基于物元法的青衣江雨城區段水質評價研究

李夢玲，鄧 玉

(1.四川農業大學水利水電學院，四川 雅安 625014；2.黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

河流作為水資源的重要載體，正面臨著嚴重的污染問題。水質評價是流域水環境管理的一項基礎性工作，結合相應的評價標準可以簡便、快速、有效的評判水體污染情況，為制定科學合理水環境規劃管理提供決策依據。目前，常用的水質評價方法主要有不確定性分析方法[1]、人工神經網絡模型[2]、模糊評價法[3]、投影尋蹤模型[4]、灰色關聯度方法[5]等。但這些方法都存在不同程度的缺陷，需根據具體數據及區域特點選擇合適的方法對特定區域水質進行評價。

物元分析法是可拓工程方法的一種，將定性分析與定量分析相結合，減少了傳統評估方法在權重賦值時的主觀性，使得評價結果更加科學、全面以及合理[6-8]。物元分析法已被應用在水環境評價工作中。劉燦均等[9]通過構建物元模型對溫榆河水質監測數據進行評價，結果表明物元分析法在水質評價中計算簡捷，具有能夠綜合反映水質狀況的特點。郭亮[10]構建的物元可拓模型對葫蘆島市淺層地下水水質進行評價分析，表明物元模型具有較高的精確度和可靠性，可應用于水質的定量評價分析。

本文通過分析青衣江雨城區段水質監測數據，并建立物元評價模型，對青衣江雨城區段水環境質量狀況進行評價，根據青衣江流域現狀提出治理建議，為青衣江流域可持續發展提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

青衣江是大渡河左岸一級支流，河長276 km，流域面積1.33萬km2，發源于邛崍山脈巴朗山與夾金山之間的蜀西營(海拔高程4930 m)，流經雅安、洪雅、夾江于樂山草鞋渡處匯入大渡河。青衣江流域屬四川盆地亞熱帶濕潤氣候區，流域多年平均氣溫14.1℃～17.1℃，隨地形高低而產生差異，最高氣溫多出現在7月、8月，多年平均蒸發量1011.2 m。流域內降雨量非常充沛，南部有峨眉暴雨中心，雨量豐沛，多年平均降雨量達1777 mm，大部分地區均在1200 mm以上。

多營斷面是青衣江雨城區段的入境斷面，龜都府斷面是出境斷面，該河段流經雅安市主城區及周邊鄉鎮，為沿岸居民提供生活、農業、工業用水。河段內建有沙坪、大興、龜都府等水電站，以調節流域內用水。青衣江雨城區段流域范圍見圖1。

圖1 研究區位置

1.2 水質數據

水質監測數據來源于雅安市環境監測中心站，包括2016年5月～2017年5月雨城區多營斷面和龜都府斷面的水質數據，具體見表1。

表1 水功能區水環境質量總體特征

2 模型評價與結果

2.1 水質變化特征

選取總磷、溶解氧、氨氮、CODMn、五日生化需氧量五項指標分析兩斷面水質年內變化特征，從而分析青衣江雅安段年內水質情況，具體見圖2。

(a)總磷

如圖2(a)所示，河段內總磷含量相對較低，兩斷面含量基本相同，除7月、8月含量超標外，其余時段內含量變化不大，且均為Ⅱ類水質。如圖2(b)所示，兩斷面溶解氧含量基本保持一致，僅7月份為Ⅱ類水，其余時段內均為Ⅰ類水質。河段內溶解氧含量低，故河流污染程度較低，水質較好[11]。由圖2(c)可得兩斷面氨氮含量基本保持在Ⅰ類水和Ⅱ類水之間，但上游含量稍高于下游。故氨氮的污染較少，在夏秋季節，降水較多，對于氨氮濃度的稀釋作用較強，因此含量較低[12]。如圖2(d)所示，該河段內CODMn僅7月、8月份為Ⅱ類水質，其余時間均為Ⅰ類水，河流中無機和有機可氧化物質的污染較少。CODMn隨季節的變化并不明顯，表明水中無機和有機可氧化物質的數量沒有明顯的隨季節變化，污染物的氧化過程與溫度的關系并不明顯。如圖2(e)所示，BOD5含量在全年內均小于3 mg/L。根據國家地表水環境質量標準，屬于Ⅰ類水質，說明青衣江雨城區段受污染程度低，水體自凈能力較強[13]。

可見，青衣江雨城區段河流的各項指標均保持Ⅰ類、Ⅱ類之間，水環境質量較好。

2.2 模型建立

由于《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)給定的地表水環境質量指標比較多，考慮到所得數據實際情況及計算量繁簡等因素，篩選出具有代表性的pH值、總氮、氨氮、CODMn、溶解氧、BOD5、糞大腸菌類、硒、砷九項指標為待測評物元。

由于各評價指標量化值不全相同，將監測數據及各級標準代入式(1)歸一化處理：

m1j=n1j/(n1j+n2j+n3j+n4j+n5j)

(1)

式中：m1j為n1j歸一化結果，nij為各指標標準值。

計算結果見表2。

表2 歸一化水功能區水環境質量標準值及實測值

2.2.1 確定經典域、節域物元和待判物元

用水質監測值作為待判物元，則青衣江多營—龜都府水功能區2016年～2017年的節域物元與待判物元如下。

節域物元：

待判物元：

2.2.2 關聯度

根據式(2)～式(4)分別計算兩斷面各評價因子的參數距以及關聯函數值。

距的計算：

(2)

(3)

確定關聯函數：

(4)

|Xij|=|aij-bij|

對于評價等級Ni(i=1，2，…，m)的門限值xji(j=1，2，…，n)，權系數為：

(5)

采用污染物濃度超標法，運用上述公式(5)計算各評價因子的權重見表3。

表3 權系數值

2.2.3 評價結果

關聯度及評定等級：

kj(p)=∑aijkj(vi)(j=1,2,3…m)

(6)

式中：Kj(P)為待評價對象P關于等級j的關聯度。

若Kj=max{Kj(P)}，j∈{1，2，…，m}，則評定P屬于等級j。

根據上述式(6)計算隸屬程度，結果見表4。

表4 隸屬程度結果表

質量等級評定：

Kj多=maxKj2(P02)=0.042，因而2016年～2017年多營斷面水質屬于Ⅰ類水。

Kj龜=maxKj1(P01)=0.0181，因而2016年～2017年龜都府斷面水質屬于Ⅱ類水。

結果表明：位于河段上游的多營斷面隸屬程度最大值出現在Ⅰ類，故多營斷面水質評價結果為Ⅰ類水，下游的龜都府斷面隸屬程度最大值出現在Ⅱ類，故多營斷面水質評價結果為Ⅱ類水。因此青衣江多營-龜都府水功能區水環境水質總體較好，且上游水質明顯優于下游。

2.3 討論

綜上所述，在各時段的總磷、氨氮、CODMn、BOD5、溶解氧的含量分析中，青衣江雨城區段水環境質量變化幅度較小，基本維持在Ⅰ、Ⅱ類水質。上游多營斷面的氨氮指標在一月超標，但下游斷面含量有所下降，且上下游斷面各指標變化趨勢基本一致，且含量相近，說明青衣江的流動性較大，自身凈化能力較強。

基于物元分析法構建地青衣江多營-龜都府水功能區水環境的水質評價模型，可以實現歸總各因素指標的所有內容的目標，避免信息的丟失，所得評價結果與水質變化特征分析結果一致，因此該模型用于評價青衣江多營-龜都府水功能水質，能夠反映水質真實狀況。

該河段流經地區多為舊居民區，主要吸收沿岸居民生活污水、農業用水、工業企業以及養殖廢水等，產生高濃度的污染物，特別是有機物、氮、磷、細菌等，使出境斷面水質變差。完善城區污水處理系統，加強污水處理廠的運行管理，加大周邊鄉鎮污水處理廠的管理與投入，完善和規范運營機制，確保污水處理設施能夠運行穩定，使污水達標排放。確保居民生活垃圾的清理運輸工作，積極引導居民進行垃圾分類，鼓勵居民共同參與到污染治理的工作中。

3 結論

(1)根據《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)，多營斷面、龜都府斷面水質年內基本為Ⅰ類、Ⅱ類。

(2)物元評價法的結果表明，多營斷面水質為Ⅰ類，龜都府斷面水質為Ⅱ類，整體水質情況較好。且基于物元評價模型的水質評價方法，真實的反應出該河段水質的真實情況，因此該方法具有一定的理論指導意義和使用價值以及良好的適應性。