基于同質性的瀏陽河水質時空特征及評價

彭英湘，鄒 霖，湯雅婷，陳鴻祥，唐岳暉，于 磊，李紅芳，劉 鋒

（1. 湖南省生態環境監測中心，國家環境保護重金屬污染監測重點實驗室，湖南 長沙410014；2.中國科學院亞熱帶農業生態研究所生態過程重點實驗室，湖南 長沙 410125）

隨著對江河、湖庫等水環境質量的高度關注，水質監測已成為常態，因而形成大量復雜的水質數據，采取常規方法分析往往難以解釋這些物理、化學等各種參數的關聯性及潛在關系，很難對水質做出準確的評價[1-3]。Alberto 等[4]比較了聚類分析、主成分分析和判別分析方法在分析蘇曲河流域2 a 監測數據上的差異性，認為判別分析法可用于降低數據矩陣的維數，并提取部分參數來表明水質的最大變化和季節變化等特征；高星琪等[5]采用空間聚類分析、模糊綜合評價法、綜合判別分析和主成分分析方法，對官廳水庫上游河流2017 年10 月4—15 日的水質進行了評價，辨析了流域上游河流水質空間變異的關鍵要素及影響因素；Bu 等[6]采用聚類分析、因子分析和網格法闡述了金水河2006—2008 年間不同斷面水質變化過程。已有的研究雖選取多種常用的方法對不同流域水質進行評價并得到一定的結論，但存在時間長度不夠（最多3 a）、選取指標類型或斷面較少的缺點，同時從時間和空間兩個維度進行水質分析與評價的偏少，難以全面表征水質和闡明水體全面動態的變化。因此，如何簡化數據，選取適當方法，長時段多指標綜合分析流域水體水質的時空變化特征，需要進一步探討。

瀏陽河是湘江的一級支流。20 世紀80 年代以來，隨著工農業生產的發展和城鎮化水平的提高，瀏陽河全流域水質受工業廢水、生活污水、化肥與農藥的農田污水、堆積在河堤附近的工業廢棄物和生活垃圾等影響。近年來，部分研究者從瀏陽河流域污染源類型及來源[7]、水環境質量現狀與調控[8]、水資源承載力[9]等方面開展了深入研究，提出了治污舉措點面結合、污染主體多元共治的有效措施。但是，關于瀏陽河水質的研究集中于短時間內污染物特征分析[7]、水污染評估與水質評價等[9-11]方面，對瀏陽河不同斷面水質時間序列上的分析研究還較為缺乏，不利于綜合評估瀏陽河水質特征，也不利于瀏陽河污染的綜合防治。

鑒于此，筆者以瀏陽河2005 年1 月—2018 年11 月水體中21 項監測指標數據為對象，通過構造瀏陽河水質綜合評價函數，計算綜合打分，利用模糊綜合評價法從時間和空間2個角度進行瀏陽河水質狀況評價，明確影響水質發展的主要污染物，以期考量治理工程實施后瀏陽河水環境質量的改善效果與存在不足，為瀏陽河流域后續污染治理及水環境管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

瀏陽河為湘江一級支流，全流域長22.5 km，自瀏陽市躍龍鄉車川塅進入長沙縣五美鄉小埠港村，經湘陰港、桃樹灣、金潭、筒車棚入瀏陽市柏伽鎮瀏坪村，再入長沙縣仙人市鄉，經黃興、 梨等鄉鎮進入長沙市雨花區、芙蓉區及開福區。流域地處亞熱帶濕潤氣候區，濕熱多雨，平均降水量1 568.5 mm，平均蒸發量1 147.3 mm。瀏陽河作為重要的納污水體，其污染主要來源于生活源、工業源、種植源和畜牧養殖源。尤其從20 世紀80 年代起，瀏陽河被沿岸一哄而起的小造紙企業年排出506 萬 t 的大量廢水嚴重污染，水中重金屬和有毒物質含量超過國家排放標準243倍[12]。為切實解決瀏陽河水環境質量，湖南省政府2007—2008 年采取了依法關停重污染企業、全面擴容升級環保產能、發展生態養殖循環利用產業、生活垃圾無害化循環利用、建設環保設施等系列工程措施。

1.2 數據來源及描述性統計

數據來源于長沙市環境監測中心站。瀏陽河斷面水期劃分為枯水期K（11 月—次年2 月）、豐水期F（5—8 月）、平水期P（3—4 月、9—10 月）。依據《地表水環境質量評價方法（試行）》（環辦〔2011〕22 號），對瀏陽河 梨、黑石渡及三角洲斷面2005—2018 年水體中21 個污染因子，共500 條監測數據進行預處理，未檢出及缺失的指標濃度值定為0，計算每個污染因子的極值、均值及標準差，統計出14 a 間各污染指標在3 個斷面水體中超標的月份數。

1.3 時間維度的斷面水質評價方法

1.3.1 數據預處理依據《地表水環境質量評價方法（試行）》（環辦〔2011〕22 號）將21 個水質污染物指標從性質上劃分為5 個層次[13]：理化指標、營養鹽及有機污染物指標、無機陰離子指標、一般重金屬污染物指標和劇毒重金屬污染物指標[9]。以GB 3838—2002 地表水環境質量標準為基準，將各污染物各分級的標準進行變換，使得數據滿足如下要求：①所有指標變換后滿足數據越小，水質越優；②以1 為閾值劃分可飲用水與不可飲用水；③不同量綱的數據具有可比性。借鑒內梅羅指數[14]的分級標準，取可飲用水與不可飲用水的分界點為1；將指標的各級標準值和實際監測值分別與III 類水臨界值做比，其中變換后的溶解氧為可飲用水臨界值與實際監測值做比得到（因該評價指標值越大，反映水質越好）[15-16]。考慮到pH 值的特殊性，也進行分級。

1.3.2 評價函數構造與綜合打分經變換后的數據能夠直觀地反映水質是否可飲用性，當有一項污染物指標值大于1 時，表示該時刻斷面的水質即為不可飲用類。當某斷面某月份監測存在污染物指標值大于1 時，取其中最大值為i 斷面第j 月的水質評價值，記為Yij，其中i=1, 2, 3，j=1, 2, …, 12。

針對污染物指標值均小于1 的情況，擬構造一個綜合評價函數，通過21 個指標賦權加和，對每一個觀測樣本綜合打分，計算公式如下。

式中，xk表示第k 個污染物指標變換后的測量值；Skl為第k 個污染物指標第l 級的評價標準；Sk0為第k個污染物指標各級評價標準的均值。將兩種情況結合，得到水質綜合評價函數如下。

通過內梅羅函數將國標中水質等級及各級標準限值進行轉換，同時，以優質、良好、中等、污染、嚴重污染和超強嚴重污染6 個等級與之對應（表1）。

表1 水質綜合評價分類及其限值

1.4 空間維度的斷面水質評價方法

1.4.1 基于改良層次分析法的指標選擇為了減少完全由人為選擇指標造成的主觀因素影響，將運用實測數據進行量化評級。即采用科學合理的方式改進層次分析法，以此選擇相應指標分析瀏陽河3 個斷面的水質狀況。經過對瀏陽河流域的水質狀況分析，結合已有21 個水質監測指標數據，確定影響污染物重要性的4 個準則指標依次為C1～C4，其中C1表示該污染指標在流域中濃度占比；C2表示該污染指標被檢測的靈敏度（II 類水的允許濃度）；C3表示該污染指標在未來超標的可能性大小；C4表示該污染指標對應的難度大小，前3 個準則指標的評判由預處理后的污染物實際濃度值量化后評分得出，或根據實際含量的國標值量化后得出，極大程度地消除由人為打分造成的主觀影響，具體過程參考張小君等[17]和Sutadian 等[18]已有的研究。

1.4.2 熵值法熵是用來計量不確定性事件的一種指標，這種不確定性的大小與熵的大小成正比[14]。可以根據熵的大小，對各指標的重要性進行判斷，通過各指標的指標值差異程度，利用信息熵得出各指標權重，計算基本步驟參考賈子書[14]和Sutadian 等[18]的研究。

1.4.3 模糊綜合評價法（1）確定模糊綜合評判中的因素集和評價集。按照監測條件和主要污染物，由層次分析法篩選出2005—2018 年 梨、黑石渡、三角洲3 個斷面主要評價因子，并將其劃分為有機污染指標和無機污染指標。經對原始數據的統計分析，采用枯水期、豐水期、平水期監測的平均值進行模糊計算。由于水質污染程度本身是一個模糊的概念，因此評價污染程度的分級標準也具有一定模糊性的特征。具體評價時，根據GB 3838—2002 地表水環境質量標準的規定，明確劃分水質等級和限制水質中各項指標，采用當地主要污染物和有關物理化學項目作為評價參數，把河流水質類別分為5 級，建立評價集V={I，II，III，IV，V}。（2）模糊關系矩陣（R）和模糊綜合評價矩陣（R）的構建。運用模糊評價法對水質評價時，待評價區域的標準值為實數，并且水質的隸屬度呈線性分布，所以經常運用降半梯形分布函數。隸屬函數值越大，表示該評價因子對于水質等級隸屬度越高[19]。利用熵值法得到的權重矩陣與模糊關系矩陣，重點計算主因素，并分為有機污染指標及無機污染指標評判，得到最終的綜合評價模糊矩陣。其具體公式及計算步驟參考魏文杰等[19]人的研究。

1.5 有機及無機污染指標綜合評價

按照上述定義的水質打分模型，對3 個斷面的不同時期水質進行打分，以此得到的結果作為比較序列X0（i），分別與由有機污染指標評判出的結果X1（i）及無機污染指標評判出的結果X2（i）進行對比，并計算絕對離差值：

2 結果與分析

2.1 瀏陽河流域3 個斷面水體中主要污染指標含量特征

瀏陽河流域3 個斷面2005—2018 年共500 個實測數據統計結果見表2。瀏陽河水體中的pH 值、溶解氧、CODMn（高錳酸鉀指數）、COD（化學需要量）、BOD5（五日生化需氧量）、NH3-N（氨氮）、TP（總磷）、F（氟化物）、a-SAA（陰離子表面活性劑）濃度值變化較大，其中COD 變化最明顯，且其方差為9.562，溶解氧、CODMn、COD、BOD5、NH3-N、TP、Oils（石油類）、a-SAA、V-phen（揮發酚）含量超地表水環境質量II 類標準（GB 3838—2002）數較多，NH3-N 和TP 尤為突出，超標月數分別為353 和435 個。Cu、Zn、Se、As、Cr6+、Pb、CN（氰化物）、S（硫化物）等污染因子變化范圍不大，且超標現象相對較少，這些指標的方差均在0.008 以下。

表2 瀏陽河 梨、黑石渡及三角洲斷面水體中21 個監測指標基本情況

2.2 瀏陽河水質狀況的時間演化

2.2.1 變換后的瀏陽河水環境質量分類及標準對數據預處理后得到的瀏陽河地表水環境質量分類及標準見表3。

2.2.2 考察期內三個斷面水質狀況為了進一步考察瀏陽河流經長沙主城區3 個斷面水質隨時間的演化情況，以可飲用水（達III 類水標準）為節點，從斷面全時段和斷面不同水期兩個角度進行分析。通過綜合評價函數的構造和計算，每個斷面的月度水質都得到一個綜合打分，將3 個斷面的綜合打分繪制于圖1 內，在綜合打分值為1（即可飲用水限制）處繪制標準線作參考。從圖1 可知，3 個斷面的綜合打分值在考察時間段內的變化呈現出一定的趨同性，趨勢性與周期性并存。 梨斷面的綜合水質狀況最優，在167 個考察月份內可飲用水的占比高達93.14%。反觀位于瀏陽河中下游黑石渡和三角洲斷面的水質情況則不容樂觀，黑石渡斷面全時段達到可飲用水標準的月份占比為6.63%，V 類水和劣V 類水的占比達18.67%，三角洲斷面水質的V 類水和劣V 類水占比高達48.19%。并且，2008 年是一個時間節點，在節點前段（2005—2008 年）內，黑石渡與三角洲2 個斷面水質的綜合得分值呈現周期上升的趨勢，即水質情況越演越劣，而2008 年底2 個斷面出現得分值驟降的情況。時間節點往后的年份內，綜合得分值的周期波動仍存在，但呈現出逐漸減弱的趨勢。在考察末段（2017—2018 年），3 個斷面水質的綜合得分值穩定在3 分以下。研究結果與湖南省政府聯合長沙市政府2007—2008 年針對瀏陽河流域實施《湘江流域水污染綜合整治實施方案》和《長沙市未來3 年環保行動計劃》一致。

圖1 3 個斷面全時段綜合打分值及其變化

分豐水期（F）、平水期（P）、枯水期（K）考察3 個斷面在不同水期的水質變化，以3 種不同線條代表3 個水期，以數字1～6 分別表示I、II、III、IV、V和劣V 類水質，等級評價結果見圖2。3 個斷面豐水期的水質狀況較優，平水期次之，枯水期較劣，因豐水期是一年中流域自凈能力最強盛的時期，水質評價最優，這與常理相符。 梨斷面的豐水期水質除2007年以外，其余觀察時段內均評價為I 類水，枯水期的評級在2013 年之后穩定在可飲用水標準之內。黑石渡斷面平水期和枯水期的評級不盡人意，豐水期在2005—2009 年間的水質評級在IV 類和劣V 水之間波動，在3 個水期中為最優。總體而言，黑石渡斷面水質評級較低，但可以看出，在考察后期（2017—2018年）的評價結果有明顯的改善。三角洲斷面豐水期水質評級在可飲用水標準附近波動，甚至少數觀測月份的評級達到V 類水標準，平水期和枯水期水質在考察前段（2005—2009 年）始終在V 類水上下波動，自2009 年起趨向于往水質變好的方向發展，但截止至考察期結束達到可引用水標準的月份占比仍較低，水質改善效果不明顯。

圖2 梨（A）、黑石渡（B）、三角洲（C）斷面不同水期的水質評價

表3 瀏陽河地表水環境質量分類及標準

2.3 瀏陽河水質狀況空間變化

2.3.1 指標選擇利用改進的層次分析法篩選指標，充分考慮指標間的相關性及相互影響的情況，最終確定以瀏陽河流域選擇權重排名前11 的COD、BOD5、V-phen、Oils、a-SAA、CODMn、NH3-N、TP、F、CN、S 綜合評判瀏陽河 梨、黑石渡及三角洲斷面的水質狀況，其權重得分順序依次為TP（0.095 2）＞ NH3-N（0.091 6）＞ COD（0.070 7）＞ BOD5（0.056 0）＞ CODMn（0.054 5）＞ Oils（0.053 9）＞ a-SAA（0.053 8）＞ V-phen（0.053 7）＞ CN（0.048 9）＞ F（0.047 8）＞ S（0.042 2）。

2.3.2 不同斷面水質分析及評價將選取的11 項污染指標的監測數據分2 大類3 個水期進行研究，得到枯水期、豐水期、平水期11 個污染指標的平均值，計算有機、無機污染指標濃度的年均值，由表4 可知，相對于黑石渡、三角洲斷面水質而言， 梨斷面F、P、K 水期水環境中有機、無機污染指標濃度明顯偏低，只有CODMn、NH3-N 含量處于《地表水環境質量標準》I 類和II 類之間，而TP 處于II 類和III 類之間，其余指標均達到地表水I 類標準；黑石渡、三角洲斷面各水期監測指標含量變化大，在K、P、F 水期S、F、CN 含量均處于地表水I 類標準，其余8 種污染物指標含量在K、P、F 水期含量變化較大。COD 與Oils在K、P 水期含量均分別處于III 類與IV 類之間，而在F 水期含量分別接近III 類與I 類；BOD5在黑石渡、三角洲斷面K 水期均處于III 類與IV 類之間，而在P水期處于II 類與III 類之間。a-SAA 含量除在黑石渡、三角洲斷面K 水期處于III 類與IV 類之間外，其余水期均達I 類水標準；CODMn在黑石渡、三角洲斷面各水期的含量一致，在K、P水期處于II類與III類水之間，而F 水期為I 類與II 類之間。NH3-N、TP 作為黑石渡、三角洲斷面主要的無機污染指標，在各水期的含量呈現一致特征，NH3-N 含量在2 個斷面K、P 水期均處于V 類，F 水期處于III 類與IV 類之間；TP 含量在2 個斷面K、P 水期均處于IV 類與V 類之間，而在F水期處于III 類與IV 類之間。

表4 2005-2018 年3 個斷面不同水期11 個污染物元素含量均值 （mg/L）

2.4 熵值法評價3 個斷面各因子權重

運用熵值法得出瀏陽河榔梨、黑石渡、三角洲3個斷面水體中各評價因子權重值（見表5），從表5 可知，有機污染指標中a-SAA 在3 個斷面所占的權重均最高，分別為0.868、0.601 和0.547，說明這是引起水體污染的最嚴重的指標之一，其次是Oils，該指標尤其對黑石渡和三角洲斷面水質影響嚴重，權重分別為0.117 和0.237，但在榔梨斷面所占的權重僅為0.025；無機污染指標中的NH3-N、CN 及TP 是3 個斷面水質污染貢獻最大的因子，這與陳友民[7]的研究結果一致。

表5 11 個污染因子熵權值

2.5 模糊綜合評價

①以無機污染指標為算例，計算得到3 個斷面不同時期的R 矩陣。

②以無機污染指標為算例，計算得到3 個斷面不同時期的B 矩陣。

由模糊綜合評價法可知，在3 個斷面中無論是以有機污染指標還是以無機污染物指標評判， 梨斷面的水質均最佳，且在3 個水期評分均為I 級；以有機污染指標評判，黑石渡和三角洲斷面的水質均在K 期評為III 級，在F、P 期評為I 級，而以無機污染指標評判，黑石渡和三角洲斷面的水質均在K、P 期評為V 級，在F 期評為IV 級。

如果選取有機和無機污染物評價指標分別評判3 個斷面的水質，可以看出由5 個有機評價指標評判出的水質各斷面K、F、P 水期均達III 級以上，均達到可飲用水的標準；但由6 個無機評價指標評判出的水質，只有榔梨斷面3 個水期水質均為I 級，黑石渡、三角洲斷面3 個水期水質均未達到可飲用水的標準，因此，政府相關部門應將治理重心放在對無機污染指標的監測及治理上，且政府部門應加強對各斷面枯水期水質的監控，并結合熵權法得到的各污染因子權重可知，政府部門應加強監管，降低瀏陽河流域內a-SAA、Oils、NH3-N、TP 及CN 的排放。

2.6 有機及無機污染指標綜合評價

綜合有機污染指標與無機污染指標的分水期斷面評判結果，最終判斷 梨、黑石渡、三角洲枯水期、豐水期及平水期的水質狀況，從表6 可知， 梨斷面各水期水質綜合評價結果均為I 類，而黑石渡、三角洲斷面K、F、P 水期水質綜合評價結果均分別為IV、III、IV 類。

表6 3 個斷面不同水期有機污染指標與無機污染指標綜合評價結果

3 結 論

（1）從時間序列的角度對瀏陽河3 個斷面水質進行分析，構造評價函數，利用綜合打分值評價各斷面的水質狀況，發現3 個斷面的綜合打分值在考察時間段內的變化呈現出一定的趨同性，趨勢性與周期性并存。在167 個考察月份內， 梨斷面綜合水質狀況最優且長期保持相對穩定，達到可飲用水標準的月份占比高達93.14%，黑石渡斷面全時段達到可飲用水標準的月份占比為6.63%，V 類水和劣V 類水的占比達18.67%，三角洲的V 類水和劣V 類水占比高達48.19%。但在2008 年后隨著水污染綜合整治政策的實施，黑石渡與三角洲斷面水質得到改善。

（2）就空間維度來看，相對于黑石渡、三角洲斷面水質而言， 梨斷面不同水期水環境中有機、無機污染指標濃度明顯偏低。有機評價指標評判出各斷面K、F、P 水期水質均達III 級以上，均達到可飲用水的標準，但無機評價指標評判發現，僅 梨斷面3 個水期水質均為I 級，黑石渡、三角洲斷面3 個水期水質均未達到可飲用水的標準。政府相關部門下一步應將治理重心放在對無機污染指標的監測及治理上。

（3）利用實測數據進行量化評級，采用改進層次分析法選出主要污染物，極大程度地消除了由人為打分造成的主觀影響，使水質評價更加客觀。