滹沱河流域水质的评价体系研究

王未英

（忻州市水文水资源勘测分局　山西　忻州　034000）



滹沱河流域水质的评价体系研究

王未英

（忻州市水文水资源勘测分局山西忻州034000）

摘要滹沱河流域面积广，供水范围大，但水质情况复杂，为此建立滹沱河流域水质评价体系对于水质检测、水质改善、流域水环境治理等具有十分重要的意义，本文主要针对该流域18个检测点丰水期、平水期、枯水期分别进行检测，运用层次分析法，建立滹沱河流域水质的评价体系，运用matlab软件结合矩阵运算求解，以治河为例进行具体分析，并对全流域各大检测点分别计算，给出滹沱河流域水质评价结果，并说明滹沱河流域水质评价体系与评价方法的应用前景与效果。

关键词层次分析；综合评价；滹沱河流域；数学模型；水质

1　研究意义

滹沱河流域面积达2.73km2，其流域内的主要支流包括治河、同河、阳武河、太平河、清水河、云中河、牧马河、南坪河等，滹沱河全长587km，其中穿越的山丘、峡谷众多，水流掺杂的碎石于该流域西南部沉淀。其所携带的泥沙主要源于黄河上游，在其流域内部自上游逐渐沉淀，最终进入其他流域。

滹沱河流域面积较大，流域内有34个市，包扩石家庄、阳泉等大中城市，同时其水质情况较为复杂，流域内植被相对较少，水土保持情况较差，该河流对于该流域的整体用水质量影响巨大，建立滹沱河流域水质的评价体系对于水质检测、水质改善、流域水环境整治等具有十分重要的意义[6,7]。

2　层次分析模型建立

由于滹沱河流域水质情况复杂，本文选用层次分析法，对该流域的整体水质情况进行综合评价，对于滹沱河流域水质情况的检测过程，经历该流域的丰水期、平水期、枯水期的全部阶段，以得到准确系统的检测结果，同时避免水质在水量变化情况下，自调节功能不同的影响，以使检测结果准确可靠[1]；同时本次检测取样站包含各大支流上、下游的16个检测站，通过对每个检测站多点随机取样测量，实现对主要支流整体情况进行宏观检测。并运用层次分析法来确定测量样本中各水质指标在综合评价中的权重[2]。

2.1构造各地区水质综合评价的的阶梯层次结构

构造滹沱河流域水质综合评价指标的基本检测指标主要有：pH、DO、CODMn、NH3- N，评价的标准是以两年时间中不同时期的均值和年均值为依据[3]。构造综合评价的目标层、准层等结构如图1所示：

2.2建立目标层判断矩阵

首先，在建立目标层判断矩阵之前，需要确定参数优先级，即比较参数之间的重要性，对于目标层，水质指标的年均值是最重要的，同时年均值比年内各个时期的均值优先级要高，而在其他各个时期当中（如：丰水期，平水期，枯水期）选择流量最大的时期为较高优先级，本例中为丰水期，依据此方式我们将制定出目标层判断矩阵A：

图1　滹沱河流域综合评价体系结构图

表1　治河观测站观测指标统计表

2.3准则层判断矩阵

准则层判断矩阵中的参数βij计算方法如下：

首先将目标层判断矩阵中参数A1、A2、A3、A4中各指标的测量结果用如下公式进行标准化处理：

其次令:

再次计算:

设:

对于任意的βz与βt相比，其判断矩阵元素βzt由以下确定:

表2　各指标观测值的标准化值

最后，由以上各式可得准则层的判断矩阵，运用矩阵运算结合matlab数据工具箱求出目标层判断矩阵A。

2.4特征值计算

为确保结果准确可靠，需要进行一致性检验，因此需据下式计算B(1)、B(2)、B(3)的最大特征值λmax：

得出B(1)、B(2)、B(3)的最大特征值λmax，再进行一致性检验：求得一致性指标CI与一致性比例系数CR：

（注：只有当CR小于0.1时，才能认为该矩阵的一致性较好。）

2.5水环境质量的综合评价指数的计算

水环境质量综合评价指数PI为本综合评价体系的最终参考指标之一[4]，其计算公式如下所示：

其中，叠加系数n主要依据参考指标个数确定，本例中为固定值“4”，归一化特征向量VA（n）、VB(n）通过方根计算法得，在此不做过多赘述。

3　综合评价模型求解——以滹沱河流域为例

以治河观测站为例，通过对其16个观测站两年时间的观测值进行分层计算，求该观测站的水质综合评价指数。根据观测站测量的24个月的观测值，统计得到下面的平均值表：

标准化计算得相应于上表中各指标观测值的标准化值如表2：

计算准则层的判断矩阵分别为：

用方根法计算出判断矩阵A,B (1),B(2),B (3)的归一化特征向量:

以上代表的是目标层判断矩阵分别在丰水期、平水期、枯水期、以及年均指标在综合评价体系中的权重，即VA、V（B1）、V（B2）、V（B3）、V（B4）分别指酸碱性PH、溶解氧含量DO、CODMn、NH3- N在全年、丰水期、平水期、枯水期下的指标权重值[5]。

计算判断矩阵的最大特征值结果如下：

并进行一致性检验得：

一致性指标:

一致性比例：

其中R.I.为平均一致性指标，查表R.I. =0.9，计算得：

当C.R.＜0.1时判断矩阵具有好的一致性，故一致性检验满足要求。

最后进行水环境质量的综合评价指数的计算得：

根据国家环保总局标准处推荐的评价标准为参考依据，见下表：

表3　水质评价标准

通过上述计算，我们可以得出阳武河上游、云中河上游、牧马河上游、同河上游、清水河上游、南坪河上游、冶河上游、太平河上游、阳武河下游、云中河下游、牧马河下游、同河下游、清水河下游、南坪河下游、冶河下游、太平河下游各检测站的28组检测数据所计算的综合评价指标值，并通过与上表比对，确定该流域总体水质情况，以及各河流在这个长时间序列下的水质变化情况。其评价指标PI计算结果如下：

由上表计算得最终滹沱河流域各地区水质情况综合评价结果如下：

其中权值ωκ是通过加权平均法计算得出整个流域各支流对该流域整体水质情况的影响权重值，本文采用超标指数法或指数赋权法，即根据各地区水质的质量分级指数Cok来确定权重。其公式为：

式中PIi为各地区水库分级指数，Coi为PIi对应分级指数的最大允许值。将上表中所得到的PIi值代入Ii式算得水质总体PI结果为：

表4　滹沱河流域近两年来16个观测点的综合评价指标值

表5　滹沱河流域各地区的水质情况的综合评价结果

故可以认为滹沱河流域近两年来的水质情况为Ⅲ类。

4　结语

本文采用的分析数据，由一个长时间序列下检测得到，这样一个长时间序列，将经历该流域的丰水期、平水期、枯水期的全部阶段，可以得到准确、系统的检测结果，同时避免水质在水量变化情况下自调节能力不同的影响，检测结果准确可靠；同时本次检测站包含各大支流上、下游，对主要支流整体情况进行宏观检测，既能有效的降低检测效率与成本，又能客观的反应滹沱河流域水质的整体情况。由两年内各时段计算结果可知，滹沱河流域各支流在不同时间段（丰水期、平水期、枯水期）水质情况变化较大，可知本文采用的长时间序列检测十分必要。由各流域水质总检测评价指标结果可知，滹沱河流域整体水质情况为Ⅲ类标准，即水质情况一般，其中由滹沱河流域上游到下游水质逐渐变差，但变化十分缓慢，只有南平河下游轻度污染，其他地区均满足Ⅲ类水质质量标准。该水质评价体系很好地反映了滹沱河流域在时间和空间上的水质变化情况，利于有针对性地对滹沱河流域进行治理，对于改善水质、治理流域水环境等具有十分重要的意义。同时该评价方法具有普遍适用性，对于我国各大流域的水质评价均具有较高的借鉴意义。

对该流域，其水质整体情况为三类标准，但个别支流存在轻度污染，从时间角度来看，该流域的整体水质情况处于逐渐恶化趋势，应当加强监管力度，严厉打击排污、排废等非法行为；加大生态水利、生态河道的宣传理念，积极开发生态混凝土等新型材料，引用生态护坡、适应性河床等新技术；提高宣传教育力度，树立积极健康的环境友好型河流建设理念。同时，也应实时进行水质选点检测，周期性进行综合评价，按需进行宏观调控，最大限度提高水质，保护水环境。陕西水利

参考文献

[1]李连香,许迪,程先军等.基于分层构权主成分分析的皖北地下水水质评价研究[J]. Resources Science, 2015.37(1).

[2]张岩祥,肖长来,刘泓志等.模糊综合评价法和层次分析法在白城市水质评价中的应用[J].节水灌溉, 2015.3: 010.

[3]高宗军,董红志,许传杰等.层次分析法在地下水质量评价中的应用[J].地下水, 2014 (3): 49.50.

[4]数学建模[M].高等教育出版社, 2014.

[5]谭渝峰,张琪,朱莎等.基于简单建模与因子分析的湖泊水质评价[J].生态与农村环境学报, 2015.31(3): 432.439.

[6]韩晓霞,朱广伟,吴志旭等.新安江水库(千岛湖)水质时空变化特征及保护策略[J].湖泊科学, 2013.25(6): 836.845.

[7]朱广伟,陈伟民,李恒鹏等.天目湖沙河水库水质对流域开发与保护的响应[J].湖泊科学, 2013.25(6): 809.817.

（责任编辑：阙嘉雯）

中图分类号：X24

文献标识码：A