基于模糊綜合法和灰色關聯法的百花湖水質評價

敖成歡， 鐘九生， 趙 夢， 黃國金， 段紀維， 江 麗

(貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴州 貴陽 550001)

隨著人類對地表影響程度的不斷加深，人地關系變得愈發密切，隨之也引發了一系列的環境問題，其中地表水環境的污染便是當下亟需解決的問題，關于水環境污染治理問題也引起眾多水環境研究學者的廣泛關注。

李延林等[1]利用綜合營養狀態指數法及灰色關聯分析了騰格里湖水質狀況，鄧渠成等[2]利用三角模糊—貝葉斯方法對九洲江水的水體進行了評價，郭晶等[3]利用不同評價方法對洞庭湖水質進行了分析，張婷等[4]利用MIKE21和灰色模式識別模型探究了洪湖水質，楊浩等[5]采用模糊綜合評價法對洮河水質進行了研究，上述水質評價方法都能較好的分析出研究區水質現狀，但由于水質評價方法較多，在分析不同的水環境時要選擇恰當的分析方法進行綜合評價，其中灰色關聯和模糊評價法就比較常用于水質評價。

當下，水質評價的方法眾多，評價的標準體系也尚未統一，而水質評價方法約有二三十種，主要有指數法和不確定方法兩大類。而模糊評價法與灰色關聯分析法可將自然界中一些邊界不清且不容易定量化的因素進行定量分析，可針對地表水環境的不確定性進行綜合評價。本文通過監測水體8項理化參數，利用灰色關聯法和模糊評價法建立相應的評價模型，得出該水庫水質類別，旨在為相關的水資源管理部門科學開發、利用及保護該水源地提供依據。

1 研究區概況

百花湖位于貴州省貴陽市西北郊，地理位置為106°27′—106°32′E,26°35′—26°41′N，夏秋季水溫為26 ℃左右，冬初在10 ℃左右[6]。屬云貴高原烏江支流貓跳河六級開發中的第二級大型人工水庫，建成于1966年，1987年被國務院批準為國家級風景名勝區。百花湖長18 km，平均寬度0.8 km，流域面積1 895 km2，湖面面積為14.5 km2，最大水深45 m，平均水深12.55 m，設計正常高水位1 195 m，相應庫容1.82×109m3，發電裝機庫容2.20×104kW，湖泊補給系數為182.2，湖水滯留時間為0.102 a[7-9]。該水庫原始功能為發電、調洪、供水、農業灌溉和養殖，兼具旅游和水上運動等功能，其主要為貴陽市白云水廠、貴州鋁廠及朱昌鎮的供水，百花湖水庫設計供水3.10×109m3，水廠斷面可供水量2.90×109m3，年總供水量為2.87×107m3。

西南喀斯特生境脆弱[10]。主要表現為：①西南喀斯特水資源開發利用難度較大，區域儲水能力弱：因受該區域特殊的地表地貌影響，地表破碎，多發育峰叢、洼地、洞穴、裂隙、峽谷等地貌類型，地表水滲漏致使儲水蓄水能力弱，降水不易在地表長時間儲存，加之地下水埋藏較深，儲存形式復雜，導致水資源開發利用難度加大。此外，該區域成土過程緩慢，土層薄且不連續分布，土壤涵養水源的能力弱，石漠化嚴重，植被稀少，地表徑流少等原因使得其水資源開發利用難度大。②季節性干旱頻發：喀斯特區域擁有特殊的“二元”水循環系統，因其地表地貌復雜多樣，多發育著陡峭、破碎地形，導致地表水下滲，地表極難形成持續性的集水區域，且貴州降雨時空分布上的不均勻，長久下去極易造成季節性缺水、干旱頻繁。③工程性缺水問題明顯：季節性干旱及地表水下滲嚴重，必定要修建水利設施以防供水期缺水問題的出現，單因貴州經濟發展較為緩慢，復雜的地質地貌條件突出，一些較大水利設施因年久失修，運行能力低，以及小型水利設施供水不足等現象，致使工程性缺水突出。④水環境容易遭受外界破壞、污染，治理不易：西南喀斯特區域礦點、煤點等較多，存在重金屬污染現象，某些工農業生產排放的三廢，一旦遇見降雨天氣，污染物必定會隨之匯入河流、湖泊等水環境，引發水污染及富營養化問題，特殊的“二元”水環境系統使地表地下水連通性強，若河流、水庫、湖泊等一旦受到污染會很難治理。作為西南地區典型喀斯特區域之一，貴州喀斯特面積廣闊，地表崎嶇破碎，巖溶分布廣泛，碳酸鹽巖石出露面積占了全省總面積的73%[11]，在此地理背景之下，其生態環境較其他非喀區域更為脆弱，且根據《貴陽市城市總體規劃》，2020年將在百花湖周邊建成百花新城，如果百花湖周邊環境不加以保護，屆時百花湖污染將會更為嚴重[12]。

2 材料與方法

于2013—2016年進行水體表層逐月采樣，根據百花湖湖泊形狀、湖泊入湖支流分布特點布設5個采樣點,共涉及溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、氨氮、總磷、總氮、氟化物、糞大腸菌群8個參數。利用LocaSpace Viewer和ArcGIS10.1軟件確定采樣空間軌跡和位置，理化參數的測定標準按照金相燦等(1990)編著的《湖泊富營養化調查規范》(第二版)進行測定。

2.1 研究方法

2.1.1 模糊綜合評價法[13-14]

(1) 評價指標選取與執行標準。選取溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、氨氮、總磷、總氮、氟化物、糞大腸菌群8個理化參數，采用《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)作為評價標準。

(2) 模糊綜合評價法評價步驟。

①建立因子集。假設影響水質的因子共i個，則評價因子集合可表達為U={u1,u2,u3,…,ui} 。即集合U={溶解氧，高錳酸鹽指數，化學需氧量，氨氮，總磷，總氮，氟化物，糞大腸菌群}。

②建立評價集。假設評價等級分為i個等級，該集合即為V={v1,v2,v3,…,vi}，根據《地表水環境質量標準》[14]劃分標準及百花湖實際情況可將其水質劃分為5個等級，評價集為V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

單因素隸屬函數和模糊評價矩陣的建立：由《地表水環境質量標準》[15]建立各評價因子的隸屬函數。對于溶解氧來說，其數值越大，等級就越低，隸屬函數為：

(1)

而數值越大等級越高的其余7個參數的隸屬函數為：

(2)

根據上述公式建立模糊評價矩陣，即：

(3)

式中：第i行Ri=(ri1，ri2，…，rim),i=1，…,m，i為第i個評價因子對各級水質標準的隸屬度；第j列Rj=(r1j，r2j，…，rnj)，j為各評價因子對第j級水質標準的隸屬度。

③權重的確定。

(4)

④建立綜合評價矩陣。

得出上述權重集和模糊綜合評價矩陣，可知綜合評價模型：

B=M×R={a1,a2,…,ai,…an}×

(5)

計算得出矩陣最大隸屬度值所在的對應水質類別即為該監測點的水質類別。

2.1.2 灰色關聯評價法[16-17]

(1) 評價指標選取與執行標準。選取溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、氨氮、總磷、總氮、氟化物、糞大腸菌群8個參數，采用《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)作為評價標準。

(2) 灰色關聯評價法評價步驟。

①標準濃度矩陣和樣本矩陣的確定。

假設某研究水域共有p個待分級評價的水體斷面，各斷面又劃分出q項被評價的單項水質指標，那么可將其排列為一樣本矩陣，即：

(6)

又根據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)及水體實測數據確定水質標準濃度矩陣，水質污染程度分級記為m。既有濃度矩陣

(7)

②數據歸一化處理。使用分段線性公式計算，因涉及到的評價指標有正向指標(指標越大污染越重)和負向指標(指標越大污染越小)，所以分兩類方法計算。正向指標：

(i=1,2,…,m；U=1,2,…,n)

(8)

(9)

(j=1,2,…,m)

負向指標:

(10)

(11)

③標準濃度矩陣歸一化后得到的矩陣。

(12)

樣本矩陣歸一化后得到的矩陣為：

(13)

④計算關聯度級關聯離散函數。目前有關聯離散函數ξ極差法與冪函數法[18]，本文采用極差法計算，即：

⑤灰色關聯分析法得出結果的評判?；疑P聯分析的最終結果應取關聯度(Γk)最大值所對應的分級數。

3 結果與分析

文中選取了溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、氨氮、總磷、總氮、氟化物、糞大腸菌群8個參數作為評價因子集，通過月均值進行計算，并采用《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)作為評價標準，表1為本文選取的8項指標的地表水環境質量標準限值，表2—3為灰色關聯法和模糊綜合評價法計算得出的結果。

3.1 灰色關聯與模糊數學數據分析

由表2可知，百花湖2013—2016年湖泊水質整體都達到了標準，水質較好，除2013年5號采樣點水質達到Ⅳ類水質和2016年1號采樣點達到Ⅱ類水質之外，其余年份的采樣點水質均達到Ⅰ類水質，水質類別變化基本穩定，從灰色綜合值來看，1—4號采樣點的Ⅰ和Ⅱ類綜合值都接近，Ⅱ類水質隸屬度較大，水質有從Ⅰ類變為Ⅱ類的可能；由表3可知百花湖2013-2016年間水質變化呈現逐年變化的趨勢，除了2015—2016年間水質穩定外，2013—2014年：3—5號采樣點水質較差，這與上游紅楓湖下泄水及采樣點附近外源徑流所帶來的營養物質有關，水質變化起伏較大，2013—2016年：5號采樣點水質都為Ⅴ類水質，2015年1—4號采樣點Ⅴ類水質隸屬度較大，2016年1—4號采樣點Ⅳ類水質隸屬度較大；從圖1中可以明顯得出，灰色關聯法與模糊綜合評價法計算出的百花湖水質(2015—2016)變化大致一樣，而2013—2014年得出的評價結果區別較為明顯。但都能大致反應出研究區水質類別，具有一定的現實借鑒、參考作用。從上述可知：百花湖整體為Ⅰ類水質，5號采樣點水質較差，這與上游紅楓湖下泄水帶來的水體營養物質有關系，此外，由兩類得出的隸屬度值來看，百花湖水質有變差的可能，所以百花湖水質有防治的現實意義。

表1 地表水環境質量標準 mg/L

表2 百花湖水質灰色關聯分析法評價結果

表3 百花湖水質模糊綜合評價結果

如表4所示，將本文評價結果與2017年百花湖水質類別比較可知(貴州省2017年水資源公報)：百花湖2017水質總體為Ⅱ類，汛期水質優于非汛期水質，說明水庫雨季、排水期水體得到一定的更換，水質較優，從2013—2016年的水質評價結果來看，水質總體優于2017年水質，歸其原因與評價方法的權重有關，歷年總氮、總磷實測值較高，會影響權重的分配比例，從而影響模糊評價法的隸屬度與灰關聯的關聯度，特別是5號采樣點各項指標年均值均高于其余采樣點，使得評價顯示出較差的水質結果。

此外，由于模糊數學法所計算的權重、隸屬度矩陣皆由實測水質確定，所以受超標指標的影響較大，也是圖1中顯示出的在5號采樣點的模糊評價結果水質較差的原因，而相比灰關聯評價法，其實測水質與各級水質的標準是經過歸一化處理的，然后經權重矩陣計算參考數列與比較數列，因而評價結果受超標因子的影響較小，所以結果中的灰關聯結果較為穩定[19]。

表4 2017年百花湖水質

圖1 灰色關聯與模糊數學法水質評價結果

由圖2可知，2013—2016年貴陽市降雨量分別為888.3，1 562，1 430.8，1045.8 mm，4 a間降雨量均值為1 231.7 mm，1960—2016年間降雨量均值為1 112.3 mm，2013—2016年年降雨量均值高于1960—2016年間降雨量均值。2014年創57 a間最大年降雨量，2014—2015年降雨量均高于歷年降雨量均值，而2012，2016年降雨量分別低了歷年降雨量均值224，66.5 mm，結合2017年水質汛期水質優于非汛期水質，可知降雨量大的年份(豐水期)對水質是有一定影響的，尤其是汛期水質優于非汛期水質，說明百花湖2013—2016年間水質較優在一定程度上是受2013—2016年間降雨量較大的影響所致。但因采樣點分布較為稀疏，某些采樣點位于干流出口，會受下泄水體攜帶的營養物質影響，使水質較差。所以在分析該湖泊水質時，應考慮上下游間的關系，降雨量只是分析水質優劣的充分條件。

圖2 貴陽市歷年降雨趨勢

3.2 防護措施

整治之前的百花湖由于采礦業、制造業等不合理運營產生工業廢水，農業中大量流失的農藥、化肥，未經處理的城鎮生活污水，水產養殖遺留的剩余餌料等造成了大量營養物質輸入湖泊[20]，但整治后的百花湖水質環境已趨良好。隨著經濟發展，人類活動加強，且2020年將在百花湖周邊建成百花新城，若百花湖周邊環境不加以保護，防范未然，勢必會污染該湖泊，針對該湖未來防治，提出以下治理措施。

(1) 湖周圍排入湖區的污水廠產業，要設立達標的污水處理廠，集中凈化后排放。

(2) 合理選擇種植人工濕地植物，吸收湖底沉積物釋放的氮磷元素；有指定的定期清除濕地植物[20]。

(3) 湖區的生產生活垃圾要定點放置并統一處理，農村廁所生態化(沼氣池)，進行保護百花湖的宣傳教育，制定相關的法律法規。

(4) 形成健康的水循環體系，保護措施應考慮上游地區，河湖同治，全局性的整治。

(5) 湖周圍可植樹造林，杜絕亂伐亂墾所形成的水土流失，保護湖區生態環境。

(6) 定期檢測農業施肥區流入百花湖的河流，對河流中營養物超標現象要及時處理：如加強土地管理，合理使用土地資源；改良作物方式；改進施肥方式、保土耕作、作物輪植等[21]。

(7) 湖泊治理是“持久戰”，應科學的分步驟進行，且湖泊治理應以控制污染源為前提，多種技術并行，保護自然生態特征是湖泊治理的前提[22]。

4 結 論

(1) 百花湖2013—2016年水質大致集中在Ⅰ，Ⅱ類水質，符合飲用水源標準，但歷年評價結果表明，百花湖1—4號采樣點水質的Ⅱ類、Ⅳ類、Ⅴ類隸屬值都較大，說明百花湖水質有變差的趨勢，湖泊水體已經受到了一定污染，這可能與上游地區下泄水及湖泊支流攜帶的營養物質有關。

(2) 從評價結果可知，灰色關聯法得出的水質較好，而模糊數學法評價出的水質較差且波動較大。從2017年貴州水資源公報的百花湖水質可得，本文水質評價結果整體優于2017年水質，是因評價方法受權重影響,水質結果偏優。且降雨量大的年份，尤其是汛期水質會優于非汛期水質，2013—2016年年降雨量均值高于1960—2016年間降雨量均值，一定程度上亦能說明本文水質較優的原因受降雨量影響。此外，本研究湖面采樣點偏少、對注入河流的干支流及水庫相關水文數據的缺失等不足使該湖泊水質評價結果會有失偏頗，這仍是今后需要補強驗證的點。

(3) 在水質評價過程中，為減小權重及評價方法對最終水質結果的影響，建議使用多種水質評價法進行對比、分析比較可使結果更為準確，當需知研究區超標污染物情況時，建議使用模糊數學法評價，而對于下游地區的農業灌溉區、開發區等建議使用灰色關聯法評價，以便最大化的開發利用水資源。本研究結果僅適于作為百花湖水資源管理、水質評價的參考。

(4) 百花湖水質防治是“持久戰”，要做到湖泊自凈和科學制定治理措施就必須生物措施和工程措施相結合，該流域治理需全局兼顧，方可還百花湖“一方凈水”。