杭嘉湖平原河網調水試驗水質模糊風險評估

鄭建根 傅雷 尤愛菊

摘要 通過引入模糊數學理論，對2015年杭嘉湖平原河網調水試驗中嘉興市的水質指標風險進行了計算與評估。結果表明，調水試驗過程中，高錳酸鉀指數和溶解氧的水質風險較低，總磷面臨一定風險，氨氮和總氮的水質風險較高。嘉興市周邊河道的水質風險總體低于嘉興市內河道（調水目標區域），空間差異明顯。該研究結果對未來杭嘉湖平原河網開展常態化調水過程中的水質風險管控有著重要意義。

關鍵詞 模糊數學；平原河網；區域調水；風險率計算；風險評估

中圖分類號 X143 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）29-0056-05

Risk Assessment of Water Diversion Experiment in Hangjiahu Basin River Network Using Fuzzy Mathematics Method

ZHENG Jiangen， FU Lei*， YOU Aiju

（Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary， Hangzhou， Zhejiang 310020）

Abstract The fuzzy mathematics method has been introduced to assess the environmental risk caused by the water diversion experiment in Hangjiahu basin river network. The risk assessment indicated that during the water diversion experiment， the risk of CODmn and DO was low， the risk of TP was medium， and the risk of NH3N and TN was high. Moreover， the rivers outside Jiaxing City had lower risk than the rivers inside Jiaxing City， the spatial risks of those rivers were in different levels. The results of this study will play an important role in Hangjiahu basin water diversion project in the future.

Key words Fuzzy mathematics；Plain river network；Water diversion；Risk rate；Risk assessment

基金項目 水體污染控制與治理科技重大專項（2014ZX07101-011）；浙江省水利科技計劃項目（RB1405）。

作者簡介 鄭建根（1962—），男，浙江桐鄉人，高級工程師，從事水資源與水環境研究。*通訊作者，工程師，博士，從事水資源與水環境研究。

收稿日期 2017-08-16

區域調水是緩解地區性水資源短缺和水質型缺水的重要手段。目前，我國對平原河網區域調水的研究多以水質改善效果的評估為主[1-4]，對調水過程中可能出現的水質風險研究相對缺乏[5-7]。我國水質風險評估研究起步較晚，目前國內的水質風險評估對象多為某個特定河道或流域[1-2，7]，對平原河網地區整體的水質風險評估較少。水質指標的風險評估主要有3種方式：概率論法[7-8]、模糊數學法[7-10]和風險指標法[9-12]。其中，使用概率論法得出的結論可信度較高，但概率論法對數據完整性和長序列性的要求極高，目前大多數平原河網調水的監測數據不足以支撐概率論法的計算；風險指數法計算較為簡單，可操作性高，但目前對風險指數法的理論基礎和評價方法仍有較大爭議[7，9，12]?；谀：龜祵W理論的三角模糊風險分析法是目前較為可靠的水質指標風險分析方法。金菊良等[9]將隨機模擬與三角模糊數耦合入水質風險分析中，李如忠等[10，13]利用三角模糊數進行了簡單河道的水質風險分析，呂振霖等[12，14-16]進一步將模糊數學理論運用于望虞河引水的水質風險評估中并取得了良好的評估結果。鑒于平原河網調水試驗中水質風險評估的重要性，且目前杭嘉湖平原區河網調水水質風險的研究鮮見報道。筆者利用三角模糊風險分析法對平原河網調水試驗的水質風險進行計算評估。

1 調水試驗概況

杭嘉湖地區屬于典型的平原河網水系[16-18]，境內水質既受本地排污影響，又受入境水質影響，水環境形勢既嚴峻又復雜，歷來受到蘇、浙、滬兩省一市的重點關注[16，19-20]。近年來，隨著浙江省“五水共治”的推進，該地區的水質已得到了明顯的提升。2015年11月6日—12月15日，筆者參與了杭嘉湖平原河網調水試驗。該研究以該次調水試驗的實際監測數據為基礎，引入模糊數學理論，對2015年杭嘉湖平原河網調水試驗期間典型斷面的水質變化情況進行了風險率計算，并根據計算結果對該調水試驗的水質風險進行了評估。

調水試驗以嘉興市為試驗主體，選擇嘉興市域東西南北及中部具有代表性的5個監測斷面作為水質風險評估的參評斷面，各斷面的位置分布如圖1所示。

調水試驗監測內容包括溶解氧、水色、水溫、pH、電導率、高錳酸鉀指數、總氮、總磷、氨氮9項指標，其中，水色、水溫、pH、電導率在試驗期間變化并不明顯。因此，筆者選取高錳酸鉀指數、總磷、氨氮、總氮、溶解氧5項指標作為水質風險評估的參評指標，結合圖1及2015年杭嘉湖平原河網調水試驗的水質監測數據。參評的5個監測斷面及其水質指標背景監測值見表1。

2 三角模糊風險分析法

三角模糊風險分析法是定義風險空間并進行風險管控的有效工具，根據三角模糊數學理論，以單個風險因子而言，設a，b，c分別為某一模糊變量的下極限值、目標可能值和上極限值，則3個一組數（a，b，c）構成一個三角模糊數。其中a，b，c為實數，相應的函數可以定義為

U0xc

x-ab-aa≤x≤b

c-xc-bb

（3）氨氮和總氮指標的風險率均維持在較高水平。氨氮濃度僅有1個斷面風險率低于0.5，屬于較低風險；2個斷面風險率在0.8～1.0；2個斷面風險率為1.0，屬于高風險等級。總氮濃度的風險率與氨氮濃度的情況類似，有2個斷面風險率處于0.5～0.8，屬于較高風險，另有3個斷面的風險率高于0.8，屬于高風險。這表明2015年杭嘉湖平原河網調水試驗對氨氮和總氮濃度的改善效果不佳，試驗期間部分斷面反復出現氨氮和總氮濃度高于背景監測值的情況。調水試驗期間頻發降雨等惡劣天氣情況，帶動太浦河沿岸及湖州地區的生活污水進入水體，是試驗期間氨氮和總氮風險率居高不下的主要原因。

從地理位置上看，該研究選擇的5個監測斷面分別位于嘉興市東西南北及中部，可以代表調水試驗期間嘉興河網空間上的水質風險概率分布：

（1）總體來看，調水試驗期間，嘉興河網南北向河道的風險率要小于東西向河道，從該研究參評的5個監測斷面來看，南北向河道監測斷面（汾湖、長山河橋）各個水質指標的風險率，除含氮類指標外，均處于較低水平。其中，汾湖斷面的高錳酸鉀指數風險率為0，氨氮風險率為0.366、溶解氧風險率僅為0.015。從地理位置上看，試驗期間，汾湖斷面主要承接太浦河的優質來水（圖1）。因此，其水質指標的風險率很低，水質在試驗期間較好；長山河橋斷面位于長山閘上游的長山河，是試驗期間嘉興南排工程的主要排水河道。試驗期間，長山河橋斷面的總磷風險率為0，溶解氧的風險率也僅為0.32，表明調水試驗期間，長山河橋斷面在長山閘開閘拉動河網流動的有利條件下，其總磷濃度一直維持低于背景監測值，溶解氧濃度在試驗期間也偶爾出現水質惡化的情況。

（2）東西向河道監測斷面的水質風險率較南北向河道明顯增大，西部入流斷面太師大橋各項水質指標的風險率，除溶解氧為0.271，處于較低風險外，總氮指標大于0.50，其余3項指標均大于0.80，水質風險較高。這說明調水試驗期間湖州地區進入嘉興的水質情況一般，優質的太湖來水經過湖州地區之后存在水質下降的趨勢。而東部的青陽匯斷面除溶解氧外，其他4項水質指標的風險率均大于0.80，在調水試驗期間存在較大的水質風險。

（3）調水試驗期間，嘉興市內河道的水質改善效果一般，從參評的西麗橋斷面的各項水質指標風險率來看，其高錳酸鉀指數和總磷的風險率為0.380和0.458，屬于較低風險，氨氮、總氮和溶解氧的風險率則分別高達1.000、0.988和0935，由此判斷，氨氮和總氮濃度在西麗橋斷面長時間出現高于背景濃度的情況。西麗橋斷面溶解氧的風險率明顯不同于其他斷面，這是由于西麗橋斷面的溶解氧背景濃度高達4.33 mg/L，試驗期間溶解氧濃度雖然也有較長時間維持高于4.00 mg/L的地表水 Ⅲ 類水標準，但11月16日左右因大雨、太浦閘流量調整及南排工程開度調整等各種因素綜合作用下出現了2.10 mg/L的極低值，明顯增大了西麗橋斷面溶解氧濃度的風險率。

5 結論

（1）該研究利用模糊數學理論對2015年杭嘉湖平原河網調水試驗過程中的水質風險進行了計算和評估。結果表明，調水試驗中高錳酸鉀指數和溶解氧的水質風險較小，總磷有一定的風險，氨氮和總氮的水質風險較高。

（2）在河道流動性、天氣情況、水利工程調度情況等因素的綜合影響下，調水試驗中嘉興市南北向河道水質風險較低，東西向河道水質風險較高，中部河道的水質風險最高。

（3）2015年杭嘉湖平原河網調水試驗期間，太湖的優質水源從湖州和太浦河2個方向進入嘉興市，在一定程度上改善了嘉興河網的水質。但試驗過程中，太湖的優質來水存在一定的沿程惡化情況，加之試驗期間遭遇降雨等特殊天氣，對調水試驗效果產生了不利影響。在未來的杭嘉湖平原河網常態化調水實踐中應對此給予高度關注。

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