元阳梯田区大鱼塘小流域水质分析与模糊综合评价——以元阳梯田区大鱼塘小流域为例

刘诗雨

(中南大学冶金与环境学院，湖南 长沙 410083)

0 引言

水是一切生命赖以存在的基础，是自然环境和生态系统不可替代的要素，是人类生活和经济生产活动可持续发展的基础条件[1-2]。随着人口与经济的增长，水资源的需求量不断增加，水资源短缺与水环境污染问题日益突出，越来越严重地困扰人类的生存与发展[2]。水质评价是对水资源进行监督管理的重要手段。水质评价即选取水体的水质指标以及相对应的评价标准，通过科学的计算方法确定各指标重要性，并评价水体的综合水质等级[3]。

元阳梯田已有1300多年的历史，其核心区约有梯田1.32×104hm2，分布于海拔700～1800m，坡度为15～75°的沟壑山岭间[4]，其最典型的土地利用格局是在坡面上形成了森林-哈尼聚落-梯田的垂直空间分布模式，其中水生态过程是维持景观稳定性最重要的过程[5]。

因此，水质现状是否良好不仅影响当地居民的生产与生活发展，也影响着梯田的可持续发展。

目前，采用的水质评价方法主要包括: 算数或加权平均法、人工神经网络法[6]、综合污染指数法[7]、单因子评价法[8]、灰色聚类分析法[9]和模糊综合评价法等[10]。由于水体环境存在大量不确定因素，且水质类别的划分、标准确定都具有模糊性，选择所需数据量少的模糊综合评价法能较客观、全面地反映水体污染程度和水质类别，使评价结果更具有可靠性。

1 模糊综合评价模型概述

模糊综合评价法是以模糊数学为基础，根据给出的评价标准和实测值，经过模糊变换，对评价对象给出总的评价的一种方法。在水质评价中，应该找出影响水质的各主要因素，确定评价因素集、评判集、隶属函数，然后通过计算各因素的权重和隶属度，得到综合隶属度，确定水质级别。该方法可以体现水质污染程度由轻到重逐渐变化的模糊特性，评价结果比较合理，更加接近客观实际[11]。建立模糊综合评价数学模型的步骤如下[12]：

(1)构造因素集U=(TN(总氮)，TP(总磷))=(x1，x2)；被评判对象的各因素组成的集合。

(2)构造评判集V=(Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，Ⅳ级，Ⅴ级)=(y1,y2,y3,y4,y5)；评语组成的集合。

(3)权重系数的确定。在评价中要考虑到各单项指标在总体污染中作用大小不同。这不仅与实测数据大小有关，而且与某种用途水中各指标的允许浓度有关，实测数据相同而允许浓度高标准却低的指标对污染程度影响较小。因此在综合评价过程中要进行权重计算[13]。各因素在综合评价中的权重计算公式为：

(1)

式中：Wki为权重因子，Xki为第k种水样第i个因子的实测浓度；Si为第i个因子各等级代表值的算术平均值；ai为第i种指标在各等级标准中的代表值；n为分级数；Sim为评价标准中各级浓度标准值。为进行模糊复合运算，各单因素权重必须做归一化处理，公式为：

(2)

式中：aki为第k个水样的第i个因子的权重值。

将n个单因子的实测值和评价标准值代入公式(1)和(2)，便可求得各单因子的权重值，并由其组成模糊矩阵A,即因子权重集A=(ak1,ak2,…,akn)。

(4)建立隶属函数和模糊关系矩阵R。

(3)

(4)

(5)建立综合评判矩阵B=(b1,b2,…,bm)，即

(5)

2 大鱼塘小流域水质模糊综合评价

2.1 研究区概况

大鱼塘村位于云南省红河哈尼彝族自治州元阳县，属于山区。距离村委会0.00km,距离新街镇29.00km，国土面积5.55km2，海拔1920.00m，年平均气温14.00℃，年降水量1370.00mm，适宜种植水稻、玉米等农作物。有耕地70.43hm2(1056.46亩)，其中人均耕地0.073hm2(1.10亩)；有林地302.147hm2(4532.20亩)。全村辖1个村民小组，有农户219户，乡村人口1051人，其中农业人口1051人，劳动力654人，其中从事第一产业人数556人。2015年全村经济总收入641.00万元，农民人均纯收入3707.00元。农民收入主要以种植业、畜牧业为主，没有沟长制度存在[14]。

2.2 采样点的布设及样品采集

2.2.1 采样点布设

以《HJ/T 91-2002地表水和污水检测技术规定》[15]、元阳梯田独特的“森林—聚落—梯田—江河”四素同构的土地利用格局、是否经过聚落为考虑要素，从上到下依次选取九处采样检测点位(森林上方G01、S02,森林出口G03、H05、J02,大鱼塘G09,梯田交汇口J05,河流入水口H03、H01)(见图 1)，并用 GPS 对每个采样点进行定位(见表 1)。

表1 采样点地理位置

2.2.2 样品采集

根据《HJ/T 91-2002地表水和污水检测技术规定》和《GJW-03-SSG-002国家地表水环境质量检测网作业指导书(2017)》标准[16]，用具塞聚乙烯瓶作盛样容器，采集水样之前，用水样冲洗采样容器和盛样容器 2～3次。采用地表表层水取样法。由于是对总氮和总磷进行分析，故需采集的水样为 500mL(总磷)、250mL(总氮)即可。静置30min后，用吸管虹吸的方式一次或几次移取水样，吸管进水尖嘴应插至水样表层50mm以下位置，再加保存剂保存。贴好不干胶标签后将外盖盖紧，存放在阴凉处并及时送回实验室，放置于 4℃冰箱保存，并尽快测定。

2.3 评价指标和对象的确定

根据《GB 5749-2006生活饮用水卫生标准》规定[17]：采用地表水为生活饮用水水源时应符合《GB 3838-2002地表水环境质量标准》(见表2)的有关规定[18]。结合大鱼塘小流域监测资料(表3)，选取2种典型污染物作为评价对象。

表2 GB3838-2002地表水环境质量标准 (mg/L)

表3 大鱼塘采样点的水质分析结果 (mg/L)

2.4 指标权重的确定

根据权重系数的定义，将地表水环境质量标准中各级规定的数值和各断面实测数据带入公式(1)与(2)中，将计算结果进行归一化处理，并先考虑2项评价指标的作用完全一致[19]。

2.5 建立隶属度函数和模糊关系矩阵

模糊集定义在实数域上，模糊集的隶属函数可以成为模糊分布，根据实际测量数据确定分布中所含的参数。由于水质受污染程度和水质评价标准属于模糊现象，又由于数字越小代表水质质量越好，所以采用降半梯形分布进行单因素模糊评价。根据表2中地表水质量分级标准及公式(3)和(4)确定各单因子实测值(Xi)对各级别(即j=1、2、3、4、5时)的隶属度。各指标的隶属度矩阵计算结果见表5。

表5 不同断面各指标对各级指标的隶属度

以G01为例，可得隶属度的模糊关系矩阵R。同理可以计算得到其他采样点的隶属度。

表4 水质指标评价权重

2.6 计算综合评价矩阵

经过各因素指标权重和隶属度的计算，将评判等级连续并定量化，最后进行归一化处理，按照最大隶属原则，判定大鱼塘各检测断面水质类别，按照公式(5)计算结果见表6。

表6 大鱼塘水质等级评价结构

3 结果讨论

(1)大鱼塘小流域水质污染总体不严重，属于Ⅰ类水质。从检测数据可以看出除H05、G09点总氮、总磷较G01对应值大外，其余监测点检测的污染物浓度较水库入口值小或相当。

(2)从9个监测断面水质等级隶属度可以看出，除G09(大鱼塘村寨)水质属于V类水质，G01(森林上方)、J05(梯田交汇处)水质部分指标属于IV类水质，其中G01水质Ⅲ类、Ⅳ类隶属度分别为0.33和0.33；J05水质Ⅲ类、Ⅳ类隶属度分别为0.56和0.22。其余断面水质大多属于Ⅰ～Ⅲ类水质，对部分流域需加强关注。采用模糊综合评价方法进行非点源污染评价，在确定水质级别和判断水体污染程度上具有优势。

(3)村寨上游污染源产生的污染物在梯田沟渠进入山区河道的过程中降解作用显著，对小流域水质影响较大。相关管理部门应从保护小流域水质和促进地方经济发展等方面考虑，完善各级监测体系并加强管理，控制村寨规模并加大污染物治理力度，改变农业技术并积极发展生态农业，完善大鱼塘小流域水质管理。