遼河流域鞍山段水質(zhì)評價(jià)

莊金昊

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心(鞍山水文局)，遼寧 鞍山 114300)

0 引 言

水是維持社會(huì)發(fā)展和生產(chǎn)生活的基礎(chǔ)性資源，評價(jià)與分析區(qū)域水質(zhì)狀況具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。水質(zhì)評價(jià)是依據(jù)科學(xué)的方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，選取相應(yīng)的定量或定性指標(biāo)分析河段水污染情況，該過程能夠準(zhǔn)確揭示水質(zhì)發(fā)展趨勢、變化特征及水體狀況，為水污染防止、水資源利用及其管理規(guī)劃提供科學(xué)的指導(dǎo)[1-2]。針對我國主要河流、湖泊等水環(huán)境狀況，自20世紀(jì)中期許多學(xué)者開展了一系列的研究。例如，劉榮榮等對瀏河水環(huán)境質(zhì)量運(yùn)用單因子標(biāo)準(zhǔn)法評價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該流域水環(huán)境受到一定程度的污染且已無法達(dá)到地表水質(zhì)要求；岳霞等研究認(rèn)為全國七大水系均在一定程度上受到污染，且局部水域的污染治理取得一定的成效；易文利等對典型河段的6個(gè)斷面水質(zhì)狀況采用模糊綜合評價(jià)法分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)參評的所有斷面均能滿足水功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)要求；郭蓉等認(rèn)為單因子指數(shù)法和綜合評價(jià)法為水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)最為常用的方法，該方法能夠直觀的反映評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與水質(zhì)狀況之間的關(guān)系，具有原理清晰、簡單明了等優(yōu)點(diǎn)[3-6]。

當(dāng)前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合法、灰色系統(tǒng)法、污染指數(shù)法、層次分析法和單因子評價(jià)法等為水質(zhì)評價(jià)的常用方法[7-8]。其中，單因子評價(jià)法存在運(yùn)算量少、操作簡單等特點(diǎn)，由于考慮的不夠系統(tǒng)全面其推廣應(yīng)用受到一定局限；層次分析法往往具有較強(qiáng)的主觀性，評價(jià)結(jié)果受人為因素的影響顯著，而模糊評價(jià)法涉及到的計(jì)算流程多、運(yùn)算復(fù)雜。灰色關(guān)聯(lián)法因具有定量定性分析一致、計(jì)算結(jié)果快捷、對數(shù)據(jù)規(guī)律性和樣本數(shù)量要求低等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域均已獲得廣泛應(yīng)用。遼河流域作為鞍山地區(qū)重要的飲用水源，現(xiàn)有研究關(guān)于該河段水質(zhì)的評價(jià)分析較少，且對其污染現(xiàn)狀的調(diào)查資料比較缺乏，有必要對該河段水質(zhì)狀況進(jìn)行科學(xué)的評價(jià)研究。因此，文章選取遼河流域鞍山段為例，依據(jù)五道河源頭、太平溝、千山、紅土嶺4個(gè)斷面各季度水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù)和地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，對河流水環(huán)境質(zhì)量運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法科學(xué)評價(jià)。

1 灰色關(guān)聯(lián)評價(jià)模型

1.1 方法理論

河流水質(zhì)評價(jià)既要考慮區(qū)域的特殊性，又要確保各因子數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可獲取性，這就要求在眾多的影響要素中篩選出有針對性的控制性要素。當(dāng)前，基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的主成分分析或回歸分析為常用的方法，這些方法要求數(shù)據(jù)樣本服從某一概率分布且所需要的數(shù)據(jù)量龐大，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在一定的局限。因此，文章選取灰色關(guān)聯(lián)法構(gòu)建水質(zhì)評價(jià)模型，該方法是一種表征多因子之間強(qiáng)弱、大小、次序的數(shù)學(xué)方法，根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小描述比較序列隸屬于參考序列的“緊密聯(lián)系”程度，因具有要求樣本數(shù)量少、運(yùn)算量小、理論清晰等優(yōu)點(diǎn)，可以有效避免數(shù)理統(tǒng)計(jì)法存在的不足，比較適用于水環(huán)境質(zhì)量的評價(jià)研究。另外，灰色關(guān)聯(lián)法以斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)為計(jì)算依據(jù)，由此獲取的各要素貢獻(xiàn)率大小能夠與水質(zhì)等級保持較高的一致性。在水環(huán)境評價(jià)過程中，通過比較地表水環(huán)境質(zhì)量與實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)獲取各分級的關(guān)聯(lián)度，河流水質(zhì)類別為最大值隸屬的等級。

1.2 建模流程

1.2.1 參考數(shù)列和比較數(shù)列

設(shè)定比較、參考數(shù)列為水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級和水系斷面的實(shí)測值，水質(zhì)評價(jià)比較數(shù)列表示為Xi={xi(k)/k=1，2，…，n}、參考數(shù)列為X0={x0(k)/k=1，2，…，n}，其中xi(k)為無量綱化處理后的評價(jià)指標(biāo)k的標(biāo)準(zhǔn)值，i為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)級別。

1.2.2 關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度

采用下述公式求解水質(zhì)評價(jià)參考數(shù)列與比較數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξ，即：

(1)

關(guān)聯(lián)系數(shù)越多則水環(huán)境質(zhì)量整體評價(jià)的關(guān)聯(lián)程度越復(fù)雜，由此獲取的數(shù)據(jù)信息越分散，因此有必要引入一個(gè)關(guān)聯(lián)度值反映每個(gè)關(guān)聯(lián)系數(shù)的總體情況，取平均值作為最終的水質(zhì)評價(jià)關(guān)聯(lián)度，即：

(2)

根據(jù)關(guān)聯(lián)度最終的運(yùn)算結(jié)果確定比較數(shù)列隸屬于參考數(shù)列的“優(yōu)劣”程度，由此獲取各河段的水質(zhì)類別和評價(jià)等級。

2 遼河流域鞍山段水質(zhì)評價(jià)

2.1 流域概況

遼河流域全長1345km，地理位置為117°00′-125°30′、北緯40°30′-45°15′之間，總面積為21.9萬km2。調(diào)查顯示，遼河年均徑流量128×108m3，有太子河、大遼河、渾河、柴河、老哈河、渾河、西拉木倫河等支流。流域內(nèi)屬于溫帶季風(fēng)氣候，年降水量350-1100mm，年均氣溫8.0℃-12.6℃，冬冷夏熱、日照充足、四季分明，干流河段徑流鐵嶺、本溪、撫順、遼陽、鞍山、沈陽、營口、盤錦等地區(qū)后匯入渤海。

遼河干流為我國東北地區(qū)重要的重工業(yè)、畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)區(qū)，生產(chǎn)總值、耕地面積和人口規(guī)模約占遼寧省的1/3。遼河流域鞍山段聚集了大多數(shù)的紡織、機(jī)械、化工和冶金等工業(yè)企業(yè)，屬于典型的水環(huán)境污染區(qū)。近年來，鞍山市憑借其特有的地理優(yōu)勢和環(huán)境條件迅速發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)，各行業(yè)用水量迅速增大并對水體環(huán)境產(chǎn)生較為顯著影響，獨(dú)特的水文條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式使得鞍山段河流嚴(yán)重影響著區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。河流水質(zhì)主要體現(xiàn)在如下方面：鞍山地區(qū)每年6-9月降水量占全年的60%以上，季節(jié)性缺水和秋冬季河道斷流等現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)；各監(jiān)測斷面水質(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重，不同年份和斷面的水質(zhì)污染程度不同，加之水資源時(shí)空分布不均使得用水矛盾更加突出；由于區(qū)域水資源管理與經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式不協(xié)調(diào)，各區(qū)縣在取水、排污過程中可能發(fā)生糾紛；水電站、大壩等水利工程建設(shè)對河流水生態(tài)應(yīng)縣顯著，同時(shí)河流天然徑流和生態(tài)功能退化嚴(yán)重。鑒于此，對遼河流域鞍山段水質(zhì)狀況及其變化特征利用合理的方法進(jìn)行評價(jià)分析，可為流域水環(huán)境保護(hù)和管理決策的制定提供科學(xué)的指導(dǎo)[9-16]。

2.2 評價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)定水質(zhì)評價(jià)參考數(shù)列為鞍山段五道河源頭、太平溝、千山、紅土嶺4個(gè)控制斷面2018年各季度監(jiān)測數(shù)據(jù)，水環(huán)境質(zhì)量比較數(shù)列為地表水評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)因子選取溶解氧、氨氮、總氮、總磷和揮發(fā)酚，各控制斷面評價(jià)因子的第一季度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 各控制斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)和水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) mg/L

數(shù)據(jù)值監(jiān)測斷面水質(zhì)級別五道河紅土嶺太平溝千山ⅠⅡⅢⅣⅤ總磷0.030.180.040.020.020.100.200.300.40總氮14.268.519.146.400.20.51.01.52.0氨氮0.1511.6920.2240.1770.150.501.001.502.00揮發(fā)酚0.00050.00030.00030.00030.0020.0020.0050.0100.100溶解氧13.511.411.712.17.56.05.03.02.0

考慮到各項(xiàng)評價(jià)因子之間數(shù)量級的不同無法直接參與評價(jià)，因此水質(zhì)評價(jià)前應(yīng)統(tǒng)一無量鋼化處理各項(xiàng)因子值，如表2所示。

表2 各評價(jià)因子無量綱化值

2.3 關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度

表3 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與千山斷面實(shí)測水質(zhì)關(guān)聯(lián)系數(shù)

根據(jù)計(jì)算公式(2)和表3中的關(guān)聯(lián)系數(shù)值，可獲取5個(gè)評價(jià)等級下各個(gè)控制斷面的水質(zhì)隸屬度為R1、R2、R3、R4、R5為0.575、0.806、0.814、0.822、0.797。按照最大隸屬度原則確定關(guān)聯(lián)度最大值為R4的0.822，由此可認(rèn)為千山控制斷面2018年第一季度水質(zhì)為Ⅳ級；同理，可依次確定其它控制斷面的水質(zhì)評價(jià)等級如表4所示。

表4 遼河流域鞍山段各控制斷面水質(zhì)關(guān)聯(lián)度Ri

河流水環(huán)境質(zhì)量等級利用各季度各斷面對應(yīng)的最大關(guān)聯(lián)度確定，采用文中相關(guān)公式確定各斷面的水質(zhì)等級如表5所示。

表5 各斷面各季度水質(zhì)等級

根據(jù)以上評價(jià)結(jié)果可知，遼河流域鞍山段水質(zhì)總體處于Ⅳ級水平，各個(gè)控制斷面的水質(zhì)狀況存在一定差異，其中四季度水質(zhì)相對較差，該評價(jià)結(jié)果與河流水質(zhì)實(shí)際情況保持較好的一致性，由此表明灰色關(guān)聯(lián)法具有較高的科學(xué)性和有效性。

3 結(jié) 論

1)在水資源管理和水環(huán)境保護(hù)中科學(xué)評價(jià)河流的水環(huán)境十分必要，通過科學(xué)分析水質(zhì)狀況可為推動(dòng)流域水資源保護(hù)、有針對性的制定河湖水環(huán)境管理決策以及準(zhǔn)確診斷河湖水質(zhì)狀況等提供科學(xué)的指導(dǎo)。文章對遼河流域鞍山段水質(zhì)狀況利用灰色關(guān)聯(lián)法評價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該河段各控制斷面水質(zhì)總體達(dá)到Ⅳ級，水環(huán)境質(zhì)量總體處于較差水平且受季節(jié)因素的影響較弱。

2)生活污水排放和鋼鐵工業(yè)企業(yè)廢水排放為造成遼河流域鞍山段水質(zhì)污染的主要原因，為治理和改善水體環(huán)境建議從如下方面入手：建設(shè)污水處理產(chǎn)業(yè)和水資源核算體系，推行最嚴(yán)格水資源管理制度和清潔生產(chǎn)值；為節(jié)能減排、降低污染物產(chǎn)生及實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)利用，不斷優(yōu)化用水配置和水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。