水環境質量，為生態系統修復提供實用工具。 [方法] 以涑水河流域為例，采用了層次分析法(AHP)，同時運用模糊隸屬函數和綜合指數法對影響水質因子的各個指標進行綜合評價分析，建立干旱和半干旱流域水環境質量健康評價體系及評價模型。 [結果] 涑水河流域2008—2011年水環境質量健康評價結果為Ⅲ級，狀態一般，較健康，評價結果與實際生態情況相符。 [結論] 所建立的干旱和半干旱流域水環境質量健康評價體系是合理的，能滿足流域水環境質量健康評價需要。

水環境質量； 層次分析法； 模糊隸屬函數； 綜合指數法

文獻參數： 張晨, 白繼中, 劉璐瑤.干旱和半干旱流域水環境質量評價模型及其應用[J].水土保持通報，2016,36(4)：36-40.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.007

流域是自然要素與人文要素組成的生態系統，其主要以水為紐帶，是實現國民和區域經濟可持續發展的空間載體，也是自然要素進行物質與能量循環和維持生態系統平衡的基本單元。因此對各流域的水環境質量評價的各種研究也逐漸展開。從20世紀70—80年代開始，人們對河流的關注由單一的水質保護轉移到整個流域生態系統，而評價內容也開始轉向環境質量評價，健康的內涵更為豐富，也因此出現了多種評價方法[1]。國內外也在水環境質量評價方面開展了大量的工作，其中具有代表性的評價方法有基于生物完整性指(IBI)的美國快速生物評價方案(RBPs)[2-3]、歐盟水框架指令(WFD)[4]、多指標評價方法(MMIs)[5]、澳大利亞的溪流狀況指數(ISC)、澳大利亞河流評價計劃[6-8]、英國的河流無脊椎動物預測、分類系統(RⅣPACS)[9]和南非的河流健康計劃(RHP)[10-11]等。本研究建立干旱和半干旱流域水環境質量健康狀態評價體系，以提供水環境質量健康定位指示，為進一步修復生態系統提供建議和實用工具。

1　干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況評價指標

1.1流域水環境質量健康評價指標

根據干旱和半干旱流域特征，及河流上游、中游和下游水質變化特點，利用數理統計和相似類比法篩選出流域水環境指標，本研究選出流域水環境質量健康評價指標26項分別為：水溫，流量，pH值，電導率，溶解氧，CODMn，BOD5，氨氮，石油類，揮發酚，汞，鉛，CODcr，總氮，總磷，銅，鋅，氟化物，硒，砷，鎘，六價鉻，氰化物，LAS，硫化物，糞大腸菌群等指標。

1.2評價指標的分級標準

根據以上26項評價指標及其測定結果，對干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況進行分級，各項評價指標分為5個級別，分別用≤20分，20～40分，40～60分，60～80分，≥80分予以評分，評分越高，則說明在該項指標上水環境質量健康狀況良好,應用模糊函數和屬性函數的基本原理，建立各項指標模糊隸屬函數和所對的打分標準,結果詳見表1。

表1　干旱和半干旱流域指標模糊隸屬函數和所對應的打分標準

2　干旱和半干旱流域水環境質量評價

2.1評價方法

水環境質量指標包括重金屬指標、總氮和氮化物指標、微生物生化特性指標等多種因子，如果全部因子都以數值表示，這樣進行水環境質量健康評價時涉及到大量的數據，要想從這些紛繁的數據中找出它們內部聯系，必須借助數學方法，從多因素角度對河流水質進行綜合評價。為此采用層次分析法(AHP)，同時運用模糊隸屬函數和綜合指數法對影響水質因子的各個指標進行綜合評價分析。

2.2評價步驟

干旱和半干旱水環境質量健康狀況評價是對河流的各類指標情況進行健康評價。需采取7個步驟依次完成： (1) 確定評價區域。確定干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況評價區域，流域水環境質量健康狀況評價區應該具有相似的河流狀況、河流生物類型和水質特征。流域水環境質量健康評價的基本單元—河流斷面，主要是依據河流狀況、河流中生物類型和水質來確定。 (2) 確定健康評價參照區。確定流域水環境質量健康參照區，并建立與各種河流斷面對應的水環境質量健康參照區內各項評價指標的本底數據庫。在評價區域內或是相似河流斷面的其他區域選擇一塊理想或接近于理想健康狀況的水環境質量，作為健康評價的參照區。參照區最好是該種水環境質量健康狀況頂級，或是接近于頂級的理想狀態。參照區的26項健康評價指標的標準可以通過專家評分或是查閱歷史文獻資料獲得。 (3) 確定分級指標。在前兩步的基礎上對各項評價指標的測定結果進行分級，并給出相應的分值。 (4) 權重確定方法。目前，指標權重確定方法可分為兩類：一類是由專家根據知識、經濟判斷各評價指標相對于評價目的或者其他指標而言的相對重要程度，然后經過綜合處理獲得指標權重的主觀權重確定法，如：專家調查法、層次分析法等；另一類是直接根據各被評對象指標數據的特征來確定各評價指標權重的客觀權重確定方法，如：標準離差法、灰色關聯法、熵權法等[12]。權重確定方法擬采用在專家打分的基礎上采用層次分析法來確定環境質量健康指標體系中的指標權重。層次分析法又稱AHP構權法，是將復雜的評價對象排列為一個有序的遞階層次結構的整體，然后在各個評價項目之間進行兩兩的比較、判斷，之后運用數學與定性分析結合，計算各個評價項目的相對重要性系數，即權重(表2)。 (5) 計算指數。計算影響干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況(重金屬性狀，總氮、氮化物和總磷指數，水環境、微生物生化特性，水環境化學需氧量和溶解氧量指數，硒、砷、揮發酚和石油類及硫、氯、氰等化合物指標情況)5個屬性的健康指數。并計算干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況綜合指數。 (6) 綜合水環境質量健康狀況評價等級劃分標準。將干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況評價標準劃分為5個等級(表3)。綜合評價值越大即綜合健康得分越大，干旱和半干旱流域水環境質量表征狀態就越健康。 (7) 干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況調控對策。根據干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況中的屬性健康得分、綜合健康得分以及評價人員對參照區的綜合比較，對干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況做出全面評價和描述，并且針對干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況出現的問題，提出相應對策。最后寫出干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況評價報告。

表2　干旱和半干旱流域水環境質量健康評價指標權重系數

表3　干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況得分劃分標準

3　干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況評價模型的應用

3.1數據選取及評價和驗證原則

按照前面建立的干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況評價體系，選取涑水河2008—2011年河流上游、中游和下游水質監測數據、涑水河流域水環境狀態數據、涑水河流域地下水及地表水監測數據，盡量收集完整近3 a河流斷面的26項數據資料。涑水河是黃河一級支流，發源于山西省運城市絳縣橫嶺關陳村峪，在永濟市獨頭村匯入黃河，干流總長196.6 km，縱坡1/400，河床糙率0.033。流域總面積5 553.87 km2。目前，涑水河已斷流，形成700 km2的閉流區，是山西惟一的內流區域[13]。

3.2評價結果分析

使用提出和建立的干旱和半干旱流域水環境質量健康狀況評價體系，對涑水河流域水環境質量健康狀況評價結果詳見表4—5。從表4可見，使用本研究建立的干旱和半干旱流域水環境質量健康評價體系及評價模型，對涑水河流域2008—2011年水環境質量健康評價結果為Ⅲ級，狀態一般，較健康，與該流域實際生態情況相符。從表5可見，2011年1—4，10及11月綜合評價指標均小于45大于60，涑水河流域水環境質量健康級別為Ⅲ級，狀態一般，較健康；而2011年6—9月綜合評價指標均小于70大于60，涑水河流域水環境質量健康級別為Ⅱ，狀態良好，健康；但2011年5，12月綜合評價指標均小于45大于25，涑水河流域水環境質量健康級別為Ⅳ，狀態惡化，病態。

經檢驗涑水河流域2011年各月水環境質量健康評價結果與實際生態狀況相符，同時4 a評價均提供了基層指標、屬性指標和綜合評價結論，可以通過所提供的指標數應對各自基準項，為人們提供水環境質量健康定位指示，為進一步修復生態系統提供建議和實用工具。也表明本文建立的干旱和半干旱流域水

環境質量健康狀態評價體系能滿足諸如涑水河類似的干旱和半干旱流域水環境質量健康狀態評價需要，也進一步說明所建干旱和半干旱流域水環境質量健康評價體系是正確的、合理的，具有實用性和普適性。

表4　涑水河流域2008-2011年水環境健康狀況評價結果

表5　涑水河流域2011年水環境健康狀況評價結果

續表5

月份屬性層指標綜合評價健康狀態、級別評價結論5B1=44.2B2=31.2B3=38.4B4=44.4B5=23.837.46Ⅳ級,狀態惡化,病態涑水河流域功能嚴重退化,水環境受到較大破壞,水環境系統受到較大破壞,水環境受到干擾后不易恢復,且災害時常發生。6B1=66.8B2=62.4B3=66.6B4=70.4B5=62.567.697B1=66.8B2=67.2B3=60.4B4=58.4B5=69.366.558B1=63.8B2=62.4B3=65.8B4=59.4B5=65.765.249B1=61.5B2=62.6B3=68.5B4=57.4B5=61.863.97Ⅱ級,狀態良好,健康涑水河流域河流功能較完善;水環境受到破壞較少,水環境結構和功能比較完整,水環境受到干擾后一般可恢復,災害不太發生。10B1=60.4B2=51.2B3=48.4B4=51.4B5=41.652.2711B1=46.2B2=51.8B3=60.4B4=44.8B5=53.952.56Ⅲ級,狀態一般,較健康涑水河流域功能已有明顯退化;水環境遭到破壞,但仍可維持其生態功能;水環境受到干擾后極易惡化,災害時有發生。12B1=36.2B2=41.2B3=50.6B4=34.8B5=42.841.93Ⅳ級,狀態惡化,病態涑水河流域功能嚴重退化,12月水環境受到較大破壞,水環境系統受到較大破壞,水環境受到干擾后不易恢復,且災害時常發生。

4　結 論

(1) 依據26項指標涑水河流域2008—2011年水環境質量健康評價結果為Ⅲ級，狀態一般，較健康，而2011年1—4，10，11月水環境質量健康級別為Ⅲ級，狀態一般，較健康，6—9月水環境質量健康級別為Ⅱ，狀態良好，健康，5，12月水環境質量健康級別為Ⅳ，狀態惡化，病態，與該流域實際生態情況相符。

(2) 建立的干旱和半干旱流域水環境質量健康狀態評價體系能滿足諸如涑水河等類似的干旱和半干旱流域水環境質量健康狀態評價需要，說明所建立的干旱和半干旱流域水環境質量健康評價體系是正確的、合理的，具有實用性和普適性。

[1]王波,梁婕鵬.基于不同空間尺度的河流健康評價方法探討[J].長江科學院院報,2011,28(12):32-35.

[2]Barbour M T, Gerritsen J, Snyder B D, et al. Rapid Bio-assessment Protocols for use in streams and wadeable rivers: Periphyton, Benthic Macroinver tebrates and Fish [M]. Washington D C:EPA841-B-99-002. US. Environmental Protection Agency, Office of Water, 1999.

[3]Karr J R. Assessment of biotic integrity using fish communities [J]. Fisheries, 1981,6(6):21-27.

[4]Martin Griffiths.歐盟水框架指令手冊[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[5]Kim J H, Oh H M, Kim I S, et al. Ecological health assessments of an urban lotic ecosystem using a multimetric model along with physical habitat and chemical water quality assessments[J]. International Journal of Environmental Research, 2013, 7(3):759-768.

[6]曾小瑱,車越,吳阿娜.3種河流健康綜合性評價方法的比較[J].中國給水排水,2007,23(4):92-96.

[7]Wright J F, Sutcliffe D W, Furse M T. Assessing the biological quality of fresh waters: RIVPACS, and other techniques[J]. Blood, 2000, 99(10):3493-3499.

[8]Smith M J, Kay W R, Edward D H D, et al. AusRivAS: Using macroinvertebrates to assess ecological condition of rivers in Western Australia[J]. Freshwater Biology, 1999, 41(2):269-282.

[9]Wright J F, Armitage P D, Furse M T. Prediction of invertebrate communities using stream measurements [J]. Regul Rivers: Research & Management, 1989,4(2):147-155.

[10]董哲仁.國外河流健康評估技術[J].水利水電技術,2005,36(11):15-19.

[11]唐濤,蔡慶華,劉建康.河流生態系統健康及其評價[J].應用生態學報,2002,13(9):1191-1194.

[12]李成,吳謙,胡滿.風險綜合評價中指標權重確定方法對比研究[J].石油工業技術監督,2016,32(1):50-53.

[13]武俊嫻,畢如田,劉庚,等.基于DEM的涑水河流域地表水文特征模擬與分析[J].山西農業大學學報:自然科學版,2009,29(5):397-399.

Evaluation Models and Its Application of Water Environment Quality and Health Status in Arid and Semi Arid Basins

ZHANG Chen1,2, BAI Jizhong2, LIU Luyao3

(1.InstituteofResources&EnvironmentEngineering,ShanxiUniversity,Taiyuang,Shanxi030006，China; 2.ShanxiConservancyTechnicalCollege,Yuncheng,Shanxi044004，China;3.StateKeyLaboratoryBaseofEco-hydraulicEngineeringinAridArea,Xi’an,Shaanxi710048，China)

[Objective] The water quality of the river basin was evaluated through the establishment of related models in order to provide practical tool for ecosystem restoration. [Methods] Using analytic hierarchy process(AHP), fuzzy membership function and comprehensive index method, taking Sushui river basin as a study area, factors that influences water quality indexes were evaluated comprehensively. Evaluation system of water environment quality and was established and the models of the environmental health in arid and semi arid river basin was illustrated. [Results] In Sushui river basin from 2008 to 2011, the water quality environment was categorized as grade Ⅲ, at a status of ordinary health. The evaluation results were commonly the real status. [Conclusion] The health evaluation system of water environment quality in that arid and semi arid river basin proved reasonable, can meet the needs of health assessment of water environment quality in river basin.

water environment quality; analytic hierarchy process; fuzzy membership function; index selection

2015-12-29

2016-03-22

山西省煤基重點科技攻關項目“干旱和半干旱流域水環境質量評價模型及其應用”(MJH2014-04)

張晨(1986—),女(漢族),山西省太原市人,碩士,講師,主要從事水環境工程方面的研究。E-mail:439400745@qq.com。

A

1000-288X(2016)04-0036-05

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