沋河濕地水環境質量綜合評價

權輕舟

摘要：以陜西省沋河水庫2011—2015年監控斷面水質為研究對象，在野外調查、收集和分析資料的基礎上，引入基于熵權的水環境質量模糊物元評價模型對沋河水源地的水環境質量進行了綜合評價。結果表明，沋河水庫2011—2015年水質等級均符合《地表水環境質量標準》I類標準，水質良好，2013年水質綜合評價等級最高。

關鍵詞：沋河濕地;水源地;水環境質量評價;沋河水庫

中圖分類號：X522? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）21-0076-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.21.016

Abstract： Taking monitored sections water quality of Youhe river from 2011 to 2015 as the research object， a comprehensive evaluation of water quality was made through the introduction of fuzzy matter element evaluation model of water environmental quality which is based on entropy on the basis of data collection and analysis through field investigation， data collection and analysis. The results showed the water quality of Youhe river from the year of 2011 to 2015 met the first class of water environmental quality standard， with the best water quality in 2013.

Key words： Youhe wetland; water source; water environment quality evaluation; Youhe reservoir

隨著工農業的發展和人口的增加，進入水體環境中的污染物質越來越多，這些污染物給人類生產生活環境和人體健康造成了許多危害。隨著經濟的快速發展，人口數量的劇增，農業活動的頻繁，污染控制工程的滯后，國內許多地方的水質污染現象比較嚴峻。岳霞等[1]研究發現目前部分水域的污染治理行之有效，但全國七大水系總體呈現出輕度污染的特點。中國從20世紀中期就開始對國內主要河流、湖泊（水庫）水質進行安全評價[2]。近年來，國內學者在水環境污染方面對重金屬污染研究做了大量工作，相繼對長江[3，4]、黃河[5，6]、海河[7]、太湖[8-10]、巢湖[11，12]等水體開展了水質現狀分析，多數研究發現國內水環境污染現象愈發嚴重。

據中國環境監測總站在2014年1月發布的全國地表水水質月報數據顯示，全國388條河流的701個斷面中，68%斷面屬于Ⅰ～Ⅲ類、20%屬于Ⅳ～Ⅴ類，12%屬于劣Ⅴ類水質，主要的污染因子為氨氮（NH3-N）、重鉻酸鹽指數（CODCr）、5日生化需氧量（BOD5）、總磷（TP）和高錳酸鉀鹽指數（CODMn）。十大河流體系，西北諸河、珠江流域和西南諸河總體上是較優水質，長江流域水質總體上屬于良好狀態，松花江流域、遼河流域、浙閩片河流以及淮河流域在總體上屬于輕度污染水質，黃河在總體上屬于中度污染水質[13]。中國的水資源現狀不容樂觀，據國家水利部發布的《2015年中國水資源公報》數據顯示，2015年全國23.5萬km的河流水質評價結果為全年Ⅰ類水河長占評價河長的8.1%，Ⅱ類水河長占44.3%，Ⅲ類水河長占21.8%，Ⅳ類水河長占9.9%，Ⅴ類水河長占4.2%，劣Ⅴ類水河長占11.7%。從水資源分區看，Ⅰ～Ⅲ類水河長占評價河長比例為西北諸河區、西南諸河區在97%以上;長江區、東南諸河區、珠江區為79%～85%;黃河區、松花江區為66%～70%。從行政分區看，Ⅰ～Ⅲ類水河長占評價河長的比例為重慶、新疆、西藏、湖南等省（自治區、直轄市）在90%以上;陜西、吉林、黑龍江、安徽、河南省為50%～70%。因此，開展水環境質量評價是非常必要的工作，它能夠科學評判當前中國不同河流水系的水環境遭受的現狀情況，為水環境治理和保護提供數據支撐，進而為國家和區域水環境開發利用和治理保護提供決策依據。

水環境質量評價是按照水環境評價目標，選擇相應的水質參數、水環境質量標準和評價方法對水體的利用價值作出評定。一般采用國家或地方政府頒布的水質標準作為評價標準。目前對水質評價所應用的方法有單因素評價法、綜合污染指數法、灰色關聯分析法、層次分析法、模糊綜合評價法等。相對于其他方法，模糊綜合評價法通過使用權重，綜合考慮了各種因素對評價結果的影響，因此其評價結果更加符合實際[14]。在模糊綜合評價中，權重對評價結果有重要影響。現有的模糊綜合評價法需要對每個對象的每個指標計算其超標程度，計算量較大，并且也無法把重金屬間的相關性反映在權重的計算過程。部分研究者通過采用綜合權重法和熵權法來計算權重，并且與單項評價指標權重法進行比較，發現綜合權重法和熵權法比單項評價指標權重法相對較好，而且利用熵權法只需計算一次就能得到評價區域中各個指標的權重，大大地減少了評價工作所需的工作量[4]。模糊物元方法能解決多級別、多目標的水環境質量評價問題，評價中引入熵權理論確定評價指標的無偏好權重，以歐式貼近度確定水質等級，既能比較全面地反映各指標對地表水環境的影響程度，又能使評價結果更客觀、更符合實際[15]。

在諸多水質分析方面的研究中，陜西境內的相關研究比較集中，主要圍繞渭河流域開展了水質現狀分析[16-22]。其中張嘉嘉等[16]的研究表明，NH3-N是渭河流域水環境的主要污染因子之一，污染源既有點源，也有非點源，且以非點源為主，點源以化肥工業廢水和城鎮生活污水為主，非點源則以農業使用化肥后的灌溉退水以及水土流失為主;渭河化學耗氧量（COD）污染以點源為主，點源以工業廢水和城鎮生活污水為主。而李家科等[20]的研究結果顯示，渭河干流關中段主要污染物為COD、NH3-N和總氮（TN）。易文利[18]運用模糊綜合評價法對渭河寶雞段6個斷面的水質進行綜合評價，結果表明，所有斷面水質達到功能區所要求的水質類別，存在一定的有機污染。周璐紅等[17]同樣應用模糊綜合評價法分析了渭河陜西段的水質在時間上和空間上的變化趨勢，結果認為渭河陜西段的污染在逐年加重，且咸陽污染最嚴重，渭南次之。武瑋等[22]針對渭河流域采用多種方法取樣分析結果表明，渭河的水質情況最差，而渭河南岸支流水質最好。沋河作為渭河南岸支流中較大的一支，近年來針對其水質現狀開展調查分析的報道較為缺乏，急需開展此方面的分析研究。為此，本研究以城市居民主要飲用水源地的沋河為研究對象，開展水環境質量綜合評價。該研究的開展不僅對于保護渭南城區飲用水源地、確保居民生活用水安全具有重要的現實意義，也為沋河水源地與沋河流域生態環境保護提供一定的管理與決策依據。同時，基于上述方法的優缺點，本研究利用熵權法賦權確定各監測指標權重，使評價結果更客觀、全面和合理，有效地克服了單因子評價法的不足與主觀賦值的影響。引入模糊物元方法，結合熵權和歐氏貼近度理論，建立基于熵權的水環境質量模糊物元評價模型，選取評價指標，應用模糊物元模型對沋河水庫監控斷面2011—2015年的水環境質量進行了綜合評價。

1? 材料與方法

1.1? 研究區概況

沋河是渭河的主要支流，全長41.5 km，全流域面積269.5 km2。位于34°15′—34°32′E，109°30′—109°35′N。整個流域形狀為南北長、南寬北窄、中間僅5.5 km的葫蘆形。流域內地勢南高北低，比降34.7%，落差較大。沋河流域地處暖溫帶半濕潤大陸性氣候區，氣候特點為冬寒干燥少雨雪，春暖多變升溫快，夏熱多雨有伏旱，秋涼氣爽陰雨多。流域區年平均降水量為790 mm，且多集中于汛期，7—10月降雨量占全年的60%左右。

沋河水庫是渭南市城市水源保護地，位于沋河干流上，壩址位于沋河下游的蔣家村，距離渭南市區4.5 km。水庫于1963年投入使用，目前是一座以城市供水為主、兼顧防洪和農業灌溉的綜合性中型水利樞紐工程。1999年經陜西省政府批準設立了沋河水庫地表水飲用水源保護區，水源保護區范圍包括黃土臺塬區和丘陵溝壑區沋河集水區，南北從水庫大壩至沋河源頭以及箭峪水庫及其集水區，總面積約255.1 km2[23]。

水源地保護區內居住著14個自然村的村民，農村垃圾及廢棄物隨意堆放，生活污水直接或間接排入水庫內，耕地施肥經雨水沖刷也進入庫區;庫區東西兩岸分別有西南鐵路、渭花公路穿越一類保護區并長距離經過流域，貨物運輸、旅客、游人也給水源帶來一定程度的污染，特別是一、二類保護區距離渭南城區僅數千米，春夏季市民來此釣魚游樂也給水源地造成一定程度的污染[13]。可見，對沋河水源地水環境質量現狀進行綜合評價是非常必要的。

1.2? 資料來源及因子選取

依據《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002），利用2011—2015年渭南市沋河水庫水環境質量監測數據，綜合考慮沋河水質的主要影響因子，選取了溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數、化學需氧量、5日生化需氧量、氨氮、總磷和總氮等7項評價指標，應用模糊物元模型對沋河水庫監控斷面的水環境質量進行綜合評價。

1.3? 方法

1.3.1? 模糊物元的基本概念? 在物元分析中，由事物M、特征C和量值x 3個要素組成物元R，若量值x具有模糊性，則將R稱為模糊物元。由此，n個事物的m維物元組成復合模糊物元Rnm。

1.3.2? 從優隸屬度的計算? 將從優隸屬度μji定義為各單項指標對應的模糊量值從屬于標準方案對應的模糊量值的隸屬程度，由各從優隸屬度μji組成從優隸屬度矩陣R′nm。

為了構建較優化的隸屬度模糊物元，需制定單項從優隸屬度原則，即以單項指標的從優隸屬度作為標準來衡量。從優隸屬度是各單項評價指標相應的模糊量值從屬于標準樣本所對應的各評價指標相應模糊量值的隸屬程度。對于越大越優型和越小越優型指標可分別采用式（3）和（4）計算從優隸屬度[15]。

式中，xji代表第j個事物中第i項評價指標對應的量值，maxxji、minxji分別代表各評價樣本中第i項評價指標所對應的所有量值中的最大值和最小值。

1.3.3? 標準模糊物元和差平方矩陣的計算? 標準模糊物元R0m是指從優隸屬度矩陣Rnm中的最大值或最小值。若以Δji（i=1，2，…m，;j=1，2，…，n）表示標準模糊物元R0m與從優隸屬度矩陣R′nm中各個元素的差的平方，則差平方矩陣RΔ可表示為：

1.3.4? 熵權系數的計算? 由于水環境質量評價指標的重要程度不同，因此需要確定其權重。在信息論中，熵值反映信息無序化程度，其值越小，系統無序度就越小，因此可用信息熵評價所獲系統信息的有序度及其效用，即由評價指標值構成的判斷矩陣來確定指標權重。

熵權系數的具體計算步驟[24]：

設由n個事物和m個評價指標組成判斷矩陣R。

1.3.5? 貼近度（綜合評價優劣度）的計算? 利用歐式貼近度來表示被評價樣本與標準樣本的接近程度，從而對各方案進行優劣排序或類別劃分。歐式貼近度的復合模糊物元矩陣RPH的表達式：

式（15）中，PHj為貼進度模糊物元矩陣RPH中的第j個貼近度，并且滿足以下條件：

貼近度越大，表示被評價樣本與標準樣本越接近，反之則相離越遠，因此可以利用貼近度來表示被評價樣本的環境質量與標準樣本的差別程度。

2? 結果與分析

2.1? 相關性分析

依據2011—2015年渭南市沋河水庫水環境質量監測數據，采用SPSS19.0對各評價指標的含量進行描述性統計與相關性分析。除DO、COD和BOD5達到《地表水環境質量標準》Ⅰ類標準值外，其余5項指標均符合《地表水環境質量標準》Ⅲ類標準，其中CODMn和COD在2011—2015年的年均值變化幅度較大，pH、DO、BOD5、NH3-N、TP、TN總體變化較小，具體見表1。

從表2可以看出，BOD5與CODMn極顯著正相關（r=0.994，P<0.01），TN與NH3-N顯著正相關（r=0.914，P<0.05）;沋河水源地監測斷面水體中的BOD5與CODMn、TN與NH3-N之間存在同時增高的現象，表現出相似的遷移規律，在一定程度上呈現復合污染的趨勢，且幾種污染可能存在相似來源。

2.2? 水環境質量綜合評價

選取2011—2015年渭南市沋河水庫水環境質量監測數據中DO、CODMn、COD、BOD5、NH3-N、TP和TN 7項評價指標，將5年沋河水庫的監控斷面和5級水環境質量標準（GB 3838-2002）作為10個事物，7個污染物濃度指標作為7個特征，組成復合模糊物元，具體見表3。

選取的水環境質量7項指標中DO為正向指標，其他6項為負向指標，因此可利用式（3）和式（4）分別計算量值的從優隸屬度。取從優隸屬度矩陣中的最大值組成標準模糊物元，即各指標從優隸屬度均為1，得到差平方復合模糊物元，見表4。

由10個事物和7個評價指標組成判斷矩陣，利用式（8）、式（9）將判斷矩陣中的元素進行歸一化處理，將結果代入式（12）和式（10），得到評價指標的熵值，然后代入式（13）得到評價指標的權重系數，見表5。

最后，將評價指標的熵值和權重系數代入式（16）中，得到歐式貼近度，由此得到2011—2015年沋河水庫水環境質量的綜合排序，具體見表6。

由表6可知，沋河水庫監控斷面2011—2015年的水環境質量的優劣排序為2013年>2015年>2011年>2014年>2012年，其中2013年水質綜合評價等級最高，接近《地表水環境質量標準》Ⅰ類標準的最高值，2012年屬于評價年度里等級最低者，但同樣屬于《地表水環境質量標準》I類標準，且與II類標準相應指標相差較大，可見評價對象在2011—2015年水質等級均較高，同時完全符合《生活飲用水衛生標準》，作為居民飲用水源地，沋河水庫的保護成果較好。測試水體水質良好，這與水源地處在農村、遠離城市與工業園區、周圍多為農業用地等現狀有關，污染物來源相對較少，主要為地表徑流與少量農業面源污染。結合實地走訪，建議相關部門重視沋河流域農業生產大量施用化肥、農藥的現狀，加強監測與管控，保障飲用水源地的用水安全。

3? 小結

1）對2011—2015年沋河水源地的水環境質量評價和主要污染物的趨勢分析表明，沋河流域水質良好，且一直保持穩定狀態，2013年水質最佳。

2）被測水體水質主要污染物來源為溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量和5日生化需氧量，其中高錳酸鹽指數和化學需氧量在2011—2015年的年均值變化幅度較大，在水質綜合評價中的貢獻率較高。

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