三峡库区次级河流水质的模糊综合评价—以临江河为例

吕青锋，罗固源，刘子岩

（重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400045）

三峡库区次级河流污染十分严重，直接影响着三峡库区的水环境［1］。本文选取三峡库区库尾的次级河流之一的临江河，采用模糊综合评价模型定量评价其水质的污染程度，以此为库区次级河流的重点治理和规划提供研究方法和依据［2］。

1 水质模糊综合评价理论

目前的水质评价方法主要有综合评价指数法、模糊综合评价法、灰色评价法、物元分析法、人工神经网络（ANNs）评价法和地理信息系统（GIS）［3］。由于水质评价包含一些模糊、不明确的方面，而模糊综合评价法能很好地反映水质级别的模糊性与连续性，其评价结果比较合理也更加接近客观实际，是定量研究水质的有效方法［4］。本文利用基于模糊数学理论的模糊综合评价法作为库区次级河流临江河的水质评价方法。

1.1 水质评价因子集和权重集

根据一定原则及实际监测的数据，选取对评价对象有影响各指标建立评价因子集，设选取m个指标，将他们组成一个普通集合，即因子集U，U＝｛u1，u2，…um｝，是一个m维的向量。

模糊综合评价模型中由于各因素对评价对象影响程度不同，因此对每个评价因子Ui，赋予一个反映其对评价对象重要性的的数值ai（i＝1，2，…，m），称为权数。为进行模糊运算对各权数归一化处理后组成的集合A即为权重集，A＝｛a1，a2，…，am｝。将模糊综合评价模型引入河流水质评价时，权重表示指标对水质污染影响的大小［5］。

1.2 计算隶属度及模糊关系矩阵

用隶属度来刻画反映水质污染的各评价指标对各级水质标准的隶属程度。在河流水质模糊综合评价中，设隶属度rij，（i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n），m为评价因子数，n为水体的环境质量级别数。设评价因子和水质标准的模糊关系矩阵R，R＝

矩阵R中第i行表示第i种评价因子的数值对各级标准的隶属度。R中的第j列表示各评价因子数值对第j级标准的隶属程度。隶属度具体数值由采用的隶属函数来确定。

1.3 模糊综合评价模型

建立模糊综合评价模型B，B＝A·R＝（a1，a2，…，am）·R＝（b1，b2，…，bm，…，bn）

式中，向量B是由向量A和模糊矩阵R通过模糊关系运算得到，其中，bj是由A与R的第j列运算得到的，它表示被评价事物从整体上对j等级模糊子集的隶属程度。最后对结果向量进行分析，从而完成模糊综合评价［6－7］。

2 临江河水环境质量的模糊综合评价

临江河是长江北岸小支流，发源于重庆市永川县西部宝峰乡万寿山麓，经江津县境，于朱洋溪镇镇汇入长江，是三峡库区库尾的一条次级河流。临江河污染情况十分严重，属重度污染河流。根据《三峡库区及其上游水污染防治规划》临江河被列为重庆市19条水污染综合治理的次级河流之一。临江河的污染来源主要是永川、江津两区排放的工业废水、生活污水及沿途农业面源污染水体［8］。因此对其进行水质评价进而进行整治是迫在眉睫。

2.1 监测项目和实验方法

在临江河下游河段上设置5个监测断面，控制河段长4km，进行实地监测和实验（见图1），每月监测2～3次。考虑临江河的实际污染情况，本监测选取化学需氧量COD，溶解氧DO，总氮TN和总磷TP 4个水质指标。为了保证实现数据的准确，DO当场通过溶解氧仪测定，其余3个指标均由美国哈希DR2800便携式分光光度计现场实验测定。

2.2 建立评价因子集和评价集

考虑临江河的实际污染情况，本监测选取化学需氧量COD，溶解氧DO，总氮TN和总磷TP四个水质指标作为评价因子，建立评价因子集U，U＝｛COD，TP，TN，DO｝。考虑数据的代表性选取3月和5月份的监测数据为评价基础。2010年3月份和5月份临江河各监测断面污染指标的实际监测值见表1和表2。

图1 临江河采样点位置图

表1 临江河各断面水质3月监测数据表mg·L－1

表2 临江河水质5月监测数据表 mg·L－1

我国水质标准将地表水水环境质量分为5类，所以设评价集V＝｛Ⅰ类，Ⅱ类，Ⅲ类，Ⅳ类，Ⅴ类｝，各类限值见表3。

表3 地表水环境质量标准基本项目标准限值mg·L－1

2.3 确定权重集A

模糊综合评价中，各单项指标由于高低不同，在总体污染中的作用大小不仅与实测数据大小有关，而且与某种用途水中各元素的允许浓度有关，实测数据相同时其允许浓度含量比标准低的，对污染程度影响要小，因此进行权重计算很有必要。计算公式如下：

式中Sij表示水质为j类i指标的标准浓度限值；m为水质分类的级数。

由于溶解氧DO与其它因素性质相反，实测DO浓度大，说明水质污染不严重，水质好。所以DO的权重赋值取倒数。

最后将各权数值进行归一化处理得权重集A＝［a1，a2，a3，a4］。

经计算3月河5月各断面权重集表示为下，见表4表5；

式中：ai为i指标的权数值；Ci为i指标的实测浓度值；Si为i指标的各类水质标准限值的平均值。其

表4 3月份各断面权重计算结果表

表5 5月份各断面权重计算结果表

2.4 计算隶属度，建立模糊关系矩阵

建立隶属函数，选取降半梯形分布函数，计算隶属度。

隶属函数表达式如下：

Ⅱ、Ⅲ类、Ⅳ类：

式中：x为某断面i指标的实测浓度；Sij表示水质为j类i指标的标准浓度限值［5］。

以3月份河口断面为例，根据给出的隶属函数和表1的实际监测数据计算出各隶属度组成模糊关系矩阵R：

2.5 水质模糊综合评价

计算模糊向量B，取算子“∨”和“∧”（取大取小算法），这样可得出总体对于各级水质的隶属度，一般采取隶属度最大的原则。如果在模糊矩阵复合运算结果中出现2个最大值，则考虑与次大值贴近的那个结果所在的水质级别。对各断面水质进行聚类并评价，评价结果见表6和表7。

表6 3月份河流水质模糊综合评价结果

表7 5月份河流水质模糊综合评价结果

3 结果分析和建议

从评价结果可以得出，临江河水质污染情况相当严重，各断面都很明显处于Ⅴ类水质级别。此外从污染因子的权重计算过程中可知，TP和TN权重较大，污染因子以TP和TN为主，表明临江河水体富营养化十分严重。

因此通过以上水质评价可以看出重庆地区以临江河为代表次级河流污染形式严峻，尤其富营养化严重，为此笔者通过本文提出两点建议。

1.考虑污染原因，解决临江河为代表的次级河流水质恶化的问题，归根到底要求政府来进行全面规划，充分发挥水体的自净能力，必须要求上游及沿河企业不断改革工艺，最大限度地减少废水排放量，防止工业废水污染，要加大对不法排污企业的整治打击力度，冲破地方保护主义的防线，彻底清查环境违法行为，严肃查处一切危害水环境质量的违法行为。

2.引起河流富营养化的氮、磷来自于城市生活和工业点源以及农业面源，而库区次级河流主要来自沿河的农业面源污染［8］。因此本文建议要加强对流域附近日趋严重的农业面源污染以及畜禽养殖污染进行有效控制，如减少化肥的使用，增施有机肥生物肥；对沿岸的养殖场加强管理等等。从而减少二者对河流水体的污染。以此，也可为三峡库区次级河流的治理提供一定的借鉴。

［1］ 付永川，杨海蓉.对重庆市次级河流水污染综合整治的思考［J］.安徽农业科学，2007，35（18）：5535－5536，5596.

［2］ 薛巧英.水环境质量评价方法的比较分析［J］.环境保护科学，2004，30（4）：64－67.

［3］ 秦寿康.综合评价原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2003.

［4］ 万金保，侯得印.水质模糊综合评价模型的建立与应用［J］.中国给水排水，2006，22（20）：101－104.

［5］ 孙靖南，邹志红，任广平.模糊综合评价在天然水体水质评价中的应用研究［J］.环境污染治理技术与设备，2005，6（2）：45－48.

［6］ 曾 永，樊引琴，王丽伟，等.水质模糊综合评价法与单因子指数评价法比较［J］.人民黄河，2007，29（2）：64－65.

［7］ 罗顾源，卜发平，许晓毅.三峡库区临江河回水区总氮和总磷的动态特征［J］.土木建筑与环境工程，2009，31（5）：106－111.

［8］ 洪一平，叶 闽，臧小平.三峡水库水体中氮磷影响研究［J］.中国水利，2004，20：23－24.