基于不同评价方法的居延海(东)水环境质量分析
2022-02-08沈梦兰张红霞阿丽玛
李 静，沈梦兰，张红霞，阿丽玛
(1.阿拉善盟生态环境监测站；2. 阿拉善乌海水文水资源分中心，内蒙古 阿拉善 750306)
水环境质量评价是合理利用水资源的基础，通过评价可以具体掌握水体内各种污染因子状况，为合理利用水资源提供依据。要得到客观、科学的评价结果就需要使用科学的评价方法[1]。近年来，评价水环境质量的方法主要有指数评价法[2]、模糊数学法[3]、主成分分析法[4]、层次分析法[5]、灰色评价法[6]、人工神经网络评价法[7]、物元分析法[8]等。
1 研究区概况
居延海(东)位于内蒙古自治区额济纳旗，是中国第二大内陆河——黑河的尾阁湖，地理坐标为北纬42°10′～42°20′，东经101°12′～101°19′。1992年干涸后，周边生态环境恶化[9]，成为我国沙尘暴的主要发源地之一[10]。2000年，中央政府决定实施黑河水资源统一调度管理，2002年7月，干涸10年之久的居延海(东)又迎来黑河水，迄今多年未干涸，2020年最大水域面积达到43.0 km2。
随着生态环境的逐步恢复，居延海(东)和黑河的生态环境状况也成为研究热点，主要集中在湿地恢复[11]、生态需水量[12-14]、黑河富营养化[15]等方面，对其水环境质量状况的分析较少。笔者主要以居延海(东)的水质监测数据为基础， 对水环境质量状况进行评价， 分析影响湖泊水质的主要污染物，为科学评价居延海(东)状况，管理保护水资源，提供科学合理的依据。
2 评价方法的选择
水环境质量评价是依据监测数据对水质客观评价，不同评价方法有不同的优缺点，因此，笔者选取应用较广的指数评价法、模糊数学法和层次分析法对居延海(东)的水质进行评价，以得到更客观、准确的评价结果。
2.1 指数评价法
2.1.1 单因子指数评价法。单因子指数评价法首先要确定水质评价标准，再将评价因子的浓度与标准浓度相比，根据比值结果判断水质类别，最后以最差的类别作为水质综合评价结果。
Sij=Cij/Csi
(1)
式(1)中：Sij为污染物i在j监测断面的标准指数；Cij为污染物i在j监测断面的浓度(mg/L)；Csi为污染物i的评价标准(mg/L)。
当Sij≤1时，表示水中该污染物未超过评价标准；Sij>1时，表示该污染物超过评价标准。
2.1.2 内梅罗综合指数法。综合指数法是用各种污染物的相对污染指数进行数学上的归纳和统计，得出一个较简单的代表水体污染程度的数值，其中内梅罗综合指数法是最常用的方法之一。
(2)
表1 内梅罗综合指数等级
2.2 模糊数学法
模糊数学法是用数学的方法来研究、处理实际中存在的大量不确定的模糊的问题，在环境质量评价中，主要是使用隶属度来刻画环境质量的分界线，而隶属度可以用隶属函数来表达。
具体分析步骤如下：
2.2.1 评价参数的选择和评价标准的确立。环境评价因子集合U={u1，u2…ui}，ui为水质评价因子实测值；参照《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)，将湖泊质量等级分为5级，建立评价集合V={v1，v2，v3，v4，v5}。
2.2.2 建立隶属度函数。把各监测因子的实测值和各质量等级浓度标准值代入隶属度函数公式，即得模糊矩阵R，隶属度由隶属度函数求得。
(3)
2.2.3 确定评价因子的权重。由于各评价因子对环境的影响程度、贡献率不同，就要赋予各因子不同权重。然后将各因子权重进行归一化处理，可得各因子权重。
(4)
将各因子权重组成矩阵A=(a1，a2，…an)
③农民水费承受力计算。根据计算公式，桃花山镇农民用水者协会农民水费承受力为90元/亩；调关镇农民用水者协会、东升镇农民用水者协会农民承受力为90.7元/亩。
2.2.4 进行综合评价。将各因子权重矩阵A和模糊矩阵R进行运算，可得居延海(东)的水环境质量等级。
2.3 层次分析法
层次分析法是定性和定量分析相结合的分析方法，将负责问题层次分解，建立层次结构模型，最终将问题归结为最底层(方案层)相对于最高层(目标层)的权重或优劣排序问题，该方法具有较强的逻辑性、实用性和系统性。层次分析的步骤如下。
2.3.1 构建层次结构模型。将水环境质量作为目标层(A)，评价指标作为准则层(Bi)，水质类别作为方案层(Ci)，根据这3个层次建立居延海(东)水环境质量层次结构模型(见图1)。
图1 水环境质量评价层次分析结构
2.3.2 构建判断矩阵及一致性检验。将所选指标的单因子指数两两比值，可得判断矩阵(A-B)，然后计算矩阵最大特征值λmax，求得一致性指标比率CR，对矩阵进行一致性检验。
(5)
当CR<0.10时，认为层次单排序的结果又满意的一致性，否则需要重新判断矩阵的元素取值。
2.3.3 进行层次总排序。将各层指标对于目标层的权重进行排序，以确定方案层在总目标中的重要程度。
3 评价因子的确定
居延海(东)日常监测因子29项，周边无污染源排放点，因此只选取部分项目作为评价因子。居延海作为尾闾湖，极易发生富营养化，且高锰酸盐指数和化学需氧量常年超标，地区背景含氟、含砷较高，因此，笔者选取高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、总氮(TN)、氟化物(F-)、砷(As)7项指标作为评价因子。各评价因子分析方法依据其标准方法进行(见表2)；采用《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)作为评价标准，各评价因子的标准值(见表3)。
表2 各评价因子测定方法
表3 各评价因子的标准值 单位：mg/L
4 评价结果计算及比较
运用SPSS和Excel软件对居延海(东)2009年—2020年监测数据进行处理、计算，得各方法的评价结果(见图2)。
由图2可知，居延海(东)2009年—2020年库容量在波动中逐渐增大，水质评价结果总体不断提升并趋于稳定。同时，不同评价方法评价结果不同：运用单因子指数评价时，居延海(东)水质2009年—2010年在Ⅴ类或劣Ⅴ类之间变换，2012年—2015年均为劣Ⅴ类，2016年—2020年上升为Ⅴ类。单因子指数法是选取污染最严重的项目因子对进行水质评价，因此与其他评价方法相比该方法的评价结果是最差的，但单因子指数法计算方法简单，可直接、快速的反应水质现状与评价标准的关系，是目前最常用的方法。内梅罗综合指数法评价时，结果均为Ⅳ类，该方法既突出了污染最严重的项目因子对水质的影响，同时也考虑了其他项目因子的影响，具有兼顾性。模糊数学法和层次分析法的评价结果不尽相同，2009年—2015年模糊数学法评价结果基本为Ⅴ类，层次分析法为Ⅳ类，2016年—2020年两种评价方法结果相基本相同。
层次分析法和模糊数学法的评价结果为水质占各类水质类型的比重，图3可看出不同年份比重的变化程度，层次分析法各类水质的比重相对均匀，Ⅴ类水质比重呈减小趋势，Ⅲ类、Ⅳ类水质比重呈增加趋势，模糊数学法中，2009年和2012年Ⅴ类水质比重超过50%，之后其比重也呈逐渐减小趋势，Ⅲ类、Ⅳ类水质比重逐渐增加，水质总体向好。
图3 层次分析法和模糊数学法水质类别比重
对于有监测因子严重超标的年份，例如2009年—2015年间，化学需氧量的超标较严重，最大超标倍数达到3.8倍(以Ⅲ类水质标准进行比较)，在权重赋值时化学需氧量的权重大幅度提高，就导致模糊数学法的评价结果降低，同时Ⅴ类水质比重较大。而运用层次分析法时，权重的赋值呈动态变化，各个评价因子相互联系，未完全放大超标项目的影响力，更能客观呈现所有评价因子对水环境质量的影响，相比而言，层次分析法的分析结果更科学、更客观。
5 结论与讨论
居延海(东)的水质状况基本处于Ⅲ类～Ⅴ类，主要超标项目为高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(CODCr)、总磷(TP)和总氮(TN)，水质状况总体稳定，有改善趋势。
水环境质量的评价方法有很多种，各种方法都有自己的优缺点和侧重点，在评价水环境质量时，适宜多种评价方法共用，相互补充。对居延海(东)的水环境状况进行评价时，单因子指数法可简单快速的确定水环境质量，还可以得到超标因子的超标倍数，超标率等特征数，但层次分析法的评价结果更科学、客观，根据工作要求，若要快速确定水质状况推荐使用单因子指数法，但要获得更科学、客观的结果推荐使用层次分析法。
