撫順市東洲區地表水水質綜合評價

劉姍姍

(遼寧省河庫管理服務中心(遼寧省水文局),沈陽 110000)

近年來,撫順市水環境問題日趨突出,地表水質量狀況關系著供水區用水安全。我國許多學者利用不同方法研究評價了區域水質狀況,如層次分析法、可拓物元法、神經網絡法、屬性識別法、綜合指數法以及灰色系統法等,不同方法的適用范圍和優缺點各異[1-4]。在計算權重時熵權法能夠有效避免人為主觀因素的干擾,故選擇熵權法與模糊綜合法定量評價撫順市東洲區地表水質狀況。

1 模糊綜合評價方法

1.1 熵值法計算權重

熵是一種衡量不確定性的參數,參評因子的信息量越多則其確定性越大,賦予的熵也就越小,反之則賦予的熵越大[5-6]。根據熵的特性一般利用熵值評定其離散狀況,離散程度越大則評價結果受該因子的影響越顯著。設由m個決策樣本的n個參評指標所構成的初始數據矩陣為X:X=(xij)m×n,其中i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;參評因子xij的差距越大則對評價等級的貢獻越高。信息論中的系統有序程度可以利用信息熵來衡量,有序程度越高則該信息熵越大;反之,則計算的信息熵越小。

為保證水質評價的客觀合理性,研究選用熵權法進行賦權,該方法不存在非線性的復雜關系式,具有邏輯清晰、計算簡單等優點,其主要計算流程為[7]:

步驟1:由于各參評因子的單位或數量級不同無法直接參與運算,必須先對各因子初始數據進行無量綱化處理,對正、負向因子的預處理公式為:

(1)

式中:rij、xij為決策樣本i的第j項因子的歸一化和初始數值;xjmin、xjmax為各決策樣本中第j項因子的最大和最小值。

步驟2:然后利用下式計算因子j的熵值Hj:

(2)

步驟3:采用公式(3)計算參評因子j的權重ωj,即:

(3)

1.2 模糊綜合評價流程

模糊綜合法主要是利用模糊數學原理將定性分析轉變成定量計算,對于受多因素制約的復雜系統評價具有較好的適用性[8-10],其主要流程如下:

步驟1:設U={u1,u2,…,um}、V={v1,v2,…,vn}為參評因子集和評價等級集,其中um、vn表示地表水污染因子值及其相應的等級標準。

步驟2:以降半梯形分布函數計算隸屬度,對于j=1時,j=2,3,…,(m-1)時和j=m時的隸屬函數分別如下:

(4)

(5)

(6)

式中:xi為參評因子實測數據;si,j-1、sij、si,j+1為參評因子i隸屬于相應水質類別的標準值,通過上述計算構造模糊關系矩陣P=(pij)m×n。

步驟3:將模糊關系矩陣P=(pij)m×n與權重向量W利用合成算子“·”進行復合計算,從而建立地表水水質模糊評價子集B,其計算公式為:

(7)

依據上述計算結果可以確定各評價樣本隸屬于不同水質類別的隸屬度,遵循最大隸屬度原則評定地表水水質等級。

2 實例應用

2.1 研究區概況

東洲區地處撫順市區的東南部,總面積664km2,地貌構造為剝蝕低山丘陵,屬北溫帶大陸性季風氣候區,全區年均降水量780.0mm,多集中于7～8月份,冬春雨量偏少。全境均在渾河流域內,共有大小河流7條,年均徑流量1.394億m3。全區平均每人占有水資源量433.0m3,在東洲區境內主要河流有3條,即渾河、章黨河、東洲河[11-13]。

根據東洲區水資源以流域與行政相結合的管理方式,本次評價采取流域套行政鄉鎮級分區作為基本評價分區。其中,流域分區是以自然條件、水資源分布特點及河流徑流情勢等形態為主要因素劃分的,根據《遼寧省水資源分區》,東洲區流域劃分為2個水資源四級區,如表1所示。

表1 東洲區地表水資源評價分區

2.2 地表水水質

根據東洲區水資源評價相關資料選擇大伙房水庫以上的渾河干流1段、大伙房水庫以下黨章河段、東洲河段和渾河干流2段為監測點,水質監測數據如表2所示。

表2 東洲區主要河段水質監測數據 mg/L

參照地表水環境質量標準選擇評價因子為當地主要污染物,采用公式(1)和表2中的數據確定rij,然后利用公式(2)～(3)計算各參評因子的熵值Hj和權重ωj,結果顯示糞大腸桿菌群、化學需氧量、高錳酸鹽指數、揮發酚、BOD5和氨氮的熵值Hj=[0.988671,0.810861,0.906417,0.646738,0.987960,0.991075],糞大腸桿菌群、化學需氧量、高錳酸鹽指數、揮發酚、BOD5和氨氮的權重W=[0.015128,0.280142,0.151775,0.522957,0.017250,0.012748]。然后利用隸屬度函數(4)～(6)構造模糊關系矩陣P=(pij)m×n,以大伙房水庫以上渾河干流1段為例,計算確定其模糊關系矩陣P渾1如下:

(7)

將模糊關系矩陣P渾1與權重向量W應用合成算子“·”進行加權處理,從而建立大伙房水庫以上渾河干流1段的水質評價模糊子集B渾1=(0,0.214,0.762,0.019,0.005);同理,可以依次求出其它河段的水質評價模糊子集,如表3所示。

表3 東洲區主要河段水質評價等級

由表3可知,大伙房水庫以上渾河干流1段達到Ⅱ類水等級,大伙房水庫以下黨章河段達到Ⅱ類水等級,而大伙房水庫以下東洲河段和渾河干流2段達到Ⅲ類、Ⅳ類水等級,主要河段水質均符合生活用水標準要求,但個別河段水質較差應加強監管力度。

2.3 驗證分析

為進一步檢驗熵權-模糊綜合法的適用性與可靠性,對撫順市東洲區主要河段利用綜合指數法評價其水質狀況,并將評價結果與熵權-模糊綜合法相比較,如表3所示。

由表3可知,采用綜合指數法與熵權-模糊綜合法評價的主要河段水質存在明顯差異。其中,熵權-模糊綜合法評定的Ⅱ類水河段有2個,評定的Ⅲ類、Ⅳ類水河段分別為1個,而選用綜合指數法評定的4個河段均為Ⅳ類水質。通過對比分析初步確定造成這種差異的原因如下:①由于過于突出地表水質受單項超標因子值的不利影響,因此綜合指數法評定的水質相對較差;②綜合指數法忽略了不同因子對水質評價的影響作用;③在水質分級標準中綜合指數法未考慮評定等級受界限邊緣指標值的影響,對于水質分級界限熵權-模糊綜合法進行了精細的劃分。因此,對于地表水質熵權-模糊綜合法表現出較高的精準度和較好的適用性。

2.4 對策建議

1)完善水資源管理配套法律法規保障體系。目前,東洲區水資源管理還處在粗放的管理模式,相應配套法律法規還不完善,如水功能區劃及管理辦法;重點水源保護區劃及管理辦法;水資源管理保護條例等水資源管理的配套法規,應加快制定,實現水資源有序開發、利用的動態調控,使全區水資源管理走向法制化管理的軌道,為今后水資源管理在法律上得到保障奠定堅實基礎。

2)優化用水結構,提高用水效益及與效率。調整用水結構,引進高效益、節水型、低污染的工業企業,在改善環境的基礎上,促進經濟增長,應合理開發利用水資源,改善城鎮供水的狀況,減少供水損失,在工、農業生產及生活用水上提高用水效率和效益。

3)加強水資源統一規劃,強化水資源管理。充分考慮境內水資源分布不均的情況,應將水當作重要的資源和環境要素實施科學管理,通過政策和經濟手段逐步建立起統一用水制度,科學調配水資源,應用新技術、新設備、新工藝提高用水效率,推廣節水技術,堅持“開源節流并重”的思想,生活用水要安裝節水設施,進一步開展節水灌溉規劃,全面推進節水工作的開展。新建項目、改擴建項目及辦理取水許可證須經水資源論證,以保證項目用水、退水的合理性可靠性。

4)加大治污力度,強化水資源保護。東洲區工農業兼有,以工業為主,由于一些點源和面源的污染,部分地表水和地下水受了一定的污染,如東洲河部分河段、渾河干流章黨河口等都受到了工業、生活排污的污染,生態環境和水資源系統受到不利影響。因此,必須加強生產和生活廢污水處理,所有企業的排水必須達標。另外,還要通過加大廢污水處理和回用來提高我區水資源的利用效率,使污水資源化,有效改善我市水環境,加強水功能區的管理,不斷提高水功能區的功能和達標率,滿足各區域水功能區用水需求。

5)發展節水灌溉,搞好灌溉工程規劃。東洲區轄有4個鄉鎮,農村水利發展方向主要是鞏固現有水澆地面積,適量發展新的灌溉工程,對現有工程進行優化提高,在穩定水田面積的情況下,走節約灌溉之路,大力提倡經濟作物的噴灌、滴灌的灌溉方式,進行灌區節水配套改造,提高和改善農村的灌溉和供水條件。

3 結 論

1)文章采用熵權-模糊綜合評價法定量評定了東洲區主要河段地表水水質,結果顯示大伙房水庫以上分區渾河干流1段達到Ⅱ類水質,大伙房水庫以下的黨章河段達到Ⅱ類水質,而東洲河段和渾河干流2段達到Ⅲ類、Ⅳ類水水質;熵權-模糊綜合評價法可以解決相鄰等級界限存在的模糊性問題,實際應用中具有較好的精準度和適用性。

2)地表水水質評價是一項涉及因素多、覆蓋范圍廣的復雜系統性問題,實際評價時具有一定不確定性、模糊性及復雜性。采用熵權法和隸屬度函數計算參評因子權重及其水質分級界限,能夠直觀準確地反映其模糊性界限和地表水質特征,采用該方法可以較為詳細的評價地表水質受單項參數的影響。在判斷過程中該方法降低了人為誤差和主觀因素的干擾,保證結果科學合理性。