白石水庫水質綜合評價

費卓越

(遼寧省葫蘆島水文局,遼寧 葫蘆島 125000)

隨著城鎮化進程的加快和經濟發展水平的提升,加之對生態保護的重視程度不夠,我國近50%的水庫超過Ⅳ類水質,水環境狀況較差,許多研究學者越來越關注水體的污染治理問題[1]。目前,常用的水質評價方法有隨機森林評價法、模糊數學法、綜合污染指數法、內梅羅污染指數法等。其中,模糊數學法通過歸一化處理主要污染因子,評價分析不同區域、不同年份的水環境變化趨勢,如申震等通過對比常規評價法與模糊數學法發現,充分考慮污染物權重的模糊數學法評定結果更加客觀全面;張洪偉等以甘肅省正寧縣為例,運用模糊綜合法定量評價了不同水庫與河流的水質檢測數據;閆伯忠等對安陽市2017年8個地下水監測點水質利用隨機森林模型進行了評價,結果顯示隨機森林模型的穩定性和訓練效率更高,可以準確評定地下水質情況[2-4]。

以上方法都有各自的特點,但使用過程中受水質諸多因素的干擾而存在一定的局限性。在水環境評價分析時,必須考慮具體情況選擇合適的方法,由于能夠定量分析自然界中一些不容易定量化且邊界不清的因素,灰色關聯法與模糊數學法被廣泛用于不確定性地表水環境評價研究[5]。鑒于此,文章結合白石水庫實測水體理化數據,采用灰色關聯分析法和模糊數學法評定該水庫水質類別,以期為該水源地開發利用、保護及水資源管理提供科學依據。

1 研究區概況

白石水庫位于北票市大凌河干流的中下游,是一座以城市供水、灌溉和防洪為主,兼顧養魚、發電等功能的大(1)型水利樞紐,水面面積80km2,總庫容16.45億m3,控制流域17649km2,占大凌河流域76%。水庫為碾壓混凝土重力壩,最大拔高50.3m,壩頂長513m,設計正常高水位127.0m,為多年調節水庫[6-7]。流域集水區屬寒溫帶季風氣候,受季風環流、北來大陸氣團及南來溫暖氣團影響,夏季多雨炎熱,春冬干燥少雨,多年平均氣溫約8℃,年降水量在400～600mm之間,且大多集中于6～9月,河流的補給來源主要為降水形成的地表徑流。流域內土壤為亞砂土性的黃白土,山地大部分為生草棕色森林土,森林覆被以蒙古櫟林、油松人工林、刺槐人工林、油松林及沿河小葉楊、小青楊林為主,還有山杏矮林、遼東櫟林等;灌叢以酸棗、荊條、榛子灌叢為主,灌草叢以白羊草灌草叢最多,還有野谷草灌草叢、黃背草灌草叢等,分布在漫灘和低階地上的代表植物主要有刺槐、楊樹、山杏、油松、沙棘、柳樹等人工林[8-9]。

2 數據與方法

2.1 數據來源

本研究于2017—2020年逐月采集表層水樣,結合入庫支流分布特點和白石水庫形狀布設5個采樣點,主要涉及糞大腸菌群、化學需氧量、高錳酸鹽指數、氟化物、溶解氧、總磷、總氮、氨氮8個參數。采用位置和空間軌跡利用Arc GIS、LocaSpace Viewer軟件進行確定,參照現行標準測定各理化參數。

2.2 模糊數學評價法

根據白石水庫實際情況選擇評級標準為《地表水環境質量標準》,參評指標選用糞大腸菌群、化學需氧量、高錳酸鹽指數、氟化物、溶解氧、總磷、總氮、氨氮8個參數,模糊數學評價流程如下:

1)步驟1:因子集與評價集。假設有i個水質影響因子和j個評價等級,采用集合的形式可以表示成U={u1,u2,…,ui}、V={v1,v2,…,vj},結合參評指標和等級標準則有U={糞大腸菌群,化學需氧量,高錳酸鹽指數,氟化物,溶解氧,總磷,總氮,氨氮}、V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}[10-11]。

2)步驟2:模糊評價矩陣。對于數值越大則水質等級越低型的正向指標(如溶解氧),參照現行標準建立隸屬度函數如下:

(1)

(2)

(3)

對于數值越大則水質等級越高型的負向指標(如總磷、總氮等其它7個參數),參照現行標準建立隸屬度函數如下:

(4)

(5)

(6)

結合以上計算結果構造模糊評判矩陣R,具體如下:

(7)

第i行Ri=(ri1,ri2,…,rim),其中i=1,2,…,8;第j列Rj=(r1j,r2j,…,rnj),其中j=1,2,…,5,i、j代表評價因子i隸屬于各水質標準的程度和各評價因子隸屬于第j級標準的程度。

(8)

4)步驟4:根據模糊評價矩陣R和權重集M構造綜合評判矩陣B,各監測點的水質類別即為最大隸屬度值對應的等級,數學表達式為:

(9)

2.3 灰色關聯評價法

根據白石水庫實際情況選擇評級標準為《地表水環境質量標準》,參評指標選用糞大腸菌群、化學需氧量、高錳酸鹽指數、氟化物、溶解氧、總磷、總氮、氨氮8個參數,灰色關聯法評價流程如下[12-14]:

1)步驟1:樣本矩陣與標準濃度矩陣。設待評價樣本數有p個,各評價樣本存在q項指標,從而構造樣本矩陣Xp×q,即:

(10)

結合水體實測數據和相關標準合理劃分水質污染等級為m,構造水庫水質參數即有濃度矩陣Sm×n,即:

(11)

2)步驟2:歸一化處理。針對數值越大則水質越差的負向指標和數值越大水質越好的正向指標利用分段線性公式進行歸一化處理,具體如下:

(12)

通過歸一化處理,標準濃度矩陣和樣本矩陣可以轉換成如下形式:

(13)

(14)

3)步驟3:關聯度計算。采用極差法計算指標關聯度,即:

(15)

4)步驟4:綜合評判。關聯度Γk最大值對應的分級數就是灰色關聯法評定的水質等級。

3 結果與分析

水庫水質各參評指標的標準限制如表1所示,模糊數學法與灰色關聯法評定的白石水庫水質等級如表2所示。

表1 水質評價標準

表2 白石水庫水質評價結果

由灰色關聯法計算結果可知,2017—2020年白石水庫水質較好,除了2017年5#采樣點和2020年1#采樣點屬于Ⅳ類、Ⅰ類水質外,其它時段各樣點均達到Ⅱ類水質,水環境變化較穩定;結合關聯度計算結果,1#～4#采樣點隸屬于Ⅱ類和Ⅲ類水質的關聯度基本接近,隸屬于Ⅲ類水的程度較高,這說明白石水庫具有從Ⅱ類轉變成Ⅲ類的可能。根據模糊數學法計算結果,2017—2020年白石水庫水質表現出明顯變化趨勢,其中2017—2018年3#、4#、5#采樣點水質較差,這與采樣點附近外源徑流和上游下泄水質較差有關,從而導致水質出現較大變化,2017—2020年5#采樣點均屬于Ⅳ類水質,2019年1#、2#、3#、4#采樣點隸屬于Ⅳ類水質的程度較高,2020年1#、2#、3#、4#采樣點隸屬于Ⅴ類水的程度也較高。由圖1可知,模糊數學法與灰色關聯法評價的白石水庫水質變化基本相同,而2017—2018年存在一定差異,兩種方法均表明評價結果具有一定的參考價值。總體而言,白石水庫整體達到Ⅱ類水質,只有5#采樣點較差,這主要與附近外源徑流和上游下泄水質較差有關,從隸屬度計算結果上,白石水庫具有水質變差的概率,仍需加強庫水環境保護。

(a)2017年

將2021年白石水庫水質類別(表3)與文章評價結果相比較發現,2021年白石水庫水質達到Ⅲ類,汛期優于非汛期水質,表明水庫排水期和雨季會在一定程度上更換水體,水質較好,且2017—2020年水庫水質總體優于2021年,這主要與權重計算有關,歷年總磷、總氮實測值較高影響了權重分配比例,并進一步影響灰色關聯法與模糊數學法的隸屬度,尤其是5#采樣點高于其它樣點的指標值,該樣點水體環境較差。

表3 2021年白石水庫水質

由于模糊數學法主要是由實測水質確定隸屬度矩陣和因子權重,故超標因子對評價結果的影響較大,這也是導致5#采樣點水質較差的主要原因。灰色關聯法相比的各級水質標準和實測水質都是經過歸一化處理再計算比較數列、參考數列的,所以超標因子影響較低,該方法評價結果相對穩定。根據2021年白石水庫汛期優于非汛期水庫可知,豐水期或較大降水量在一定程度上影響著水庫水質,特別是汛期水質較好,表明2017—2020年降雨量較大可能是導致該時段白石水庫水質較優的重要原因。但由于采樣點較少,分布較系數,個別位于出水口的采樣點受下泄水體影響水質較差。因此,在評價水庫水質時應充分考慮上下游之間的關系,降雨量也是影響水質狀況的重要因素。

4 結 論

1)2017—2020年白石水庫總體處于Ⅱ類、Ⅲ類水質,符合水質標準,但1#～4#采樣點水質隸屬于其它等級的程度也較高,表明白石水庫具有從Ⅱ類轉變成Ⅲ類的可能,水庫水體與入庫河流及上游地區下泄水攜帶的營養物質有關。

2)采用灰色關聯法評價白石水庫水質較好,而模糊數學法波動較大且計算的水質較差。根據2021年白石水庫調查結果,2017—2020年白石水庫水質較優,這可能與權重計算有關。另外,降雨量大的年份特別是汛期優于非汛期水質,2017—2020年北票市降雨量較高,這從側面也反映了受降雨量影響評價的水質較優。由于參與評價的樣點較少,水庫水文資料及入庫干支流相關數據缺失等可能會存在一定偏頗,未來仍需做進一步驗證。