長江水質綜合評價及污染源確定方法研究

邱居華，呂康玄

(1.三峽大學(湖北)設計咨詢研究院有限責任公司，湖北 宜昌 443002；2.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060)

0 前 言

長江是中國第一大河，水資源極其豐富，是我國重要的生態安全屏障區。近年來，長江流域水資源的開發程度日益增大，水環境受人類活動干擾程度日趨惡化，水環境污染問題突出。因此，進行長江水質污染的評價和確定污染源十分重要。

隨著水環境污染問題日益嚴重，水質與污染源的合理評價與判斷逐漸成為研究熱點之一。目前，已有諸多學者對此問題開展了系列研究。Lin tao等[1]使用多元統計技術和綜合水質指數(IWQI)對2018—2020年中國廣東省茅州河流域的地表水水質進行了評估。Thotagamuwa H.T.B.N等[2]結合土地開發利用與水質的關系對地表水進行了評價。Wu Tao[3]等利用水質綜合評價模型對2008-2018年的伊龍湖水質進行了分析。除此之外，朱長軍等[4-9]均從不同角度提出了綜合評價模型。

另一方面，如何進一步確定河流污染源，對河流生態環境治理與防控有著重要意義。高嵩等[10]以泰州老通揚運河引水工程為例,利用一維河網水動力水質模型來分析論證新建泵站的必要性和規模。王偉等[11]系統介紹了國內外廣泛運用的三類水質耦合模型類型，并提出了展望。潘祥東等[12]基于一維水質模型計算了鹽津河納污能力，為鹽津河當地水環境治理提供參考和科學依據。周睿等[13]提出了將一維水質模型應用于分離監測斷面點源污染負荷和非點源污染負荷的方法。張穎等[14]對里下河地區水質模型進行了研究。然而，以上方法在對污染源進行確定與分析時未給出詳細的隸屬度函數及權重計算方法。

本文對隸屬度函數及權重的計算進行了深入的分析，對長江水質綜合評價方法適用性進行了驗證，并基于一維水質模型對污染源進行了確定與分析，為水環境治理提供方法依據。

1 模糊綜合評價法

根據模糊綜合評價方法，可以得到水質綜合評價模型如下：

FCI=B×S

(1)

式中：B為各種等級水質出現的可能性；S為描述各類水質危害程度的水質標準類別向量?？煞謩e利用下式求出：

B=W×R

(2)

S=(S1,S2,S3,S4,S5,S6)

(3)

公式(1)～(3)中：W為水質評判因素權重向量；R為隸屬度組成的模糊關系矩陣；S這是一個主觀因素很強的量，可以人為確定。已知Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類為可飲用水即品質最好危害程度最低，此處根據日常經驗可以取S=(1,2,3,4,5,6)。對于式(2)中的W及R是本文所要考慮的重點，最終構造權重矩陣及隸屬度模糊關系矩陣如下：

對于權重矩陣，其超標倍數越多權重越大，因此構造其計算方式如下：

W=(w1,w2,w3,w4)

(4)

其中，

表1 水質標準值 /(mg·L-1)

另一方面，對于由隸屬度組成的模糊關系矩陣可得：

(5)

式中:i對j的隸屬度 表示第 種污染物的環境質量數值可以被評價為第j類環境質量的可能性。例如：r11表示DO對Ⅰ類水的隸屬程度。進而，以表1中污染物的順序可求得其隸屬度的計算公式如下：

對i=2,3,有j=1時為：

(6)

j=2,3,4,5時為：

(7)

j=6時為：

(8)

對i=4,j=1,2,3,4,5時為：

(9)

j=6時為：

(10)

當i=1時，與上面類似，只不過它是逆向趨勢，這里不再贅述。這里kij是《地表水環境質量標準》中4個主要項目標準限值。

就本文而言，其水質影響因素集即為U={DO,CODMn,NH3-N,pH}，而水質判斷集即為水質的不同評價等級組成的集合。V={Ⅰ類，Ⅱ類，Ⅲ類，Ⅳ類，Ⅴ類}。

2 基于一維水質模型的污染源確定方法

已知干流上各觀測點每個月份的水流速，但由于水流速度是變化的，它的平均速度很難求出，所以根據上一個站點的水流速度和下一個站點的水流速度來估計這兩個站點之間的平均速度，即：

(11)

(12)

各觀測點每秒流過長江水中污染物的總量為污染物濃度與單位時間該觀測點流量Qij的乘積，所得表達式如下：

mij=nij×Qij

(13)

公式(15)中:mij為每秒流過長江水中污染物的總量，mol；nij為污染物濃度，mol/m3；Qij為單位時間該觀測點流量，m3/s。

基于GIS技術的一維水質模型，建立一維河流的污染物濃度與降解系數的偏微分方程為：

(14)

公式(16)中:t為時間，s;C為污染物濃度， mol/m3;k為降解系數;S為污染物源項;E為擴散系數;x為沿河流方向位置。

當流速較大時，污染物的推移作用遠大于擴散作用，故可忽略擴散系數不計，同時若假定個污染源排放為連續穩定，且 ，即污染物濃度變化與時間無關，此時一維模型可簡化為：

(15)

給定邊界條件，則下游斷面處污染物與降解系數的函數關系為：

f(t)=mij×e-αtij

(16)

因為一個觀測站(地區)的水質污染主要來自于本地區的排污和上游的污水，所以求出上一個站點的污染物降解后的剩余污染物后，可以兩個站點之間污染物增加情況，所得表達式如下：

mi(j+1)-f(t)=ni(j+1)×Qij-mij×e-αtij

(17)

3 長江流域水質評價及污染源確定分析

3.1 數據來源情況

長江流域水資源數據和水污染數據均來自2011—2017年《中國統計年鑒》及長江干流7個觀測站點的觀測數據。

3.2 綜合評價結果與分析

利用上述模糊綜合評價模型以綜合評定值排序的結果得出各地區水污染程度，最終可以判斷各地區水質的污染狀況，如圖1所示。

圖1中橫坐標1-17代表表2對應的17個區域。其中，各個地區水質的污染狀況由小到大的排序如表2所示。

表2 污染狀況由小到大排序

由表2可以看出：各觀測城市所在的江段的水質污染的情況，水質最差的是江蘇南京林；其次是江西南昌滁槎；第三位的是四川樂山岷江大橋地區。水質最好的是湖南岳陽城陵磯，其次是湖南長沙新港地區，第三位的是湖南岳陽岳陽樓地區。可見湖南地區水質保護效果較好，江蘇與江西地區水質保護效果較差。

3.3 污染源確定結果與分析

引入一維水質模型，上游污染物呈衰減形式對下游影響，用本地區污染物的量減去上游對下游的影響量及得到本地區排入污染物的量，依次求得各地區排入的污水量進行比較，兩種污染物排入量如表3及表4所示。

表3 高錳酸鹽指數總量 /mol

表4 氨氮總量 /mol

平均值可以反映事物的一般規律,以高錳酸鹽和氨氮的平均值變化觀察污染物主要集中地,如圖2所示。

由圖2可以看出，數據值越大說明排放的污染物越多，高錳酸鹽和氨氮的排放量都是在湖北宜昌至湖南岳陽這一區段數量最大，江西九江河西水廠至安徽安慶次之，由此可下結論說長江干流近一年多主要污染物高錳酸鹽指數和氨氮的污染源主要在湖北宜昌至湖南岳陽、江西九江河西水廠至安徽安慶之間。

通過以上對長江流域污染程度評價及污染源的確定與分析，結果和后期相關報道[15-16]中關于長江流域污染程度及污染物種類高度吻合，由此可見，本文介紹的方法對水質污染的評價和污染源確定問題具有較好的工程適用性。

4 結 論

(1) 本文采用模糊數學的概念建立了模糊綜合評價模型，基于一維水質模型提出了一種水質評價及污染源判別的方法,并分析得出長江干流近一年多主要污染物高錳酸鹽指數和氨氮的污染源主要在湖北宜昌至湖南岳陽、江西九江河西水廠至安徽安慶之間。

(2) 結合2011—2017年《中國統計年鑒》及長江干流7個觀測站點的觀測數據對本文方法進行了驗證，結果表明該方法可準確評價水質污染程度并有效確定污染源，具有較高的工程適用性，可為長江大保護的水質考核及污染物的確定與治理提供數據支撐與理論參考。