基于模糊層次分析法的南四湖典型河流入湖口區(qū)水質(zhì)評價

基于模糊層次分析法的南四湖典型河流入湖口區(qū)水質(zhì)評價

河流入湖口區(qū)水質(zhì)的評價南四湖位于山東省西南部（3427'3520'，11634'e11721）。是k東線工程的重要引水通道和儲水湖泊。其水質(zhì)對湖區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)和北冰洋地區(qū)的水質(zhì)有顯著影響。南水北調(diào)東線工程中所規(guī)劃的功能用水要求其水質(zhì)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。近年來,盡管地方政府投入了大量人力物力建設(shè)南四湖流域入湖河流截污導(dǎo)流等工程,但隨著城市的擴(kuò)張及工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,大量工業(yè)污水、生活污水及農(nóng)業(yè)面源污染物仍在豐水季節(jié)通過入湖河道進(jìn)入南四湖,導(dǎo)致湖水水質(zhì)下降,因此控制入湖河道污染物對于湖泊治理至關(guān)重要,而對河流入湖口區(qū)水質(zhì)的合理評價是判別水環(huán)境質(zhì)量及對其進(jìn)行規(guī)劃的基礎(chǔ),為水環(huán)境管理及水污染防治提供數(shù)據(jù)支持與依據(jù)。目前常用的水質(zhì)評價方法有單因子評價法、污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)評價法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。近年來,模糊數(shù)學(xué)和層次分析法相結(jié)合的模糊層次分析法在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。模糊數(shù)學(xué)評價法是由監(jiān)測數(shù)據(jù)建立各評價因子對各級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度集,形成隸屬度矩陣,再把因子的權(quán)重集與隸屬度矩陣相乘,獲得1個綜合評判集。該綜合評判集表明評價水體水質(zhì)對各級標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)的隸屬程度,反映了綜合水質(zhì)級別的模糊性,模糊數(shù)學(xué)評價法的關(guān)鍵在于目標(biāo)權(quán)重的確定。層次分析法(AHP)是1種成熟的確定權(quán)重的方法,但其構(gòu)造矩陣時容易產(chǎn)生隨意性。本文利用改進(jìn)層次分析法(IAHP),并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用模糊綜合評價法對南四湖13條典型河流入湖口區(qū)的水質(zhì)進(jìn)行綜合評價,確定水質(zhì)的分類和質(zhì)量。1樣本和方法1.1水樣采集和采樣采樣在2012年5月中旬進(jìn)行,在離水面20~30cm處采集水樣,裝入聚乙烯瓶內(nèi),每個采樣點(diǎn)采樣3次。各個采樣點(diǎn)利用GPS定位,采樣點(diǎn)位置見圖1。1.2hg、cu、zn、cd、pb監(jiān)測指標(biāo)主要包括pH、CODcr、TP、TN、F-、As、Hg、Cu、Zn、Cd、Pb等。除pH在現(xiàn)場進(jìn)行測定外,其余指標(biāo)均在中國冶金地質(zhì)總局山東局測試中心進(jìn)行測定,監(jiān)測方法均參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)規(guī)定的方法進(jìn)行。1.3評估原則和方法模糊綜合評價是在考慮與被評價對象相關(guān)的主要因子后,利用模糊運(yùn)算法則和最大隸屬度原則,對其所做的評價。1.3.1評價因子的確定評價因子即評價對象的指標(biāo)體系。為了使模糊綜合評價的計算簡單化及選取的評價因子代表性強(qiáng),本文在現(xiàn)有監(jiān)測指標(biāo)的基礎(chǔ)上,以南水北調(diào)東線工程要求的Ⅲ類水質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn),通過計算13條河流入湖口區(qū)處的水質(zhì)指標(biāo)的污染分擔(dān)率值,確定出污染分擔(dān)率之和大于90%的水質(zhì)指標(biāo)作為評價因子,即TN、TP、F-和Hg。22評估標(biāo)準(zhǔn)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)制定分級評價標(biāo)準(zhǔn),見表1。1.3.2評估方法采用一級模糊綜合評價法評價。表達(dá)式為2河流進(jìn)入湖泊的水質(zhì)模糊綜合評價表2為南四湖13條典型河流入湖口區(qū)的四項評價因子(TN、TP、F-和Hg)的實(shí)測結(jié)果平均值。2.1河流水質(zhì)指標(biāo)構(gòu)成因子集由于需要綜合評價13條河流入湖口區(qū)的水質(zhì)狀況,且每條河流均篩選出4項統(tǒng)一的評價指標(biāo),為便于數(shù)學(xué)表達(dá),建立兩級評價對象集合:“因子集”與“子因子集”。13條河流(標(biāo)號為1-13,見表2)的全體構(gòu)成因子集,每條河流對應(yīng)的4項水質(zhì)指標(biāo)構(gòu)成子因子集,具體表達(dá)為因子集U={U1(1),U2(2),U3(3),U4(4),U5(5),U6(6),U7(7),U8(8),U9(9),U10(10),U11(11),U12(12),U13(13)。};子因子集Ui={Ui1(TN),Ui2(TP),Ui3(F-),Ui4(Hg)}(i=1,2,3,…,13)。2.2評價集分級《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中把地表水環(huán)境質(zhì)量分為5類,故取評價集V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ},水質(zhì)劃分為優(yōu)(Ⅰ)、良(Ⅱ)、中(Ⅲ)、差(Ⅳ)、劣(Ⅴ)五級;污染程度相應(yīng)為未污染、輕污染、中污染、重污染和嚴(yán)重污染。2.3環(huán)境質(zhì)量評價模型考慮到水體污染程度與水質(zhì)分級的相關(guān)性及模糊性,并且水質(zhì)變化具有連續(xù)性的特點(diǎn),用隸屬度來描述模糊的水質(zhì)分級界限,使評價結(jié)果更具有科學(xué)合理性。由于各種因素對于水質(zhì)評判等級的隸屬函數(shù)可按線性變化,本文采用線性隸屬函數(shù)描述各評價因子。TN、TP、F-和Hg等4個指標(biāo)均是濃度越高,水質(zhì)越差,故隸屬函數(shù)可統(tǒng)一表達(dá)為式中ui為評價因子實(shí)測質(zhì)量濃度,mg/L;vik為環(huán)境質(zhì)量分級評價標(biāo)準(zhǔn)值,mg/L;μik為評價因子隸屬度;k為環(huán)境質(zhì)量分級級別,k=1,2,…,5(1,2,…,5分別表示羅馬數(shù)字Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ所代表的水質(zhì)級別)。2.4員工隸屬度計算和單因子評價矩陣根據(jù)因子集U上每個評價因子的實(shí)測數(shù)據(jù),通過上述隸屬函數(shù)分別求出其隸屬于各水質(zhì)級別的程度,即隸屬度μik,進(jìn)而得到單因子評價矩陣Rui。2.5采用改進(jìn)ahp理論計算權(quán)重權(quán)重wi表示評價因子i在4個評價因子中所起作用大小的度量,其值的準(zhǔn)確性直接影響評價結(jié)果的合理性。雖然改進(jìn)的AHP將定性與定量相結(jié)合,其指標(biāo)權(quán)重的排序具有較高的合理性,但仍然無法克服主觀隨意性較大的缺陷。本文中權(quán)重的確定是在各評價指標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上再采用改進(jìn)AHP計算權(quán)重,克服了一般改進(jìn)AHP僅考慮各評價因子在整個環(huán)境中的重要性而忽略了模糊評價集中污染較突出因子的不足。(1)權(quán)重的具體計算過程如下。計算各評價因子的平均值,按單因子評價法分別確定其評價等級,并計算相應(yīng)的隸屬度,結(jié)果見表3。(2)根據(jù)表3中評價因子的等級及隸屬度,將各因子的重要性程度進(jìn)行兩兩比較,進(jìn)而確定各因子的判斷矩陣A。當(dāng)因子i與因子j處于同一等級時,認(rèn)為它們對整體水質(zhì)的影響同等重要;而當(dāng)因子i所處污染級別比因子j高時,則認(rèn)為因子i對整體水質(zhì)的貢獻(xiàn)率比因子j大。設(shè)定污染級別每相差一級其相應(yīng)的貢獻(xiàn)率aij相差一倍,再根據(jù)隸屬度大小(以0.5為分界點(diǎn))對aij進(jìn)行調(diào)整:當(dāng)兩因子隸屬度同時大于或小于0.5時,aij不變;否則需±0.5。由此得到判斷矩陣2.6外集b的表示模糊綜合評價的結(jié)果由單因素權(quán)重矩陣A和模糊矩陣R復(fù)合運(yùn)算得到,即綜合評價集B表示為:B=A·R常用的運(yùn)算因子有4種,即取大取小法、相乘取大法、取小相加法、相乘相加法。其中取大取小型算子帶有主觀性,并且評價結(jié)果取決于主元素,信息損失量大。因此本文采用相乘相加法,用最大隸屬度原則確定評價結(jié)果。2.7南四湖流域水體污染研究按最大隸屬原則,對各河流入湖口區(qū)水質(zhì)進(jìn)行評價,評價結(jié)果見表4。從表4可以看出,13條河流入湖口區(qū)的水質(zhì)均較差,絕大多數(shù)水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類,屬于重污染狀態(tài)。梁濟(jì)運(yùn)河和城郭河入湖口區(qū)的水質(zhì)甚至達(dá)到了Ⅴ類,已處于嚴(yán)重污染狀態(tài),這可能與城郭河的平均比降較大導(dǎo)致污染物匯聚時間較短有關(guān)。濟(jì)寧市區(qū)及周邊工農(nóng)業(yè)和城市污水是梁濟(jì)運(yùn)河的重要污染源。相對而言,泗河和韓莊運(yùn)河入湖口區(qū)的水質(zhì)較好,屬Ⅲ類,能夠達(dá)到南水北調(diào)東線工程所要求的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。沈吉等研究表明入湖河流河口區(qū)TP、TN污染物輸入是南四湖水質(zhì)污染的重要因素之一。本研究中的評價因子權(quán)重也表明TP和TN對入湖口區(qū)水質(zhì)的影響程度較大,并且其含量已超出發(fā)生富營養(yǎng)化的氮、磷條件。通過對比表3中2012年南四湖入湖河口區(qū)TP、TN的平均含量與武周虎所研究的2006年至2011年間的入湖河口區(qū)TP、TN的平均含量可知,南四湖入湖河口區(qū)TP、TN的含量隨著南水北調(diào)東線工程通水時間的臨近總體上呈下降趨勢,2012年相對于2010-2011年TP、TN的平均含量下降率分別為21.05%和54.19%,可見,南四湖流域治污和環(huán)境監(jiān)管力度尤其是對TN污染物排放的控制效果顯著。李爽通過估算南四湖流域內(nèi)的非點(diǎn)源污染指出,流域內(nèi)水體氮元素污染的主要原因是氮肥的過量施用,磷元素污染的主要貢獻(xiàn)是禽畜的大量養(yǎng)殖。據(jù)濟(jì)寧市統(tǒng)計年鑒資料顯示,南四湖流域內(nèi)養(yǎng)殖業(yè)、種植業(yè)發(fā)達(dá),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中施用的化肥量嚴(yán)重超標(biāo),并且農(nóng)作物對化肥的利用率很低,農(nóng)村生活污水沒有統(tǒng)一的排污管道進(jìn)行收集處理。因此,應(yīng)加大力度對南四湖流域禽畜養(yǎng)殖業(yè)及種植業(yè)廢水的排放進(jìn)行控制管理,以解決環(huán)境污染問題。3分層次分析法的運(yùn)用(1)利用污染分擔(dān)率來確定評價的水質(zhì)指標(biāo),不僅能夠使選取的水質(zhì)指標(biāo)代表性強(qiáng),而且簡化了模糊綜合評價的計算,所得到的評價結(jié)果能夠客觀地反映評價水體的水環(huán)境質(zhì)量。(2)模糊綜合評價采用隸屬函數(shù)來描述水質(zhì)的分級,能較好地解決水環(huán)境評價中的模糊性,權(quán)重值的確定對評價結(jié)果有顯著影響,本文以實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用能夠反映污染程度的改進(jìn)層次分析法來確定權(quán)重值,使評價結(jié)果更有針對性,能夠真實(shí)反映出水環(huán)境污染狀況。(3)南四湖13條典型河流入湖口區(qū)水質(zhì)均較差,評價因子中TP和TN對水質(zhì)的影響程度較大并且已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出發(fā)生富營養(yǎng)化的氮、磷條件。僅泗河和韓莊運(yùn)河入湖口區(qū)的水質(zhì)能夠達(dá)到南水北調(diào)東線工程所規(guī)劃的功能用水的水質(zhì)要求。TP、TN的平均含量隨著南水北調(diào)東線工程通水時間的臨近總體上呈下降趨勢,說明近年來南四湖流域環(huán)境監(jiān)管力度成效顯著。解決南四湖入湖河流污染物的關(guān)鍵是對南四湖流域禽畜養(yǎng)殖業(yè)及種植業(yè)廢水的排放進(jìn)行控制管理。1權(quán)系數(shù)集法面說式中B為模糊綜合評價結(jié)果向量;W為評價因子集的權(quán)重向量;W=(W1,…,Wi,…,Wn),Wi為第i個評價因子的權(quán)重值;R為評價因子隸屬于不同水質(zhì)級別的隸屬度矩陣;·為1種模糊運(yùn)算法則。評價結(jié)果向量按最大隸屬度原則確定水質(zhì)級別,如果同時存在2個或2個以上最大值時,則考慮隸屬度次大值所屬的水