牛欄江—滇池補水工程對滇池外海水質變化的多方法評價研究

王藝頤，李靈軍，王銘明，賈璐璐，汪 菊，李連強，劉云韓，王云慶

(1.昆明理工大學電力工程學院，云南 昆明 650500；2.水利部綜合事業局，北京 100053)

0 引 言

近年來，城市化、工業化進程不斷加快，水體污染形勢愈加嚴峻，制約著經濟和社會的發展，地表水及地下水水質污染情況也發生了較大改變。因此，水質監測及評價工作尤為重要，評價方法的研究及應用是近年來水環境領域的一個熱點[1- 6]。常用的水質評價方法有單因子評價法、模糊綜合評價法、人工神經網絡法、灰色關聯度分析法、綜合污染指數法、綜合水質標識指數法等。徐勇等[7]用人工神經網絡法評價大沽河濕地海水水質表明，河道內站點水質均為劣Ⅳ類水質，無機氮含量嚴重超標，富營養化狀態明顯，應采取有效措施，提高大沽河濕地水質質量，從而保證濕地區域的生態環境安全；馬京久等[8]把綜合水質標識指數法應用于漢江中下游地區，評價結果表明，2001年～2014年漢江中下游水質逐漸好轉，可為該流域水污染防治提供理論依據；張龍等[9]在阿哈水庫水質評價中采用模糊綜合評價法的研究結果表明，模糊綜合評價法能客觀評價各采樣點的水質，可廣泛應用于水質評價中；陳玲等[10]采用灰色關聯度分析法對常州市北市河水質進行評價發現，斷面水質變化趨勢比較一致，總體上春冬季水質優于夏秋季水質。

每種評價方法在評價水質時的側重點不同，評價方法各有優缺點[11]。單一的水質評價方法會造成評價結果較差或過于理想化，多種水質評價方法相結合，使評價結果更客觀，更趨近事實。為此，本文把單因子評價法、綜合污染指數法、灰色關聯度分析法和模糊綜合評價法4種常用的水質評價方法結合起來，克服單一水質評價的弊端，應用于研究牛欄江—滇池補水工程開通前后滇池外海的水質變化。

1 水質評價方法

1.1 單因子評價法

在所有參評的水質指標中，將其實測值和GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中的標準值作比較，確定水質類別，選擇其中最差類別作為水質評價的結果。

1.2 綜合污染指數法

綜合污染指數法是計算單因子指數和綜合污染指數，根據綜合污染指數進行水質級別的劃分。以污染分擔率表征各污染物的貢獻并識別主要污染物，公式如下[12]

(1)

(2)

(3)

式中，Ci為水質因子i的實測濃度；Si為GB 3838—2002中水質因子i的Ⅲ類標準值；Pi為污染因子i的單因子指數；P為綜合污染指數；Ki為水質因子i的污染分擔率；n為參評指標的個數。綜合污染指數水質級別劃分見表1。

表1 綜合污染指數水質級別劃分

1.3 灰色關聯度分析法

灰色關聯度分析法是灰色系統理論的基本方法，是通過對研究系統內各要素的相互關系、作用與影響進行關聯度量化，從而確定參考序列與多個對比序列間的關聯性[13]。灰色關聯度分析法的步驟如下[14]：

(1)確定參考序列和比較序列。一般把地表水環境質量標準作為比較數列，實測水質作為參考數列。參考序列可以用x0，x1，…，xi表示，第i個實測樣本的參考序列xi可表示為xi(1)，xi(2)，…，xi(n)；比較序列可以用y1，y2，…，yn表示，第j級水質標準的比較序列yj可表示為yj(1)，yj(2)，…，yj(n)。

(2)數據歸一化處理。由于各樣本序列中量綱的不同，數值和數量級相差比較懸殊，無法直接進行比較，需要對數據進行無量綱化處理[15]，求出各年份評價指標和地表水環境質量標準中項目的平均值，用平均值除各年份評價指標的實測值和標準值即可。

(3)計算關聯系數εji。公式為

(4)

式中，Δji為比較序列和參考數列的差數列；Δmax為差序列的最大值；Δmin為差序列的最小值；ρ一般取0.5。

(4)計算關聯度Rji。公式為

(5)

式中，n為參評指標的個數。

(5)對序列排序。關聯度中最大值即為所求水質類別。

1.4 模糊綜合評價法

模糊綜合評價是對多種因素所影響的事物或現象，根據給出的評價標準和實測值，經過模糊變換，對其做出總評價的一種方法，使系統中的不確定性通過隸屬度加以量化，在環境質量評價中顯現出其優越性，近年來在環境科學中得到了應用[16]。具體步驟如下[17]：

(1)建立評價因子集和評價集。評價指標作為評價因子集，GB 3838—2002水質類別作為評價集。

(2)建立模糊關系矩陣。通常用降半梯形和升半梯形求兩端的隸屬度，用對稱山形求中間的隸屬度。

當實測值為Ⅰ級，隸屬度函數為

(6)

當實測值為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，隸屬度函數為

(7)

當實測值為Ⅴ級，隸屬度函數為

(8)

式中，rij為評價指標i對j級水質的隸屬度；Ci為指標實測值濃度；Sij為評價指標的j級水質標準值。

(3)確定權重。可采用污染物濃度超標加權法計算。公式為

(9)

(10)

式中，Si為評價指標的水質標準超標限值；Wi為評價指標的權重。

(4)建立模糊綜合評價。公式為

(11)

式中，B為樣本對于水質的模糊關系；r11表示第1種污染物的環境質量數值可以被評價為第Ⅰ類環境質量的可能性，即第1種污染物對第Ⅰ類環境質量的隸屬度；m代表評價因子數；n代表水質類別。

2 研究區背景

滇池位于云南省昆明市，處于長江、紅河、珠江三大水系的分水嶺地帶，是云南九大高原湖泊，有35條河流注入。滇池分為外海和草海，外海為滇池的主體部分。滇池湖面面積約300 km2，總蓄水量15.6億m3，流域面積2 920 km2，流域徑流6.961億m3/a，湖面降水約2.72億m3/a，共9.68億m3/a[18]。

滇池流域降水量少，蒸發量大，無徑流補給，使得滇池嚴重缺水，周邊工農業排放污水，使得水污染加劇。在國家方針政策的大力支持下，2013年開通了牛欄江—滇池補水工程。本文選用滇池外海2009年～2015年水質指標實測數據(見表2)，采用單因子評價法、綜合污染指數法、灰色關聯度分析法、模糊綜合評價法進行評價。選取化學需氧量(COD)、高錳酸鉀指數、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷、總氮作為評價水質類別指標。指標標準見表3。

表2 滇池外海2009年～2015年水質指標實測數據 mg/L

表3 地表水環境質量標準 mg/L

3 結果對比與分析

單因子評價法、綜合污染指數法、灰色關聯度分析法、模糊綜合評價法4種評價方法對滇池外海2009年～2015年的水質評價結果與水質實測值對比見表4。從表4可知：

表4 4種水質評價結果與水質實測值對比

(1)在4種評價方法中，單因子評價法水質結果最差，因為該方法忽略了評價指標的整體作用，選取最差的指標類別作為水質評價的結果，具有單一性和片面性，評價結果水質類別100%為劣Ⅴ類。單因子評價法更適合確定主要的污染物，其中化學需氧量、總磷、總氮3種指標是導致水質劣Ⅴ類的關鍵因素。

(2)綜合污染指數法可以評價水質污染程度，但無法評價水質類別，水質級別重污染占比57%，嚴重污染占比43%。此外，綜合污染指數法能對水質給出一定的定性判斷，通過綜合污染指數的計算結果能定量反映水質的差異，尤其是在水質較差的情況下，更能反映水質的區別[19]。牛欄江—滇池補水工程開通前，滇池外海水質級別為嚴重污染，經計算，綜合污染指數分別為1.81、2.13、2.12、2.07，該階段污染程度差異性不大。牛欄江—滇池補水工程開通后，滇池水質級別為重污染，經計算，污染指數為2.06、1.78、1.43，在2014年污染指數首次低于2，這說明工程開通后在一定程度上改善了滇池的水質。通過計算水質因子的污染分擔率，可以得到滇池外海化學需氧量和總磷為主要的污染因子，污染分擔率為28%～32%。

(3)灰色關聯度分析法Ⅲ類水質占比43%，Ⅳ類水質占比57%，水質類別整體滿足滇池保護規劃2018年～2035年要求。到2025年，滇池草海和外海水質穩定達到Ⅳ類及以上。可以看出，灰色關聯度分析法相比其他3種方法水質評價結果更好，水質類別整體控制在Ⅲ類和Ⅳ類，水質類別整體偏高，能看出水質轉變趨勢和發展趨勢。

(4)模糊綜合評價法的主要特點是系統性強、結果清晰，還能科學地解決邊界模糊的問題，在解決水質問題時，可以通過模糊綜合評價法反映水質邊界的模糊性，使評價結果更加具有科學性。但是，模糊綜合評價法也存在著缺點，模糊綜合評價法的權重是通過超標法完成的，也就是說超標的越多，其權重也越大，突出了超標污染物的影響，忽略了一些實測濃度地的評價因子。另外，對于同一種水質指標，模糊綜合評價法認為其不同的水質類別的權重相同，這也是其缺點之一[20]。模糊綜合法Ⅳ類水質占比14%，Ⅴ類水質占比86%。通過計算隸屬度可以看出，滇池外海2009年～2015年超標污染物為高錳酸鉀指數、化學需氧量、總磷、總氮，生化需氧量和氨氮無明顯超標跡象。

4 結 語

本文利用滇池外海2009年～2015年水質指標實測數據，采用4種方法評價牛欄江—滇池補水工程開通前后滇池外海水質的變化，得出以下結論：

(1)單因子評價法可直觀看出超標水質指標，并選取最差指標的類別作為評價結果，水質評價結果均為劣Ⅴ類，帶有片面性，在水質評價工作中應用較少。

(2)綜合污染指數法把各個指標都納入評價范圍，但不能評價水質類別，只能得出水質污染程度，應用范圍較為狹窄。

(3)模糊綜合評價法和灰色關聯度分析法可以反映當下實際水質和看出水質轉變趨勢。相比前2種方法，在水質評價領域中應用較為廣泛。