李紫煜

(遼寧省鐵嶺水文局，遼寧 鐵嶺 112000)

0 引 言

河水污染與治理為國內(nèi)外水文水資源相關(guān)學(xué)者最為關(guān)注的研究課題，尤其是重大涉水工程和重要河流水質(zhì)為當(dāng)前研究的重要領(lǐng)域[1]。例如，Kay等從殺蟲劑、營養(yǎng)物質(zhì)、溶解有機(jī)碳3個(gè)方面研究英國給水工業(yè)面臨的水源水質(zhì)問題，提出農(nóng)民耕作方法應(yīng)以無害環(huán)境為基本前提，強(qiáng)調(diào)了一些管控措施在水源污染治理中的重要性；Voza等利用聚類分析、因子分析和主成分分析法揭示了多瑙河塞威亞段水質(zhì)的時(shí)空變化特征，研究表明人類生活、生產(chǎn)活動(dòng)與河流水質(zhì)指標(biāo)的時(shí)空變化密切相關(guān)；Fernandez等深入研究了墨西哥與美國共享河流的水質(zhì)問題，研究發(fā)現(xiàn)在共同水道中廢水污染問題十分突出，開展水管理人員和相關(guān)政府的多邊合作，為提高國際河流水質(zhì)和解決跨界水污染問題的有效方法。

近年來，頻繁出現(xiàn)的水荒問題逐漸引起我國學(xué)術(shù)界和各級(jí)政府的高度關(guān)注，錢易等對(duì)我國地表水分布不均和水資源匱乏的問題進(jìn)行了詳細(xì)而深刻的論述，淡水僅占地球總水量的2.7%，而可被利用的淡水僅占淡水總量的0.001%，由此表明天然河流水非常寶貴。特別是城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，使得區(qū)域人口規(guī)模和密集程度迅速增大，農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)及生態(tài)等用水量急劇增加，水資源短缺問題為限制經(jīng)濟(jì)發(fā)展和影響人們正常生活的關(guān)鍵因素。另外，個(gè)別江河水系水環(huán)境污染問題突出，從農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村生活污水排放到工業(yè)廢水與城市生活污水排放，均對(duì)地球水環(huán)境產(chǎn)生極為不利的影響。遼河流域?qū)儆谥袊鴸|北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和糧食生產(chǎn)的核心區(qū)域，未經(jīng)嚴(yán)格科學(xué)處理的城市工業(yè)污水自行排放、隨意亂倒的垃圾和生活污水、農(nóng)業(yè)過度使用的農(nóng)藥與化肥、城鎮(zhèn)污水處理能力不足等，對(duì)地表水安全已構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。1984年頒布實(shí)施的水污染防治法在很大程度上推動(dòng)了國家重要江河、湖泊以及遼河流域的水污染治理工作，遼河水域治理被科技部列為重大專項(xiàng)，大大加強(qiáng)了城市污水處理能力和工農(nóng)業(yè)污染防治力度，并引起了社會(huì)各界的高度重視。

孟偉對(duì)遼河水環(huán)境治理的實(shí)施方案、目標(biāo)任務(wù)、研究內(nèi)容進(jìn)行了闡述，為建設(shè)水污染治理防控體系奠定了重要基礎(chǔ)；孟偉等[3]對(duì)遼河流域按照尺度理論和生態(tài)學(xué)格局，利用GIS技術(shù)劃分為14個(gè)二級(jí)區(qū)和3個(gè)一級(jí)區(qū)，深入研究不同分區(qū)面臨的生態(tài)環(huán)境問題和生態(tài)系統(tǒng)特點(diǎn)，依據(jù)水生態(tài)環(huán)境管理技術(shù)建立較為系統(tǒng)、完善的理論體系；王西琴等[4]研究認(rèn)為遼河干流為中度污染，2003年參與監(jiān)測的所有斷面均為劣V類水質(zhì)，其中COD為V類水質(zhì)濃度3倍，濃度值達(dá)到118mg/L，提出加強(qiáng)水生態(tài)修復(fù)工程建設(shè)和實(shí)行入河污染物總量控制的建議；王高旭等[5]從河流斷流、水資源過度開發(fā)的角度，對(duì)復(fù)合生態(tài)需水及其基本構(gòu)成進(jìn)行深入分析；周丹卉等[6]研究發(fā)現(xiàn)遼河2005-2009年期間的氨氮達(dá)標(biāo)率表現(xiàn)出波動(dòng)變化特征，且整體處于較低水平；惠秀娟等[7]系統(tǒng)、科學(xué)的研究水系統(tǒng)的健康水平，結(jié)果表明水生態(tài)功能嚴(yán)重退化，提出對(duì)遼河水系大力推進(jìn)水環(huán)境污染治理和水生態(tài)修復(fù)的建議；楊育紅等[8]通過對(duì)東北地區(qū)水污染相關(guān)研究成果的分析，認(rèn)為1991到2008年為水環(huán)境研究的理論探索階段，今后應(yīng)加強(qiáng)管理措施、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和科學(xué)評(píng)價(jià)研究?？傮w而言，關(guān)于綜合評(píng)價(jià)遼河水質(zhì)方面的研究還鮮有報(bào)道。

文章將加權(quán)分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法向結(jié)合，依據(jù)2009-2018年遼河干流兩個(gè)國控監(jiān)測斷面的水質(zhì)報(bào)告，在時(shí)空分布上揭示了干流水質(zhì)的變化特征，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出有效的建議措施。

1 研究資料與方法

1.1 遼河流域概況

遼河流域南臨黃海、渤海，流經(jīng)河北、內(nèi)蒙古、吉林和遼寧四省，全長為1345km，年均徑流量128×108m3，主要有老哈河、少冷河、渾河、西拉木倫河、太子河、秀水河、饒陽河、柴河等，各支流縱橫交錯(cuò)、蜿蜒曲折。流域?qū)儆跍貛Т箨懠撅L(fēng)氣候，四季分明，冬冷夏熱，日照充足，年均氣溫8.0-12.6℃，年均降水量537.7-690.4mm，為中國東北地區(qū)重要的畜牧業(yè)基地、糧食生產(chǎn)基地和重工業(yè)基地。由于獨(dú)特的地理特征和環(huán)境氣候，降水呈明顯的區(qū)域性與季節(jié)性特征，不同時(shí)間尺度上的降水量存在較大的差異，每年的7-9月為降雨集中期且多以暴雨或強(qiáng)降雨[9-11]。在空間分布上，平原地區(qū)相對(duì)于高山地較低，與渤海相鄰的東南部降水量充足，而西北地區(qū)風(fēng)沙干旱嚴(yán)重且降水稀少。東遼河、西遼河匯集于福德店之后的河流即為遼河干流，主要經(jīng)鐵嶺、沈陽、鞍山、盤錦后匯入渤海，長538km，占地1869.7km2。鐵嶺斷面含沙量較高，為3.6kg/m3。

選擇遼河干流2009-2018年兩個(gè)國家監(jiān)控?cái)嗝婧蛧噎h(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫作為本研究工作的數(shù)據(jù)來源，當(dāng)年數(shù)據(jù)為每年徑流量與水量近似相等的第22周監(jiān)測數(shù)據(jù)，地表水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。國家最新地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 國家最新地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) mg/L

1.2 研究方法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是將定性問題依據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象與評(píng)價(jià)因子之間的隸屬關(guān)系轉(zhuǎn)化為定量計(jì)算，通過加權(quán)平均處理分析綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的數(shù)學(xué)方法。該方法的運(yùn)算流程為：根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的具體情況建立因子集，結(jié)合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造評(píng)語集V=V1,V2,…,Vm，經(jīng)分析處理構(gòu)造隸屬函數(shù)，并對(duì)模糊關(guān)系矩陣R利用隸屬函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確定的權(quán)屬分配模數(shù)矢量即為各因素的評(píng)價(jià)權(quán)向量A=(a1,a2,…,an)；待評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果通過模糊關(guān)系矩陣R和權(quán)矢量A的合成運(yùn)算確定，其計(jì)算式為B=A×R=(B1，B2，…，Bj)，隸屬度等級(jí)利用加權(quán)平均法確定，評(píng)價(jià)等級(jí)的秩用j表示，j=1,2,3,…,m。待評(píng)價(jià)對(duì)象相對(duì)位置的計(jì)算公式為：

(1)

式中：k為用于控制較大的Bj值的待定系數(shù)，一般取1或2；Bj為隸屬于j等級(jí)的程度。

將河流水質(zhì)按照地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)劃分為5個(gè)等級(jí)，從而構(gòu)造評(píng)價(jià)集為V，即：V=[Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ]，然后將水質(zhì)評(píng)價(jià)因子劃分為不同等級(jí)，從而確定相應(yīng)的隸屬函數(shù)。采用偏大型分布構(gòu)造DO評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)，即：

(2)

采用半梯形偏小型分布構(gòu)造COD和NH3-N指標(biāo)的隸屬函數(shù)，即數(shù)值越小則水質(zhì)評(píng)價(jià)越優(yōu)。設(shè)相鄰的兩個(gè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為vj、vj+1，且vj+1>vj，則利用下式確定vj、vj+1級(jí)的隸屬函數(shù)，即：

(3)

(4)

按照權(quán)重越大、污染越大的原則確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的大小，對(duì)于DO越大則水質(zhì)越優(yōu)型的權(quán)重，其計(jì)算式為：

(5)

針對(duì)COD和NH3-N指標(biāo)值越小則水質(zhì)越優(yōu)型的權(quán)重，計(jì)算公式為：

(6)

為滿足模糊復(fù)合運(yùn)算條件需要?dú)w一化處理各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值，即：

(7)

2 結(jié)果分析

2.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)數(shù)據(jù)部中心提供的遼河干流2009-2018年盤錦興安、鐵嶺朱爾山兩個(gè)國控?cái)嗝娴乃w酸堿度pH值、氨氮NH3-N排放量、化學(xué)需氧量COD及溶解氧DO的逐年監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過分析發(fā)現(xiàn)，研究期間水體的pH值能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而NH3-N、COD、DO含量不符合水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，所以水質(zhì)評(píng)價(jià)因子選取為H3-N、COD、DO指標(biāo)，2009-2018年興安斷面和朱爾山斷面的評(píng)價(jià)因子監(jiān)測值。遼河干流典型監(jiān)測斷面各評(píng)價(jià)因子值，見表2；然后按照文中模糊綜合法實(shí)現(xiàn)流程和計(jì)算原理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)。

表2 遼河干流典型監(jiān)測斷面各評(píng)價(jià)因子值 mg/L

根據(jù)表2水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，朱爾山斷面DO濃度最大值為2016年的11.51mg/L，2009-2018年DO濃度值呈波動(dòng)型上升趨勢(shì)，由最初的5.71mg/L波動(dòng)增大至10.12mg/L。從DO濃度值變化特征可基本認(rèn)為，遼河干流朱爾山斷面水質(zhì)向好的方向轉(zhuǎn)變，相對(duì)于Ⅰ類水質(zhì)DO濃度值≥7.5mg/L的標(biāo)準(zhǔn)，2010、2012、2016、2018年均優(yōu)于Ⅰ類水質(zhì)，而2017年DO指標(biāo)監(jiān)測值失效。盤錦興安斷面的DO濃度最大值為2018年的9.17mg/L，水質(zhì)優(yōu)于Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，研究期間兩監(jiān)測斷面的DO濃度值變化特征基本相同，朱爾山斷面水質(zhì)略優(yōu)于興安斷面。通過分析3個(gè)水質(zhì)指標(biāo)濃度值可知，朱爾山斷面2016年COD、DO指標(biāo)監(jiān)測值為7.78、11.51mg/L，均優(yōu)于Ⅰ類水質(zhì)，而NH3-N濃度值介于Ⅲ類-Ⅱ類水之間，可見要系統(tǒng)、全面的評(píng)判朱爾山斷面2016年水質(zhì)等級(jí)及其是否為最優(yōu)年份，必須利用模糊綜合法科學(xué)評(píng)價(jià)其水質(zhì)狀況。

將模糊關(guān)系矩陣R利用公式(2)計(jì)算，以朱爾山斷面2009年監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，采用公式(2)和DO監(jiān)測結(jié)果確定不同評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度為：u1=0、u2=0.73、u3=0.73、u4=0、u5=0。2009年其他兩個(gè)指標(biāo)在該斷面處的隸屬度利用公式(3)、(4)計(jì)算確定，由此可構(gòu)造該斷面的模糊矩陣R2008。同理，確定研究期間其他年份以及興安斷面的模糊關(guān)系矩陣R，遼河干流典型斷面的模糊關(guān)系矩陣，見表3。

表3 遼河干流典型斷面的模糊關(guān)系矩陣

續(xù)表3 遼河干流典型斷面的模糊關(guān)系矩陣

對(duì)3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在研究期間的監(jiān)測值權(quán)重利用歸一化計(jì)算公式(5)-(7)進(jìn)行處理，水質(zhì)評(píng)價(jià)因子的歸一化權(quán)重值，見表4。

從表4可知，2009-2018年期間溶解氧監(jiān)測值在兩個(gè)斷面中所占權(quán)重比較大，氨氮、化學(xué)需氧量、溶解氧3個(gè)指標(biāo)在鐵嶺朱爾山斷面2009年的監(jiān)測值所占權(quán)重依次為0.27、0.22、0.51；3個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測值權(quán)重在盤錦興安斷面依次為0.30、0.22、0.48。溶解氧的權(quán)重在鐵嶺朱爾山斷面、盤錦興安斷面處<0.33的分別有4a、1a?？傮w而言，10a期間兩個(gè)斷面的溶解氧權(quán)重呈波動(dòng)變化趨勢(shì)且整體較大，化學(xué)需氧量權(quán)重在兩個(gè)斷面處較為平穩(wěn)，而氨氮、溶解氧權(quán)重值之間存在明顯的負(fù)相關(guān)性，仍需要進(jìn)一步量化計(jì)算各指標(biāo)變化對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響作用。

表4 水質(zhì)評(píng)價(jià)因子的歸一化權(quán)重值

對(duì)盤進(jìn)興安斷面和朱爾山斷面的水質(zhì)狀況利用模糊評(píng)價(jià)矢量公式B=A×R計(jì)算確定。遼河干流典型斷面2009-2018年水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，見表5。

表5 遼河干流典型斷面2009-2018年水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

從表5可以看出，2009-2018年期間Ⅰ類水質(zhì)占比在兩個(gè)斷面處均表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，朱爾山斷面、興安斷面的Ⅰ類水質(zhì)占比分別有之前的0.31、0.22增大至0.87、0.38，個(gè)別年份出現(xiàn)波動(dòng)但整體仍以增大為主，通過加權(quán)平均處理對(duì)各斷面10年水質(zhì)排序。

采用加權(quán)平均處理法對(duì)研究期間兩個(gè)斷面的水質(zhì)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，文中k值取1，從而獲取2009-2018年期間的B*值。為了更加直觀的反映10年期間兩個(gè)監(jiān)測斷面的水質(zhì)變化特征，將加權(quán)平均處理結(jié)果繪制成圖。遼河干流水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，見圖1。

(a)朱爾山斷面

(b)興安斷面圖1 遼河干流水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)圖1(a)可以看出，Ⅰ類-Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為朱爾山斷面的水質(zhì)變化區(qū)間，該斷面水環(huán)境在2012年以后整體為Ⅰ-Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2018年該斷面水質(zhì)達(dá)到最好；從圖1(b)可知，Ⅰ類-Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為興安斷面水質(zhì)的變化區(qū)間，該斷面水環(huán)境在2014年以后整體為Ⅰ-Ⅲ類水質(zhì)，2018年該斷面水質(zhì)達(dá)到最好；在空間分布上，該評(píng)價(jià)結(jié)果符合遼河干流下游水質(zhì)劣于上游的變化特征。

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)不同年份各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重可知，遼河干流水質(zhì)受化學(xué)需氧量指標(biāo)的影響較小，而溶解氧對(duì)該河流水質(zhì)的影響較為突出，溶解氧權(quán)重在興安斷面、朱爾山斷面處分別為58%和71%。溶解氧評(píng)價(jià)指標(biāo)在興安斷面、朱爾山斷面處的最大值分別為9.17、11.51mg/L，所以從溶解氧的角度可認(rèn)為朱爾山斷面處水質(zhì)較好；水體的自凈能力與溶解氧含量密切相關(guān)，河流水體的自凈能力隨著該指標(biāo)監(jiān)測值的增大而增大。植物的殘?bào)w、動(dòng)物的實(shí)體、生活污水以及工業(yè)廢水中的有機(jī)物等為影響水體溶解氧濃度的主要因素，在氧化過程中這些有機(jī)物需要消耗大量的氧氣，若無法及時(shí)補(bǔ)充水體中的氧將快速降低溶解氧濃度，從而導(dǎo)致水生動(dòng)植物因氧氣不足窒息死亡，許多厭氧菌快速繁殖并導(dǎo)致水質(zhì)進(jìn)一步惡化。

3 結(jié) 論

1)根據(jù)水質(zhì)狀況時(shí)空分布特征，在2012、2014年后兩個(gè)國控?cái)嗝娴乃h(huán)境標(biāo)準(zhǔn)基本處于Ⅰ類-Ⅱ類水質(zhì)之間，朱爾山斷面的水環(huán)境質(zhì)量較優(yōu)。

2)控制面源和點(diǎn)源污染為提高溶解氧含量、保持水體質(zhì)量的有效措施。達(dá)標(biāo)排放城鎮(zhèn)生活污水，嚴(yán)格控制農(nóng)藥化肥施用量，最大限度的降低農(nóng)村和農(nóng)業(yè)面源污染。另外，為盡可能的降低生活廢水污染物的排放要轉(zhuǎn)變?nèi)藗兊南M(fèi)模式和觀念。

3)加快污水處理技術(shù)相關(guān)研究，特別是一些特殊行業(yè)廢水和高濃度有機(jī)廢水的科技攻關(guān)研究，盡可能的實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)利用和污水達(dá)標(biāo)排放。

4)整體來看，遼河干流水體環(huán)境經(jīng)10a的綜合治理得到明顯改善。研究發(fā)現(xiàn)，溶解氧含量偏低為造成遼河干流水質(zhì)下降的關(guān)鍵因素，尤其是有機(jī)污染物、氨氮的超標(biāo)排放，從水質(zhì)變化趨勢(shì)可知，通過科學(xué)管理可顯著提升水質(zhì)狀況。