東遼河重點斷面水質(zhì)評價方法研究

張宏星，暴瑞玲，林 嵐，鄭國臣

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.水利部松遼水利委員會，吉林長春 130021）

0 引言

遼河流域水環(huán)境污染嚴(yán)重，是國家重點治理的河段之一，經(jīng)過多年的治理，污染情況有所改善。東遼河流域是吉林省農(nóng)業(yè)種植和畜牧業(yè)養(yǎng)殖的重點區(qū)域，農(nóng)業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展使水資源利用率逐漸增加，土地被大規(guī)模開發(fā)利用，加上數(shù)量占比很大的傳統(tǒng)工業(yè)廢水的大量排放，水資源短缺、水體污染的情況十分嚴(yán)峻，對供水安全和環(huán)境安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。流域水質(zhì)監(jiān)測與評價是水環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)工作，因此對東遼河流域開展水質(zhì)評價十分必要。

東遼河重點斷面的水質(zhì)處于Ⅳ類、Ⅴ類及劣Ⅴ類較多。目前，單因子評價法是最為常用的評價方法，該方法直觀，且操作性強(qiáng)，在水資源保護(hù)中具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性[1，2]，但就流域水質(zhì)評價而言，其所采用的一票否決原則表現(xiàn)為過保護(hù)，不能科學(xué)合理地評判水質(zhì)類別，值得進(jìn)一步探討。

水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)可完整表達(dá)河流總體的綜合水質(zhì)信息，是目前適合評價超標(biāo)的水體（如黑臭水體）水質(zhì)評價的方法。模糊綜合評價考慮了數(shù)據(jù)的不充分性和水環(huán)境決策本身具有的模糊概念等特點，很好地體現(xiàn)了水質(zhì)級別的模糊性[3-5]。因此，采用單因子評價法、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法及模糊綜合評價法來對東遼河水質(zhì)進(jìn)行評價，從中選擇更適合東遼河流域水質(zhì)評價的方法。

1 東遼河概況

吉林省境內(nèi)遼河的主要河流是西遼河和東遼河，其中東遼河發(fā)源于東遼縣，全長406km，在吉林省境內(nèi)長321km，流域面積為10136km2，是流域內(nèi)長度最長、流域面積最大的河流。東遼河所屬的流域水資源量時空分布不均勻，季節(jié)和年際變化大[6]。東遼河最枯年份的來水量占多年平均來水量的9.3%，河道干涸、斷流、生態(tài)環(huán)境不斷惡化，嚴(yán)重影響了流域的可持續(xù)發(fā)展。

2 水質(zhì)分析與評價

2.1 東遼河重點斷面水質(zhì)分析

本文選取東遼河的7個重點監(jiān)測斷面，即西孟橋、遼河源、攔河閘、河清（入二龍山水庫）、城子上、周家河口、四雙大橋。由2017—2019年吉林省東遼河水質(zhì)數(shù)據(jù)可知，除遼河源斷面屬水源保護(hù)區(qū)未受污染外，其余監(jiān)測斷面多為Ⅳ類、Ⅴ類及劣Ⅴ類，西孟橋斷面污染最嚴(yán)重時，氨氮、五日生化需氧量、化學(xué)需氧量、總磷、陰離子表面活性劑、高錳酸鹽指數(shù)、揮發(fā)酚、氟化物均超標(biāo)，至2019年10—12月，斷面監(jiān)測結(jié)果已為輕度污染。河清和攔河閘及城子上斷面的2017年水質(zhì)數(shù)據(jù)顯示超標(biāo)項目為總磷、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量，2018至2019年有所改善。周家河口斷面2017年水質(zhì)重度污染，通過治理，2019年該斷面已有所改善。四雙大橋斷面的水質(zhì)重輕度反復(fù)交替，2019年水質(zhì)總體輕度污染。

2.2 單因子評價法

單因子評價項目：pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、石油類、揮發(fā)酚、總磷、銅、鋅、氟化物、硒、砷、汞、鎘、鉻、鉛、氰化物、陰離子表面活性劑、硫化物。單因子污染指數(shù)法的計算結(jié)果見表1。

表12017 —2019年吉林省東遼河重點斷面的水質(zhì)狀況

依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算東遼河2017—2019年的水質(zhì)超標(biāo)倍數(shù)，東遼河11項水質(zhì)評價指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重的有氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）。

2.3 水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法

水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法是徐祖信提出的一種水質(zhì)評價方法[7，8]，分單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法，該法解決了劣Ⅴ類水質(zhì)的連續(xù)性描述問題，能夠?qū)α英躅愃M(jìn)行科學(xué)合理評價[4]。綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)由整數(shù)位和3位或4位小數(shù)位組成，其結(jié)構(gòu)為

式中的X1.X2由計算獲得[9]，X3和X4根據(jù)比較結(jié)果得到。其中，X1為河流總體的綜合水質(zhì)類別；X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處位置，從而實現(xiàn)在同類水中進(jìn)行水質(zhì)優(yōu)劣比較；X3為參與綜合水質(zhì)評價的水質(zhì)指標(biāo)中，劣于水功能區(qū)目標(biāo)的單項指標(biāo)個數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類別與水功能區(qū)類別的比較結(jié)果，視綜合水質(zhì)的污染程度，X4為一位或兩位有效數(shù)字。研究選取溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）共7項具有代表性的水質(zhì)監(jiān)測項目指標(biāo)進(jìn)行分析評價，具體的水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)和評價結(jié)果見表2。

表2 東遼河水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)與綜合水質(zhì)評價結(jié)果

2.4 評價結(jié)論

與其他評價方法相比，水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法將定性、定量評價有機(jī)結(jié)合，對劣Ⅴ類河流可進(jìn)行水質(zhì)評價，并判別河流水體是否黑臭。與單因子評價法相比，水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法充分考慮了最差水質(zhì)因子的影響，避免了單因子評價法以偏概全的缺陷，可直觀地表達(dá)水質(zhì)類別和達(dá)標(biāo)情況，達(dá)到定性和定量評估。從7個斷面的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價結(jié)果來看，2017—2018年水質(zhì)總體變化不明顯，2019年均有不同程度的改善，周家河口和四雙大橋斷面氨氮指標(biāo)水質(zhì)有轉(zhuǎn)好的趨勢，達(dá)到河流水質(zhì)目標(biāo)的只有遼河源斷面，2017—2019年水質(zhì)均為Ⅱ類水。

3 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法首先通過單指標(biāo)評價分別計算各個評價指標(biāo)在各評價等級的隸屬度，建立模糊關(guān)系矩陣；然后確定各評價指標(biāo)在所有指標(biāo)中的指標(biāo)權(quán)重；最后通過模糊關(guān)系運(yùn)算對水質(zhì)進(jìn)行分析評價。

3.1 建立模糊關(guān)系

根據(jù)監(jiān)測河段的水質(zhì)狀況及現(xiàn)有的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選擇各污染指標(biāo)對某一標(biāo)準(zhǔn)超標(biāo)倍數(shù)的次數(shù)統(tǒng)計結(jié)果，采用溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）為評價因子，取評價集V={Ⅰ類，Ⅱ類，Ⅲ類，Ⅳ類，Ⅴ類}。

考慮到運(yùn)算的實際性，采用“降半梯形分布法”[1]來計算。將各監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)代入隸屬函數(shù)中，建立每個斷面的單因子模糊評價矩陣R。

3.2 組合賦權(quán)法確定權(quán)重

超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法[9]是一種主要因素突出型賦權(quán)方法，突出了主要污染物的影響，強(qiáng)調(diào)污染較為嚴(yán)重的水質(zhì)指標(biāo)在所有指標(biāo)中的重要性，并同時增加其對最終評分的影響力，其計算式：

式中：Wi為第i項指標(biāo)的權(quán)重值；Si為第i項指標(biāo)n個類別的平均值；xi為第i項指標(biāo)的實際質(zhì)量濃度。

將利用熵權(quán)法[1]對評價指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行調(diào)整：

式中：wi——第i項指標(biāo)熵權(quán)后的權(quán)重值；hi——計算的熵權(quán)值。

3.3 模糊運(yùn)算與綜合評價

根據(jù)兩種不同的計算權(quán)重方法改進(jìn)了傳統(tǒng)的模糊評價法，采用最大隸屬度原則，其綜合評判結(jié)果見表3。

表3 改進(jìn)熵權(quán)法水質(zhì)評價結(jié)果

3.4 評價結(jié)論

采用基于超標(biāo)倍數(shù)法和熵權(quán)法的組合賦權(quán)法，對東遼河水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值，不僅考慮了最大污染指標(biāo)對水質(zhì)的影響，也綜合考慮了各評價指標(biāo)間的相互影響，使權(quán)重系數(shù)能準(zhǔn)確、客觀地反映各指標(biāo)對水質(zhì)的作用。從水質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)果來看，除遼河源斷面屬Ⅱ類水水質(zhì)較好外，其余斷面水質(zhì)中主要的污染物為氨氮、總氮、總磷。

4 結(jié)語

綜上所述，從2017—2019年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，除遼河源觀測斷面的水質(zhì)滿足水功能區(qū)要求外，其他6個斷面均處于Ⅴ類、劣Ⅴ類或黑臭（采用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)結(jié)果）。造成東遼河各斷面水質(zhì)達(dá)不到水功能區(qū)要求的原因是氨氮、總氮和總磷嚴(yán)重超標(biāo)。東遼河水質(zhì)有改善的趨勢，但受總氮、總磷及氨氮污染因子的影響，東遼河依然存在河道富營養(yǎng)化和黑臭水體的情況，需引起重視。