基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的塔里木河阿拉爾段水質(zhì)評(píng)價(jià)

葉文升，杜國(guó)佺，尤永軍，王閃

（塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

新疆南疆地區(qū)水資源匱乏，人們生產(chǎn)生活用水主要依賴于高山融水形成的地表水。作為南疆多個(gè)地區(qū)的重要飲用水水源，塔里木河流域的地表水水質(zhì)優(yōu)劣，與人們的健康問題息息相關(guān)。研究塔里木河流域的水質(zhì)情況，對(duì)確保地區(qū)飲用水安全有著重要意義[1]。塔里木河由發(fā)源于天山山脈的阿克蘇河、發(fā)源于喀喇昆侖山的葉爾羌河以及和田河匯流而成，流域總面積1.02×106km2，流域總?cè)丝诩s8.30×106口人[2]。在國(guó)家日趨嚴(yán)格的生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求下，塔里木河的水環(huán)境質(zhì)量要在2020年達(dá)到國(guó)家地表水III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而作為季節(jié)性河流，該區(qū)域的整體水環(huán)境質(zhì)量處于不斷變化中。本文于2019年5月在塔里木河源頭及阿拉爾段不同地點(diǎn)設(shè)置取樣點(diǎn)，檢測(cè)9種水質(zhì)指標(biāo)，分析當(dāng)?shù)睾恿魉|(zhì)狀況，并利用模糊綜合評(píng)價(jià)法，判定該河段的水質(zhì)等級(jí)，分析水功能區(qū)水質(zhì)特點(diǎn)，為掌握當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)狀況、做好水環(huán)境保護(hù)和生態(tài)環(huán)境改善工作提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)水環(huán)境概況

塔里木河位于新疆維吾爾自治區(qū)南部，是我國(guó)最大的內(nèi)陸河，自身不產(chǎn)流，源流為阿克蘇河、葉爾羌

河、和田河，此三個(gè)支流在阿克蘇市阿瓦提縣境內(nèi)匯合后始稱塔里木河，干流全長(zhǎng)約1321 km，最后流入臺(tái)特馬湖，水系流域是一個(gè)封閉的內(nèi)陸水循環(huán)和水平衡的相對(duì)獨(dú)立的水文區(qū)域[3]。受蒸發(fā)-濃縮及巖石風(fēng)化作用的雙重影響，該區(qū)域的地表水離子成分復(fù)雜，苦咸水分布面積2163.45 km2，占總面積的77.26%[4]。長(zhǎng)久以來，為滿足周邊各村鎮(zhèn)的飲用水、農(nóng)田灌水的需求，人們從塔里木河支流、干流引水，建成了多浪水庫、上游水庫，與塔里木河流域地表水一起成為南疆地區(qū)重要的供水來源[5-7]。阿克蘇河、葉爾羌河、和田河及塔里木河沿岸城鎮(zhèn)，常年向河流排放生活污水、工業(yè)廢水、農(nóng)田排水等污廢水，導(dǎo)致河流水質(zhì)變差。

2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與分析指標(biāo)

為掌握塔里木河三條源流的污染狀況及對(duì)塔里木河的影響效果，明確城鎮(zhèn)排水對(duì)塔里木河水質(zhì)的影響，研究分別在和田河交叉工程處的阿克蘇河、葉爾羌河、和田河、三河交匯流點(diǎn)、塔里木河阿拉爾段前、后六處設(shè)置取樣斷面，取樣點(diǎn)位置分布如圖1所示。

圖1 水樣取樣點(diǎn)位置分布

水樣分析的化學(xué)指標(biāo)包括pH、溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（CODcr）、氨氮、總磷、電導(dǎo)率、濁度、礦化度、氟化物。現(xiàn)場(chǎng)用10 L采水器采集河渠水體上、中、下三層混合水樣，測(cè)定水溫、DO、pH，取2 L帶回實(shí)驗(yàn)室后5℃低溫冷藏保存，用于分析其他指標(biāo)。水樣分析方法參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）中的標(biāo)準(zhǔn)方法[8]，取樣點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 各取樣點(diǎn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 模糊綜合評(píng)價(jià)法的建立

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值與因子建立起矩陣，通過計(jì)算得到模糊積，獲得一個(gè)能夠表明水體水質(zhì)對(duì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度評(píng)判集，從而判斷水質(zhì)等級(jí)[9-10]。模糊綜合評(píng)價(jià)法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合水質(zhì)等級(jí)不確定性的情況[11]。

3.1 選取水質(zhì)指標(biāo)

由于pH、電導(dǎo)率、濁度、礦化度4項(xiàng)因子未在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中進(jìn)行分級(jí)，選取CODcr、氨氮、總磷、氟化物4項(xiàng)水質(zhì)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成評(píng)價(jià)因子集U={CODcr、氨氮、總磷、氟化物}。

3.2 確定水質(zhì)指標(biāo)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)共分為5級(jí)，則上述水質(zhì)因子的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 地表水水質(zhì)因子評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.3 建立模糊關(guān)系矩陣

模糊關(guān)系矩陣包含4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和5種等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此就構(gòu)成了一個(gè)4×5階的單因子隸屬度模糊矩陣函數(shù)，隸屬度用來描述水環(huán)境質(zhì)量分級(jí)界限的隸屬程度，各因子隸屬函數(shù)的建立方法如下[12]：

對(duì)于I級(jí)水質(zhì)，即當(dāng)j=1時(shí)，隸屬度公式為（其中，Xi：水質(zhì)因子實(shí)際測(cè)定值；Sij：水質(zhì)因子評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值）：

對(duì)于II～I(xiàn)V級(jí)水質(zhì)，即當(dāng)j=2，3，4時(shí)，隸屬度公式為：

對(duì)于V級(jí)水質(zhì)，即當(dāng)j=5時(shí)，隸屬度公式為：

以阿克蘇河為例，根據(jù)水樣的各評(píng)價(jià)因子實(shí)測(cè)值（表1）及其對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)，計(jì)算出隸屬度后，形成模糊關(guān)系矩陣R1：

同理可以得到其余5個(gè)取樣點(diǎn)的模糊關(guān)系矩陣。

3.4 建立權(quán)重矩陣

根據(jù)污染物對(duì)水質(zhì)的污染大權(quán)重大、污染小權(quán)重小的原則[13-15]，確定各指標(biāo)權(quán)重的大小。由于權(quán)重的不同定義，導(dǎo)致最終評(píng)價(jià)結(jié)果有較大差別，因此應(yīng)將權(quán)重歸一化。權(quán)重計(jì)算方法如下：

式中，Wi：評(píng)價(jià)因子i的權(quán)重值；Xi：評(píng)價(jià)因子 i的實(shí)測(cè)值；Si：評(píng)價(jià)因子i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)算數(shù)平均值。

由上述公式計(jì)算出各取樣點(diǎn)的單項(xiàng)權(quán)重系數(shù)值Wi，結(jié)果如表3所示。

表3 各取樣點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)值

3.5 建立模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣

建立權(quán)重矩陣W和模糊矩陣R之后，兩個(gè)矩陣相乘可以得到各水質(zhì)因子的最終矩陣B。以阿克蘇河取樣點(diǎn)為例，最終矩陣B1=W·R1=[0.1360.08100.2480.523]

同理可得其他取樣點(diǎn)的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.6 確定水質(zhì)等級(jí)

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果中隸屬度的最大值，確定綜合評(píng)價(jià)等級(jí)[16]。

4 結(jié)果與討論

4.1 水質(zhì)污染特征

將表1中的水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果與國(guó)內(nèi)外河流水質(zhì)比較發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域河流的電導(dǎo)率和礦化度偏高，與前人研究結(jié)果一致，這主要是由于南疆地區(qū)獨(dú)特的地理位置，形成大面積的鹽堿土，水土環(huán)境相互影響，極易在夏季雨水沖刷作用下，形成高鹽份徑流匯入地表水體和地下水，造成塔里木河水質(zhì)本底鹽份升高。

采用單因子評(píng)價(jià)法對(duì)六處取樣點(diǎn)的水進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果如表4所示。采用氨氮、氟化物作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，6處地表水體的水質(zhì)等級(jí)基本在III類水及以上，達(dá)到水功能區(qū)“集中式生活飲用水地表水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)”的要求；而采用CODcr、總磷作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，6處地表水體的水質(zhì)等級(jí)在IV類及以下，尤以CODcr等級(jí)最低，為劣V類，說明該條河流中有機(jī)污染物超標(biāo)。三河匯流后，塔里木河中氨氮、CODcr的評(píng)級(jí)不變，總磷、氟化物的評(píng)級(jí)下降，其水質(zhì)與阿克蘇河較接近，且河流水質(zhì)沿程逐漸呈現(xiàn)惡化現(xiàn)象，可能是塔里木河周邊城鎮(zhèn)排放的污廢水、灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排放的農(nóng)田退水，通過多種渠道流入到塔里木河中，使塔里木河水污染程度加重。

表4 各取樣點(diǎn)水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果

4.2 基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的水質(zhì)等級(jí)

通過上述關(guān)于模糊綜合評(píng)價(jià)法的論述與計(jì)算，6個(gè)取樣點(diǎn)的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。由表5可知，塔里木河的三條源流中，葉爾羌河的水質(zhì)評(píng)級(jí)為IV級(jí)，好于阿克蘇河與和田河，后兩者水質(zhì)評(píng)級(jí)為V級(jí)。塔里木河流經(jīng)阿拉爾地區(qū)后，水質(zhì)處于逐漸惡化的趨勢(shì)中，對(duì)V級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度增大。對(duì)比權(quán)重?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，6個(gè)取樣點(diǎn)的污染貢獻(xiàn)最高的為CODcr，其次為總磷，說明塔里木河不同區(qū)域受到有機(jī)物的污染最重，這可能與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用大量化肥農(nóng)藥有關(guān)，農(nóng)田排水?dāng)y帶的化肥農(nóng)藥隨地表徑流進(jìn)入地表水，形成的農(nóng)田面源，在水土環(huán)境的復(fù)雜作用下相互影響，對(duì)整個(gè)塔里木河流域的產(chǎn)生了不利影響[18]。

表5 各取樣點(diǎn)水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)比單因子評(píng)價(jià)與模糊綜合評(píng)價(jià)的評(píng)級(jí)結(jié)果可知，前者的評(píng)級(jí)結(jié)果比后者低一個(gè)等級(jí)，這可能與兩種評(píng)價(jià)方法在處理評(píng)價(jià)因子權(quán)重時(shí)的差異有關(guān)。兩種方法的評(píng)級(jí)結(jié)果均表明，塔里木河阿拉爾段的河流水質(zhì)等級(jí)低于IV級(jí)，與水功能分區(qū)的水質(zhì)要求不相符。作為南疆居民生產(chǎn)生活用水的主要來源，塔里木河流域的水質(zhì)應(yīng)至少達(dá)到III類水，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示該地區(qū)的地表水狀況非常不理想。

5 結(jié)論

本文對(duì)塔里木河源流及阿拉爾段的6處地表水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：作為我國(guó)最大的內(nèi)陸河，塔里木河流域的地表水體主要受到有機(jī)物和總磷的污染，且鹽度較高；采用模糊綜合評(píng)價(jià)法得出，塔里木河的三條源流水質(zhì)較差，水質(zhì)等級(jí)在IV級(jí)及以下；塔里木河阿拉爾段的水質(zhì)評(píng)級(jí)為V級(jí)，與國(guó)家規(guī)定的水環(huán)境功能等級(jí)不相符；對(duì)比源流與塔里木河干流在流經(jīng)阿拉爾段的隸屬度數(shù)據(jù)和水質(zhì)等級(jí)可知，塔里木河干流水質(zhì)沿程逐漸變差，說明城鎮(zhèn)排水對(duì)塔里木河水質(zhì)造成了影響，應(yīng)采取相應(yīng)的水污染防治措施，促進(jìn)污染物減排，保護(hù)塔里木河水質(zhì)良性發(fā)展。