滹沱河流域水質(zhì)的評價體系研究

王未英

（忻州市水文水資源勘測分局　山西　忻州　034000）

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滹沱河流域水質(zhì)的評價體系研究

王未英

（忻州市水文水資源勘測分局山西忻州034000）

摘要滹沱河流域面積廣，供水范圍大，但水質(zhì)情況復(fù)雜，為此建立滹沱河流域水質(zhì)評價體系對于水質(zhì)檢測、水質(zhì)改善、流域水環(huán)境治理等具有十分重要的意義，本文主要針對該流域18個檢測點豐水期、平水期、枯水期分別進行檢測，運用層次分析法，建立滹沱河流域水質(zhì)的評價體系，運用matlab軟件結(jié)合矩陣運算求解，以治河為例進行具體分析，并對全流域各大檢測點分別計算，給出滹沱河流域水質(zhì)評價結(jié)果，并說明滹沱河流域水質(zhì)評價體系與評價方法的應(yīng)用前景與效果。

關(guān)鍵詞層次分析；綜合評價；滹沱河流域；數(shù)學(xué)模型；水質(zhì)

1　研究意義

滹沱河流域面積達2.73km2，其流域內(nèi)的主要支流包括治河、同河、陽武河、太平河、清水河、云中河、牧馬河、南坪河等，滹沱河全長587km，其中穿越的山丘、峽谷眾多，水流摻雜的碎石于該流域西南部沉淀。其所攜帶的泥沙主要源于黃河上游，在其流域內(nèi)部自上游逐漸沉淀，最終進入其他流域。

滹沱河流域面積較大，流域內(nèi)有34個市，包擴石家莊、陽泉等大中城市，同時其水質(zhì)情況較為復(fù)雜，流域內(nèi)植被相對較少，水土保持情況較差，該河流對于該流域的整體用水質(zhì)量影響巨大，建立滹沱河流域水質(zhì)的評價體系對于水質(zhì)檢測、水質(zhì)改善、流域水環(huán)境整治等具有十分重要的意義[6,7]。

2　層次分析模型建立

由于滹沱河流域水質(zhì)情況復(fù)雜，本文選用層次分析法，對該流域的整體水質(zhì)情況進行綜合評價，對于滹沱河流域水質(zhì)情況的檢測過程，經(jīng)歷該流域的豐水期、平水期、枯水期的全部階段，以得到準確系統(tǒng)的檢測結(jié)果，同時避免水質(zhì)在水量變化情況下，自調(diào)節(jié)功能不同的影響，以使檢測結(jié)果準確可靠[1]；同時本次檢測取樣站包含各大支流上、下游的16個檢測站，通過對每個檢測站多點隨機取樣測量，實現(xiàn)對主要支流整體情況進行宏觀檢測。并運用層次分析法來確定測量樣本中各水質(zhì)指標在綜合評價中的權(quán)重[2]。

2.1構(gòu)造各地區(qū)水質(zhì)綜合評價的的階梯層次結(jié)構(gòu)

構(gòu)造滹沱河流域水質(zhì)綜合評價指標的基本檢測指標主要有：pH、DO、CODMn、NH3- N，評價的標準是以兩年時間中不同時期的均值和年均值為依據(jù)[3]。構(gòu)造綜合評價的目標層、準層等結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2.2建立目標層判斷矩陣

首先，在建立目標層判斷矩陣之前，需要確定參數(shù)優(yōu)先級，即比較參數(shù)之間的重要性，對于目標層，水質(zhì)指標的年均值是最重要的，同時年均值比年內(nèi)各個時期的均值優(yōu)先級要高，而在其他各個時期當(dāng)中（如：豐水期，平水期，枯水期）選擇流量最大的時期為較高優(yōu)先級，本例中為豐水期，依據(jù)此方式我們將制定出目標層判斷矩陣A：

圖1　滹沱河流域綜合評價體系結(jié)構(gòu)圖

表1　治河觀測站觀測指標統(tǒng)計表

2.3準則層判斷矩陣

準則層判斷矩陣中的參數(shù)βij計算方法如下：

首先將目標層判斷矩陣中參數(shù)A1、A2、A3、A4中各指標的測量結(jié)果用如下公式進行標準化處理：

其次令:

再次計算:

設(shè):

對于任意的βz與βt相比，其判斷矩陣元素βzt由以下確定:

表2　各指標觀測值的標準化值

最后，由以上各式可得準則層的判斷矩陣，運用矩陣運算結(jié)合matlab數(shù)據(jù)工具箱求出目標層判斷矩陣A。

2.4特征值計算

為確保結(jié)果準確可靠，需要進行一致性檢驗，因此需據(jù)下式計算B(1)、B(2)、B(3)的最大特征值λmax：

得出B(1)、B(2)、B(3)的最大特征值λmax，再進行一致性檢驗：求得一致性指標CI與一致性比例系數(shù)CR：

（注：只有當(dāng)CR小于0.1時，才能認為該矩陣的一致性較好。）

2.5水環(huán)境質(zhì)量的綜合評價指數(shù)的計算

水環(huán)境質(zhì)量綜合評價指數(shù)PI為本綜合評價體系的最終參考指標之一[4]，其計算公式如下所示：

其中，疊加系數(shù)n主要依據(jù)參考指標個數(shù)確定，本例中為固定值“4”，歸一化特征向量VA（n）、VB(n）通過方根計算法得，在此不做過多贅述。

3　綜合評價模型求解——以滹沱河流域為例

以治河觀測站為例，通過對其16個觀測站兩年時間的觀測值進行分層計算，求該觀測站的水質(zhì)綜合評價指數(shù)。根據(jù)觀測站測量的24個月的觀測值，統(tǒng)計得到下面的平均值表：

標準化計算得相應(yīng)于上表中各指標觀測值的標準化值如表2：

計算準則層的判斷矩陣分別為：

用方根法計算出判斷矩陣A,B (1),B(2),B (3)的歸一化特征向量:

以上代表的是目標層判斷矩陣分別在豐水期、平水期、枯水期、以及年均指標在綜合評價體系中的權(quán)重，即VA、V（B1）、V（B2）、V（B3）、V（B4）分別指酸堿性PH、溶解氧含量DO、CODMn、NH3- N在全年、豐水期、平水期、枯水期下的指標權(quán)重值[5]。

計算判斷矩陣的最大特征值結(jié)果如下：

并進行一致性檢驗得：

一致性指標:

一致性比例：

其中R.I.為平均一致性指標，查表R.I. =0.9，計算得：

當(dāng)C.R.＜0.1時判斷矩陣具有好的一致性，故一致性檢驗滿足要求。

最后進行水環(huán)境質(zhì)量的綜合評價指數(shù)的計算得：

根據(jù)國家環(huán)保總局標準處推薦的評價標準為參考依據(jù)，見下表：

表3　水質(zhì)評價標準

通過上述計算，我們可以得出陽武河上游、云中河上游、牧馬河上游、同河上游、清水河上游、南坪河上游、冶河上游、太平河上游、陽武河下游、云中河下游、牧馬河下游、同河下游、清水河下游、南坪河下游、冶河下游、太平河下游各檢測站的28組檢測數(shù)據(jù)所計算的綜合評價指標值，并通過與上表比對，確定該流域總體水質(zhì)情況，以及各河流在這個長時間序列下的水質(zhì)變化情況。其評價指標PI計算結(jié)果如下：

由上表計算得最終滹沱河流域各地區(qū)水質(zhì)情況綜合評價結(jié)果如下：

其中權(quán)值ωκ是通過加權(quán)平均法計算得出整個流域各支流對該流域整體水質(zhì)情況的影響權(quán)重值，本文采用超標指數(shù)法或指數(shù)賦權(quán)法，即根據(jù)各地區(qū)水質(zhì)的質(zhì)量分級指數(shù)Cok來確定權(quán)重。其公式為：

式中PIi為各地區(qū)水庫分級指數(shù)，Coi為PIi對應(yīng)分級指數(shù)的最大允許值。將上表中所得到的PIi值代入Ii式算得水質(zhì)總體PI結(jié)果為：

表4　滹沱河流域近兩年來16個觀測點的綜合評價指標值

表5　滹沱河流域各地區(qū)的水質(zhì)情況的綜合評價結(jié)果

故可以認為滹沱河流域近兩年來的水質(zhì)情況為Ⅲ類。

4　結(jié)語

本文采用的分析數(shù)據(jù)，由一個長時間序列下檢測得到，這樣一個長時間序列，將經(jīng)歷該流域的豐水期、平水期、枯水期的全部階段，可以得到準確、系統(tǒng)的檢測結(jié)果，同時避免水質(zhì)在水量變化情況下自調(diào)節(jié)能力不同的影響，檢測結(jié)果準確可靠；同時本次檢測站包含各大支流上、下游，對主要支流整體情況進行宏觀檢測，既能有效的降低檢測效率與成本，又能客觀的反應(yīng)滹沱河流域水質(zhì)的整體情況。由兩年內(nèi)各時段計算結(jié)果可知，滹沱河流域各支流在不同時間段（豐水期、平水期、枯水期）水質(zhì)情況變化較大，可知本文采用的長時間序列檢測十分必要。由各流域水質(zhì)總檢測評價指標結(jié)果可知，滹沱河流域整體水質(zhì)情況為Ⅲ類標準，即水質(zhì)情況一般，其中由滹沱河流域上游到下游水質(zhì)逐漸變差，但變化十分緩慢，只有南平河下游輕度污染，其他地區(qū)均滿足Ⅲ類水質(zhì)質(zhì)量標準。該水質(zhì)評價體系很好地反映了滹沱河流域在時間和空間上的水質(zhì)變化情況，利于有針對性地對滹沱河流域進行治理，對于改善水質(zhì)、治理流域水環(huán)境等具有十分重要的意義。同時該評價方法具有普遍適用性，對于我國各大流域的水質(zhì)評價均具有較高的借鑒意義。

對該流域，其水質(zhì)整體情況為三類標準，但個別支流存在輕度污染，從時間角度來看，該流域的整體水質(zhì)情況處于逐漸惡化趨勢，應(yīng)當(dāng)加強監(jiān)管力度，嚴厲打擊排污、排廢等非法行為；加大生態(tài)水利、生態(tài)河道的宣傳理念，積極開發(fā)生態(tài)混凝土等新型材料，引用生態(tài)護坡、適應(yīng)性河床等新技術(shù)；提高宣傳教育力度，樹立積極健康的環(huán)境友好型河流建設(shè)理念。同時，也應(yīng)實時進行水質(zhì)選點檢測，周期性進行綜合評價，按需進行宏觀調(diào)控，最大限度提高水質(zhì)，保護水環(huán)境。陜西水利

參考文獻

[1]李連香,許迪,程先軍等.基于分層構(gòu)權(quán)主成分分析的皖北地下水水質(zhì)評價研究[J]. Resources Science, 2015.37(1).

[2]張巖祥,肖長來,劉泓志等.模糊綜合評價法和層次分析法在白城市水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉, 2015.3: 010.

[3]高宗軍,董紅志,許傳杰等.層次分析法在地下水質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].地下水, 2014 (3): 49.50.

[4]數(shù)學(xué)建模[M].高等教育出版社, 2014.

[5]譚渝峰,張琪,朱莎等.基于簡單建模與因子分析的湖泊水質(zhì)評價[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報, 2015.31(3): 432.439.

[6]韓曉霞,朱廣偉,吳志旭等.新安江水庫(千島湖)水質(zhì)時空變化特征及保護策略[J].湖泊科學(xué), 2013.25(6): 836.845.

[7]朱廣偉,陳偉民,李恒鵬等.天目湖沙河水庫水質(zhì)對流域開發(fā)與保護的響應(yīng)[J].湖泊科學(xué), 2013.25(6): 809.817.

（責(zé)任編輯：闕嘉雯）

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