基于模糊綜合指數(shù)法的嘉陵江漢中段水質評價

夏煥清，霍秀秀

(漢中水文水資源勘測中心，陜西漢中723000)

水是生命之源、生產之要、生態(tài)之基。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，我國水資源短缺、水污染、水生態(tài)惡化等問題日益成為制約當?shù)亟?jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。對此，我國系統(tǒng)總結水資源管理實踐經(jīng)驗，于2011年中央1號文件和中央水利工作會議明確要求實行最嚴格水資源管理制度，確立水資源開發(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”，從制度上推動經(jīng)濟社會發(fā)展與水資源水環(huán)境承載能力相適應。針對中央關于水資源管理的戰(zhàn)略決策，國務院發(fā)布了《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，全面推動最嚴格水資源管理制度貫徹落實，促進水資源合理開發(fā)利用和節(jié)約保護，保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。

河流水質評價是“三條紅線”實施的基礎，現(xiàn)階段河流水質評價的方法有：單因子評價法、模糊綜合評價法、綜合污染指數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANNs)評價法、灰色關聯(lián)分析法、物元分析法等。這些評價方法各有優(yōu)缺，因為河流水質評價在污染程度與水質類別等方面存在籠統(tǒng)概念和模糊現(xiàn)象，所以模糊數(shù)學理論在河流水質評價中得到使用。本文通過單因子評價法與模糊綜合指數(shù)法對嘉陵江略陽段做水質評價，為地方政府在嘉陵江漢中段實行最嚴格水資源管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

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大鳳溝，嘉陵江干流漢中段全長141.7 km，漢中段流域面積為0.75萬km2，由甘肅省徽縣流入漢中市略陽縣，經(jīng)漢中市寧強縣流入四川省廣元市。區(qū)內為亞熱帶濕潤季風氣候，略陽段多年平均降水量為762.7 mm，寧強段多年平均降水量為1024.8 mm，降水由北向南逐漸遞增。

1.2 斷面設置

嘉陵江干流漢中段水質斷面設有白水江、徐家坪、略陽、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，下游燕子砭四個斷面作為本次分析斷面。斷面布設情況見圖1。

圖1 嘉陵江漢中段水質斷面分布圖

1.3 數(shù)據(jù)來源

本文水質數(shù)據(jù)采用陜西省水環(huán)境監(jiān)測中心漢中分中心2015年～2019年對嘉陵江漢中段干流四個斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，見表1。

表1 2015年～2019年度水期水質監(jiān)測數(shù)據(jù)年度均值表 單位: mg/L

2 評價標準與方法

2.1 單因子評價

水質類別按所評價項目中水質最差項目的類別確定，即評價項目監(jiān)測數(shù)據(jù)與GB 3838-2002項目標準限值比對，以所有項目中最差的結果確定斷面水質類別，當不同類別水質標準限值相同時，遵循從優(yōu)不從劣原則。

2.2 模糊綜合評價

通過構造隸屬函數(shù)和隸屬度矩陣，利用最大隸屬度原則，對水體水質做綜合評價。

2.2.1 建立評價因子集

因子是所監(jiān)測項目中確定水質類別的評價項目，因子集是x個確定水質類別的評價項目組成的模糊子集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)、化學需氧量(DO)、總磷(TP)五個項目為評價項目。

2.2.2 建立評價集

評價集是水質評價項目確定水質類別所依據(jù)的評價標準集合(地表水環(huán)境質量標準基本項目標準限值)，其分為5個等級，評價集P={p1,p2,p3,p4,p5}。

2.2.3 建立隸屬函數(shù)，建立模糊關系矩陣

隸屬函數(shù)是指評價項目的測定結果是地表水環(huán)境質量標準限值某類水的程度方程。本文隸屬度計算方法采用降半梯形分布。

(1)

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

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

另一種是項目檢測值越小，水質越差。例如水中溶解氧的隸屬度函數(shù)為：

第一級：

(7)

第二級至第四級：

(8)

第五級：

(9)

式中：C為評價指標的實際檢測濃度值；Si，j-1、Si，j、Si，j+1分別表示第i項指標對應的第j-1、j、j+1級水質類別標準值。

根據(jù)隸屬度函數(shù)公式，將斷面檢測項目數(shù)據(jù)代入計算出項目隸屬度，依此建立模糊關系矩陣為：

式中：lmn為第m項檢測項目在第n級別的隸屬度。

2.2.4 建立權重集A

本文采用超標倍數(shù)法確定權重，即項目檢測值與項目各級水質標準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各單因素作用的大小[2]。

(10)

(11)

項目檢測值越小，水質越好，用式(10)計算，反之用式(11)計算。可得相對應的權重集A=[Q1,Q2,…,Qm]。

2.2.5 模糊綜合指數(shù)法評價結果B

模糊綜合評價模型為：

(12)

式中：b矩陣表示水質中的某項評價中權重等級的程度，依據(jù)《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838-2002)水質類別分類構建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價結果：

B=b·S

(13)

3 計算與分析

3.1 計算隸屬度

依據(jù)式(2)～式(9)計算斷面水質類別隸屬度，對嘉陵江漢中段2015年～2019年的水質項目進行計算，以2015年數(shù)據(jù)為例，計算結果見表2。

表2 2015年度水期嘉陵江漢中段四個斷面水質類別隸屬度表

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 計算評價項目權重

依據(jù)式(10)～式(11)對斷面評價項目做權重計算，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 計算模糊綜合指數(shù)

依據(jù)式(12)可得模糊綜合評價矩陣：

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(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開發(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(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 模糊綜合評價與單因子評價結果比較

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

表3 模糊綜合評價與單因子評價結果對比表

通過比較，斷面水質評價結果采樣模糊綜合法水質類別幾乎提升一個類別，且在同一類別下也可直觀判斷河流斷面水質的優(yōu)劣。

4 結論

(1)通過模糊綜合評價，嘉陵江漢中段2015年～2019年度水質類別均為Ⅰ類，比單因子評價水質類別更優(yōu)。

(2)同一水質類別，經(jīng)模糊綜合評價后也可比較水質的優(yōu)劣，相比單因子評價更能夠客觀地反應斷面水質。

(3)模糊綜合評價水質，在2015年～2019年度嘉陵江漢中段Ⅱ水質類別中氨氮和總磷項目的權重較大，污染物在水質類別中的權重對治理污染、提升水質的措施更加具有針對性。

(4)嘉陵江漢中段水質近5 a來保持著穩(wěn)定，且緩沖區(qū)優(yōu)于保留區(qū)，保留區(qū)優(yōu)于開發(fā)利用區(qū)，與現(xiàn)階段嘉陵江漢中段水質現(xiàn)狀相吻合。