沣河流域水质的时空对比分析

2021-12-22罗平平王双涛吕继强周美梅霍艾迪

水资源与水工程学报 2021年5期

罗平平，武阳，王双涛，张媛，朱伟，吕继强，周美梅，霍艾迪

(1.长安大学水利与环境学院，陕西西安 710054； 2.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西西安 710054； 3.宝钢工程技术集团有限公司工程技术事业本部动力事业部，上海 201999)

1 研究背景

在自然因素和人类活动的交互影响下，沣河流域水体污染越来越严重[1]。2017年3月，时任陕西省委书记娄勤俭在沣河调研工作时提出，要实现生态修复“八水绕长安”的目标，就必须以新发展观为指引，实施弹性节水政策的统筹工程建设[2]。2019年10月，陕西省重点水利部门安排全省水利重要任务时强调，保护秦岭主要水源地是水生态环境保护的重中之重[3]。

流域水质的优劣程度影响着其水资源的可利用性[4]，因此对流域水资源状况的优劣进行快捷、准确、简便地评价尤为重要。迄今为止，已经有部分学者针对沣河流域展开了系列研究，段慧敏[5]和朱记伟等[6]对沣河流域的历史变化和沣河主流生态环境治理维护的必要性进行了研究；高榕[7]、李怀恩等[1]和王莉等[8]对沣河流域主要污染源、污染变化特征、影响因素以及流域污染变化趋势进行了详细分析。但是，目前的研究成果中对沣河流域水质综合评价的时空分析还不够全面，不能完整反映沣河流域的水质时空状况。

本文在对沣河水环境背景资料及其水污染状况调查的基础上，采用单因子指数法、内梅罗指数法、灰色关联分析法和模糊综合指数法4种水质评价方法探索沣河水环境的时空变化规律，并对沣河流域的水质状况进行比较分析。研究成果可以为沣河流域水环境治理提供详细科学的理论依据，具有一定的前瞻性。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

沣河是西安市第三大河流，地处陕西省西安市的西南部[9]，水系分布呈扇形。沣河流域属于暖温带半湿润区[10]，受其河道影响，供水汇流时间较短，洪峰流量较大。林地和耕地为流域内的主要土地利用类型，两者占比达到90%，建设用地、草地和未利用地等类型所占比重较小[11]。

2.2 水质数据

以沣河流域为研究对象，设置8个水质监测断面，流域的地理位置与范围、水系分布及水质监测断面信息见图1和表1。于2018年9月-2019年8月每月中下旬对沣河流域8个监测断面进行一次表层水采样，每次取3个平行水样进行分析，测定结果取平均值。依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)选取了5种最主要的水质评价因子(见表2)进行测定与分析[12]，同时根据沣河流域水质在丰、平、枯不同水期变化差异明显的特征，对沣河水质分不同水期进行评价，不同水期的时间划分参照文献[13]。

图1 沣河流域地理位置与范围、水系分布及水质监测断面设置

表1 沣河流域水质监测断面设置

表2 水质参数及分析方法

2.3 水质评价方法

2.3.1 单因子指数法单因子指数法是将研究区各项评价因子的实测浓度与标准值进行对比，最后由全部评价因子中最差的水质类别来确定水体水质类别的方法[14]。

2.3.2 内梅罗指数法内梅罗指数法的评价等级是由内梅罗污染指数及其标准指数与相应的标准等级指数对照得出。其中污染指数和标准指数可以利用评价因子的监测浓度和标准值算得[15]。传统的内梅罗指数法计算公式为：

(1)

改进的内梅罗指数法依据传统方法忽略了某些浓度小但难以去除或浓度大且易于去除的污染因子的权重，而倾向于对仅受浓度值最大污染因子的影响过于明显的缺点进行修正，修正方法参见文献[16]、[17]。将单项评价因子的最大值Fj max修正为：

(2)

式中：Fw为权重最大的单项因子值。

因此，基于最大值修正后的内梅罗指数计算公式变为：

(3)

2.3.3 灰色关联分析法灰色关联分析法是一种通过判断各因素随时间变化发展趋势之间的同步程度，来描述各因素之间的大小、强弱、次序的关联性[18]的分析方法。同步变化程度越高则越相似，反之则相关性越弱[19]。此方法比较适合多因素之间关联性的动态过程分析[20-22]。

选定体现水质变化特征的因子(DO、CODMn、NH3—N、TN、TP)作为参考序列，选定水质标准等级(I、II、III、IV、V类)为比较序列；对数据进行归一化和无量纲化处理[23]；按沈珍瑶等[24]提出的理论计算绝对差；用平均值法求出关联度，最后将关联度最大值对应的标准选定为该水体的水质类别[25]。

2.3.4 模糊综合评价法模糊综合评价法在水质评价方法中也较为典型，它可以综合评价地表水环境的不确定性[26]。模糊综合评价法是一种利用模糊数学法的隶属度理论对事物进行定性和定量评价的方法，且这种事物通常受到多种要素的制约[27]。该方法权重因子的获取是通过将待评价水体的各项评价因子的实测值相对各类水质标准值的超标程度经过归一化处理得到[28]。评价方法的一般步骤如下：

(1)模糊综合评价体系的构建。确定因子集U={DO、CODMn、TP、TN、NH3—N}，确定评价集V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}

(2)构建权重向量Q={Q1，Q2，…，Qn}

根据模糊综合评价法采用超标比获取权重因子的方法构建权重向量[28]。

(4)

式中：Qi为单项因子的权重；Ii为单项因子的实测值相对于水质标准的超标倍数。

(3) 构建隶属矩阵R。

选用降半梯形分布函数[29]构建隶属度矩阵

(5)

(4)模糊评价集的计算和水质等级的判断

模糊评价集Bi由隶属矩阵Ri与权重Qi相乘得到，即：

Bi=Qi×Ri=(Q1,Q2,…,Qn)×

(6)

在实际应用过程中，超标倍数最大的水质指标会影响传统模糊综合评价法，使其评价结果局限于悲观范围，且不能分层次展现多因素之间的关系并将各因素与评价主体的关系关联起来。因此，需要基于层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)[30]和熵权法对权重因子进行修正和重分配，并将其作为改进的模糊综合评价法[31]。修正方法为：在构建权重向量时，将层次分析法(AHP)得出的权重因子[32]和熵权法得出的权重因子[33]进行算术平均，得到最后的综合权重。

(7)

式中：Q′为综合权重；Qa、Qe分别为层次分析法和熵权法得出的权重值。

3 结果与分析

3.1 各水质评价方法的评价结果

3.1.1 单因子指数法图2为单因子指数法对沣河流域不同水期及全年的主要水质指标超标倍数评价结果。由图2可以看出，沣河整体水质污染程度为中游较差，下游略好，上游最好；丰水期水质最优，平水期次之，枯水期水质较差。沣峪断面TN超标倍数的最高值出现在丰水期，而在其他断面基本以枯水期最高、丰水期最低。这种情况的出现可能是由于丰水期沣河流域上游沣峪段为风景旅游区，往来游客增多，产生了较多的生活垃圾和废水，使得沣峪段污染程度增高[34]。沣河流域典型的污染因子除了TN还有TP和NH3—N，从监测断面来看，中游潏入沣断面的TN和TP污染较为集中，超标倍数最大，且该断面NH3—N的超标倍数也较大，表明沣河流域中游水质劣于上、下游。

图2 单因子指数法对沣河流域不同水期及全年的主要水质指标超标倍数评价结果

3.1.2 内梅罗指数法内梅罗指数法划分水质等级标准参照文献[13]，传统的和改进的内梅罗指数法对沣河流域不同水期及全年的各监测断面水质评价结果见图3。从传统的内梅罗指数法评价结果中(图3(a))可以看出，沣河流域整体水质污染指数在1.68～5.21之间，污染程度在时间和空间上的变化趋势与单因子指数法评价结果一致。上游沣峪段水质最好，超过其他任一监测断面水质。改进后的内梅罗指数法水质变化在时间上的趋势与改进前相同(图3(b))，不同的是改进评价方法后整体水质污染指数减小，显示出上游和下游水质较好，中游水质也优于改进前的传统方法评价结果，主要的水质类别为Ⅱ类、Ⅲ类和IV类。水质的空间变化特点为上游波动较大，下游趋于稳定，中游变化波动较小。

图3 内梅罗指数法对沣河流域不同水期及全年的各监测断面水质评价结果

3.1.3 灰色关联分析法图4为灰色关联分析法对沣河流域不同水期及全年的各监测断面水质等级评价结果。由图4可以看出，在全年当中，Ⅰ类水断面占比达到75%，主要集中在上游和下游，仅25%断面为Ⅴ类水，出现在中游沣河口和潏入沣断面；平水期Ⅰ类水断面占比与全年相同，但Ⅴ类水断面占比不到15%，小于全年，说明沣河水质整体表现出较好的趋势。从时间维度看，整体污染严重程度趋势与单因子指数法和内梅罗指数法得到的结果相同，整体水质达标程度为62.5%，说明整体上沣河各类水体功能处于正常状态；从空间状况来看，不同监测断面处水质差异较为明显，其中潏入沣处污染相对严重。

图4 灰色关联分析法对沣河流域不同水期及全年的各监测断面水质等级评价结果

3.1.4 模糊综合评价法图5为模糊综合评价法对沣河流域不同水期及全年的各监测断面水质等级评价结果。由图5可以看出，以改进前传统的模糊综合评价法进行评价，则沣峪断面在平水期和丰水期的水质等级均为Ⅰ类，水质良好，仅需进行简单的物理或化学处理便可达到饮用水的标准。经层次分析法(AHP)和熵权法组合赋权改进后的评价方法得到的评价结果显示，沣峪断面水质仅在平水期有劣化趋势，但也达到了Ⅲ类水的等级，符合国家规定的达标类等级规定。其他断面在不同水期的水质状况也有不同程度的提升，枯水期上游沣峪断面水质为Ⅰ类，丰水期中游潏入沣断面水质为Ⅲ类，枯水期下游严家渠断面水质为Ⅱ类，水质状况整体较好。在空间维度上，水质健康状况表现为上游>下游>中游。上、下游断面的全年水质等级基本为Ⅱ类和I类；在时间维度上，平水期污染较严重，枯水期次之，丰水期水质最优。污染状况在时间维度上的评价结论与其他方法有所不同，其原因在于改进后模糊综合评价法的计算方法及平水期TN超标倍数的波动变化。由单因子指数法评价结果(图2)可知，平水期TN的变化波动程度大于丰水期和枯水期，因而其信息熵权值较大，根据公式(5)计算的隶属度值也较高，导致平水期水质等级的评价劣于改进前。

图5 模糊综合评价法对沣河流域不同水期及全年的各监测断面水质等级评价结果

3.2 结果分析

3.2.1 各水质评价方法的综合对比对上述4种典型的水环境质量评价方法进行对比得出：最大污染指标最易影响单因子指数法、传统的内梅罗指数法和灰色关联分析法，所以这3种方法的水质评价结果比其他方法的评价结果差，略显保守。改进的内梅罗指数法在评价过程中削弱了TN对水质结果的影响，比传统方法的判定结果更合理，而且可以分辨出更劣的水体，缺点是难以反映污染物质的特征，即不能体现出污染指标的超标情况。灰色关联评价法评价出的水质等级优于其他方法的评价结果，主要原因是监测数据的评价因子经过了标准化处理，受到最小绝对差、最大绝对差和最优水质指标标准值的影响较大，其缺点则是各断面对某种水质等级的关联度界限不甚清晰。为了平衡最大污染指标与其他指标的权重，将层次分析法(AHP)和熵权法的优点相结合对模糊综合评价法进行改进[28]，使得改进后方法的评价结果更客观和更有层次感。其缺点与灰色关联分析法相似，即按照权重系数区分的水质等级界限不是很明确。4种评价方法各有其优点，在实际运用中，应根据具体研究对象结合评价方法的特点选择应用。对于沣河水质评价而言，可选择改进后模糊综合评价法，该方法可以综合多方面因素进行水质分析，虽然其权重因子的获取稍显复杂，但其评价结果更为精细。

3.2.2 沣河水质污染状况的空间分析从空间上来分析沣河流域的水质污染状况，污染程度表现为中游>下游>上游。西安市近些年来的城市化发展与人口变化对沣河水质有较大影响[35]。沣河中游的土地利用程度增加，建设用地及农业用地比例增大，农村生活污水和农业生产造成的面源污染经灌溉、降雨等方式排入沣河，造成了中游水质的恶化[36]，同时流域附近工厂含有大量氮磷营养元素的工业废水也被排入中游水体，使中游水质恶化加剧[5]。沣河下游的污染物主要是来自严家渠附近企业的工业废水。沣河下游工业化水平较中游低，且人口密度较中游小，加上2000年以来西安市政府不断调整产业结构，贯彻实施工业废水的排污浓度控制和排污总量控制，使得沣河下游污染有一定程度的改善。

3.2.3 沣河水质污染状况的时间分析沣河作为渭河支流，在时间维度上的水质变化趋势与渭河相同，表现为枯水期较严峻，丰水期最轻，平水期略差[37]。水质优劣程度主要受降水、温度、水力条件等因素影响存在季节性差异。枯水期水体汇流减少，流速降低，水体负荷量变小，使降水中携带的污染物进入河流后不能及时排出，对流域水体造成污染[38]。冬季温度下降，水体中具有净化功能的微生物活性降低，水体自然调节能力减弱，使得枯水期阶段水质在全年表现最差。平水期水体负荷量和入河污染物均相对较小，因此水环境质量较好。夏季丰水期极易产生降雨，大量雨水汇入河流，容易使河流中污染物加速进行物理稀释和化学消解，并被排出水体，使水质得以改善。