遼河流域鞍山段水質評價

莊金昊

(遼寧省河庫管理服務中心(鞍山水文局)，遼寧 鞍山 114300)

0 引 言

水是維持社會發(fā)展和生產生活的基礎性資源，評價與分析區(qū)域水質狀況具有重要的現實意義。水質評價是依據科學的方法和標準規(guī)范，選取相應的定量或定性指標分析河段水污染情況，該過程能夠準確揭示水質發(fā)展趨勢、變化特征及水體狀況，為水污染防止、水資源利用及其管理規(guī)劃提供科學的指導[1-2]。針對我國主要河流、湖泊等水環(huán)境狀況，自20世紀中期許多學者開展了一系列的研究。例如，劉榮榮等對瀏河水環(huán)境質量運用單因子標準法評價，結果發(fā)現該流域水環(huán)境受到一定程度的污染且已無法達到地表水質要求；岳霞等研究認為全國七大水系均在一定程度上受到污染，且局部水域的污染治理取得一定的成效；易文利等對典型河段的6個斷面水質狀況采用模糊綜合評價法分析，結果發(fā)現參評的所有斷面均能滿足水功能區(qū)標準要求；郭蓉等認為單因子指數法和綜合評價法為水環(huán)境質量評價最為常用的方法，該方法能夠直觀的反映評價標準與水質狀況之間的關系，具有原理清晰、簡單明了等優(yōu)點[3-6]。

當前，人工神經網絡法、模糊綜合法、灰色系統法、污染指數法、層次分析法和單因子評價法等為水質評價的常用方法[7-8]。其中，單因子評價法存在運算量少、操作簡單等特點，由于考慮的不夠系統全面其推廣應用受到一定局限；層次分析法往往具有較強的主觀性，評價結果受人為因素的影響顯著，而模糊評價法涉及到的計算流程多、運算復雜。灰色關聯法因具有定量定性分析一致、計算結果快捷、對數據規(guī)律性和樣本數量要求低等優(yōu)點，在多個領域均已獲得廣泛應用。遼河流域作為鞍山地區(qū)重要的飲用水源，現有研究關于該河段水質的評價分析較少，且對其污染現狀的調查資料比較缺乏，有必要對該河段水質狀況進行科學的評價研究。因此，文章選取遼河流域鞍山段為例，依據五道河源頭、太平溝、千山、紅土嶺4個斷面各季度水質實測數據和地表水環(huán)境標準，對河流水環(huán)境質量運用灰色關聯法科學評價。

1 灰色關聯評價模型

1.1 方法理論

河流水質評價既要考慮區(qū)域的特殊性，又要確保各因子數據的準確性和可獲取性，這就要求在眾多的影響要素中篩選出有針對性的控制性要素。當前，基于數理統計的主成分分析或回歸分析為常用的方法，這些方法要求數據樣本服從某一概率分布且所需要的數據量龐大，所以在實際應用時存在一定的局限。因此，文章選取灰色關聯法構建水質評價模型，該方法是一種表征多因子之間強弱、大小、次序的數學方法，根據關聯度的大小描述比較序列隸屬于參考序列的“緊密聯系”程度，因具有要求樣本數量少、運算量小、理論清晰等優(yōu)點，可以有效避免數理統計法存在的不足，比較適用于水環(huán)境質量的評價研究。另外，灰色關聯法以斷面監(jiān)測數據為計算依據，由此獲取的各要素貢獻率大小能夠與水質等級保持較高的一致性。在水環(huán)境評價過程中，通過比較地表水環(huán)境質量與實測水質數據獲取各分級的關聯度，河流水質類別為最大值隸屬的等級。

1.2 建模流程

1.2.1 參考數列和比較數列

設定比較、參考數列為水環(huán)境質量標準等級和水系斷面的實測值，水質評價比較數列表示為Xi={xi(k)/k=1，2，…，n}、參考數列為X0={x0(k)/k=1，2，…，n}，其中xi(k)為無量綱化處理后的評價指標k的標準值，i為水質標準級別。

1.2.2 關聯系數及關聯度

采用下述公式求解水質評價參考數列與比較數列之間的關聯系數ξ，即：

(1)

關聯系數越多則水環(huán)境質量整體評價的關聯程度越復雜，由此獲取的數據信息越分散，因此有必要引入一個關聯度值反映每個關聯系數的總體情況，取平均值作為最終的水質評價關聯度，即：

(2)

根據關聯度最終的運算結果確定比較數列隸屬于參考數列的“優(yōu)劣”程度，由此獲取各河段的水質類別和評價等級。

2 遼河流域鞍山段水質評價

2.1 流域概況

遼河流域全長1345km，地理位置為117°00′-125°30′、北緯40°30′-45°15′之間，總面積為21.9萬km2。調查顯示，遼河年均徑流量128×108m3，有太子河、大遼河、渾河、柴河、老哈河、渾河、西拉木倫河等支流。流域內屬于溫帶季風氣候，年降水量350-1100mm，年均氣溫8.0℃-12.6℃，冬冷夏熱、日照充足、四季分明，干流河段徑流鐵嶺、本溪、撫順、遼陽、鞍山、沈陽、營口、盤錦等地區(qū)后匯入渤海。

遼河干流為我國東北地區(qū)重要的重工業(yè)、畜牧業(yè)和農業(yè)糧食生產區(qū)，生產總值、耕地面積和人口規(guī)模約占遼寧省的1/3。遼河流域鞍山段聚集了大多數的紡織、機械、化工和冶金等工業(yè)企業(yè)，屬于典型的水環(huán)境污染區(qū)。近年來，鞍山市憑借其特有的地理優(yōu)勢和環(huán)境條件迅速發(fā)展當地經濟，各行業(yè)用水量迅速增大并對水體環(huán)境產生較為顯著影響，獨特的水文條件和經濟發(fā)展模式使得鞍山段河流嚴重影響著區(qū)域經濟發(fā)展。河流水質主要體現在如下方面：鞍山地區(qū)每年6-9月降水量占全年的60%以上，季節(jié)性缺水和秋冬季河道斷流等現象頻繁出現；各監(jiān)測斷面水質超標嚴重，不同年份和斷面的水質污染程度不同，加之水資源時空分布不均使得用水矛盾更加突出；由于區(qū)域水資源管理與經濟發(fā)展模式不協調，各區(qū)縣在取水、排污過程中可能發(fā)生糾紛；水電站、大壩等水利工程建設對河流水生態(tài)應縣顯著，同時河流天然徑流和生態(tài)功能退化嚴重。鑒于此，對遼河流域鞍山段水質狀況及其變化特征利用合理的方法進行評價分析，可為流域水環(huán)境保護和管理決策的制定提供科學的指導[9-16]。

2.2 評價指標及標準

設定水質評價參考數列為鞍山段五道河源頭、太平溝、千山、紅土嶺4個控制斷面2018年各季度監(jiān)測數據，水環(huán)境質量比較數列為地表水評價標準，評價因子選取溶解氧、氨氮、總氮、總磷和揮發(fā)酚，各控制斷面評價因子的第一季度統計數據和水環(huán)境質量標準如表1所示。

表1 各控制斷面監(jiān)測數據和水環(huán)境質量標準 mg/L

數據值監(jiān)測斷面水質級別五道河紅土嶺太平溝千山ⅠⅡⅢⅣⅤ總磷0.030.180.040.020.020.100.200.300.40總氮14.268.519.146.400.20.51.01.52.0氨氮0.1511.6920.2240.1770.150.501.001.502.00揮發(fā)酚0.00050.00030.00030.00030.0020.0020.0050.0100.100溶解氧13.511.411.712.17.56.05.03.02.0

考慮到各項評價因子之間數量級的不同無法直接參與評價，因此水質評價前應統一無量鋼化處理各項因子值，如表2所示。

表2 各評價因子無量綱化值

2.3 關聯系數和關聯度

表3 水質標準與千山斷面實測水質關聯系數

根據計算公式(2)和表3中的關聯系數值，可獲取5個評價等級下各個控制斷面的水質隸屬度為R1、R2、R3、R4、R5為0.575、0.806、0.814、0.822、0.797。按照最大隸屬度原則確定關聯度最大值為R4的0.822，由此可認為千山控制斷面2018年第一季度水質為Ⅳ級；同理，可依次確定其它控制斷面的水質評價等級如表4所示。

表4 遼河流域鞍山段各控制斷面水質關聯度Ri

河流水環(huán)境質量等級利用各季度各斷面對應的最大關聯度確定，采用文中相關公式確定各斷面的水質等級如表5所示。

表5 各斷面各季度水質等級

根據以上評價結果可知，遼河流域鞍山段水質總體處于Ⅳ級水平，各個控制斷面的水質狀況存在一定差異，其中四季度水質相對較差，該評價結果與河流水質實際情況保持較好的一致性，由此表明灰色關聯法具有較高的科學性和有效性。

3 結 論

1)在水資源管理和水環(huán)境保護中科學評價河流的水環(huán)境十分必要，通過科學分析水質狀況可為推動流域水資源保護、有針對性的制定河湖水環(huán)境管理決策以及準確診斷河湖水質狀況等提供科學的指導。文章對遼河流域鞍山段水質狀況利用灰色關聯法評價，結果發(fā)現該河段各控制斷面水質總體達到Ⅳ級，水環(huán)境質量總體處于較差水平且受季節(jié)因素的影響較弱。

2)生活污水排放和鋼鐵工業(yè)企業(yè)廢水排放為造成遼河流域鞍山段水質污染的主要原因，為治理和改善水體環(huán)境建議從如下方面入手：建設污水處理產業(yè)和水資源核算體系，推行最嚴格水資源管理制度和清潔生產值；為節(jié)能減排、降低污染物產生及實現水資源循環(huán)利用，不斷優(yōu)化用水配置和水質實時監(jiān)測系統。