松花江哈尔滨段水环境质量时空变化研究

孟伯阳，赫俊国，王 鹏

(1.哈尔滨工业大学英才学院，哈尔滨150090;2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090)

随着经济的发展，地表水环境出现污染的现象越来越引起人们的关注，河流水质的好坏可以影响到整个区域社会－经济－生态复合系统是否能够可持续发展[1].因此，对河流水质评价问题一直是环境科学研究的热点问题[2－4].河流水质评价是指根据监测数据对河流的水质现状、变化趋势及其变化原因进行评价，通过河流水环境质量评价可以了解水环境质量的过去、现在以及未来的发展趋势和变化规律，可以了解和掌握影响本地区环境质量的主要污染因子和主要污染源，从而有针对性地制定改善环境质量的污染源治理方案和综合防治规划与措施[5].但是由于对河流水质进行评价会涉及到很多指标，各指标之间也存在内在的联系，因此可以认为河流水质是由多因素控制的、复杂的、非线性的模糊系统，对这类系统进行评价具有模糊性.而模糊数学综合评判法是基于水质评价中的模糊性及不确定性建立起来的一种评判方法，因此，该方法在天然水体的水质评价中得到了广泛的研究与应用[6－9].由于一个流域的水环境在不同断面、不同水期环境质量存在一定的差异，存在着众多影响因素，系统具有比较典型的模糊特征，为此，本文采用模糊综合评判法，以松花江(哈尔滨段)的水环境为研究对象，对该地表水体中水环境质量时空变化特征进行了较系统的研究，以期找出该水体水环境质量变化的主要影响因素.

1 研究方法与研究对象

1.1 研究方法

研究方法采用模糊综合评判法.模糊数学是用数学方法研究和处理具有“模糊性”现象的数学.模糊数学诞生于1965年.模糊数学自诞生以来，其应用不仅体现在数学问题的处理上，对于处理模糊的实际事物更能体现出它的应用价值.采用模糊数学进行水质级别评判的核心问题是对于监测结果建立隶属函数.本研究采用降半梯形分布法确定各元素隶属函数，降半梯形分布公式为:

模糊综合评判就是模糊变换问题，其原理是:

其中权重的计算是该方法中一个非常重要的环节，计算权重的方法不同，水质的评价结果差异就可能有很大区别.本文采用目前最为常用的单项指数评价法确定权重[10－11].

该方法通过每个评价指标占标准值的百分比，在一定程度上，反映了污染超标的轻重对因子权重的影响.公式为:

其中:wij为第i个因子的权重;xi为第i个因子的实测值;Sij为第i个因子的标准值.

评价因子的标准值采用《地表水环境质量标准》(GB3838－2002)中的规定的标准值.

1.2 研究对象

研究对象为松花江哈尔滨段.哈尔滨市至佳木斯市是松花江干流中段，主要汇入支流有阿什河与呼兰河.

本研究选用松花江(哈尔滨段)2010年水体6个断面8个月份的监测数据进行水环境质量时空变化特征的系统研究.6个采样断面中有4个断面为主流断面，另外两个断面分别为汇入松花江的支流断面，即阿什河口内与呼兰河口内;8个月份分别代表了研究水体枯水期、平水期以及丰水期的水体状况.监测断面以及相互位置关系见图1.

图1 松花江(哈尔滨段)监测断面位置示意图

2 松花江哈尔滨段水环境质量时空变化特征分析

2.1 水环境质量综合评价

2.1.1 数据选用

根据对松花江哈尔滨段2010年不同水期不同监测断面的监测数据，选取了1、2、5、6、7、8、9、10代表枯水期、平水期、丰水期的监测数据作为本研究的对象.

2.1.2 评价因子和评价集

在原始的监测数据中，经过筛选，选择了高锰酸盐指数、COD、BOD、氨氮、总磷、以及氟化物等6项能够反映该水体污染特征的指标作为评价因子，即U={高锰酸盐指数，氨氮，COD，BOD，总磷，氟化物}.根据国家地表水环境质量标准(GB3838－2002)的规定，将水质级别定为5级，因此，评价集为v={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}.

2.1.3 单因子评价矩阵的确定

按照国家标准确定的限值，采用半梯形法确定各指标属于各水质级别的隶属函数，从而 ，确定单因子隶属度，得到单因子评价矩阵R.

2.1.4 权重计算

采用单因子指数评价法权重赋值方法进行了权重的计算，结果见表1.

表1 权重计算结果一览表(以样本1为例)

2.1.5 评价结果

采用以隶属度最大值对应的级别为评判结果的方法确定各水体所属的级别进行评价，其综合评价结果见表2及图2.

表2 综合评价结果

图2 松花江干流4个断面不同水期的环境质量评价结果

2.2 松花江哈尔滨段水环境质量随时间变化特征分析

从表2与图2可以看出，松花江哈尔滨段干流4个监测断面在不同月份所反映出的水环境质量存在着一定的变化，而且变化规律存在着一定的相似性，无支流影响的朱顺屯与大顶子山断面的环境质量随时间变化规律具有一致性;而同样有支流汇入的阿什河口下与呼兰河口下质量的变化情况也具有相似性.总体而言，在枯水期(1、2月份)各断面的水环境质量较差，处于Ⅲ级以下水平，甚至是处于Ⅴ级状态;而且，2月份的水质在所有监测的8个月份中最差.进入5月份以后，环境质量逐渐改善，特别是在9月份达到了环境质量最好的状态.分析认为，温度上升，地表水体自净能力开始增强;同时，随着降雨增加，松花江从枯水期进入小丰水期、平水期和丰水期，水流量的增加，对污染物的稀释起到了较大的作用.图3给出了松花江哈尔滨段2010年月平均流量的变化情况，从图中可以看出:5月份、6月份平均流量开始增加，水环境质量变好，7月份平均流量降低，朱顺屯与大顶子山断面的水环境质量变差，等到8月份随着平均流量的增加，水环境质量又开始向改善的方向变化，在9月份达到最佳的状态.

图3 松花江哈尔段干流流量月变化情况曲线图

2.3 松花江哈尔滨段水环境质量随空间变化特征分析

从朱顺屯到大顶山断面大约长度为66 km，期间主要有阿什河与呼兰河支流的汇入，从表2可以看出，两条支流的环境质量状况均较差，尤其是阿什河支流，基本处于Ⅴ级水平，呼兰河则处于Ⅲ级至Ⅴ级之间.阿什河与呼兰河支流汇入到松花江干流后，对松花江干流的水环境质量产生了一定的影响.分别见图4、5.从中可以看出:松花江干流对支流汇入的污染物起到了较大的稀释作用，例如:阿什河支流汇入前环境质量处于Ⅴ及水平，汇入到干流后则变为Ⅳ级或Ⅲ级水平.但对于干流而言，阿什河支流的汇入对松花江干流产生了一定的影响，特别是5月份与9月份，造成了松花江水环境质量级别产生了较大变化.

图4 阿什河支流汇入后松花江水环境质量对比情况示意图

图5 呼兰河支流汇入后松花江水环境质量对比情况示意图

3 结语

松花江哈尔滨段干流4个监测断面在不同月份所反映出的水环境质量存在着一定的变化，总体而言，在枯水期(1、2月份)各断面的水环境质量较差，处于Ⅲ级以下水平，甚至是处于Ⅴ级状态，2月份的水质在监测的8个月份中最差.在8、9月份达到了环境质量最好的状态.分析认为，温度上升，松花江干流平均流量增加是水质变化的主要影响因素.

阿什河与呼兰河支流的汇入，对松花江干流的水环境质量产生了一定的影响，而松花江干流对支流汇入的污染物起到了较大的稀释作用.阿什河支流汇入前环境质量处于Ⅴ级水平，汇入到干流后则变为Ⅳ级或Ⅲ级水平.对于干流而言，阿什河支流的汇入对松花江干流产生了一定的影响，特别是5月份与9月份，造成了松花江水环境质量级别产生了较大变化.

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