張 琦，徐玉新*，李華榮，陰勝利

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271028;2.泰安市自來水公司，山東 泰安 271028)

1 引言

我國是一個水資源貧乏的國家，水資源總量雖在世界各國中排第六名，但人均占有量卻只有相當(dāng)于世界人均占有量的22%，是世界13個貧水國家之一。水環(huán)境質(zhì)量評價是水資源保護(hù)的基礎(chǔ)工作和重要手段。通過水環(huán)境質(zhì)量評價，可以真實有效地反映水體質(zhì)量及變化，了解環(huán)境質(zhì)量的過去、現(xiàn)在和將來發(fā)展趨勢及其變化規(guī)律，掌握影響本地區(qū)環(huán)境質(zhì)量的主要污染因子和主要污染源，制定綜合防治措施和改善環(huán)境質(zhì)量的污染源治理方案。采用合理的水質(zhì)評價方法至關(guān)重要。由于環(huán)境質(zhì)量評價中"污染程度"的界線是模糊的，具有不確定性［1］，因此模糊數(shù)學(xué)在水質(zhì)綜合評價中得到廣泛應(yīng)用。

模糊綜合評價法是通過函數(shù)關(guān)系，把反映各種水質(zhì)污染問題的實測值轉(zhuǎn)化為反映水質(zhì)質(zhì)量優(yōu)劣程度的質(zhì)量值，它是以隸屬度來描述模糊的水質(zhì)分級界線的［2，3］。為了更充分的利用綜合評價的信息，本研究以泰安市主要飲用水源地－－黃前水庫為對象，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)，采用模糊綜合評價－加權(quán)平均復(fù)合模型，對1997～2010年的監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行處理分析和評價，評價14年來黃前水庫水質(zhì)變化，為泰安市的飲用水源地環(huán)境管理的科學(xué)決策提供更有效的信息支持，保護(hù)地表飲用水源水質(zhì)。

2 材料和數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)域概況

黃前水庫坐落在泰山東麓(117°4'～117°22'E、36°16'～36°28'N)，北接大青山，南接窩角山，西依泰山，東依黑山。南北長8 Km公里，東西寬5 Km，最深處達(dá)90多m。屬黃河流域，大汶河水系，水源由泰山、長青嶺和大青山三條溪流匯集而來。壩址以上控制流域面積292 km2，總庫容8248萬m3，興利庫容5913萬m3。是泰山市區(qū)主要水源地，占泰安城區(qū)供水總量的2/3。流域水系范圍見圖1所示。

該庫區(qū)氣候?qū)贉貛Т箨懶园霛駶櫦撅L(fēng)氣候，雨熱同季，四季分明，具有區(qū)域小氣候氣候特征。多年平均氣溫18.5℃，年平均無霜期196 d，平均降水量758 mm，75%的降水集中在6～9月。

圖1 黃前水庫流域水系圖Fig 1 The map of Huangqian Lake basin water system

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理

1997～2000年，每年監(jiān)測兩次，監(jiān)測時間為5月、8月中旬。2001～2010年，每月監(jiān)測一次，監(jiān)測時間為每月中旬。采樣點均為庫中，每次采樣3次。本文將1997～2010年每年的各監(jiān)測數(shù)據(jù)運用SPSS分析軟件進(jìn)行初步檢驗分析，然后取具有顯著性的各監(jiān)測數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行統(tǒng)計分析與評價。

3 黃前水庫水質(zhì)評價

3.1 評價參數(shù)的選擇和評價標(biāo)準(zhǔn)的建立

按照監(jiān)測條件和主要污染物的代表性，結(jié)合庫區(qū)的地理環(huán)境因素及人為因素的影響，選擇六項參數(shù)作為評價代表因子進(jìn)行模糊綜合評價，即評價對象的因素集為U={溶解氧，氨氮，化學(xué)需氧量，總磷，氟化物，糞大腸菌群}。黃前水庫1997～2010年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見表1。經(jīng)過統(tǒng)計分析，各監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到顯著差異(P＜0.05)，采用監(jiān)測數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行模糊計算。

表1 黃前水庫水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果Table 1 Water quality results of Huangqian Lake

注:糞大腸菌群單位為個/L，其余項單位為mg/L。Note:Unit of fecal coliform is A/L.The others are mg/L.

依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838－2002)，把黃前水庫水質(zhì)分為5個等級。本文環(huán)境評價選用的標(biāo)準(zhǔn)值［4］詳見表2，即評價標(biāo)準(zhǔn)集為:V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838－2002)Table 2 Environmental quality standards for surface water(GB3838－2002)

3.2 計算各參數(shù)的隸屬度，建立模糊關(guān)系矩陣R

在U和V都給定之后，因素論域(各污染因子)與評價論域(評價標(biāo)準(zhǔn))之間的模糊關(guān)系可以用模糊矩陣R來表達(dá)，即用實測濃度值分別求出不同級別水的隸屬度。

對于第 i個評判參數(shù) ui，其單因素評判結(jié)果為 Ri=［ri1，ri2，…，ri5］，(i=1，2，…n)。rij表示第 i種因素的環(huán)境質(zhì)量數(shù)值，屬于第j類評價標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度。

隸屬度可以通過隸屬函數(shù)計算求得。如果指標(biāo)越小越好，則第i個指標(biāo)對各級水的隸屬函數(shù)可做如下定義［5］:

某水質(zhì)評價因子對Ⅰ級水環(huán)境質(zhì)量的隸屬函數(shù)，即j=1時

某水質(zhì)評價因子對第Ⅱ級至第Ⅳ級的隸屬函數(shù)，即j=2，3，4時

某水質(zhì)評價因子對第Ⅴ級的隸屬函數(shù)，即j=5時

式中:x－－第i種指標(biāo)的實測值(i=1，2，…，m)mg/L;

vij－－第 i種因素第 j級水的標(biāo)準(zhǔn)值(j=1，2，…，5)，mg/L。

如果指標(biāo)越大越好，如本文評價中的DO指標(biāo)，改變上述隸屬函數(shù)的定義域符號即為該指標(biāo)的隸屬函數(shù)［6，7］。因此，可得出如下的 DO 隸屬函數(shù):

根據(jù)各評價指標(biāo)的隸屬函數(shù)，進(jìn)行單因素評價，從而建立模糊矩陣R。以2009年為例，根據(jù)隸屬函數(shù)得到如下的6×5單因素評判矩陣R:

3.3 各評價因子權(quán)重的確定

各評價因子在水質(zhì)綜合評價中的權(quán)重向量為W(W1，W2，…Wm)。本文評價采用水環(huán)境中水質(zhì)評價因子的實測值與其相應(yīng)等級標(biāo)準(zhǔn)的比值來計算權(quán)重。第i個因子的權(quán)系數(shù)公式為由于本次評價單項指標(biāo)分為5個級別，所以對于Si取其均值，即Si=(S1+S2+S3+S4+S5)/5。由于DO不是水質(zhì)污染物，其值越大說明水質(zhì)越好。故其權(quán)系數(shù)應(yīng)取倒數(shù)，即WDO=SDO/CDO。最后，將各單項權(quán)系數(shù)歸一化，即:

按照上述公式來確定1997～2010年黃前水庫水質(zhì)單項因子的權(quán)重，結(jié)果詳見表3。如2009年各單項評價因子對水質(zhì)的貢獻(xiàn)占總體貢獻(xiàn)的百分?jǐn)?shù)為 W=(0.230，0.165，0.238，0.245，0.110，0.012)。

表3 各水質(zhì)評價因子權(quán)重Table 3 The weighing of every water quality assessment factors

3.4 計算模糊綜合評價矩陣［8］

根據(jù)“相乘取小，相加取大”的原則，對權(quán)系數(shù)矩陣W和隸屬度矩陣R進(jìn)行模糊矩陣復(fù)合運算，得出1×5的綜合評價矩陣B。

其中，B=(b1，b2，…bn)是評價論域上的一個模糊子集。bi為水質(zhì)隸屬于某級別水質(zhì)的程度，一般取bi的最大值為水質(zhì)的綜合評價結(jié)果。如下是計算2009年水質(zhì)綜合評價矩陣B的過程:

若B中出現(xiàn)兩個最大值時，需考慮次大值貼近哪個級別。同理可得出其它年限的黃前水庫水質(zhì)模糊綜合評價結(jié)果。

3.5 加權(quán)綜合判斷［9］

表4 模糊綜合評價結(jié)果Table 4 The results of fuzzy comprehensive assessment

4 結(jié)果討論

利用單指標(biāo)模糊綜合評價法評價水質(zhì)，可以反映出單個因子對整個水質(zhì)的貢獻(xiàn)度［10］。依據(jù)表4的模糊綜合評價結(jié)果，按照最大隸屬度的原則，可以評價出黃前水庫水質(zhì)1998年屬Ⅴ類水，其主導(dǎo)貢獻(xiàn)因素是氨氮含量超國家Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)4.67倍;2002年屬Ⅴ類水，其主導(dǎo)貢獻(xiàn)因素是總磷含量超國家Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)2.6倍;2000年屬Ⅳ類水，其主導(dǎo)貢獻(xiàn)因素是氨氮含量超國家Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)0.53倍;2003年屬Ⅲ類水;1999年和2009年屬Ⅱ水;其余年份水質(zhì)屬Ⅰ類水，水質(zhì)較好。由a值的大小確定黃前水庫歷年水質(zhì)的優(yōu)劣順序為:2001＞1997＞2010＞2008＞2006＞2004＞2009＞2005＞2007＞1999＞2003＞2000＞2002＞1998年。具體變化趨勢如圖2所示:

圖2 黃前水庫歷年水質(zhì)趨勢變化Fig.2 The variation of water qulity in several years

由上圖可知，在1997～2003年期間，黃前水庫水質(zhì)波動較大，其中以1998年(a=1.384)和2002年(a=1.638)水質(zhì)最差，2000年次之，已達(dá)不到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)分析調(diào)查，其主要原因可歸納為以下兩點:

1)自然因素:每年隨著降雨時節(jié)的到來，增大了水庫本身的污染物底泥沉積物等的交換頻率，減少了地表徑流［11］。

2)人為因素:生活在黃前水庫周邊的人民農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用的化肥、農(nóng)藥隨雨水向水庫遷移，生活污水、畜禽養(yǎng)殖糞便和含磷洗滌劑產(chǎn)生的廢水等直接排入水庫，對水庫中氨氮和總磷的貢獻(xiàn)最大，導(dǎo)致該兩項指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重。同時，在水庫周邊垂釣以及旅游業(yè)的發(fā)展，也會對水體造成不同程度的污染。

依據(jù)此狀況，相關(guān)部門采取了對黃前水庫的水質(zhì)保護(hù)的措施，加大生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，控制污染源，加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測管理，集中綜合治理。2009年規(guī)定禁止在黃前水庫垂釣。自十五后期(2003年起)到十一五期間黃前水庫水質(zhì)有了大幅度改善，基本屬Ⅰ類水質(zhì)，整體水質(zhì)滿足國家規(guī)定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)，總體上水質(zhì)有逐漸好轉(zhuǎn)的趨勢。

5 建議及防治措施

為了更有效的保障人民的生活健康質(zhì)量，實現(xiàn)以人為本的科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建和諧社會的理念，有必要加強(qiáng)對黃前水庫水環(huán)境的保護(hù)，做好水庫資源的合理利用。依據(jù)此情況，提出以下建議及控制措施:

1)控制面源污染。降低流域內(nèi)化肥施用量，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)基地;發(fā)展庫區(qū)生態(tài)型畜禽養(yǎng)殖業(yè);集中處理生活垃圾。加強(qiáng)流域內(nèi)工業(yè)企業(yè)及旅游業(yè)等重點污染源的防治。

2)控制人口總量與密度。水庫污染與人口的活動強(qiáng)度密切相關(guān)。

3)加強(qiáng)監(jiān)管。提高監(jiān)測技能，多個部門協(xié)作，實現(xiàn)對水庫統(tǒng)一監(jiān)管。

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