基于模糊綜合指數(shù)法的嘉陵江漢中段水質(zhì)評(píng)價(jià)

夏煥清，霍秀秀

(漢中水文水資源勘測(cè)中心，陜西漢中723000)

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，我國(guó)水資源短缺、水污染、水生態(tài)惡化等問(wèn)題日益成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。對(duì)此，我國(guó)系統(tǒng)總結(jié)水資源管理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，于2011年中央1號(hào)文件和中央水利工作會(huì)議明確要求實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，確立水資源開(kāi)發(fā)利用控制、用水效率控制和水功能區(qū)限制納污“三條紅線”，從制度上推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與水資源水環(huán)境承載能力相適應(yīng)。針對(duì)中央關(guān)于水資源管理的戰(zhàn)略決策，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》，全面推動(dòng)最嚴(yán)格水資源管理制度貫徹落實(shí)，促進(jìn)水資源合理開(kāi)發(fā)利用和節(jié)約保護(hù)，保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

河流水質(zhì)評(píng)價(jià)是“三條紅線”實(shí)施的基礎(chǔ)，現(xiàn)階段河流水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法有：?jiǎn)我蜃釉u(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANNs)評(píng)價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、物元分析法等。這些評(píng)價(jià)方法各有優(yōu)缺，因?yàn)楹恿魉|(zhì)評(píng)價(jià)在污染程度與水質(zhì)類別等方面存在籠統(tǒng)概念和模糊現(xiàn)象，所以模糊數(shù)學(xué)理論在河流水質(zhì)評(píng)價(jià)中得到使用。本文通過(guò)單因子評(píng)價(jià)法與模糊綜合指數(shù)法對(duì)嘉陵江略陽(yáng)段做水質(zhì)評(píng)價(jià)，為地方政府在嘉陵江漢中段實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

嘉陵江發(fā)源于陜西省鳳縣秦嶺南麓代王山西側(cè)大鳳溝，嘉陵江干流漢中段全長(zhǎng)141.7 km，漢中段流域面積為0.75萬(wàn)km2，由甘肅省徽縣流入漢中市略陽(yáng)縣，經(jīng)漢中市寧強(qiáng)縣流入四川省廣元市。區(qū)內(nèi)為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，略陽(yáng)段多年平均降水量為762.7 mm，寧強(qiáng)段多年平均降水量為1024.8 mm，降水由北向南逐漸遞增。

1.2 斷面設(shè)置

嘉陵江干流漢中段水質(zhì)斷面設(shè)有白水江、徐家坪、略陽(yáng)、魯光坪、燕子砭，依據(jù)斷面情況，本文選取漢中段上游白水江，中游徐家坪、魯光坪，下游燕子砭四個(gè)斷面作為本次分析斷面。斷面布設(shè)情況見(jiàn)圖1。

圖1 嘉陵江漢中段水質(zhì)斷面分布圖

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文水質(zhì)數(shù)據(jù)采用陜西省水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心漢中分中心2015年～2019年對(duì)嘉陵江漢中段干流四個(gè)斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 2015年～2019年度水期水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)年度均值表 單位: mg/L

2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法

2.1 單因子評(píng)價(jià)

水質(zhì)類別按所評(píng)價(jià)項(xiàng)目中水質(zhì)最差項(xiàng)目的類別確定，即評(píng)價(jià)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與GB 3838-2002項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值比對(duì)，以所有項(xiàng)目中最差的結(jié)果確定斷面水質(zhì)類別，當(dāng)不同類別水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值相同時(shí)，遵循從優(yōu)不從劣原則。

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)構(gòu)造隸屬函數(shù)和隸屬度矩陣，利用最大隸屬度原則，對(duì)水體水質(zhì)做綜合評(píng)價(jià)。

2.2.1 建立評(píng)價(jià)因子集

因子是所監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中確定水質(zhì)類別的評(píng)價(jià)項(xiàng)目，因子集是x個(gè)確定水質(zhì)類別的評(píng)價(jià)項(xiàng)目組成的模糊子集Y={y1,y2,y3,…,yx}。本文選擇高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH2)、化學(xué)需氧量(DO)、總磷(TP)五個(gè)項(xiàng)目為評(píng)價(jià)項(xiàng)目。

2.2.2 建立評(píng)價(jià)集

評(píng)價(jià)集是水質(zhì)評(píng)價(jià)項(xiàng)目確定水質(zhì)類別所依據(jù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集合(地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值)，其分為5個(gè)等級(jí)，評(píng)價(jià)集P={p1,p2,p3,p4,p5}。

2.2.3 建立隸屬函數(shù)，建立模糊關(guān)系矩陣

隸屬函數(shù)是指評(píng)價(jià)項(xiàng)目的測(cè)定結(jié)果是地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值某類水的程度方程。本文隸屬度計(jì)算方法采用降半梯形分布。

(1)

其有兩種程度方程式，一種是項(xiàng)目檢測(cè)值越小，水質(zhì)越好。例如水中高錳酸鹽指數(shù)的隸屬度函數(shù)為：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

另一種是項(xiàng)目檢測(cè)值越小，水質(zhì)越差。例如水中溶解氧的隸屬度函數(shù)為：

第一級(jí)：

(7)

第二級(jí)至第四級(jí)：

(8)

第五級(jí)：

(9)

式中：C為評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際檢測(cè)濃度值；Si，j-1、Si，j、Si，j+1分別表示第i項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的第j-1、j、j+1級(jí)水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)隸屬度函數(shù)公式，將斷面檢測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)代入計(jì)算出項(xiàng)目隸屬度，依此建立模糊關(guān)系矩陣為：

式中：lmn為第m項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目在第n級(jí)別的隸屬度。

2.2.4 建立權(quán)重集A

本文采用超標(biāo)倍數(shù)法確定權(quán)重，即項(xiàng)目檢測(cè)值與項(xiàng)目各級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值的平均值之比歸一化處理所得到的值。本方法可以客觀的表達(dá)各單因素作用的大小[2]。

(10)

(11)

項(xiàng)目檢測(cè)值越小，水質(zhì)越好，用式(10)計(jì)算，反之用式(11)計(jì)算。可得相對(duì)應(yīng)的權(quán)重集A=[Q1,Q2,…,Qm]。

2.2.5 模糊綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果B

模糊綜合評(píng)價(jià)模型為：

(12)

式中：b矩陣表示水質(zhì)中的某項(xiàng)評(píng)價(jià)中權(quán)重等級(jí)的程度，依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)水質(zhì)類別分類構(gòu)建S=[1,2,3,4,5]賦值列矩陣，用b矩陣與S矩陣相乘得斷面模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果：

B=b·S

(13)

3 計(jì)算與分析

3.1 計(jì)算隸屬度

依據(jù)式(2)～式(9)計(jì)算斷面水質(zhì)類別隸屬度，對(duì)嘉陵江漢中段2015年～2019年的水質(zhì)項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算，以2015年數(shù)據(jù)為例，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2015年度水期嘉陵江漢中段四個(gè)斷面水質(zhì)類別隸屬度表

剩余年份以及斷面的矩陣按同樣的方法得到，不一一列出。

3.2 計(jì)算評(píng)價(jià)項(xiàng)目權(quán)重

依據(jù)式(10)～式(11)對(duì)斷面評(píng)價(jià)項(xiàng)目做權(quán)重計(jì)算，以2015年數(shù)據(jù)為例：

A白水江2015=[0.17,0.13,0.16,0.38,0.16]

A徐家坪2015=[0.14,0.13,0.17,0.40,0.16]

A魯光坪2015=[0.17,0.11,0.15,0.39,0.18]

A燕子砭2015=[0.18,0.11,0.13,0.39,0.19]

剩余年份及斷面按同樣的方法得到，不一一列出。

3.3 計(jì)算模糊綜合指數(shù)

依據(jù)式(12)可得模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣：

b白水江2015=[0.93,0.07,0,0,0]

b徐家坪2015=[0.93,0.07,0,0,0]

b魯光坪2015=[0.90,0.10,0,0,0]

b燕子砭2015=[0.92,0.08,0,0,0]

依據(jù)式(13)可得模糊綜合指數(shù)：

B白水江2015=b白水江2015·S=1.07 (白水江為嘉陵江陜甘緩沖區(qū));

B徐家坪2015=b徐家坪2015·S=1.07 (徐家坪為嘉陵江略陽(yáng)(上段)保留區(qū));

B魯光坪2015=b魯光坪2015·S=1.10 (魯光坪為嘉陵江略陽(yáng)開(kāi)發(fā)利用區(qū));

B燕子砭2015=b燕子砭2015·S=1.08 (燕子砭為嘉陵江略陽(yáng)(下段)保留區(qū));

剩余年份及斷面按同樣的方法得到，不一一列出。

3.4 模糊綜合評(píng)價(jià)與單因子評(píng)價(jià)結(jié)果比較

由表3可知，2015年～2019年單因子評(píng)價(jià)斷面水質(zhì)類別多數(shù)為Ⅱ類，模糊綜合評(píng)價(jià)水質(zhì)類別全為Ⅰ類。

表3 模糊綜合評(píng)價(jià)與單因子評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比表

通過(guò)比較，斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果采樣模糊綜合法水質(zhì)類別幾乎提升一個(gè)類別，且在同一類別下也可直觀判斷河流斷面水質(zhì)的優(yōu)劣。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)，嘉陵江漢中段2015年～2019年度水質(zhì)類別均為Ⅰ類，比單因子評(píng)價(jià)水質(zhì)類別更優(yōu)。

(2)同一水質(zhì)類別，經(jīng)模糊綜合評(píng)價(jià)后也可比較水質(zhì)的優(yōu)劣，相比單因子評(píng)價(jià)更能夠客觀地反應(yīng)斷面水質(zhì)。

(3)模糊綜合評(píng)價(jià)水質(zhì)，在2015年～2019年度嘉陵江漢中段Ⅱ水質(zhì)類別中氨氮和總磷項(xiàng)目的權(quán)重較大，污染物在水質(zhì)類別中的權(quán)重對(duì)治理污染、提升水質(zhì)的措施更加具有針對(duì)性。

(4)嘉陵江漢中段水質(zhì)近5 a來(lái)保持著穩(wěn)定，且緩沖區(qū)優(yōu)于保留區(qū)，保留區(qū)優(yōu)于開(kāi)發(fā)利用區(qū)，與現(xiàn)階段嘉陵江漢中段水質(zhì)現(xiàn)狀相吻合。