基于模糊隸屬度模型的遼河干流水質評價

梁廣林，賈振宇，高艷妮，孫倩瑩，戴霞，侯春飛?

1.國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室,中國環境科學研究院

2.環境基準與風險評估國家重點實驗室,中國環境科學研究院

水是生命之源、生產之要、生態之基,對于維系生態環境和支持經濟社會發展具有基礎性和戰略性意義[1]。新中國成立以來,我國國民經濟與社會發展取得了舉世矚目的成就,但與此同時,農業面源污染急劇增加,加之未經有效治理的工業廢水和生活污水排入河流,導致水體污染嚴重,水環境質量下降,影響了居民的生存健康,制約了經濟社會的可持續發展[2]。如何科學評價水環境質量,根據其時空變化采取適宜的污染防控措施,對打贏水污染防治攻堅戰具有重要意義。

遼河流域是我國重要的化學工業和糧食生產基地,隨著經濟快速發展和城鎮化水平提升,出現了一系列水環境污染問題。例如,化肥和農藥過度使用、生活污水和工業廢水以及固體垃圾綜合處理能力不足等,嚴重威脅地表水的安全[3]。針對遼河水質污染問題,許多學者開展了有針對性的研究,如趙長亮[4]對2016—2018年遼河流域干流、渾河、太子河等部分河段的化學需氧量(COD)與氨氮(NH3-N)濃度等水質指標進行了監測分析；劉浩等[5]利用溶解氧(DO)濃度、NH3-N濃度與高錳酸鹽指數,通過單因子指數法對遼河流域吉林區域水質狀況和變化特征進行了評價；莊金昊[6]采用灰色關聯方法,對2018年遼河流域鞍山段水質狀況進行了分級評價；李紫煜[7]利用2個國控斷面COD與DO、NH3-N濃度等監測指標,采用模糊評價和加權分析方法,對2008—2018年遼河干流水質綜合狀況進行了評估；王彥麗等[3]結合DO、NH3-N濃度與COD 3個指標,利用模糊綜合評價和隸屬度加權分析相結合的方法,對遼河干流2008—2017年2個國控監測斷面的水質變化進行了分析；馮娜娜等[8]等采用模糊綜合評價法,對鐵嶺、沈陽、鞍山和盤錦市2018年各區段河流水質健康等級進行評價,分析了遼河保護區土地利用方式對河流水質的影響。

總體來看,目前多采用單因子評價法和多指標綜合評價法對遼河水質進行研究。單因子評價法僅根據國家水質標準中最差指標的級別作為最終的水質級別[9],容易忽略其他指標的改善或惡化程度；而多指標綜合評價法由于采用的指標、權重、標準化和指標集成方法不同,評價結果的客觀性和適用性也會有所差異。目前關于遼河水質的相關研究,數據來源的時空尺度大多不同,鮮見對遼河水質的季節動態變化進行研究。為此,筆者以遼河干流為研究對象,建立水質綜合評價指標體系和分級標準閾值體系,采用模糊隸屬度模型構建水質綜合評價方法,綜合測度了2012—2018年遼河干流盤錦段、沈陽段、鐵嶺段水質的時空變化,并提出相應的對策建議,以期豐富水質綜合評價方法,并為遼河流域水污染防治提供參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

遼河是中國東北地區南部的最大河流,年均徑流量為128億m3,流經河北、內蒙古、吉林和遼寧4個省(自治區)。遼河地處中緯度地區,屬溫帶大陸性氣候,四季分明,冬冷夏熱,日照充足,年平均氣溫為8.0~12.6℃,年平均降水量為537.7~690.4 mm。由于獨特的地理特征和環境氣候,降水呈明顯的區域性與季節性特征,不同時間尺度上的降水量存在較大的差異。在空間分布上,平原地區相對于高山地區降水較少,與渤海相鄰的東南部降水量充足,而西北地區風沙干旱嚴重且降水稀少；在時間上,降水主要集中在6—9月,占全年總降水量的70%以上,且多以暴雨或強降雨為主。東遼河、西遼河匯集于福德店之后的河流即為遼河干流,主要經鐵嶺、沈陽、鞍山、盤錦后匯入渤海,長538 km,干流流域面積約1 869.7 km2。

1.2 指標體系及數據來源

遼河干流水質數據來源于遼河流域管理局監測數據,以及生態環境部發布的《全國主要流域重點斷面水質自動監測周報》的國家監控斷面數據。根據監測數據的可獲得性以及監測斷面在遼河干流的分布情況,選取2012—2018年遼河干流的鐵嶺段珠爾山、沈陽段馬虎山、盤錦段興安3個水質監測斷面(表1)的DO、NH3-N、COD、五日生化需氧量(BOD5)構成指標體系,對遼河干流水質進行評價。

表1 遼河干流水質監測斷面及指標選取Table 1 Selection of monitoring sections and indicators of water quality for the mainstream of Liaohe River

1.3 評價標準和閾值體系

水質評價中,由于各監測指標的原始數值之間無可比性,因此需要將各水質指標的原始數值轉化為具有可比性的標準化值,一般為0~1。為體現評價結果的差異,可將各監測指標的水質評價指數以0.2為極差,將水質均分為差(0~0.2)、較差(0.2~0.4)、中等(0.4~0.6)、良好(0.6~0.8)、優秀(0.8~1.0)5個級別。為了使各監測指標的水質評價指數具有可比性且具有現實指導意義,參考GB 3838—2002《地表水環境質量標準》,確定DO、NH3-N、BOD5、COD 4個指標對應的水質評價指數分級標準的閾值(表2)。例如,某監測斷面的NH3-N濃度為0.15~0.50 mg∕L,則其對應的水質綜合評價指數為0.6~0.8,對應的水質級別為良好。當然,由于該斷面的其他指標如COD不一定為10~15 mg∕L,因此會提升或降低最終的水質綜合評價結果。而該斷面水質最終屬于哪個級別,需要構建數學模型進行綜合評價。

表2 水質各評價指標的分級標準、閾值及權重體系Table 2 Grading standard,threshold value and weight system of each evaluation index for water quality

1.4 模糊隸屬度模型

水質綜合評價是通過主要水質監測指標來綜合反映水環境質量的一種方法,本研究采用模糊隸屬度模型進行水質綜合評價。模糊隸屬度模型是基于模糊數學理論,根據評價因子與評價對象的隸屬度關系將定性評價轉化為定量評價,通過對各評價值的屬性值進行標準化,解決各具體指標量綱不同而難以加權綜合的問題[10]。結合表2中的監測指標及分級標準,設指標集為W＝{w1,w2,w3,w4},評價集為H＝{h1,h2,h3,h4,h5},令h1為差,h2為較差,h3為中等,h4為良好,h5為優秀,則h1、h2、h3、h4、h5所對應的水質綜合指數區間分別為[k1,k2)、[k2,k3)、[k3,k4)、[k4,k5)、[k5,k6]。顯然,k1＝0,k2＝0.2,k3＝0.4,k4＝0.6,k5＝0.8,k6＝1。 對于任意指標j,假設水質綜合評價指數閾值k1、k2、k3、k4、k5、k6對應指標的標準值分別為u1、u2、u3、u4、u5、u6。

對于正向指標,其隸屬度公式為:

對于逆向指標,其隸屬度公式為:

式中:Wλij為第λ年(或月)第i監測斷面第j項指標的標準化值(稱為隸屬度或評價指數)；xλij為第λ年(或月)第i監測斷面第j項指標的實際值。

依據各指標對水質的影響程度,采用專家咨詢法確定各指標的權重(Sj)(表2),根據各指標的標準化值以及權重,可計算得到第λ年(或月)第i監測斷面的水質綜合評價指數(Qλi),即:

2 結果與分析

2.1 各監測斷面水質指標年際變化

2012—2018年遼河干流各監測斷面水質指標年際變化如圖1所示。由圖1可知,2012—2018年,各監測斷面評價指標的年際變化不盡相同。從DO年均濃度來看,3個監測斷面總體呈波動變化態勢,除個別月份外,均大于或接近7.5 mg∕L,由單因子表征的水質優于或接近GB 3838—2002Ⅰ類水質,鐵嶺段珠爾山斷面水質總體略優于其他2個監測斷面。從NH3-N年均濃度來看,3個監測斷面單因子表征的水質介于Ⅱ類~Ⅲ類,總體表現為下降的趨勢,具體表現為沈陽段馬虎山斷面NH3-N年均濃度較低,鐵嶺段珠爾山斷面居中,盤錦段興安斷面較高。從COD年均值來看,3個監測斷面單因子表征的水質為Ⅲ類~Ⅳ類,但變化趨勢并不相同。其中,鐵嶺段珠爾山斷面呈先升后降的變化趨勢,由2012年的19.1 mg∕L逐步上升至2015年的21.9 mg∕L,之后又開始緩慢下降到接近2012年的水平；沈陽段馬虎山監測斷面呈緩慢上升趨勢,盤錦段興安斷面呈先下降后升高趨勢,其中2017年以后明顯升高。從BOD5年均值來看,3個監測斷面單因子表征的水質為Ⅲ類~Ⅳ類,其中鐵嶺段珠爾山斷面略優于沈陽段馬虎山斷面,盤錦段興安斷面較差。鐵嶺段珠爾山斷面BOD5先降后升,2013年達到最低值,之后逐步上升,2018年達5.5 mg∕L；沈陽段馬虎山斷面先升后降,2014年達到最高值后,開始逐年下降；盤錦段興安斷面則逐年下降,由2012年的5.85 mg∕L降為2018年的4.00 mg∕L。

圖1 2012—2018年遼河干流各監測斷面水質指標年際變化Fig.1 Interannual variation of water quality indexes in each monitoring section of the mainstream of Liaohe River in 2012-2018

2.2 各監測斷面水質指標月際變化

遼河干流各監測斷面水質指標月際變化如圖2所示。由圖2可知,2012—2018年遼河干流3個監測斷面各監測指標的季節變化特征較為明顯。從DO月均濃度來看,3個監測斷面均表現為先降后升的趨勢,1月水體DO濃度較高,之后逐月下降,8月達到最低值,之后又緩慢上升,10—12月逐步恢復到1—2月的濃度水平。這是因為河流水體中DO濃度與溫度相關性較大,溫度降低時,DO濃度逐漸升高；溫度升高時,DO濃度逐漸降低[5]。從空間上看,總體表現為鐵嶺段珠爾山斷面逐月都較好,盤錦段興安斷面較差,沈陽段馬虎山斷面居中。從NH3-N月均濃度來看,3個斷面隨季節呈U型變化,1—4月較高,5月之后快速下降,6—10月達到較低值,11—12月逐步恢復到之前1—4月的濃度水平。從空間上看,總體表現為盤錦段興安斷面逐月濃度都較高,沈陽段馬虎山斷面居中,鐵嶺段珠爾山斷面較低。從COD月均值來看,3個斷面數值差距較小,總體變化趨勢較為平穩,但季節變化趨勢略有不同。其中,鐵嶺段珠爾山斷面1月COD較低,之后逐月上升,6月達到高值后又開始下降,7—10月保持相對穩定的低值后,11月開始上升,12月達到最高值；沈陽段馬虎山斷面1—3月較低,之后逐步上升,5月達到高值后又開始下降,7月達到低值后逐步上升,12月最高；盤錦段興安斷面1—2月較高,之后逐漸下降,7—10月保持低值,之后又逐步上升到接近1—2月的水平。從BOD5月均值來看,3個斷面總體變化趨勢較為平穩,其中沈陽段馬虎山斷面數值略高,盤錦段興安斷面居中,鐵嶺段珠爾山斷面略低。1—6月,鐵嶺段珠爾山、盤錦段興安斷面BOD5隨著季節變化呈現出不規律的波動變化,沈陽段馬虎山斷面變化趨勢較為平緩；7—9月,3個斷面BOD5均保持在較低水平,10—12月逐步上升。

圖2 2012—2018年遼河干流各監測斷面水質指標月際變化Fig.2 Monthly variation of water quality indexes in each monitoring section of the mainstream of Liaohe River in 2012-2018

2.3 水質綜合評價指數的時空變化分析

采用模糊隸屬度模型測算了2012—2018年逐年和逐月的水質評價指數,結果分別如表3和表4所示。由表3可以看出,某監測斷面某年份4個具體指標的年度評價指數可能分屬于不同的水質級別。其中,鐵嶺段珠爾山斷面,2012—2018年DO的水質評價指數屬于優秀級別,NH3-N和BOD5的水質評價指數大多屬于中等級別,COD的水質評價指數由中等逐漸變為較差,綜合評價結果表明,該斷面水質級別為中等；沈陽段馬虎山斷面,DO的水質評價指數一直屬于優秀級別,NH3-N的水質評價指數大多屬于良好級別,COD的水質評價指數大多屬于中等級別,BOD5的水質評價指數大多屬于較差和差級別,綜合評價結果表明,該斷面水質級別為中等；盤錦段興安斷面,DO的水質評價指數一直屬于優秀級別,NH3-N的水質評價指數屬于中等級別,COD和BOD5的水質評價指數大多屬于較差級別,綜合評價結果表明,該斷面水質級別為中等。

表3 2012—2018年遼河干流各監測斷面水質綜合評價指數計算結果Table 3Calculation results of water quality comprehensive evaluation index of each monitoring section in the mainstream of Liaohe River in 2012-2018

總體來看,2012—2018年,遼河干流水質綜合評價指數多為0.5~0.7,總體在中等和良好級別臨界水平波動,說明在經濟社會發展對水環境污染壓力不斷增大的情勢下,遼河流域水污染防治工作成效顯著[11]。在污染物排放量增長壓力加大和水環境管理不斷加強的雙重作用下,水環境質量此消彼長,波動變化,經濟社會發展與水環境系統進入磨合期。此外,3個監測斷面之間的水質綜合評價指數略有差異,具體表現為2015年前,鐵嶺段珠爾山斷面略好,沈陽段馬虎山斷面次之,盤錦段興安斷面較差；而2015年以后,盤錦段興安斷面和沈陽段馬虎山斷面水質情況則要略優于鐵嶺段珠爾山斷面。

從表4可以看出,某監測斷面某年份4個具體指標多年月平均的評價指數可能分屬于不同的水質級別。其中,鐵嶺段珠爾山斷面DO的水質評價指數一直屬于優秀級別；NH3-N的水質評價指數在1—3月、12月屬于較差級別,其他月份大多屬于良好級別；COD的水質評價指數在1—2月屬于中等級別,其他月份屬于較差級別；BOD5的水質評價指數大多屬于較差級別。綜合評價結果表明,該斷面水質5—11月為良好級別,其他月份為中等級別。沈陽段馬虎山斷面DO的水質評價指數一直屬于優秀級別；NH3-N的水質評價指數在1—4月、12月屬于較差級別,5月為中等級別,6—11月為良好級別；COD的水質評價指數在4—5月、9月、11—12月為較差級別,其他月份為中等級別；BOD5的水質評價指數在1—10月屬于較差級別,11—12月為差級別。綜合評價結果表明,該斷面水質除6—11月為良好級別外,其他月份均為中等級別。盤錦段興安斷面DO的水質評價指數一直屬于優秀級別；NH3-N的水質評價指數在1—4月大多屬于較差級別,5月、7—8月、10月為中等級別,6月、9月、11—12月為良好級別。綜合評價結果表明,該斷面水質除10—11月為良好級別外,其他月份均為中等級別。

表4 2012—2018年遼河干流各監測斷面多年月平均水質綜合評價指數計算結果Table 4 Calculated results of montyly water quality comprehensive evaluation index of each monitoring section in the mainstream of Liaohe River in 2012-2018

從季節變化來看,1—4月各斷面多年月平均的綜合評價指數較低,5—11月保持在較高水平,12月后又逐漸降低,并恢復到1—4月的水平。可見,遼河干流水質受降水量、徑流量、溫度等的季節變化影響明顯。此外,在空間分布上,多年月平均的綜合評價指數也整體表現出鐵嶺段珠爾山斷面水質較好,沈陽段馬虎山斷面居中,盤錦段興安斷面的水質較差,該評價結果基本符合遼河干流下游水質劣于上游的變化特征。

3 結論與建議

3.1 結論

(1)2012—2018年,遼河干流各監測斷面DO、NH3-N濃度與COD、BOD5的年際變化不盡相同,總體表現為DO表征的水質好于NH3-N、COD和BOD5,各監測斷面水質綜合評價指數多為0.5~0.7,在中等和良好級別的臨界水平波動,上游水質總體略優于下游。

(2)從遼河干流各監測斷面DO、NH3-N濃度與COD、BOD5多年月平均值來看,各指標的季節變化特征較為明顯,尤其是DO和NH3-N濃度受降水量、徑流量、溫度等的影響大,季節變化更為明顯。各監測斷面的水質綜合評價指數仍然表現為5—10月較高、其他月份較低的特征。

3.2 建議

依據遼河干流水質綜合變化的時空特征,提出主要建議如下:1)盡快構建遼河流域基于水環境容量的取用水動態調控機制。重點加強遼河干流取用水量、徑流量、水環境容量、水質等的關聯關系研究,制定分時段分季節河道最大取水量限值,促進豐水期多用水,保證枯水期少用水,確保河道基本生態環境需水,以維系良好的水質。2)制定污水排放控制與水質監測實時掛鉤方案。加強污水排放總量控制制度,進一步優化遼河流域監測點位[12],尤其在水質污染嚴重的冬春季節,增加河流水質監測點位和監測頻次。在此基礎上進行二者的實時掛鉤,研究制定不同季節不同時段河流最大污染排放量,允許污染物排放企業實行污染物錯峰排放。3)進一步加大水污染治理投資力度。在積極發揮政府規范和引領作用的同時,充分發揮市場機制作用,用好稅收、價格、補償、獎勵等多種手段,全方位籌措水污染治理資金[13],推動水污染治理科技成果的轉化和應用,促進遼河干流水質由中等向良好和優秀級別轉變。4)不斷完善流域水污染聯防聯控機制。遵循上中下游統一原則,充分運用行政和市場手段,打破原有行政邊界,進一步完善跨區域水污染聯防聯控機制。重點加強枯水季節河流跨界水情、水質等實時監測數據共享,建立枯水季節污染嚴重河段污染排放的聯合監測與應急聯動機制[14],建立完善、動態的流域水環境補償機制。

需要指出的是,受數據可獲得性限制,本研究僅選取了4個主要水質指標進行評價,一定程度上忽略了一些次要指標的信息,在今后河流水質評價工作中,可根據評價水體的具體特征,增加一些特征監測指標。同時,由于本次評價水體的DO濃度均在14 mg∕L以下,并未達到通常認為的過飽和狀態,故將DO濃度作為正向指標考慮。實際中,DO濃度有可能出現過飽和現象,并非越大越好,因此在使用模糊隸屬度模型過程中,需要替換分級閾值進行測算。此外,各評價指標的權重設置可采用客觀賦值法或變權法進行對比分析,使測算結果更加符合實際。