水污染預(yù)警模型的構(gòu)建與運(yùn)用

唐美燕 葉勁彤

摘 要：通過建立合適的水污染預(yù)警模型給出及時(shí)、可靠的水污染預(yù)警信息，對(duì)于開展水污染的預(yù)防、治理工作具有指導(dǎo)性作用。利用單一水質(zhì)因子濃度與其最高標(biāo)準(zhǔn)容許值構(gòu)建了單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)的同趨化；基于單因子水質(zhì)污染指數(shù)采用層次分析法構(gòu)建了水污染綜合指數(shù)預(yù)警模型。對(duì)所構(gòu)建的兩個(gè)水質(zhì)污染預(yù)警模型在漓江流域中進(jìn)行了運(yùn)用。得到結(jié)果：從溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)測(cè)漓江流域的水質(zhì)狀況為優(yōu)；從總氮單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)測(cè)漓江流域的水質(zhì)狀況為中度污染或輕度污染；由漓江流域水污染綜合指數(shù)預(yù)測(cè)值，得到其綜合水質(zhì)整體呈現(xiàn)逐漸變好的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：水污染預(yù)警模型；單因子水質(zhì)污染指數(shù)；水污染綜合指數(shù)；漓江流域

中圖分類號(hào)：X824文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-9655（2023）02-0-05

0 引言

水污染預(yù)警指通過對(duì)某一流域的水質(zhì)成分進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)水質(zhì)的變化趨勢(shì)并對(duì)水質(zhì)的污染情況給出預(yù)警。水污染預(yù)警可在一定的時(shí)間、空間范圍內(nèi)反應(yīng)某一流域的水質(zhì)狀況，對(duì)預(yù)防、治理水環(huán)境污染具有指導(dǎo)性的作用。目前有許多人研究水污染預(yù)警模型，王瑞梅在《淡水養(yǎng)殖池塘水質(zhì)預(yù)警模型》[1]中利用養(yǎng)殖池塘水質(zhì)數(shù)據(jù)建立單因子狀態(tài)預(yù)警模型，再根據(jù)水質(zhì)的復(fù)雜性建立多因子狀態(tài)預(yù)警模型。馬晉在《基于回歸分析的地下水污染預(yù)警模型》[2]中運(yùn)用邏輯回歸分析確定地下水污染發(fā)生的比率及地下水污染程度。張康在《基于Zigbee的水產(chǎn)養(yǎng)殖網(wǎng)絡(luò)與水質(zhì)預(yù)警模型構(gòu)建》[3]中，先對(duì)水質(zhì)因子數(shù)據(jù)進(jìn)行同趨化處理，利用多元回歸分析建立水藻量與水質(zhì)因子的線性回歸模型。層次分析法在許多方面均有運(yùn)用，運(yùn)用到預(yù)警模型比較少見。羅艷在《遵義東南部地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染預(yù)警模型》[4]中運(yùn)用改進(jìn)的層次分析法確定農(nóng)業(yè)土壤重金屬權(quán)重，建立農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染預(yù)警模型。由水質(zhì)因子的特性與文獻(xiàn)的啟發(fā)，本文利用單因子水質(zhì)濃度與其最高標(biāo)準(zhǔn)容許值建立單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)警模型；運(yùn)用層次分析法確定水質(zhì)因子的權(quán)重，由權(quán)重與單因子水質(zhì)污染指數(shù)建立水污染綜合指數(shù)預(yù)警模型；然后以漓江流域?yàn)槔瑢?duì)所建預(yù)警模型進(jìn)行運(yùn)用。

1 水污染預(yù)警模型的構(gòu)建方法

1.1 單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)警模型

有些水質(zhì)因子的濃度越大說明水質(zhì)越好，而有些水質(zhì)因子的濃度越大說明水質(zhì)越差，為了達(dá)到評(píng)價(jià)的同趨化，構(gòu)建了單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)警模型：

（1）當(dāng)水質(zhì)因子濃度越大水質(zhì)越好時(shí)，構(gòu)建 計(jì)算單因子水質(zhì)污染指數(shù)；

（2）當(dāng)水質(zhì)因子濃度越小水質(zhì)越好時(shí)，構(gòu)建 計(jì)算單因子水質(zhì)污染指數(shù)。

式中：Ci—i水質(zhì)因子濃度；Coi—i水質(zhì)因子濃度的最高標(biāo)準(zhǔn)容許值。

從i水質(zhì)因子角度評(píng)價(jià)水質(zhì)，單因子水質(zhì)污染指數(shù)Ei越大水質(zhì)越好，實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)的同趨化，同時(shí)更利于綜合評(píng)價(jià)水質(zhì)模型的構(gòu)建。根據(jù)《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中各水質(zhì)類別對(duì)應(yīng)水質(zhì)因子濃度范圍，由單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)警模型計(jì)算各水質(zhì)類別對(duì)應(yīng)各單因子水質(zhì)污染指數(shù)范圍，可知水質(zhì)類別達(dá)到Ⅰ類時(shí)，單因子水質(zhì)污染指數(shù)都≥1。各水質(zhì)類別對(duì)應(yīng)溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、氨氮NH3-N、總磷TP、總氮TN單因子水質(zhì)污染指數(shù)范圍如表1，它們的單因子水質(zhì)污染指數(shù)分別記為EDO、ECODMn、ENH3-N、ETP、ETN。

1.2 基于層次分析法構(gòu)建水污染綜合指數(shù)預(yù)警模型

1.2.1 構(gòu)造比較矩陣

選取溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、氨氮NH3-N等n種水質(zhì)因子作為水污染的重要指標(biāo)，在確定水質(zhì)因子指標(biāo)權(quán)重時(shí)將層次分析法中的1至9標(biāo)度法改進(jìn)為1至3標(biāo)度，以便減少判斷過程中的復(fù)雜性和模糊性。水質(zhì)Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)容許值為Si，構(gòu)造比較矩陣，其中aij由下面公式計(jì)算：

2 漓江流域水質(zhì)因子數(shù)據(jù)說明

選取溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、氨氮NH3-N、總磷TP、總氮TN 5個(gè)水質(zhì)因子作為漓江流域水污染的重要指標(biāo)。通過廣西壯族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境廳網(wǎng)站，收集了2018年1月—2019年5月與2019年8月—2022年4月期間四年多關(guān)于漓江流域溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、氨氮NH3-N、總磷TP、總氮TN的月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中2019年

6月、7月缺失的水質(zhì)因子濃度通過2019年5月、8月水質(zhì)因子濃度的平均值進(jìn)行補(bǔ)充。2018年1月—2022年4月的月監(jiān)測(cè)部分?jǐn)?shù)據(jù)見表2。

3 漓江流域的水污染預(yù)警情況

漓江保護(hù)工作國(guó)家高度重視，多次作出重要指示，賦予了人們保護(hù)漓江的重大政治責(zé)任與使命。在2011年通過了《廣西壯族自治區(qū)漓江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例》，2012年國(guó)家發(fā)改委正式批復(fù)了《桂林國(guó)際旅游勝地建設(shè)發(fā)展規(guī)劃綱要》，綱要闡明了以產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)解決漓江保護(hù)與發(fā)展的矛盾。2019年印發(fā)了《桂林漓江生態(tài)保護(hù)和修復(fù)提升工程方案（2019—2025 年）》，自2022年起將每年4月25日設(shè)為“漓江保護(hù)日”。從單一水質(zhì)因子、綜合水質(zhì)因子角度關(guān)注研究漓江流域的水質(zhì)狀況是保護(hù)愛護(hù)漓江的重要工作之一。

3.1 單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)警情況

利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件中時(shí)間序列預(yù)測(cè)下的專家建模器，可知漓江流域的溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、氨氮CODMn、總磷TP、總氮TN均使用簡(jiǎn)單季節(jié)性時(shí)間序列模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果見表3。

基于漓江流域2022年5—10月的溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、氨氮NH3-N、總磷TP、總氮TN的濃度預(yù)測(cè)值，由單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)警模型，得到這5個(gè)水質(zhì)因子的單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)測(cè)值。再由表1和2011年發(fā)布的《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法》中水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)方法：Ⅰ類至Ⅱ類水質(zhì)狀況為優(yōu)、Ⅲ類水質(zhì)狀況為良好、Ⅳ類水質(zhì)狀況為輕度污染、Ⅴ類水質(zhì)狀況為中度污染、劣Ⅴ類水質(zhì)狀況為重度污染，得到2022年5—10月漓江流域的水質(zhì)類別、水質(zhì)狀況，具體結(jié)果見表4。

由表4可知，漓江流域2022年5—10月溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、氨氮NH3-N單因子水質(zhì)污染指數(shù)的預(yù)測(cè)值均＞1，說明從這三個(gè)單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)測(cè)漓江流域水質(zhì)類別都為Ⅰ類，水質(zhì)狀況為優(yōu)；在預(yù)測(cè)的半年中，總磷TP單因子水質(zhì)污染指數(shù)都在[0.2，1）區(qū)間內(nèi)，說明從總磷TP單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)測(cè)水質(zhì)類別都為Ⅱ類，水質(zhì)狀況為優(yōu)；在預(yù)測(cè)的半年中，從總氮TN單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)測(cè)2022年8月、9月水質(zhì)類別為Ⅳ類水質(zhì)狀況為輕度污染、其他預(yù)測(cè)月份水質(zhì)類別為Ⅴ類水質(zhì)狀況為中度污染，說明需要特別關(guān)注漓江流域總氮TN含量，采取相關(guān)措施防治漓江流域來自總氮的污染。

3.2 漓江流域水污染綜合指數(shù)情況

3.2.1 計(jì)算比較矩陣

由《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、氨氮NH3-N、總磷TP、總氮TN的Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)容許值S1見表5。

通過表5計(jì)算比較矩陣A，結(jié)果為：

利用比較矩陣A按行求和得xi， x1=9， x2=7， x3=4， x4=1， x5=4。

3.2.2 計(jì)算判斷矩陣

利用式（2）計(jì)算判斷矩陣B：

3.2.3 求解權(quán)重構(gòu)建漓江流域水污染綜合指數(shù)預(yù)警模型

判斷矩陣B的最大特征值λmax約為5.133，一致性指標(biāo)IB約為0.033，所以一致性比率，RC為0.029＜0.1說明一致性檢驗(yàn)通過，權(quán)重設(shè)定的合理。利用已求得的溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、氨氮NH3-N、總磷TP、總氮TN這5個(gè)水質(zhì)因子的權(quán)重，構(gòu)建漓江流域水污染綜合指數(shù)預(yù)警模型：

3.2.4 漓江流域水污染綜合指數(shù)預(yù)測(cè)值

基于漓江流域溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、氨氮NH3-N、總磷TP、總氮TN5個(gè)水質(zhì)因子的單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)測(cè)值，利用式（10）得到漓江流域2022年5—10月水污染綜合指數(shù)P的預(yù)測(cè)值，由預(yù)測(cè)值繪制折線圖，如圖1。

由漓江流域2022年5—10月漓江流域水污染綜合指數(shù)P的預(yù)測(cè)值，可知漓江流域綜合水質(zhì)情況呈現(xiàn)波浪形、整體呈現(xiàn)逐漸變好趨勢(shì)。

4 結(jié)論

構(gòu)建了單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)警模型，由此模型計(jì)算單因子水質(zhì)污染指數(shù)Ei，從水質(zhì)因子i角度評(píng)價(jià)水質(zhì)，有Ei值越大水質(zhì)越好，實(shí)現(xiàn)了評(píng)價(jià)的同趨化，同時(shí)更利于綜合評(píng)價(jià)水質(zhì)模型的建立。基于單因子水質(zhì)污染指數(shù)采用層次分析法構(gòu)建了水污染綜合指數(shù)預(yù)警模型，由此計(jì)算水污染綜合指數(shù)P，再根據(jù)P值觀察水質(zhì)的綜合變化。利用2018年1月—2022年4月漓江流域溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、氨氮NH3-N、總磷TP、總氮TN的月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，使用簡(jiǎn)單季節(jié)性時(shí)間序列模型對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到2022年5—10月這5個(gè)水質(zhì)因子的濃度預(yù)測(cè)值。基于濃度預(yù)測(cè)值由單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)警模型，得到從溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、氨氮NH3-N單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)測(cè)2022年5—10月漓江流域的水質(zhì)類別都為Ⅰ類，水質(zhì)狀況為優(yōu)；從總磷TP單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)測(cè)漓江流域的水質(zhì)類別都為Ⅱ類，水質(zhì)狀況為優(yōu)；從總氮TN單因子水質(zhì)污染指數(shù)預(yù)測(cè)2022年8月、

9月水質(zhì)類別為Ⅳ類水質(zhì)狀況為輕度污染、其他預(yù)測(cè)月份水質(zhì)類別為Ⅴ類水質(zhì)狀況為中度污染。基于2022年5—10月漓江流域水質(zhì)因子的單因子水質(zhì)污染指數(shù)的預(yù)測(cè)值由水污染綜合指數(shù)預(yù)警模型，得到漓江流域水污染綜合指數(shù)預(yù)測(cè)值，結(jié)果表明漓江流域綜合水質(zhì)整體呈現(xiàn)逐漸變好的趨勢(shì)。

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Abstract： By establishing a suitable water pollution warning model， the timely and reliable water pollution warning information is given， which has played guiding role in the prevention and control of water pollution. In this paper， a single factor water pollution index warning model is constructed using the data of single water quality factor and its maximum standard allowable value， which solves the unification of evaluation. The weights of water quality factors were obtained by analytic hierarchy process. Based on the weight and single factor water pollution index， the warning model of water pollution comprehensive index is constructed. The two water pollution warning models were applied in the Lijiang River Basin. The results obtained that the water quality status of the Lijiang River basin was the best as predicted from the dissolved oxygen， permanganate index， and ammonia nitrogen and total phosphorus single factor water quality pollution index. The water quality of the Lijiang River basin was moderate or mild pollution as predicted from total Nitrogen Single Factor Water Pollution Index. The comprehensive water quality of the predicted value of the comprehensive water pollution index was gradually getting better.

Key words： water pollution warning model; single factor water pollution index; comprehensive water pollution indexes; the Lijiang River basin