基于模糊綜合法的慈湖河上游流域水質(zhì)評價

宋執(zhí)航

（合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

1 引言

水質(zhì)評價是一項水污染治理的基礎(chǔ)工作，對流域環(huán)境的管理可以提供理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支持。常用的水質(zhì)評價方法有單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊綜合法、灰色關(guān)聯(lián)度評價法以及基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評價方法等。

不同的評價方法的適用性與側(cè)重點有所不同，需要根據(jù)評價區(qū)域的實際情況以及具體需求來選擇評價方法。孫瑞等［1］通過單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法對海南島西部植膠區(qū)的水質(zhì)進(jìn)行評價；敖成歡等［2］通過模糊綜合法和灰色關(guān)聯(lián)法對百花湖水質(zhì)進(jìn)行評價；寧陽明等［3］對內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行改進(jìn)，并結(jié)合灰色聚類法對長江黃石段三峽斷面和風(fēng)波港斷面進(jìn)行水質(zhì)評價；岳丹丹等［4］使用BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對西鞍山鐵礦地下水水質(zhì)進(jìn)行評價；周兆永等［5］基于GA 優(yōu)選參數(shù)的SVM 方法對水質(zhì)評價方法進(jìn)行創(chuàng)新。

本研究采用模糊綜合法進(jìn)行水質(zhì)評價。模糊綜合法基于模糊數(shù)學(xué)的理念，可以將一些不確定邊界的因子進(jìn)行定量分析，針對流域環(huán)境的不確定性進(jìn)行綜合評價，得到的結(jié)果更加客觀和準(zhǔn)確。本研究通過測定水質(zhì)指標(biāo)建立指標(biāo)體系，并使用相關(guān)方法對水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，根據(jù)模糊綜合法計算得到水質(zhì)等級。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況

慈湖河發(fā)源于馬鞍山市東南方向丘陵地區(qū)的老脈峴，呈東西走向，其流域自東向西經(jīng)過向山鎮(zhèn)、霍里鎮(zhèn)、慈湖鄉(xiāng)，最終于慈姆山北麓匯入長江，全長約26.1 km，流域面積124.8 km2。慈湖河上游流域分布眾多采選礦企業(yè)，流域環(huán)境較差，是典型的礦區(qū)流域。

慈湖河上游流域面積約43 km2，水系總長度約27.5 km，水系分布密集。本研究將慈湖河上游礦區(qū)流域分為3 個區(qū)域：（1）洋河流域，自奧體中心湖南路涵洞經(jīng)南加甸人工濕地和向山鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)至上游。洋河上游存在4 條支流，各支流于鎮(zhèn)區(qū)匯流后，形成主干流，自東向西穿越向山鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)，穿過313 省道出鎮(zhèn)區(qū)進(jìn)入南加甸人工濕地，再穿越東部環(huán)路和林場至奧體中心湖南路涵洞，進(jìn)入慈湖河上游，匯水面積約26.5 km2，水系長度約16.8 km。（2）秀山湖流域，自秀山湖至上游，上游有南北2 條支流進(jìn)入秀山湖，匯水面積約11.9 km2，水系長度約8.5 km。（3）主河段流域，自馬向路與高速公路交叉口至奧體中心湖南路涵洞，匯水面積約4.6 km2，水系長度約2.3 km。

根據(jù)洋河水系現(xiàn)狀及污染源特性，按照洋河上游4 條支流和穿越向山鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)干流空間分布及匯水區(qū)域，將洋河流域劃分為A～F 6 個子區(qū)域。

區(qū)域內(nèi)洋河上游存在4 條主要支流，由北向南編號為支流I、支流Ⅱ、支流Ⅲ和支流Ⅳ，分別位于A，B，C，D 區(qū)；4 條支流于向山鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)匯流后，形成主干流，自東向西穿越向山鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)，穿過313 省道出鎮(zhèn)區(qū)進(jìn)入南加甸人工濕地，干流區(qū)域為E 區(qū)；自南加甸人工濕地穿越東部環(huán)路和林場至奧體中心湖南路涵洞，進(jìn)入慈湖河上游，該區(qū)域為F 區(qū)。

2.2 樣品的采集與測試

本研究根據(jù)慈湖河上游支流分布和污染源特點，共設(shè)置21 處采樣點，涵蓋洋河流域、秀山湖流域和主河段流域，其中，洋河支流段布置點位14 處、秀山湖支流段（G 區(qū)、H 區(qū)）布置點位5 處、主河段（Z區(qū)）布置點位2 處。于2020 年5 月進(jìn)行豐水期采樣。

測試分析指標(biāo)包括COD，BOD5，NH3－N，Cu，Cr6＋，共計5 項指標(biāo)。采樣與測試均按照國家標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2.3 水質(zhì)評價方法

模糊綜合評價法分為5 個步驟。

2.3.1 環(huán)境質(zhì)量模糊評價模型的建立

設(shè)環(huán)境質(zhì)量的因素集合為：Ui＝｛U1，U2，…，Un｝，其中Ui為參與評價的n 個評價因子。

設(shè)環(huán)境質(zhì)量的評價集合為：Vj＝｛V1，V2，…，Vm｝，其中Vj為同Ui相應(yīng)的環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)的集合。

因素論域和評價論域之間的模糊關(guān)系用關(guān)系矩陣R 來表述：

式（1）中，rij表示的是第i 種污染物數(shù)據(jù)被評作第j級環(huán)境質(zhì)量的可能性，也就是i 項因子對j 級環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度。

計算出權(quán)重系數(shù)向量A 和模糊關(guān)系矩陣R，通過式（2）計算出綜合評價模糊子集B：

2.3.2 確定隸屬函數(shù)

不同污染指標(biāo)對應(yīng)不同等級環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度由模糊矩陣表征，即隸屬度可認(rèn)為是污染指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)。具體公式如下：

第I 級：

第m 級：

式（3）～（5）中，n 為環(huán)境污染的因子數(shù)；m 為環(huán)境水質(zhì)的級別數(shù)；rik為第i 個樣本質(zhì)量xki（mg/L）對第k級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度；c 表示對于i 級水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L。

2.3.3 確定權(quán)重因子

在模糊綜合評價方法中，水質(zhì)指標(biāo)的實測值與評價水體不同用途的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)會影響評價結(jié)果，所以進(jìn)行權(quán)重計算以及對計算權(quán)重方法的選擇是非常重要的。模糊綜合評價法中，常用超標(biāo)加權(quán)法來計算，計算公式如下：

式（6）～（8）中，wki為環(huán)境權(quán)重因子；xki為水樣中第i個指標(biāo)實測值，mg/L；aki為水樣中第i 個指標(biāo)權(quán)重值；Si為第i 個指標(biāo)各級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值的平均值，mg/L。

將各個水質(zhì)指標(biāo)的實測值及水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)代入式（8）中進(jìn)行計算，得到模糊矩陣A，A 即為水質(zhì)的權(quán)重集：

2.3.4 模糊綜合評價

模糊綜合評價目的是綜合評價所有指標(biāo)對評價水體的影響，得出綜合正確的評價結(jié)果，確定水體的水質(zhì)等級。在求出R 與A 后，模糊綜合評價集合B為水體質(zhì)量的綜合評價結(jié)果。

2.3.5 模糊綜合法的改進(jìn)

為了使評價結(jié)果具有連續(xù)性，通過將每個水質(zhì)等級的隸屬度與對應(yīng)水質(zhì)等級進(jìn)行加權(quán)平均，得出最終的連續(xù)化水質(zhì)等級。根據(jù)水質(zhì)對應(yīng)各個級別的隸屬與水質(zhì)等級進(jìn)行加權(quán)平均，得出最終連續(xù)化的水質(zhì)平均結(jié)果，即：

式（10）中，P 為最終連續(xù)化評價等級；i 為第i 個水質(zhì)等級。

3 結(jié)果與分析

3.1 A1 斷面模糊綜合法計算流程

3.1.1 隸屬函數(shù)與模糊關(guān)系矩陣R 的確定

根據(jù)A1 點位的實測值與標(biāo)準(zhǔn)值，帶入隸屬函數(shù)公式（3）～（5），得到A1 點位的模糊矩陣R：

3.1.2 濃度超標(biāo)賦權(quán)法結(jié)果

根據(jù)公式（6）～（9），計算結(jié)果見表1。

表1 濃度超標(biāo)賦權(quán)法權(quán)重

根據(jù)表1，基于濃度超標(biāo)賦權(quán)法確定的權(quán)重歸一化后得到各指標(biāo)權(quán)重值，即：

A＝［0.170 0.523 0.273 0.032 0.001］

3.1.3 模糊綜合評價結(jié)果

根據(jù)以上，得到各指標(biāo)權(quán)重向量A 和模糊矩陣R，代入公式（2），將向量A 與R 矩陣進(jìn)行復(fù)合得最終評價向量B，即：

通過以上計算結(jié)果可知，A1 點位的模糊綜合評價結(jié)果5 個指標(biāo)在濃度超標(biāo)賦權(quán)的條件下，得出該點對應(yīng)5 類水質(zhì)等級的隸屬度。隸屬于Ⅰ類水的概率為3.3%，隸屬于Ⅱ類水的概率為10.2%，隸屬于Ⅲ類水的概率為24.8%，隸屬于Ⅳ類水的概率為9.3%，隸屬于Ⅴ類水的概率為52.3%。根據(jù)隸屬度最大原則，該水樣大概率屬于Ⅴ類水，確定該水樣的模糊綜合評價結(jié)果為Ⅴ類水。

3.1.4 模糊綜合法的改進(jìn)

根據(jù)公式（10），代入A1 點位的評價矩陣B，得P＝3.968，即A1 點位的連續(xù)化水質(zhì)等級為3.968。其他點位的綜合評價方法同上。

3.2 模糊綜合法評價結(jié)果

各點位評價指標(biāo)的權(quán)重見表2。

表2 各點位評價指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)實測值與隸屬函數(shù)確定各樣本的模糊矩陣，與其對應(yīng)的權(quán)重向量復(fù)合，得出污染物濃度超標(biāo)加權(quán)法的模糊綜合評價結(jié)果，并根據(jù)水質(zhì)對應(yīng)各個級別的隸屬與水質(zhì)等級進(jìn)行加權(quán)平均，得出最終連續(xù)化的水質(zhì)評價結(jié)果，見表3。

表3 模糊綜合法評價結(jié)果

3.3 評價結(jié)果分析

根據(jù)濃度超標(biāo)賦權(quán)法計算結(jié)果，21 個點位的指標(biāo)體系中5 項指標(biāo)的平均權(quán)重分別為0.122，0.385，0.390，0.089，0.016。其中，BOD5和NH3-N 所占比重很大，平均值分別為0.385，0.390，最大值分別達(dá)到0.601 和0.831。由此可見，BOD5和NH3-N 是慈湖河上游流域的主要污染因子。

對于模糊綜合法對水質(zhì)評價最終結(jié)果的判斷，通常以最大隸屬度確定該樣本的水質(zhì)等級，這種評價方法雖然比單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅指數(shù)法更加客觀，但仍然有更加精確的提升空間。通過將每個水質(zhì)等級的隸屬度與對應(yīng)水質(zhì)等級進(jìn)行加權(quán)平均，得出最終的連續(xù)化水質(zhì)等級更具有說服力。

通過對水質(zhì)等級的連續(xù)化判斷，可以更加明顯地對各樣本的水質(zhì)情況進(jìn)行對比。若僅僅按照最大隸屬度原則，則兩個樣本都是同類水質(zhì)的情況下難以區(qū)別哪一個樣本的水質(zhì)更好或者更差。例如，洋河流域支流Ⅱ的B1 和B3 點位，根據(jù)最大隸屬度原則，兩個斷面的評價結(jié)果都是Ⅴ類水。根據(jù)連續(xù)化后的水質(zhì)評價結(jié)果，B1 的最終連續(xù)化水質(zhì)等級為4.799，而B3 的最終連續(xù)化水質(zhì)等級為4.264。盡管它們的水質(zhì)評價都是Ⅴ類水質(zhì)，本研究認(rèn)為B3 點位的水質(zhì)比B1 點位略好。根據(jù)上述分析，可以根據(jù)連續(xù)化的水質(zhì)等級判斷各流域的綜合水質(zhì)情況，甚至流域內(nèi)各個支流的綜合水質(zhì)情況。通過求出各流域連續(xù)化水質(zhì)等級的平均值并進(jìn)行對比，可以清晰地看出哪個流域水質(zhì)綜合情況較好，同時也可以判斷哪條支流污染更加嚴(yán)重。具體分析結(jié)果見表4。

表4 改進(jìn)的模糊綜合法評價結(jié)果

由表4 可知，洋河流域平均連續(xù)化水質(zhì)等級為4.313，秀山湖流域平均連續(xù)化水質(zhì)等級為3.698，主河段流域平均連續(xù)化水質(zhì)等級為4.066。即污染程度洋河流域＞主河段流域＞秀山湖流域，水質(zhì)評價結(jié)果與環(huán)境調(diào)查預(yù)期相符合。洋河流域為慈湖河上游流域主要采選礦企業(yè)集中地，主河段與秀山湖流域不存在采選礦企業(yè)，由此可以得出采選礦企業(yè)的生產(chǎn)生活廢水對流域水環(huán)境的影響顯著。

洋河流域4 條支流（分別對應(yīng)A，B，C，D4 個分區(qū)），洋河支流Ⅳ（對應(yīng)D 區(qū)）污染最為嚴(yán)重，水質(zhì)等級為4.494；洋河支流Ⅰ（對應(yīng)A 分區(qū)）污染程度較輕，水質(zhì)等級為3.968。綜合考慮4 條支流，其污染程度從高到低為，支流Ⅳ＞支流Ⅱ＞支流Ⅲ＞支流Ⅰ。支流Ⅳ（D 區(qū)）在實地調(diào)查中的感官效果很差，與環(huán)境調(diào)查預(yù)期相符合，污染源主要有南山礦凹山排土場酸水、馬鞍山市向山生活垃圾衛(wèi)生填埋場、小甸塘酸水、文勝滲坑、東升化工堆存尾砂、玉江化工、采選礦企業(yè)產(chǎn)排污、初級處理設(shè)施運行不力等因素共同導(dǎo)致該支流水質(zhì)狀況差。支流Ⅰ（A 區(qū)）水質(zhì)狀況較好的原因在于該流域?qū)ιa(chǎn)過程中環(huán)境影響較大的小型采選礦企業(yè)進(jìn)行管制，由調(diào)查得知，該支流附近僅存一家管理較好的采選礦企業(yè)，污染相對較小。

洋河流域E 區(qū)為洋河4 條支流交匯處，其水質(zhì)等級為4.382，高于洋河流域平均水質(zhì)等級4.313。其原因除了此干流經(jīng)過雨污分流不完善的向山鎮(zhèn)，生活污水直排導(dǎo)致的水質(zhì)惡化以外，高于干流水質(zhì)等級的水質(zhì)條件最差的支流Ⅳ匯入干流，與其他3 條支流污染物濃度稀釋后造成的結(jié)果。洋河流域F 區(qū)污染更加嚴(yán)重，水質(zhì)等級達(dá)到了4.722，比上游段E區(qū)高出很多。其原因主要為南加甸濕地運行不力，附近廠區(qū)職工生活污水并未經(jīng)過濕地處理進(jìn)入干流，且根據(jù)調(diào)查，南加甸濕地水流幾乎靜止，水體黑臭，污染物在此富集，導(dǎo)致F 區(qū)干流污染物濃度很高，水質(zhì)很差。這種水質(zhì)將進(jìn)入主河段，對慈湖河水質(zhì)的影響非常大。

秀山湖流域水質(zhì)相對較好，流域平均水質(zhì)等級為3.698。主要原因在于秀山湖流域沒有采選礦企業(yè)，工業(yè)廢水污染相對較小。

主河段流域為洋河流域和秀山湖流域的下游，洋河與秀山湖水體混合后進(jìn)入主河段，并穿過城區(qū)。流域的平均水質(zhì)等級為4.066，介于洋河流域與秀山湖流域的水質(zhì)等級之間。這種狀況為污染程度高于主河段的洋河與低于主河段的秀山湖水體的混合導(dǎo)致，此外，生活污染源對主河段流域的水質(zhì)也有一定的影響。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)濃度超標(biāo)賦權(quán)法計算結(jié)果，21 個點位的指標(biāo)體系中5 項指標(biāo)的平均權(quán)重分別為0.122，0.385，0.390，0.089，0.016。其中BOD5和NH3-N 所占比重很大，平均值分別為0.385，0.390，最大值分別達(dá)到0.601 和0.831。由此可見，BOD5和NH3-N 是慈湖河上游流域的主要污染因子。

（2）洋河流域平均連續(xù)化水質(zhì)等級為4.313，秀山湖流域平均連續(xù)化水質(zhì)等級為3.698，主河段流域平均連續(xù)化水質(zhì)等級為4.066，即污染程度洋河流域＞主河段流域＞秀山湖流域。

（3）洋河支流Ⅳ污染最為嚴(yán)重，水質(zhì)等級為4.494；洋河支流Ⅰ污染程度較輕，水質(zhì)等級為3.968。污染程度從高到低為支流Ⅳ＞支流Ⅱ＞支流Ⅲ＞支流Ⅰ。洋河E 區(qū)水質(zhì)等級為4.382，高于洋河流域平均水質(zhì)等級4.313。洋河F 區(qū)污染嚴(yán)重，水質(zhì)等級達(dá)到了4.722，高于上游段E 區(qū)。

（4）慈湖河上游流域整體水質(zhì)在Ⅳ～Ⅴ類之間，基本可以滿足水環(huán)境的生態(tài)需要。洋河流域B1，C2，D1 部分點位水質(zhì)等級較差，需要進(jìn)行針對性的水污染治理。