周林飛，張明含，王鶴翔，張 靜

(1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110866；2. 遼寧省供水局，沈陽110003)

隨著我國礦業(yè)的飛速發(fā)展，由于礦產(chǎn)資源的不盡合理開發(fā)與利用，在進(jìn)行礦業(yè)活動時不可避免產(chǎn)生大量的礦業(yè)污染物，礦業(yè)污染物主要來源于礦坑水，選礦、冶煉廢水及尾礦池水等。其中煤礦、各種金屬、非金屬礦業(yè)的廢水以酸性為主，并含有大量的重金屬及有毒、有害元素，如銅、鉛、鋅、砷、鎘、六價鉻、汞、氟化物、氰化物以及CODCr、BOD5、懸浮物等[1]。在某些地區(qū)，礦業(yè)廢水在未經(jīng)達(dá)標(biāo)處理的情況下就任意排放，導(dǎo)致礦山及其周邊的江河湖海等受到嚴(yán)重污染[2]，隨之出現(xiàn)了一系列處理礦業(yè)水污染問題的新方法與新技術(shù)，其中，人工濕地是一種典型的對水污染進(jìn)行生態(tài)凈化處理的新方法。人工濕地系統(tǒng)是模擬自然濕地的生態(tài)系統(tǒng)，利用植物等對污水進(jìn)行處理的生態(tài)系統(tǒng)[3]。人工濕地從入口到出口水質(zhì)的變化是衡量其對污染物凈化效果的直接體現(xiàn)，所以，為了驗證人工濕地對其上游礦業(yè)活動所產(chǎn)生的礦業(yè)污染物是否具有明顯的凈化效果，本文通過選取礦業(yè)活動所產(chǎn)生的礦業(yè)污染物作為評價因子，評價標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，對濕地入口、中間和出口的水質(zhì)變化情況進(jìn)行評價，并對評價結(jié)果進(jìn)行分析，以明確人工濕地對礦業(yè)污染物的凈化效果。人工濕地對礦業(yè)污染物凈化效果的評價，主要是評價流經(jīng)人工濕地水體的水質(zhì)等級的變化情況。目前，國內(nèi)外有許多水質(zhì)評價方法，如灰色類聚法[4]、層次分析法[5]、多元統(tǒng)計分析法[6]、模糊綜合評價法[7-9]等。水污染及其污染程度大小屬于模糊概念范疇[10]，而模糊模式識別法能較好地反映水環(huán)境中客觀存在的模糊性和不確定性，故用該方法對水質(zhì)進(jìn)行評價具有較強(qiáng)的合理性[11]，而且級別特征值的變化可以反映水體中的污染物變化情況，即可得出人工濕地是否對礦業(yè)活動產(chǎn)生的礦業(yè)污染物具有明顯的凈化效果。本文采用模糊模式識別法，以石佛寺人工濕地為研究背景，對濕地進(jìn)口、中間和出口的水質(zhì)進(jìn)行綜合評價，能夠較客觀地反映水體流經(jīng)濕地的水質(zhì)狀況及礦業(yè)污染變化情況。

1 模糊模式識別水質(zhì)綜合評價模型的建立

1.1 建立指標(biāo)特征值矩陣及標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣

設(shè)X為由n個樣本組成的集合，每個樣本有m項評價指標(biāo)的實測特征值，則有評價指標(biāo)的實測值矩陣X=(xij)m×n，其中xij是樣本j的第i個評價指標(biāo)的實測值，mg/L，i=1,2,…,m,j=1,2,…,n。若濕地的水質(zhì)級別共分c級，則m項評價指標(biāo)分c級評價標(biāo)準(zhǔn)所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值為yih，則指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣為Y=(yih)m×c。

通?？蓪⒅笜?biāo)分為遞增型和遞減型.遞增型。級別隨著指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的增大而增大時，按式(1)和式(2)進(jìn)行計算；遞減型：級別隨著指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的減小而增大時，按式(3)和式(4)進(jìn)行計算，最終得到分別與X、Y所對應(yīng)的相對隸屬度矩陣R和S，見式(5)和式(6)。

(4)

R=(rij)m×n

(5)

S=(sih)m×c

(6)

式中：rij為樣本j指標(biāo)i的特征值對模糊集的相對隸屬度；sih為級別h指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)特征值對模糊集的相對隸屬度；yi1、yic為指標(biāo)i所對應(yīng)的第1級和第c級的標(biāo)準(zhǔn)特征值，mg/L；R為與X所對應(yīng)的相對隸屬度矩陣；S為與Y所對應(yīng)的相對隸屬度矩陣。

1.2 建立指標(biāo)綜合權(quán)重矩陣[12,13]

在確定指標(biāo)的綜合權(quán)重時，由于相對隸屬度矩陣R其數(shù)學(xué)意義是表達(dá)了全體樣本全部指標(biāo)對模糊子集的相對隸屬度，也被稱作超標(biāo)權(quán)重矩陣,并不能直接反映各項因素在評價中的影響程度，因此，不僅要考慮超標(biāo)權(quán)重，還應(yīng)考慮各個因素的指標(biāo)權(quán)重，用指標(biāo)權(quán)向量表示,見式(7)。計算指標(biāo)權(quán)重的方法很多，如熵值賦權(quán)法、專家評估法和層次分析法等。本文以污染貢獻(xiàn)率來求解每個因素的權(quán)重，污染“貢獻(xiàn)”越大進(jìn)而權(quán)重就越大，按式(8)進(jìn)行歸一化處理。

(8)

綜合考慮超標(biāo)權(quán)重與指標(biāo)權(quán)重，最后構(gòu)建n個樣本m項指標(biāo)的綜合權(quán)重矩陣，見式(9)，按列對矩陣A進(jìn)行歸一化處理得矩陣W，見式(10)。

(10)

1.3 模糊模式識別模型

(11)

式中：uhj為樣本j對級別h的相對隸屬度；bj,aj為分別為樣本j的級別上下限；wij為樣本j在指標(biāo)i上的綜合權(quán)重；dhj為樣本j與級別h間的廣義權(quán)距離；p為歐氏距離，取p=2。

由式(11)可得相對隸屬度矩陣U=(uhj)c×n。

1.4 確定水質(zhì)的級別

由于通用的取大原則具有不適用性，這里采用陳守煜[14]教授提出的級別特征值法，設(shè)左極限記為序數(shù)1，自左向右的中間狀態(tài)記為2，3,…，直到右極點(diǎn)狀態(tài)記為序數(shù)c，即狀態(tài)或級別值依次記為h=1,2,…,c。級別特征值見式(12)，最終根據(jù)計算得到的級別特征值判定水質(zhì)的級別。

(12)

2 石佛寺人工濕地對礦業(yè)污染物凈化效果評價與分析

石佛寺水庫地處遼河干流，是遼寧省最大的平原水庫，位于沈陽市沈北新區(qū)黃家鄉(xiāng)和法庫縣依牛堡鄉(xiāng)，距沈陽市47 km。石佛寺人工濕地是在石佛寺水庫基礎(chǔ)上，于2009年5月建成，其目的是改善生態(tài)環(huán)境凈化水質(zhì)，位于庫區(qū)內(nèi)遼河的左岸。選取的濕地植物為適宜東北地區(qū)生長存活的蘆葦、蒲草和荷花，2012年遙感調(diào)查結(jié)果表明：蘆葦?shù)拿娣e為170.93 hm2，蒲草185.63 hm2，荷花107.07 hm2。

2.1 數(shù)據(jù)采集與評價標(biāo)準(zhǔn)

(1)數(shù)據(jù)采集與處理。石佛寺人工濕地建成后，在濕地進(jìn)口、中間和出口建立3個監(jiān)測點(diǎn)，即監(jiān)測點(diǎn)1、2和3，見圖1。為了了解濕地對礦業(yè)活動所產(chǎn)生的礦業(yè)污染物的凈化效果，本文選取由礦業(yè)活動所產(chǎn)生的5個主要污染指標(biāo)作為監(jiān)測指標(biāo)和評價因子，分別為化學(xué)需氧量(CODCr)、5日生化需氧量(BOD5)、Cu、Zn、氟化物；每個監(jiān)測點(diǎn)同時取3個水樣，取算術(shù)平均值作為最后監(jiān)測數(shù)據(jù)；監(jiān)測頻次為每月月初監(jiān)測1次。為研究水體流經(jīng)石佛寺人工濕地后水質(zhì)狀況及礦業(yè)污染的變化情況，本文選取監(jiān)測點(diǎn)1(進(jìn)口)、2(中間)和3(出口)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為評價樣本；并將3個監(jiān)測點(diǎn)自2014年的逐月水質(zhì)數(shù)據(jù)處理為汛期(6-9月)和非汛期(1-5月、10-12月)，見表1。

圖1 石佛寺水庫人工濕地的監(jiān)測點(diǎn)布置Fig.1 Monitoring arrangement of Shifosi artificial wetland

mg/L

(2)評價標(biāo)準(zhǔn)。評價標(biāo)準(zhǔn)采用通用的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)，據(jù)此評價標(biāo)準(zhǔn)可將水質(zhì)分為5個級別，則評價集V={Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級，Ⅴ級}，每個評價指標(biāo)對應(yīng)著不同的閾值，依據(jù)各閾值對水質(zhì)進(jìn)行評價，具體見表2。

2.2 計算結(jié)果

(1)建立相對隸屬度矩陣。根據(jù)式(1)對各指標(biāo)的實測值進(jìn)行計算，得到實測值X對樣本的相對隸屬度rij，見表3；利用式(2)對各指標(biāo)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計算，得到指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Y對樣本的相對隸屬度sih。由于數(shù)據(jù)繁多篇幅有限本文不予列出。

表2 地表水質(zhì)5級評價標(biāo)準(zhǔn)值 mg/L

表3 實測指標(biāo)X對樣本的相對隸屬度rijTab.3 Measured indicators X the relative membership degree of sample rij

(2)建立指標(biāo)綜合權(quán)重矩陣。本文采用綜合權(quán)重法來確定權(quán)重，該方法同時考慮了指標(biāo)權(quán)重和超標(biāo)權(quán)重，通過計算合成指標(biāo)權(quán)重和超標(biāo)權(quán)重來建立綜合權(quán)重矩陣，利用式(8)計算出各指標(biāo)權(quán)向量V，即V=(0.229，0.218，0.167，0.159，0.227)，再由前面求得的X的相對隸屬度矩陣R根據(jù)式(9)可得指標(biāo)綜合權(quán)重aij，利用式(10)對其做歸一化處理可得wij，見表4。

表4 各指標(biāo)的綜合權(quán)重ωijTab.4 Comprehensive weight of each index ωij

(3)建立樣本對各個級別的相對立隸屬度矩陣。把前面所求出的R、S、W按式(11)進(jìn)行運(yùn)算可得樣本集對各個級別的相對隸屬度uhj，見表5。

(4)確定水質(zhì)級別。根據(jù)式(12)對表4中各個級別的相對隸屬度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得出各評價對象的級別特征值Hj，據(jù)此確定各評價對象的水質(zhì)等級，見表5、圖2。

2.3 結(jié)果分析

從表5中的評價結(jié)果可知：

(1)從整體上看，濕地水質(zhì)狀況良好，均處于Ⅲ級和Ⅲ級以上，即中污染、輕污染和未污染，不存在用水障礙；無論在汛期還是非汛期，水在流經(jīng)濕地后，出口的水質(zhì)與進(jìn)口的水質(zhì)相比較均降低了一個等級；分別是在汛期由進(jìn)口的Ⅱ級降低到出口的Ⅰ級，在非汛期由進(jìn)口的Ⅲ級降低到出口的Ⅱ級。由圖2可知，無論是汛期還是非汛期水質(zhì)級別特征值關(guān)系均為進(jìn)口>中間>出口，從進(jìn)口到出口的級別特征值有明顯的降低，并且汛期降低的幅度明顯大于非汛期的降低幅度，而且從實測數(shù)據(jù)表1同樣可以看出濕地汛期和非汛期實測值的關(guān)系是進(jìn)口>中間>出口，各種礦業(yè)污染物濃度均有明顯的下降，從未達(dá)標(biāo)降到達(dá)標(biāo)。以上分析充分說明了由礦業(yè)活動產(chǎn)生的礦業(yè)污染物在流經(jīng)濕地后，得到了非常明顯的凈化，即人工濕地對礦業(yè)產(chǎn)生的污染物具有非常顯著的凈化效果。

表5 樣本對各個級別的相對立隸屬度uhjTab.5 Samples for all levels of relative membership degree uhj

圖2 級別特征值Hj的變化曲線Fig.2 Change curve of level characteristics value Hj

(2)2014年非汛期的級別特征值表明進(jìn)口>中間>出口，說明人工濕地對礦業(yè)活動產(chǎn)生的礦業(yè)污染物質(zhì)具有凈化效果.雖然在非汛期水生植物凈化作用很微弱，但水流至此流速減緩，一些礦業(yè)污染物質(zhì)會隨泥沙等沉降，儲存在底泥中，亦起到凈化水質(zhì)的作用。

(3)2014年汛期的級別特征值關(guān)系均為入口>中間>出口，而且中間和出口處的級別特征值均小于非汛期，這說明在汛期石佛寺人工濕地對礦業(yè)活動產(chǎn)生的礦業(yè)污染物的凈化效果更為明顯。主要原因如下：汛期濕地內(nèi)各種水生植物生長茂盛，吸收了大量的礦業(yè)污染物質(zhì)；微生物在汛期由于溫度高，也是最活躍的時期，對礦業(yè)污染物質(zhì)也具有去除作用；汛期水流流量大，對礦業(yè)污染物質(zhì)也具有一定的自凈與稀釋作用。對石佛寺人工濕地的水質(zhì)評價結(jié)果表明：石佛寺人工濕地對由礦業(yè)活動產(chǎn)生的礦業(yè)污染物具有明顯的凈化效果.且汛期凈化效果好于非汛期，這主要是因為汛期水生植物繁茂、微生物活躍，對污染物質(zhì)具有吸收、轉(zhuǎn)化等作用。

3 結(jié) 論

人工濕地是一種對礦業(yè)污染物非常有效的生態(tài)凈化處理方式，而人工濕地的水質(zhì)變化評價又是衡量其對礦業(yè)污染物的凈化效果的直接體現(xiàn)。本文選取5個礦業(yè)污染物指標(biāo)作為評價因子，評價方法采用模糊模式識別，評價結(jié)果直接反映了人工濕地對礦業(yè)污染的凈化效果.由于水污染及其污染程度具有不確定性及復(fù)雜性，屬于模糊概念范疇，并且級別特征值的變化可以反映水體中的污染物變化情況，即得出人工濕地是否對礦業(yè)污染物具有明顯的凈化作用，故可以使用模糊模式識別理論對水質(zhì)進(jìn)行綜合評價。由于權(quán)重對水質(zhì)評價結(jié)果具有很大影響，本文采用綜合權(quán)重法進(jìn)行賦權(quán)，既考慮了指標(biāo)權(quán)重也考慮了水質(zhì)的超標(biāo)權(quán)重，使得結(jié)果更為客觀，比單因素法確定權(quán)重更加精確。評價結(jié)果利用級別特征值確定，避免了通用的取大原則的不適用性，而且當(dāng)水質(zhì)處于同一級別時，可根據(jù)級別特征值進(jìn)行比較。因此，本文所采用的評價方法可全面客觀地反映水質(zhì)的實際情況。為了使理論與實踐相結(jié)合，本文將模糊模式識別理論與模型應(yīng)用于石佛寺人工濕地對礦業(yè)污染物的凈化效果評價中，得到了全面客觀的評價結(jié)果。結(jié)果表明人工濕地對礦業(yè)活動產(chǎn)生的污染物具有明顯的凈化效果，這充分說明了模糊模式評價法是一種能夠簡便、快捷、客觀地反映水質(zhì)現(xiàn)狀及水污染變化情況的科學(xué)評價法，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。

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