基于物元分析的松花江省界緩沖區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)

鄭國(guó)臣，王兆波，何佳吉，谷際岐

基于物元分析的松花江省界緩沖區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)

鄭國(guó)臣1，王兆波2，何佳吉1，谷際岐3

（1．松遼流域水資源保護(hù)局，吉林長(zhǎng)春130021；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130021；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以松花江省界緩沖區(qū)2015年44個(gè)斷面作為評(píng)價(jià)對(duì)象，選取化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、銅共5項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，基于物元分析方法對(duì)松花江省界緩沖區(qū)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：松花江省界緩沖區(qū)水質(zhì)總體狀態(tài)良好，非冰封期水質(zhì)劣于冰封期水質(zhì)，下游水質(zhì)劣于上游水質(zhì)。

松花江；省界緩沖區(qū)；水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)；物元分析

1 概況

省界緩沖區(qū)是為控制相鄰省份水污染或上游對(duì)下游的水質(zhì)影響，協(xié)調(diào)省際間的用水關(guān)系，一般為跨省、自治區(qū)行政區(qū)河流、?。▍^(qū)）邊界河流、湖泊的邊界附近等水域。省界緩沖區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)，可以明確跨界污染責(zé)任，落實(shí)國(guó)家水資源保護(hù)政策，還可以加強(qiáng)水資源污染防治與預(yù)警，對(duì)協(xié)調(diào)省（區(qū)）際間建立和諧用水關(guān)系具有重要意義。為使省界緩沖區(qū)水資源保護(hù)工作全面到位，必須對(duì)省界緩沖區(qū)水資源質(zhì)量監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行系統(tǒng)研究，及時(shí)總結(jié)監(jiān)測(cè)工作進(jìn)展，為水行政主管部門開展水功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)工作提供科學(xué)可行的技術(shù)支撐。

松花江流域地跨黑、吉、蒙等省區(qū)，是中國(guó)東北重工業(yè)集中地和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地，冰封期每年長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月。松花江流域污染主要表現(xiàn)為點(diǎn)面源污染并重、城市污染排放較為集中、水污染事故風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)。目前，松花江省界緩沖區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)主要采用單因子評(píng)價(jià)法。單因子評(píng)價(jià)法簡(jiǎn)單直觀，但就綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)而言，用最差的單項(xiàng)指標(biāo)水質(zhì)來(lái)決定水體綜合水質(zhì)情況，不能科學(xué)地評(píng)斷其綜合水質(zhì)情況，綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)已成為流域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中一個(gè)發(fā)展最快的方向。水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法主要有物元分析法、模糊數(shù)學(xué)法、污染指數(shù)法等。這些水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，物元分析理論因其簡(jiǎn)便及可靠性，常常用于研究不相容問(wèn)題，能夠利用其物元模型將不相容問(wèn)題轉(zhuǎn)化為相容問(wèn)題，可以對(duì)流域水質(zhì)定量分析。采用物元分析法評(píng)價(jià)松花江省界緩沖區(qū)的水質(zhì)情況，對(duì)松花江省界緩沖區(qū)水質(zhì)的冰封期、非冰封期情況做出系統(tǒng)的分析。

2 物元分析法

2.1 物元的確定

物元理論以有序三元組RM=(M ，c，v)作為描述事物的基本單元，稱RM=(M ，c，v)為物元。其中M表示事物；c表示事物的特征；v表示量值。在水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中，需要確定3個(gè)物元集：經(jīng)典域?qū)ο笪镌仃?、?jié)域?qū)ο笪镌仃?、待評(píng)物元矩陣。

2.2 關(guān)聯(lián)度的確定

式中：Kjvi是第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)對(duì)第j類水質(zhì)的關(guān)聯(lián)度；ρ(vi，vij)代表的距離；其中a，b分別是某一水質(zhì)類別的上下限。

2.3 計(jì)算權(quán)系數(shù)

確定各水質(zhì)指標(biāo)對(duì)各水質(zhì)類別的權(quán)重，計(jì)算綜合水質(zhì)對(duì)各水質(zhì)類別的關(guān)聯(lián)度。為了使權(quán)重系數(shù)更符合實(shí)際情況，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

式中：aij代表第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)對(duì)第j類指標(biāo)的權(quán)系數(shù)；vij代表第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)第j類水質(zhì)的取值范圍，水質(zhì)指標(biāo)i對(duì)應(yīng)第j類水質(zhì)的權(quán)系數(shù)計(jì)算見表1。

表1 水質(zhì)指標(biāo)i對(duì)應(yīng)第j類水質(zhì)的權(quán)系數(shù)計(jì)算

2.4 水質(zhì)類別的確定

求總關(guān)聯(lián)度：

Kj(M)≥0時(shí)，完全符合被評(píng)價(jià)的類別，最大值對(duì)應(yīng)的水質(zhì)類別即為水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果；-1≤Kj（M)＜0時(shí)，基本符合被評(píng)價(jià)的類別，最大值對(duì)應(yīng)的水質(zhì)類別，即為水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果；當(dāng)Kj()M＜-1時(shí)，為劣V類水質(zhì)。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 監(jiān)測(cè)樣本的選取

選取2015年松花江省界緩沖區(qū)水質(zhì)主要監(jiān)測(cè)斷面44個(gè)。根據(jù)實(shí)際測(cè)量的水質(zhì)數(shù)據(jù)，選取化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、銅共5項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)作為松花江省界緩沖區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。為了更全面地體現(xiàn)在2015年間44個(gè)水質(zhì)斷面的水質(zhì)變化情況，選取2個(gè)特征明顯的時(shí)間節(jié)點(diǎn)作為水質(zhì)評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)：冰封期與非冰封期。冰封期選取1，2月數(shù)據(jù)均值，非冰封期選取6—8月數(shù)據(jù)均值，分別對(duì)松花江省界緩沖區(qū)的冰封期與非冰封期水質(zhì)進(jìn)行分析。

3.2 物元矩陣的確定

根據(jù)GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》確定5項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值，見表2。

表2 水質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)mg/L

則經(jīng)典域物元矩陣為：

3.3 權(quán)系數(shù)的計(jì)算

根據(jù)式（1）（2）確定各個(gè)樣本的關(guān)聯(lián)度后，利用公式（3）確定水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重，見表3。

圖1 松花江省界緩沖區(qū)2015年水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)

表3 水質(zhì)指標(biāo)在不同水質(zhì)類別的權(quán)系數(shù)

3.4 松花江省界緩沖區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)

按照上文的判定方法，對(duì)松花江省界緩沖區(qū)44個(gè)斷面在2015年冰封期、非冰封期的水質(zhì)情況進(jìn)行類別分析，得到松花江省界緩沖區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，見圖1。

4 結(jié)論

綜上所述，得到以下結(jié)論：松花江省界緩沖區(qū)斷面水質(zhì)情況總體較為良好，大多為Ⅰ—Ⅲ類水質(zhì)。部分?jǐn)嗝嫠|(zhì)超標(biāo)，其中龍家亮子斷面在冰封期與非冰封期水質(zhì)均達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)較差；浩特營(yíng)子、塔虎城渡口、同江斷面在非冰封期水質(zhì)均達(dá)到Ⅳ類；白沙灘、同江斷面在冰封期為Ⅳ類水質(zhì)，同江斷面在冰封期與非冰封期水質(zhì)均為Ⅳ類；從冰封期與非冰封期水質(zhì)比較來(lái)看，松花江省界緩沖區(qū)非冰封期水質(zhì)明顯劣于冰封期水質(zhì)，主要污染指標(biāo)是農(nóng)業(yè)面源污染，氮磷污染嚴(yán)重；從松花江省界緩沖區(qū)監(jiān)測(cè)斷面上下游的空間來(lái)看，從加西到原種場(chǎng)，多數(shù)斷面水質(zhì)為Ⅰ類，而從兩家子水文站到同江斷面，Ⅱ類到Ⅲ類水質(zhì)居多，因此，松花江流域上游水質(zhì)明顯優(yōu)于下游。

［1］常婷婷，姜世中，羅斌，彭文甫.物元分析法在巢湖西半湖水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.四川環(huán)境，2015（05）：36-40.

［2］張文，王莉，鄭夢(mèng)啟.基于熵權(quán)賦權(quán)的物元模型在河流水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)水運(yùn)（下半月），2015（08）：86-88+127.

［3］孫學(xué)穎，唐德善，張新嬌.改進(jìn)物元分析模型在北之江流域水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.南水北調(diào)與水利科技，2014（03）：55-58.

［4］樊引琴，劉婷婷，李女畫，焦偉晨.物元分析法在黃河水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2013（02）：166-169.

X824 < class="emphasis_bold"> ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

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1002—0624（2017）12—0025—03

2017-05-08