遼寧省地表水水環境質量評價

劉雯雯

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110094)

在多種因素的共同影響下，區域水環境質量呈現出局部地區的不均勻性和不穩定性特征，因此很難利用單因子指數法對區域水質狀況進行綜合的定量評判。水環境質量評價時，通常具有明顯的漸變性和模糊性特征，僅僅依據某項指標的監測數據難以準確的反映區域水環境系統的真實狀況[1- 3]。針對復雜的水環境評價問題，國內外眾多學者開展了大量研究，如李希燦等[1]以泰安市為例，提出了趨勢灰色預測與模糊綜合相結合的空氣質量評價方法，有效地解決了空氣質量分析存在的不確定性與隨機性問題；許俊杰等[4]基于模糊數學法，構建了城市多要素污染的聚類評判法；呂寶華等[5]對遼寧省的水資源承載力進行分析，并認為該區域處于嚴重缺水狀態，水資源供需矛盾緊張且開發利用程度較高，未來對水資源的需求量不斷增大；余勛等[6]客觀、系統的描述了水環境參數的不確定性與模型結構的層次問題，從而顯著提高了評價結果的可靠性與真實性。在水質評價過程中，通常會存在不確定的模糊性概念，并且在多數情況下沒必要、也不可能做到絕對的精準分析，因此可考慮采用模糊評價理論。該方法基于數學處理理論，對非定量化與模糊性特征的影響因素實現量化處理。

鑒于此，本文基于遼寧省水環境實際狀況，通過分析模糊綜合法基本理論和計算步驟，客觀、全面地評價了其水環境污染狀況，以期為提高環境治理措施的合理性、適用性提供依據，為促進區域水資源發展規劃和人水協調發展提供參考。

1 水環境概況

遼寧省位于我國東北部地區，全省占地面積14.8萬km2，臨黃海、渤海，東與朝鮮相接。遼寧省下轄撫順、鐵嶺、鞍山、沈陽等14個地級市以及綏中縣、昌圖縣2個省管縣，主要支流有渾河、大遼河、太子河、遼河等，其中遼河流域面積6.92萬km2，全長480km，為遼寧省第一大河流。區域內年降水量在400～1100mm范圍，其中75%以上的降水量集中在汛期6—9月，并多以暴雨和強降雨的形式出現。該區域水資源量主要包括降水入滲補給和地表徑流量兩大部分，并以大氣降水補給為主，年均水資源量為341.79億m3，在空間分布上呈現出由東南向西北逐漸降低的趨勢。東南部與渤海相鄰水源面積較大，降水量較為充足，西北區域降水較少并且風沙干旱現象較為頻繁[7- 8]。

多年以來，由于水環境保護意識薄弱和水體過度開發，致使遼寧省境內水環境功能持續下降，水體污染日趨嚴重。經過長期的綜合治理，該區域水質得到持續改善，相關研究顯示東遼河與西遼河的水質相對較好處于Ⅳ類，而太子河與招蘇臺河的水質狀況較差處于劣Ⅴ類，并以化學需氧量、總磷和氨氮污染物為主。相對于2010年以前，遼寧省境內主要干流的26個斷面水環境質量得到明顯改善，達到Ⅲ類及以上水質的斷面為7.8%，處于劣Ⅴ類水質的斷面占比明顯下降，水體污染程度由之前的重度提升至中度水平。省內43條主要支流水質明顯好轉，處于劣Ⅴ類水質的支流個數大幅度降低。支流內氨氮、總磷等污染物濃度均值同比降低，其中化學需氧量、高錳酸鉀鹽指數等參數首次滿足Ⅴ類水質標準?？陀^、科學地評價該區域水環境質量，對于改善遼寧省水生態環境并促進區域協調可持續發展具有重要意義。

2 構建模糊綜合評價模型

2.1 模糊綜合評價基本步驟

模糊綜合評價法可廣泛應用于區域水環境質量的評價研究，然而該方法仍具有一定的弊端主要體現在以下2個層面，如對指標權重進行確定存在一定的主觀判斷性；對水質不同等級利用最大隸屬度原則進行判定，在各評價指標等級隸屬度相差不大時存在失效現象，并因此對評價結果造成一定的偏差。依據上述弊端和局限性，本文采用模糊綜合評價與灰關聯分析相結合的方法進行綜合評價，由此得到的評價結果相對于傳統的方法具有更加可靠的準確度，主要步驟如下。

步驟一：選取評價指標。水環境問題是一個涉及生態、經濟與人類活動的多層次、復雜問題，因此在選取評價指標時不僅要考慮水環境質量現狀，而且還要參考水資源規劃、治理等方面內容。影響水環境的因素較多，為避免多次復合運算可能引起的計算偏差，并造成重要信息的丟失，本文考慮引入合成算子建立加權平均型評判模型。結合遼寧省水資源現狀，在遵循科學性、可行性、代表性原則的基礎上選取了5項典型指標，然后基于全國水環境評價指標體系和相關標準，將各類指標劃分為Ⅰ～Ⅴ類5個級別，見表1。

表1 評價指標體系及分級標準 單位：mg/L

步驟二：確定評價對象。引入水質評價樣本集合Y=(yi;i=1，2，…，6)，其中yi為遼寧省第i個斷面的水質監測數據，根據表1建立指標集U=(x1，x2，x3，x4，x5)，其中xi為第i個指標的水質樣本值，遼寧省境內主要干流的6個典型斷面實際監測值見表2，并以此作為評價對象。

表2 水質評價對象 單位：mg/L

步驟三：確定隸屬度函數。水質類別評判的模糊性是指對處于2個級別之間的污染物濃度的判斷，定義模糊區間為一級，則隸屬度函數在其他區間通常為常數0或1，不同級別之間的隸屬函數如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，c1～c5—分別為對應于Ⅰ～Ⅱ等級的水質分級值；x—單項因子的實測濃度，詳見表2；y(x)—在第j級水質中第i項指標實測值的隸屬函數。

在確定了各分級標準上評價指標的隸屬函數之后，通過輸入各斷面實際監測數值，可建立每個監測斷面的模糊關系矩陣R，見表3。

表3 A～F各監測面的模糊關系矩陣

步驟四：計算各指標權重。結合遼寧省水環境質量的5個分級標準，通過選取基點值si作為水質標準中間級別的極限標準值或中間2個級別極限值的平均值，并作為指標權重向量的參考因子。不同評價因子對水質影響的貢獻率存在一定的差異，據此可通過隸屬函數的求解確定各分級標準下單項指標的隸屬度，然后可建立相應的模糊關系矩陣。可通過指標權重wi的求解確定各評價因子對評價結果的影響程度，公式如下：

wi=(ci/si)/∑(ci/si)

(6)

式中，si—第i項指標的實測濃度值。

步驟五：構建復合B。然后對各單項因子的權重利用上述方法求解，并建立相應的權值模糊矩陣A，據此可對模糊關系矩陣R和權重集A進行模糊復合計算，并得到矩陣B，其表達式如下：

B=A·R

(7)

綜合考慮各指標的權重和隸屬度，按照相乘取大的原則得到模糊判別集B=(b1，b2，b3，b4，b5)，然后按照最大隸屬度原則確定水質級別。

2.2 結果分析

按照指標權重越大對水環境污染的貢獻率越高的原則，并利用文中所述公式(6)確定指標權重，各斷面指標權重集合見表4。

表4 各斷面指標權重

然后根據公式(7)，可得到各監測斷面的最終評價結果，見表5。由表5可知，遼寧省代表斷面的水環境質量整體處于Ⅳ類，部分區域監測斷面可達到Ⅴ類水質。這進一步說明了該區域水環境面臨著嚴重的威脅，若不及時采取有效的措施，其水環境將會繼續惡化并對飲用水造成不利影響，甚至會對人體造成危害。

表5 遼寧省主要河流監測斷面水質評價

3 水環境質量改進措施

根據上述評價結果并結合遼寧省水環境調查相關資料，可分別從總氮、總磷、化學需氧量入河量等方面對水環境進行控制[9]。結合遼寧省水環境治理相關措施，目前已有技術方法，本文給出了改善該區域水環境質量的方法措施。

(1)控制外源污染全過程。本文對水環境承載力各項指標實際檢測結果，可分別從污水總量收集、控制、運輸和處理4個方向，對水環境總氮、總磷以及化學需氧量排放量進行外源污染過程控制。對于遼河流域沿途的印染、醫化、砂洗等行業嚴格按照排放標準進行排查，對高污染、高能耗行業進行轉降整治[10]；農藥化肥以及生活垃圾在地表徑流作用下，造成農業面源污染，因此可通過化肥施用量控制以及對化學農藥的科學管理有效解決遼河流域農業面源污染問題；針對小散養殖場深入推廣使用天然有機化肥并從根本上控制污染物總量的排放。

(2)提升水環境容量。對污水收集系統進行改善和升級，主要是針對該區域村莊已建管網、主干管網進行排查并確保各端口鏈接的匹配性[11]；完善污水處理和輸送系統，對于具有侵蝕性的工業污水應嚴格排查，對污水處理能力與污水排放量不匹配的行業建議進行規模升級和校核；大遼河主干流連通基本通暢，但是次級與支流河道的結構縱橫交錯，因此在主干河網引排的格局上提升支干與主干河流之間的連通能力和運輸水平，從而提升水資源的供應保障程度和水環境容量[12]。

(3)建設高效用水體系。建立遼河水環境監控體系并以科學、合理的制度政策和法律法規，作為遼寧省水環境污染治理的重要保障與依據。結合流域水環境管理實際狀況，并針對現行法律法規執行效率低、針對性差、可操作性低以及處罰輕等問題不斷完善當地法律法規，并最終實現流域環境管理與生態保護相結合、水資源循環利用與污染同步治理的人水和諧目標[13]。

4 結論

本文基于遼寧省水環境概況，選取了5項典型指標并確定了等級劃分標準，然后利用模糊綜合法對該區域水環境進行了科學評價，得出的主要結論如下。

(1)選取代表斷面的水環境質量整體處于Ⅳ類，部分區域監測斷面可達到Ⅴ類水質，該區域水環境面臨著嚴重的威脅，若不能及時采取有效的措施，其水環境將會繼續惡化并對飲用水造成不利影響，甚至會對人體造成危害。

(2)為提高該區域水環境質量并促進人水協調發展，本文從外源污染控制、提升水環境容量以及高效用水體系3個方面，提出了針對性的改善措施，為經濟社會與水環境的協調發展提供參考。