辽河流域鞍山段水质评价

庄金昊

(辽宁省河库管理服务中心(鞍山水文局)，辽宁 鞍山 114300)

0 引 言

水是维持社会发展和生产生活的基础性资源，评价与分析区域水质状况具有重要的现实意义。水质评价是依据科学的方法和标准规范，选取相应的定量或定性指标分析河段水污染情况，该过程能够准确揭示水质发展趋势、变化特征及水体状况，为水污染防止、水资源利用及其管理规划提供科学的指导[1-2]。针对我国主要河流、湖泊等水环境状况，自20世纪中期许多学者开展了一系列的研究。例如，刘荣荣等对浏河水环境质量运用单因子标准法评价，结果发现该流域水环境受到一定程度的污染且已无法达到地表水质要求；岳霞等研究认为全国七大水系均在一定程度上受到污染，且局部水域的污染治理取得一定的成效；易文利等对典型河段的6个断面水质状况采用模糊综合评价法分析，结果发现参评的所有断面均能满足水功能区标准要求；郭蓉等认为单因子指数法和综合评价法为水环境质量评价最为常用的方法，该方法能够直观的反映评价标准与水质状况之间的关系，具有原理清晰、简单明了等优点[3-6]。

当前，人工神经网络法、模糊综合法、灰色系统法、污染指数法、层次分析法和单因子评价法等为水质评价的常用方法[7-8]。其中，单因子评价法存在运算量少、操作简单等特点，由于考虑的不够系统全面其推广应用受到一定局限；层次分析法往往具有较强的主观性，评价结果受人为因素的影响显著，而模糊评价法涉及到的计算流程多、运算复杂。灰色关联法因具有定量定性分析一致、计算结果快捷、对数据规律性和样本数量要求低等优点，在多个领域均已获得广泛应用。辽河流域作为鞍山地区重要的饮用水源，现有研究关于该河段水质的评价分析较少，且对其污染现状的调查资料比较缺乏，有必要对该河段水质状况进行科学的评价研究。因此，文章选取辽河流域鞍山段为例，依据五道河源头、太平沟、千山、红土岭4个断面各季度水质实测数据和地表水环境标准，对河流水环境质量运用灰色关联法科学评价。

1 灰色关联评价模型

1.1 方法理论

河流水质评价既要考虑区域的特殊性，又要确保各因子数据的准确性和可获取性，这就要求在众多的影响要素中筛选出有针对性的控制性要素。当前，基于数理统计的主成分分析或回归分析为常用的方法，这些方法要求数据样本服从某一概率分布且所需要的数据量庞大，所以在实际应用时存在一定的局限。因此，文章选取灰色关联法构建水质评价模型，该方法是一种表征多因子之间强弱、大小、次序的数学方法，根据关联度的大小描述比较序列隶属于参考序列的“紧密联系”程度，因具有要求样本数量少、运算量小、理论清晰等优点，可以有效避免数理统计法存在的不足，比较适用于水环境质量的评价研究。另外，灰色关联法以断面监测数据为计算依据，由此获取的各要素贡献率大小能够与水质等级保持较高的一致性。在水环境评价过程中，通过比较地表水环境质量与实测水质数据获取各分级的关联度，河流水质类别为最大值隶属的等级。

1.2 建模流程

1.2.1 参考数列和比较数列

设定比较、参考数列为水环境质量标准等级和水系断面的实测值，水质评价比较数列表示为Xi={xi(k)/k=1，2，…，n}、参考数列为X0={x0(k)/k=1，2，…，n}，其中xi(k)为无量纲化处理后的评价指标k的标准值，i为水质标准级别。

1.2.2 关联系数及关联度

采用下述公式求解水质评价参考数列与比较数列之间的关联系数ξ，即：

(1)

关联系数越多则水环境质量整体评价的关联程度越复杂，由此获取的数据信息越分散，因此有必要引入一个关联度值反映每个关联系数的总体情况，取平均值作为最终的水质评价关联度，即：

(2)

根据关联度最终的运算结果确定比较数列隶属于参考数列的“优劣”程度，由此获取各河段的水质类别和评价等级。

2 辽河流域鞍山段水质评价

2.1 流域概况

辽河流域全长1345km，地理位置为117°00′-125°30′、北纬40°30′-45°15′之间，总面积为21.9万km2。调查显示，辽河年均径流量128×108m3，有太子河、大辽河、浑河、柴河、老哈河、浑河、西拉木伦河等支流。流域内属于温带季风气候，年降水量350-1100mm，年均气温8.0℃-12.6℃，冬冷夏热、日照充足、四季分明，干流河段径流铁岭、本溪、抚顺、辽阳、鞍山、沈阳、营口、盘锦等地区后汇入渤海。

辽河干流为我国东北地区重要的重工业、畜牧业和农业粮食生产区，生产总值、耕地面积和人口规模约占辽宁省的1/3。辽河流域鞍山段聚集了大多数的纺织、机械、化工和冶金等工业企业，属于典型的水环境污染区。近年来，鞍山市凭借其特有的地理优势和环境条件迅速发展当地经济，各行业用水量迅速增大并对水体环境产生较为显著影响，独特的水文条件和经济发展模式使得鞍山段河流严重影响着区域经济发展。河流水质主要体现在如下方面：鞍山地区每年6-9月降水量占全年的60%以上，季节性缺水和秋冬季河道断流等现象频繁出现；各监测断面水质超标严重，不同年份和断面的水质污染程度不同，加之水资源时空分布不均使得用水矛盾更加突出；由于区域水资源管理与经济发展模式不协调，各区县在取水、排污过程中可能发生纠纷；水电站、大坝等水利工程建设对河流水生态应县显著，同时河流天然径流和生态功能退化严重。鉴于此，对辽河流域鞍山段水质状况及其变化特征利用合理的方法进行评价分析，可为流域水环境保护和管理决策的制定提供科学的指导[9-16]。

2.2 评价指标及标准

设定水质评价参考数列为鞍山段五道河源头、太平沟、千山、红土岭4个控制断面2018年各季度监测数据，水环境质量比较数列为地表水评价标准，评价因子选取溶解氧、氨氮、总氮、总磷和挥发酚，各控制断面评价因子的第一季度统计数据和水环境质量标准如表1所示。

表1 各控制断面监测数据和水环境质量标准 mg/L

数据值监测断面水质级别五道河红土岭太平沟千山ⅠⅡⅢⅣⅤ总磷0.030.180.040.020.020.100.200.300.40总氮14.268.519.146.400.20.51.01.52.0氨氮0.1511.6920.2240.1770.150.501.001.502.00挥发酚0.00050.00030.00030.00030.0020.0020.0050.0100.100溶解氧13.511.411.712.17.56.05.03.02.0

考虑到各项评价因子之间数量级的不同无法直接参与评价，因此水质评价前应统一无量钢化处理各项因子值，如表2所示。

表2 各评价因子无量纲化值

2.3 关联系数和关联度

表3 水质标准与千山断面实测水质关联系数

根据计算公式(2)和表3中的关联系数值，可获取5个评价等级下各个控制断面的水质隶属度为R1、R2、R3、R4、R5为0.575、0.806、0.814、0.822、0.797。按照最大隶属度原则确定关联度最大值为R4的0.822，由此可认为千山控制断面2018年第一季度水质为Ⅳ级；同理，可依次确定其它控制断面的水质评价等级如表4所示。

表4 辽河流域鞍山段各控制断面水质关联度Ri

河流水环境质量等级利用各季度各断面对应的最大关联度确定，采用文中相关公式确定各断面的水质等级如表5所示。

表5 各断面各季度水质等级

根据以上评价结果可知，辽河流域鞍山段水质总体处于Ⅳ级水平，各个控制断面的水质状况存在一定差异，其中四季度水质相对较差，该评价结果与河流水质实际情况保持较好的一致性，由此表明灰色关联法具有较高的科学性和有效性。

3 结 论

1)在水资源管理和水环境保护中科学评价河流的水环境十分必要，通过科学分析水质状况可为推动流域水资源保护、有针对性的制定河湖水环境管理决策以及准确诊断河湖水质状况等提供科学的指导。文章对辽河流域鞍山段水质状况利用灰色关联法评价，结果发现该河段各控制断面水质总体达到Ⅳ级，水环境质量总体处于较差水平且受季节因素的影响较弱。

2)生活污水排放和钢铁工业企业废水排放为造成辽河流域鞍山段水质污染的主要原因，为治理和改善水体环境建议从如下方面入手：建设污水处理产业和水资源核算体系，推行最严格水资源管理制度和清洁生产值；为节能减排、降低污染物产生及实现水资源循环利用，不断优化用水配置和水质实时监测系统。