安义古村门口塘小微水体水质评价与分析

2021-06-09廖伟东黄学平刘在今陈子悦姚元勋

南昌工程学院学报 2021年6期

廖伟东，秦朗，黄学平，刘在今，陈子悦，姚元勋，章鑫

(南昌工程学院土木与建筑工程学院，江西南昌 330099)

当今受气候变化、人类活动干预等影响，水环境污染问题日益凸显。国内外针对大湖泊、大河流的治理与修复做了大量工作、取得了众多研究成果，但对池塘等小微水体的水质状况与污染治理等关注不够。相较于湖泊、河流，小微水体一般具有水域面积较小、封闭性较强、流动性较差且生态结构较为单一、自净能力较差等特点，一旦有污染物迁移进入水体，更易引发严重污染而成为黑臭水体[1]。因此研究池塘小微水体的水质状况与污染治理等对流域治理的长效性具有重要意义。

科学、适宜的水质评价方法能科学地反映水质变化规律，其评价结果对水污染治理等具有重要指导作用[2]。水质评价方法通常有指数评价法、灰色系统评价法、主成分分析法、模糊综合评价法、模糊神经网络法等[3]。本研究采用传统与改进的内梅罗指数法和模糊综合评价法对安义古村群门口塘小微水体进行水质评价，以期为小微水体的评价提供一定的参考。

1 研究区域及方法

1.1 研究区域现状

研究区域为安义千年古村群中的3个村落(罗田村、水南村和京台村)。村中分布着大小10余处门口塘，雨污水经管、沟流入附近的池塘、菜地与农田。安义古村群门口塘监测点位经纬度参见表1。安义古村群门口塘外观与水处理措施实施情况参见表2，其中位于旅游线路显要处的7口塘已采取安装曝气设施、栽种水生植物等水处理措施，剩余5口塘未采取水处理措施。

表1 监测点位经纬度

表2 安义古村群门口塘外观与水处理措施实施情况

1.2 采样与分析方法

水样采样点分布状况如表1所示，采样时间为2019年11月(枯水期)。水样采集参照HJ494—2009《水质采样技术指导》，水样保存参照HJ493—2009《水质样品的保存和管理技术规定》。选取常规水质指标COD、NH3-N 、TP作为水质分析与评价指标。水样检测方法参照《水和废水监测分析方法》(第四版)[4]即：COD浓度采用重铬酸盐法测定，NH3-N浓度采用纳氏试剂分光光度法测定，TP浓度采用钼酸铵分光光度法测定。

1.3 水质评价方法

1.3.1 传统内梅罗指数法

传统内梅罗指数水质评价法主要突出最大污染因子影响[5]，其数学表达式如式(1)～(3)：

Fi=Ci/Si，

(1)

(2)

(3)

传统内梅罗标染指数值分级如表3。

表3 传统的内梅罗指数划分的水质级别

1.3.2 改进内梅罗指数法

传统内梅罗指数法过于强调最大污染因子对水质的影响而忽视了对权重的考虑，为了合理地反映水质状况，改进内梅罗指数法引入了权重系数，同时，对最大值和平均值进一步加以修正[7]。

权重系数Wi的表达式为式(4)：

(4)

式中评价因子的相关性比值Ri表达式为式(5)：

Ri=Smax/Si，

(5)

式中Si为第i个评价因子的标准值，Smax为评价指标的最大值。

Fmax的修正表达式参见式(6)～(7)[8]：

(6)

(7)

式中，Fw为n项评价指标的关键指标平均值；n为评价指标项数；Fi为评价指标的评分值；m为Fi≥1的项数，当m=0时，Fw=0。

(8)

(9)

改进内梅罗标染指数值分级如表4。

表4 改进的内梅罗指数划分的水质级别

1.3.3 模糊综合评价方法

隶属度函数表达如下[11]：

(1)第Ⅰ级(首级)，即j=1时，其隶属度函数为式(10)：

(10)

(2)第Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ级(中间级)，即1

(11)

(3)第Ⅴ(末级)，即j=m时，其隶属度函数为式(12)：

(12)

式中xi表示第i项评价因子的实测浓度值；si，j表示第i项评价因子对应的第j级水质标准值，i=1，2，…，n，j=1，2，…，m。

建立模糊评价矩阵，其数学表达式为式(13)：

(13)

其中i为污染因素个数，j为评价等级个数。

由于所接收到的语音信号包含声道传输的影响,多个麦克风所接收到的语音信号经过不同的传播路径,我们希望在多路麦克风信号的相关性计算中尽量去除传输的影响,因此对各路麦克风接收的语音信号进行LPC[10]处理,得到反映语音激励特征的残差信号用于相关性计算[11]。基于p阶LPC的残差信号由式(7)给出。式中N为一帧信号的长度。

(14)

式中Ci为第i项评价因子的实测值，Si为第i项评价因子标准值的平均值。

模糊综合评价法数学模型为

B=W×R，

(15)

式中B为综合评价结果；W为评价因子权重；R为模糊关系矩阵。依据综合评价结果，由最大隶属度确定水质级别[12]。

2 结果与分析

2.1 数据分析

水质检测结果参见表5。由表5可知：罗田村AY01、AY02、AY03的水质较好，AY04、AY05、AY06的水样TP、NH3-N浓度大于Ⅲ类水体限值；水南村整体水质较好；京台村部分水样TP、NH3-N浓度偏大于Ⅲ类水体限值。通过计算整个古村群落评价指标的均值发现：COD浓度指标呈Ⅰ类水体，NH3-N浓度指标体现为Ⅲ类水体，TP浓度过高(超越了Ⅴ类水体的限值)。

表5 安义古村群水质监测数据 mg/L

2.2 内梅罗指数法分析

本文参照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》，内梅罗指数评价计算结果如表6所示。比较传统内梅罗指数法和改进内梅罗指数法可知，两种评价方法得出的水质评价结果趋于一致。由于传统内梅罗指数法过于突出最大污染指标的影响，未考虑权重因子对低浓度指标的作用，因此，不能够体现地表水质量的连续性[13]。传统内梅罗指数法评价结果显示：水质级别主要集中在Ⅰ类水体和Ⅳ类水体，同时Ⅳ类水体占比高达50%，没有Ⅱ类和Ⅴ类水体。由改进内梅罗指数法评价结果可得：整个安义古村群Ⅴ类水体占33%，Ⅳ类水体占16%。比较传统内梅罗指数法和改进内梅罗指数法的评价结果可知：研究区内大于Ⅲ类水体的监测点占比达50%，整体水质状况不容乐观，需进一步采取治理措施改善水质状况。

表6 安义古村群内梅罗指数评价结果

2.3 模糊综合评价法分析

以AY08为例，分别计算权重和其隶属度：W08=[0.1383 0.3160 0.5457]。

同理可计算出其他各采样点相关指标，评价结果如表7所示。由表可知：三个村落中水质最好的是水南村，罗田村含有3个Ⅳ类水体，京台村含有2个Ⅴ类水体。通过对TP和NH3-N的权重进行分析：

WTP=[0.5148，0.2979，0.2932，0.4482，0.5140，0.5165，0.3197，0.1383，0.1275，0.2778，0.8875，0.6252]，

WNH3-N=[0.1750，0.2784，0.3770，0.4124，0.3753，0.3970，0.3750，0.3160，0.6432，0.5885，0.0287，0.2888]，

由此可见TP是水质污染的主要影响因素。

表7 安义古村群模糊综合指数法评价结果

3 讨论

三种评价方法的结果参见图1。由图1可知：(1)选用的三种水质评价方法得出的结果基本一致，罗田村AY01、AY02、AY03的水质级别均为Ⅰ类水体，AY04、AY05、AY06的水质级别为Ⅳ类水体；水南村AY07、AY08的水质级别为Ⅰ类水体，AY09的水质级别为Ⅲ类水体；京台村AY10、AY11、AY12的水质级别均为Ⅳ类水体。(2)三种水质评价方法均能在一定程度上反映研究区水质状况，说明三种水质评价方法具有一定的合理性和适用性，同时最终的评价结果存在一定差异，这与吴喜军等[14]的研究结论相吻合。

传统内梅罗指数法侧重于最大污染因子的影响，对于低浓度指标不能够很好第进行水质评价，评价结果不能够体现地表水质量的连续性。改进的内梅罗指数法考虑了评价因子的权重，同时对最大值和平均值进行了修正，与传统内梅罗指数法相比，能更加客观第反映水质状况。模糊综合评价法通过建立隶属度函数及权重系数，将定性问题转变为定量问题，在水质评价上科学合理。改进内梅罗指数法和模糊综合评价法的评价结果接近，均能够体现地表水质量的连续性。总体而言，模糊综合法得出的水质评价级别小于改进内梅罗指数法，结合研究区现状，模糊综合法更具合理性。