大伙房水庫水環境安全評估

張 鴻

(遼寧省撫順水文局，遼寧 撫順 113015)

1 研究區概況

大伙房水庫是大伙房飲用水源取水口所在地，位于渾河干流撫順市東洲區，水庫按1000 a一遇洪水設計，PMF洪水校核，總庫容22.68億m3，是一座以城市生活用水、工業供水、灌溉和防洪為主，兼顧養護、發電、旅游等功能的大型樞紐工程，承擔著遼寧中、南部農業生產洪水及沈陽、撫順的生活和工業用水任務[1]。

根據水質監測規范要求，大伙房水庫共設7個斷面，分別為社河臺溝入庫、蘇子河古樓和渾河北雜木斷面；庫區布設渾7、渾37、渾73三個斷面，考慮水深與水面寬左右布設兩條垂線；出庫口(取水口)布設一個斷面(取水口斷面)。

遼寧省、撫順市政府對大伙房水源保護一直非常重視，采取一系列有效措施，確保水源安全。水質監測結果顯示，大伙房水庫庫區水質主要評價指標達到二類標準。由于主要輸入水源-蘇子河控制流域內農業面源污染較嚴重，農村生活污染治理不夠完善及礦山生態破壞、水土流失嚴重等因素，造成大伙房水源氨氮長期超標，水源涵養能力下降，生態環境脆弱，影響供水安全的潛在威脅較大。因此，對大伙房水源保護區開展水環境安全評估，通過綜合治理改善大伙房水源水質，確保城市的供水安全具有充分的必要性和緊迫性[2-3]。

2 水庫水環境安全評估

2.1 DPSIR評估指標體系

參考生態環境安全評估相關文獻資料[4]，充分考慮水庫功能和DPSIR模型特點構建水環境安全評估體系，如表1。在降雨徑流作用下CODMn、TP、TN等進入水體使水庫污染物濃度和數量升高，對水庫水質造成影響，并進一步導致溶解氧和透明度指標發生變化。

表1 大伙房水庫水環境安全評估體系及指標權重

根據大伙房水庫2019年水質監測數據評估其水環境安全狀況，各月水質是否達標按照地表水Ⅲ類水質目標判定。其中，污染物入庫量由水庫污染物實測值、入庫排污口監測數據和河流入庫流量計算確定，降雨數據來源于庫區雨量站實測統計資料，透明度、溶解氧水質響應指標和TP、TN、chl-a、CODMn狀態指標數據來源于遼寧省環境監測中心逐月實測資料，具體數據如表2。

表2 2019年大伙房水庫水質監測數據

2.2 計算指標權重

設水庫水環境安全評估指標有n個：p1、p2、…、pn，參與評價的樣本數有m個：s1、s2、…、sm，參評樣本si關于指標pj的實測數據為qij，從而構成初始評價矩陣Q=(qij)m×n。考慮到各指標初始數據量綱或數量級不同無法直接計算，必須先利用下式進行歸一化處理，如式(1)、式(2)：

(1)

(2)

式中：qij、yij、xij為參評樣本si關于指標pj的實測數據、標準化和歸一化數值；maxqij、minqij為所有樣本中實測數據的最大和最小值。采用式(3)～(4)計算參評指標j的熵值Ej和權重ωj[5]，結果如表2。

(3)

(4)

2.3 生成云模型

采用云模型能夠有效解決評價時存在的不確定性和離散性問題，更好地反映定量描述與定性概念之間的映射。設定量論域是由確切數值組成的集合U，C為定性概念，當x是C的一次隨機實現且屬于集合U時則x呈云分布，每個x都可以視為云滴，多個云滴組成的云可以用來表征映射關系。云模型主要有3個數字特征值Ex、En、He，該模型以N個云滴為輸入項，各云滴隸屬度及N個云滴數定量值為輸出項，詳細計算流程如下[6-7]：

步驟1：采用Matlab軟件生成正態隨機數En′=NORM(En，He)(以He為標準差、En為期望)和x=NORM(Ex，He′2)(以En′為標準差、Ex為期望)。

步驟2：采用公式(5)計算數域中的云滴μ(x)，并重復上述步驟直至生成N個云滴，從而實現定性概念的具體量化。

(5)

步驟3：根據水庫功能和《地表水環境質量標準》中的規定確定各指標分級標準如表3，然后按照各指標隸屬于不同評價等級的閾值范圍計算各等級云模型數字特征Ex、En和He，如式(6)：

表3 各參評指標分級標準

(6)

式中：vmax、vmin為評價等級的上、下邊界；He為超熵值，反映了熵的不確定性，He值越小說明云滴離散性越低，云層厚度也就越小，參照有關文獻資料和經驗確定He值為0.1；k為常數，取0.1。若參評指標隸屬于Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級的取值區間為0～x1、x1～x2、x2～x3、>x3，則相應的數字特征如表4。

表4 不同等級下云模型數字特征

從表4可以看出，若參評指標取值為受限區間可以用正態云發生器生成模型，若參評指標取值為不受限區間時可以用半降云、半升云和正態云發生器生成組合模型。首先計算每個指標隸屬于各評估等級的程度，再將其對應的權重與相同等級隸屬度相乘求和，可最終確定水庫水環境安全評估等級就是最大值所在級別。

3 結果分析

根據安全等級和評估指標計算云模型的3個數字特征值，結合大伙房四庫2019年各月實測水質數據計算每個指標隸屬于不同等級的程度，然后乘以相應的權重進行加權求和即可確定綜合隸屬度，按照最大隸屬度原則可以確定水庫水環境安全最終等級，如表5。

表5 水環境安全評估指標及綜合隸屬度

從表5可以看出，2019年大伙房水庫水環境達到較安全等級，但水質達標率、TP濃度、TN濃度、TP入庫量和TN入庫量5個指標為不安全等級。大伙房水庫上游建有餐館和鋼鐵廠、藥廠及化肥廠等企業，餐飲業的廢棄物和居民生活污水、工業廢水等處理不當，隨降雨徑流進入河流水庫致使水體中氮磷含量升高，特別是水產養殖使得水庫自源性污染明顯加大，人為無序開發及魚類排泄物、養殖飼料等使得水中TN含量增多，這為浮游生物和藻類的生長提供了有利條件，降低了溶解氧含量，再加上大伙房水庫景色秀美引來游客觀光，一些雜物亂丟于庫區也在一定程度上影響了水庫水質。

4 結 論

(1)2019年大伙房水庫水環境雖然存在一些安全隱患，但總體達到較安全水平。受人為活動和自然因素影響TP、TN入庫量及濃度有所增加，為保證水質安全水庫管理部門應高度重視。

(2)云模型可以準確反映不確定事物的模糊性與隨機性，通過合理劃分指標等級和計算各指標權重及綜合隸屬度，實現定量數值表達與不確定性語言的轉換，從而解決了水庫水環境安全評價存在的不確定問題。

(3)針對上游生活污水、餐飲業和工礦企業廢棄物及廢水排放處置不當等問題，應責令停業整頓并予以嚴懲，以生態水產養殖逐漸替代以往的網箱養殖模式，進一步規范游客行為，對水污染區域和水土流失區采取有效的治理措施以保證水質安全。