李 平，向太吉，侯淑敏，王 豐 ，問思恩，，任惠麗

(1.陜西省水產(chǎn)研究所，西安710086；2.大連海洋大學，遼寧 大連 116023)

【現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究】

渭河陜西段水環(huán)境質(zhì)量評價

李 平1，向太吉2，侯淑敏1，王 豐1，問思恩1，2，任惠麗1

(1.陜西省水產(chǎn)研究所，西安710086；2.大連海洋大學，遼寧 大連 116023)

應(yīng)用改進的模糊層次分析法對渭河干流陜西段2014年各監(jiān)測點5個指標進行水污染程度權(quán)重和隸屬度綜合分析，結(jié)果顯示，渭河陜西段DO達到Ⅱ類水質(zhì)標準,CODMn為Ⅲ類水質(zhì)標準，NH3-N達到I類水質(zhì)標準，TP和TN均為Ⅴ類水質(zhì).評價單因子污染指數(shù)由大到小分別為TN>TP>CODMn>DO>NH3-N.權(quán)重分析顯示：總磷(TP)和總氮(TN)的權(quán)重均在40%以上，對水質(zhì)的影響程度最大.分析表明：通過長期以來對渭河陜西段水質(zhì)污染的防治，水體環(huán)境有了明顯改善，對比2002年數(shù)據(jù)，綜合污染指數(shù)下降了79.1%，氨氮、DO和CODMn均在Ⅲ類水質(zhì)標準以內(nèi)，尤其是CODMn和NH3-N對比2010年數(shù)據(jù)，下降幅度分別達到85.1%和95.6%，總磷和總氮濃度遠遠低于往年.

渭河陜西段;水質(zhì)評價;模糊層次分析法

0 引言

渭河是黃河的最大支流,發(fā)源于甘肅省渭源縣烏鼠山,流經(jīng)陜、甘、寧三省，至陜西省潼關(guān)縣注入黃河.全河長818.0 km，流域面積134 766 km2,多年平均徑流量為75.7億m3.渭河在陜西境內(nèi)河流長502.2 km,流域面積33 784 km2,占全省總面積的27%,聚集了全省64%的人口、56%的耕地,多年平均徑流量為53.8億m3[1]. 渭河水質(zhì)分析與科學評價是渭河綜合治理的基礎(chǔ)性工作，對渭河水環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)進行科學的評價，才能制定切實有效的整治規(guī)劃方案[2].用于河流水環(huán)境質(zhì)量評價的方法較多，且有不同優(yōu)缺點[3-4]，在水質(zhì)綜合評價中，模糊評判法與層次分析法相結(jié)合的模糊層次分析法在河流、湖泊、水庫等水質(zhì)評價中進行了大量應(yīng)用[5].模糊評判法很好地反映了水環(huán)境質(zhì)量的模糊性與連續(xù)性，層次分析法能夠?qū)碗s系統(tǒng)的水質(zhì)定性分析并對其進行量化處理[6]，有效解決了隸屬度與權(quán)重問題.本文根據(jù)2014年陜西省漁業(yè)環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用改進的模糊層次分析法對渭河陜西段的水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了研究評價.

1 材料與樣品采集

1.1 采樣點設(shè)置

據(jù)渭河陜西段河床特點，選擇上林橋(108°46′28″E,34°21′19″N)、紅東村(107°46′21″E,34°17′07″N)、耿鎮(zhèn)(109°06′06″E,34°28′00″N)、北興村(107°46′16″E,34°17′24″N)、老橋(109°15′13″E,34°30′08″N)、朱家崖(107°48′03″E,34°15′11″N)6個監(jiān)測斷面，樣品的采集方法及保存方法均按照GB/T12998—1991、GB/T12999—1991的相關(guān)要求進行.

1.2 檢測參數(shù)與方法

選取溫度、pH、溶解氧、CODMn、氨氮NH3-N、總氮、總磷7個指標進行分析,溫度、溶解氧和pH用水質(zhì)分析儀現(xiàn)場測定，其余監(jiān)測指標在實驗室內(nèi)測定，總磷采用鉬酸銨分光光度法測定、氨氮采用納式試劑光度法測定，CODMn按照GB11892—89滴定法測定，總氮采用堿性過硫酸鉀消解法測定，具體測定方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》[7].

2 模糊層次分析方法

2.1 層次結(jié)構(gòu)模型的建立

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，選擇水質(zhì)中溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)(錳法)、氨氮、總磷、總氮為水質(zhì)評價因子，構(gòu)建評價因子集U，即U={u1，u2，u3，…，un}；建立水質(zhì)評價指標的分級因子集S={Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ}，采用GB3838—2002《地面水環(huán)境質(zhì)量標準》進行評價.評價因子集U和評價標準集S見表1.

表1 水質(zhì)中污染因子等級標準( mg/L)

2.2 建立模糊評價矩陣

水質(zhì)評價單因素評價矩陣R由單因素隸屬度Rij為行組成相應(yīng)的矩陣，矩陣R隸屬度為水質(zhì)污染物的含量和環(huán)境質(zhì)量標準的函數(shù)，下標i、j分別代表評價因子和評價標準.通過函數(shù)計算確定隸屬度，對于越小越優(yōu)型指標( 除DO外)，隸屬函數(shù)表達式如下:

Ⅰ級：

Ⅰ～(M-1)級：

M級：

其中:Sij為第i(i=1,2,…,n)個評價因子的第j(j=1,2,…,m)級水質(zhì)標準值，x為實測測定的水質(zhì)污染物含量.對于水質(zhì)中DO參數(shù)指標，僅需改變條件中符號的方向.

根據(jù)污染因子實際測定值，通過函數(shù)計算求出第i個污染因子相對應(yīng)各級水的隸屬度，由此得到一個i×j階的相應(yīng)模糊關(guān)系矩陣R：

2.3 權(quán)重的確定

可用權(quán)重來衡量各因子的重要程度，為了使各因子具有可比性，運用層次分析法確定權(quán)重，用單項污染指數(shù)法對數(shù)據(jù)進行處理[8].計算公式如下:

di=ci/coi,(DO計算公式：di=coi/ci) (1)

其中:公式中di表示第i個評價指標的標準值、ci表示水質(zhì)污染因子測定值，coi表示各級濃度標準值的均值(mg/L).式(1)中標準值取值方法有兩種:一種是根據(jù)國標Ⅲ類水質(zhì)標準[9]，另一種是?、躅悩藴手档钠骄鶖?shù).本文根據(jù)徐兵兵等[10]的研究，采用標準判斷值的加權(quán)平均算法確定coi,以水質(zhì)標準的中間值和上下限的差值與總距離的比例作為權(quán)重.

以總氮為例，確定其水質(zhì)級別分別為( 0，0.2],( 0.2，0.5],(0.5,1],( 1,1.5],( 1.5，2]，計算如下式所示. 其他指標均依照此方法進行計算，結(jié)果見表2.

表2 各級水質(zhì)標準的均值coi的結(jié)果

為便于進行模糊運算，單項權(quán)重需進行歸一化處理,得到一個模糊矩陣A=(t1,t2,… ,tm)，公式如下：

(2)

3 模糊層次分析法在渭河陜西段水質(zhì)評價中的應(yīng)用

3.1 建立子集

根據(jù)6個監(jiān)測點數(shù)據(jù)，建立綜合評價污染因子集U={DO，CODMn，NH3-N，TP，TN}；根據(jù)水環(huán)境質(zhì)量標準 (GB3838—2002)，建立分級集V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}.

3.2 建立隸屬函數(shù)

以CODMn為例，進行說明.

CODMn的I類水的隸屬函數(shù)為：

CODMn的Ⅱ類水的隸屬函數(shù)為:

CODMn的Ⅲ類水的隸屬函數(shù)為:

CODMn的Ⅳ類水的隸屬函數(shù)為:

CODMn的Ⅴ類水的隸屬函數(shù)為:

3.3 模糊矩陣R的建立

將各測定值分別代入隸屬函數(shù)中，最終得到5×5的模糊評判矩陣R，以上林橋監(jiān)測點數(shù)據(jù)為例，建立的模糊評判矩陣R為：

3.4 計算污染因子權(quán)重

根據(jù)2.3中公式(1)(2)分別計算各監(jiān)測點污染因子權(quán)重，并建立相應(yīng)矩陣，以上林橋監(jiān)測點為例，見表3.

表3 上林橋監(jiān)測點評價因子權(quán)重

各點得到歸一化權(quán)重分配矩陣為：

3.5 復合計算

將矩陣R和A進行模糊關(guān)系計算，得到評判矩陣B，各個監(jiān)測點評判矩陣分別為：

4 結(jié)論與分析

4.1 主要影響因子

對監(jiān)測結(jié)果數(shù)值進行平均數(shù)計算，結(jié)果見表4.分析表明，水質(zhì)中溶解氧(DO)平均含量較高，已達到Ⅱ類水質(zhì)標準,CODMn達到Ⅲ類水質(zhì)標準，氨氮達到I類水質(zhì)標準，TP和TN平均值為Ⅴ類水質(zhì).對各污染因子平均值進行單因子評價，單因子污染指數(shù)由大到小順序為TN>TP>CODMn>DO>NH3-N，評價結(jié)果顯示，渭河陜西段水質(zhì)屬于Ⅴ類，其中TN為主要污染物.

表4 各水質(zhì)指標年平均值進行單因子評價

按最大隸屬度原則，對模糊層次評判矩陣B進行分析.上林橋、耿鎮(zhèn)和老橋監(jiān)測點的Maxbi值均在0.9～1.0之間，水質(zhì)等級為Ⅲ類；紅東村、北興村和朱家崖的監(jiān)測點的Maxbi值均在0.6～0.9之間，水質(zhì)等級也為Ⅲ類.但從空間分布看，Maxbi值在上林橋、耿鎮(zhèn)和老橋監(jiān)測點接近1.0，明顯比上游的紅東村、北興村和朱家崖高出很多.

分析權(quán)重計算過程中的各數(shù)據(jù),有機污染物指標總磷(TP)和總氮(TN)對水質(zhì)的影響程度最大，在耿鎮(zhèn)和老橋2個監(jiān)測點上，總磷的權(quán)重均在40%以上，總氮在35%以上，特別是在朱家崖，總氮超過了70%，6個監(jiān)測點氨氮對水質(zhì)的影響較小，其權(quán)重值均小于5%，表明渭河陜西段水體中主要是總氮和總磷超標，水質(zhì)富營養(yǎng)化嚴重.

4.2 時間空間變化

通過對渭河眉縣流域的采樣點時間上分析(表5)，DO夏季比春天低，CODMn和總氮(TN)夏季監(jiān)測值明顯高于春天，氨氮和總磷(TP)的監(jiān)測值顯示，夏季明顯低于春季.雖然總體來說夏季河流污染比春季嚴重，但是對比往年數(shù)據(jù)有很大改善.2006年和2010年CODMn分別為61.4 mg/L和31.7 mg/L，氨氮分別為4.75 mg/L和3.69 mg/L.

表5 渭河眉縣各采樣點春夏水質(zhì)指標對比(mg/L)

圖1 渭河陜西段綜合污染指數(shù)變化趨勢

監(jiān)測點從渭河上游到下游依次為紅東村—北興村—朱家崖—上林橋—耿鎮(zhèn)—老橋，從監(jiān)測數(shù)據(jù)、A矩陣和B矩陣分析可以看出，從上游到下游，污染呈上升趨勢，其中處在西安段的耿鎮(zhèn)污染指數(shù)最高，到下游渭南段的老橋有所降低.根據(jù)楊玉珍等[11]的研究，可以看出近幾年各項指標對比以往數(shù)據(jù)有明顯好轉(zhuǎn)，尤其是氨氮、DO和CODMn，其中氨氮由Ⅴ類變到Ⅰ類，CODMn在渭河上游紅東村、北興村和朱家崖3個監(jiān)測點水質(zhì)標準由Ⅲ類變到Ⅱ類.對比關(guān)建玲等[12]的研究發(fā)現(xiàn)水質(zhì)改善效果很明顯，綜合污染指數(shù)2002—2004年的總體變化呈下降趨勢(見圖1)，主要污染物為總磷和總氮，但是檢測數(shù)值遠遠低于往年，且主要集中在咸陽和西安段，在上游寶雞段甚至接近Ⅰ類標準.因此渭河陜西段的水質(zhì)通過近幾年的防治，已經(jīng)取得明顯效果.通過采樣調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著近幾年渭河水質(zhì)的改善，其魚類資源量也有所改善，濕地周圍的水生動物和遷徙鳥類也有所增加.

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【責任編輯 馬小俠】

Evaluation of Water Environmental Quality of the Weihe River in Shaanxi Province

LI Ping1, XIANG Tai-ji2, HOU Shu-min1, Wang Feng1, WEN Si-en1, 2, REN Hui-li1

(1. Shaanxi Fisheries Research Institute, Xi’an 710086, China; 2. Dalian Ocean University, Dalian 116023, China)

The five indexes of each monitoring point inShaanxi section of the Weihe River in 2014 were analyzed by the comprehensive analysis of the water pollution degree of weight and membership degree with the application of the improved fuzzy analytic hierarchy process. The result showed that the DO in Shaanxi section of the Weihe River were within class II of water quality standards, the CODMnwas within class III and the NH3-N was within class I, TN and TP were class V of water quality. The evaluation of single factor pollution index from small to large order was, respectively, TN, TP, CODMn, DO, NH3-N. Weight analysis showed that the total phosphorus (TP) and total nitrogen (TN) weights were all over 40%, which had the largest degree of impact on water quality. Analysis showed that the aquatic environment had improved significantly though the long-term prevention and treatment aiming at water pollution in Shaanxi section of the Weihe River in 2014, compared with the data of 2002, comprehensive pollution index fell by 79.1%, the ammonia nitrogen, DO and CODMnwere within class III of water quality standard, especially CODMnand NH3-N decreased respectively by 85.1% and 95.6%, total phosphorus and total nitrogen concentration is much lower than usual.

Shaanxi section of the Weihe River; water quality assessment; fuzzy analytic hierarchy process

2015-03-30

陜西省科技計劃發(fā)展項目：陜西水產(chǎn)規(guī)?；B(yǎng)殖及漁業(yè)資源與安全追溯研究(2013K01-62-02)；陜西省水利科技計劃項目：陜西黃河濕地生態(tài)環(huán)境修復技術(shù)研究(2012-33)

李平(1986—)，男，陜西蒲城人，陜西省水產(chǎn)研究所工程師，主要從事漁業(yè)資源與環(huán)境研究；問思恩(1977—)，男，陜西渭南人，陜西省水產(chǎn)研究所高級工程師，主要從事漁業(yè)環(huán)境及水產(chǎn)品質(zhì)量安全研究.

X824

A

1009-5128(2015)10-0040-06