運用模糊綜合指數法評價漢江洋縣斷面水質狀況

蔣丹哲，惠 妍，宋英鴻

（1.漢中水文水資源勘測中心,陜西 漢中 723000；2.咸陽水文水資源勘測中心,陜西 咸陽 712000）

1 概述

漢江,古稱漢水,源于陜西寧強縣,全長1577 km,其中陜西漢中境內干流長277.8 km,漢中轄區內自西向東流經寧強縣,勉縣,漢臺區,城固縣,洋縣,西鄉縣,經西鄉入安康石泉縣。漢江橫穿洋縣城區,是生態景觀河流,同時對洋縣農業的灌溉有著重要的支撐作用。

洋縣,位于陜西省南部,漢中盆地東緣,北依秦嶺,南靠巴山,東接佛坪、石泉縣,西毗城固縣,北界留壩、太白縣。第七次人口普查數據顯示,截止2020 年11 月,洋縣常住人口為34.53 萬人。洋縣境內漢江支流眾多,自北向南,多呈平行狀,如湑水河,溢水河,儻水河,酉水河,金水河等。

洋縣斷面位于儻水河入漢江口處,儻水河橫穿洋縣主城區,斷面位置水質情況能重點反映人口的生產活動對漢江水質的影響。本文主要選取氨氮（NH3-N）、總磷（以P 計）、溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數（CODMn）、化學需氧量（CODCr）、五日生化需氧量（BOD5）六個主要水質指標進行模糊綜合指數評價,模糊綜合指數法可以客觀評價水質,相比于分類別評價法更準確直觀,運用模糊綜合指數法對漢江洋縣斷面近五年水質進行評價,能直觀地看出其水質近幾年污染物變化情況及污染程度。

2 建立水質評價模型

2.1 模糊綜合指數法模型的建立

設水環境質量因子為n 個,評價標準等級為m 種,構成評價因子集U 和評價標準集V,則U=｛u1,u2,u3,…、un｝,V=｛v1,v2,v3,…vm｝。模糊關系矩陣R則由U和V構成,R可表示為：

式中：n 為污染因子個數,i=1,2,3,…,n；m 為水體質量級別,j=1,2,3,…m；rij為第i 種污染物的水質監測值被評價為第j 類水質級別的可能性,即隸屬程度。

評價因子集U 中各類污染因子在水體質量總因子中的權重權數為ai（i=1,2,3,…,n）,構成權重矩陣A=（a1,a2,a3,…,an）,其中構造水質模糊綜合指數評價關系矩陣B,其中B=A·R,B=（b1,b2,b3,…,bn）。

2.2 模糊綜合指數法的計算

2.2.1 水質類別的分類

依照《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）將地表水水質類別分為五級,選取主要6 種污染物作為研究對象,各類污染物分級見表1。

表1 地表水污染因子分級標準[1] 單位：mg/L

2.2.2 模糊關系矩陣R 的計算

矩陣R 表示每一個污染物對每一級水體質量的隸屬程度。根據水體質量類別分類,R 可以用以下線性函數來確定。

第一級水（j=1）,隸屬函數為：

第二級至第（m-1）級水,隸屬函數為：

第m 級水,隸屬函數為：

式中：Xi為第i 種污染物的實測值；Sij為第i 種污染物對應j級評價的標準值。當Si1=Si2,實測值Xi＜Si1時,則rij各取0.5。

2.2.3 權重系數的計算

權重系數表示某種污染物因子對水體環境質量影響的大小程度,本文用污染貢獻率計算方法求污染物權重系數,計算如下：

式中：Ci為第i 種污染物的實測值；為第i 種污染物m 個

大量數據表明,在水質情況不好時,式（6）能較好地反映實際水質狀況,水質較好時,DO 的權重過大,與現實相悖。DO 值受溫度影響很大,取年均值計算過于粗略,本文引入不飽和值U 反映DO 值及污染程度,計算如下：

式中：Ut為溫度t 時的不飽和率；DOt為溫度t 時實測值；DOst為溫度t 時的飽和DO,年均值U 取Ut平均值。

為便于計算將表2 進行修正（以DO=7.5 作為0.9 飽和度）。

表2 地表水DO 分級標準

2.2.4 模糊綜合指數FCI 的計算

構造綜合評價矩陣B 及水質標準類別矩陣S：已知模糊關系矩陣R 及權重關系矩陣A,其綜合評價方法矩陣表示為：B=A·R。水質標準類別矩陣S 可表示為：ST=[1,2,3,4,5],模糊綜合指數FCI=B·S。

3 漢江洋縣斷面水質評價

選取洋縣斷面2017 年～2021 年五年主要6 種污染物的水質數據（見表3）,同時對表3 中DO 值進行修正,見表4。

表3 洋縣斷面2017 年～2021 年水質監測數據（年平均）

3.1 隸屬度的計算

Ri為樣本i 對應的隸屬關系矩陣,i=1,2,3,4,5,分別對應2017 年～2021 年5 年的數據。以樣本一中CODMn為例。X5=2.6 mg/L,依據2.2.2 公式求得：則Ri計算結果如下（DO 取不飽和值）：

3.2 各污染因子權重的計算

Ai為樣本i 對應的權重關系矩陣,i=1,2,3,…,6；分別對應各水質項目的指標權重值。以A1為例：6,0.285,0.198,0.118,0.098]。DO 的計算取不飽和值,權重關系矩陣A 可表示為：

圖1 2017 年～2021 年六種監測指標的權重示意圖

3.3 模糊綜合指數FCI 的計算

Bi為樣本i 對應的模糊綜合指數評價矩陣,i=1,2,3,…,5。以B1為例：B1=A1·R1=[0.522,0.478,0,0,0]；FCI1=B1·S=1.48,水質為Ⅱ級。則矩陣B 可表示為：

FCI 值結果見表5。

表5 洋縣斷面2017 年～2021 年FCI 計算結果

3.4 其他評價方法結果

3.4.1 綜合指數法評價

綜合指數法采用無量綱綜合污染指數評價方法進行評價,計算公式如下：

式中：K 為某河段的綜合污染指數；n 為參與評價的污染個數；Pi為第i 項污染物的污染指數；Ci為參第i 項污染物的濃度值；Csi一般采用地表水三類水標準限值,本文為與模糊綜合指數法評價保持同步,故采用五類限值平均值,即Csi=Si；綜合污染指數K 即表示各種污染物的總體對水質的綜合污染程度,綜合分級表及綜合指數計算結果見表6 和表7。

表6 綜合污染指數評價標準分級表

表7 洋縣斷面2017 年～2021 年綜合指數計算結果

3.4.2 內梅羅污染指數法

內梅羅污染指數法與綜合指數法計算類似,但側重極值,計算公式如下：

式中：P 為內梅羅污染指數；n 為參與評價的污染個數；Fi為第i 項評價因子的污染指數；Ci為參第i 項污染物的濃度值,Csi取五類限值平均值,Csi=Si；F 和Fmax分別為Fi的平均值和最大值。內梅羅污染指數法環境質量分級表及計算結果見表8 和表9。

表8 內梅羅污染指數法環境質量分級表

表9 洋縣斷面2017 年～2021 年內梅羅污染指數計算結果

4 結果與分析

從隸屬關系矩陣R 中可以看出,除DO 2018 年～2020 年均歸屬Ⅰ級,其余污染因子在Ⅰ級和Ⅱ級均有歸屬,Ⅰ級隸屬度較大；從圖2 權重表中可以看出,污染因子中平均最大權重與最小權重分別是CODMn和BOD5,最大值為2017 年DO值,其他因子權重波動不大；從表3 中模糊綜合指數的變化可以看出,FCI 波動較小,基本在1.3～1.5 之間,Ⅰ級隸屬度大,2020 年FCI 指數最小。

綜合污染指數在0.24～0.30 之間,歸屬Ⅱ級,尚清潔,最小值在2019 年；內梅羅綜合污染指數在0.32～0.41 之間,歸屬Ⅰ級,未污染,最小值在2020 年。兩種評價方法與模糊綜合指數法整體趨勢基本一致,極值略有差別。

5 結語

從計算結果綜合來看,漢江洋縣斷面水質整體狀況良好,水質為Ⅱ類,與實際評價一致；水質級別歸屬Ⅰ級較重。FCI指數波動較小,整體在1.5 級之內,自2017 年～2020 年FCI值整體呈下降趨勢,說明漢江干流洋縣斷面近幾年水質治理和保持較為理想,FCI 值2021 年增大,其原因是石門水庫2020 年底進行了水庫清淤活動,對下游漢江干流氨氮含量具有影響,2020 年11 月至2021 年3 月氨氮值較大,隨后恢復至平均水平。

綜合污染指數法和內梅羅綜合污染指數法計算過程簡單,對污染因子的程度進行平均或過于側重最大值因素,兩種方法未充分考慮污染因子的權重,實際中個別污染因子濃度不大,但對水質評價影響較大[4]。模糊綜合指數法評價去掉分級界限,更能清晰表現出水質級別程度,且能反映主要污染物污染程度,評價更精細充分,較為客觀合理,對河流治理有很好的指導作用。