李淑貞， 李 昊， 高 明， 崔 鈳

(黃河流域水環(huán)境監(jiān)測中心，河南鄭州 450004)

基于模糊綜合評價法的水功能區(qū)水質達標率核查方法研究

李淑貞， 李 昊， 高 明， 崔 鈳

(黃河流域水環(huán)境監(jiān)測中心，河南鄭州 450004)

借助考核指標與輔助指標之間的相關性，建立了基于模糊綜合評價法的水功能區(qū)水質達標率核查方法，并進行實例驗證。結果表明：該方法能夠較好地檢驗區(qū)域內樣本水功能區(qū)數(shù)據(jù)的規(guī)范性與邏輯性，判斷監(jiān)測數(shù)據(jù)的合理性與準確性。

水功能區(qū)水質達標率；技術核查；模糊綜合評價法；輔助指標

2013年1月，國務院辦公廳印發(fā)《實行最嚴格水資源管理制度考核辦法》(國辦發(fā)〔2013〕2號)，隨后，水利部會同有關部門制定了考核工作實施方案，并相繼組織開展了2013—2015年度的考核工作。建立水資源管理考核制度，既是最嚴格水資源管理制度體系框架的重要組成部分，又是今后實行最嚴格水資源管理的重要抓手[1]。水資源自身特點決定了水資源管理考核工作的獨特性與復雜性，現(xiàn)有條件下，用于支撐考核工作的監(jiān)測、統(tǒng)計技術體系尚不完善，尤其是目標完成情況的核查缺乏完善的技術手段。保障各省區(qū)目標完成情況考核工作的公平性與合理性，是當前考核工作面臨的關鍵技術問題之一。筆者以《全國重要江河湖泊水功能區(qū)水質達標評價技術方案》(辦資源〔2014〕54號，以下簡稱《技術方案》)為主要依據(jù)，對黃河流域水功能區(qū)水質達標評價的關鍵環(huán)節(jié)進行分析，探索區(qū)域內樣本水功能區(qū)水質達標率核查方法，以期為落實最嚴格水資源管理制度考核工作提供參考。

1 輔助指標相關關系分析

依據(jù)《技術方案》要求，水功能區(qū)水質達標評價內容包括水功能區(qū)全因子達標評價和水功能區(qū)限制納污紅線主要控制項目2部分，“十二五”期間參與考核的水功能區(qū)限制納污紅線主要控制項目為高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)或化學需氧量(COD)和氨氮(NH3-N)[2]。為了核查2項考核指標的合理性，擬從地表水質全因子評價項目中初步篩選溶解氧(DO)、總氮(TN)、五日生化需氧量(BOD5)、CODMn、重鉻酸鹽指數(shù)(CODCr)作為輔助指標進行相關性分析。

在水質監(jiān)測指標中反映有機物含量的指標主要有CODCr、CODMn、BOD5，這3項指標都是衡量水體受有機物和還原性物質污染程度的重要指標，其濃度信息通過DO的測定獲得，溶解氧是這3個參數(shù)的共同基礎和聯(lián)系紐帶。DO與CODCr、CODMn、BOD5之間相互影響、相互關聯(lián)；CODCr、CODMn、BOD5的變化將影響水體中DO的分布[3]。CODCr幾乎可以表示有機物全部氧化所需的氧量，它與DO的關系能更全面地反映水質狀況。

在水質監(jiān)測指標中反映N元素的指標有NH3-N、TN。NH3-N是衡量水體受還原性物質污染程度的重要指標，氨的降解離不開微生物的作用，而微生物的作用建立在一定的DO濃度水平上，因此DO對NH3-N的降解影響很大。由合成代謝方程可知，好氧環(huán)境可以促使硝化菌將部分NH3-N氧化，提高DO的濃度水平可以促進硝化作用和降低NH3-N濃度。因此，NH3-N與DO呈負相關關系。

2 水質達標率核查方法

2.1 樣本選取合理性分析 在規(guī)定的水功能區(qū)樣本容量下，分析水功能區(qū)樣本選取的代表性，即是否覆蓋了不同區(qū)域、不同地表水體類型，是否覆蓋了該地區(qū)全部的一、二級功能區(qū)類型。

2.2 基本數(shù)據(jù)合理性分析 基本數(shù)據(jù)合理性分析涵蓋規(guī)范性分析和邏輯性分析兩類，其中規(guī)范性分析包括監(jiān)測的斷面位置是否符合要求；監(jiān)測頻次、監(jiān)測因子是否符合要求；質量控制措施是否到位；是否建立完善的水質監(jiān)測檔案；評價次數(shù)、達標次數(shù)、達標率是否符合要求；重要水功能區(qū)是否有標示碑建設；是否維持水功能區(qū)合理流量或水位等。

邏輯性分析檢驗，同一監(jiān)測水樣中，各指標濃度通常表現(xiàn)為CODMnCODMn；當?shù)乇硭鍧崟r，則BOD5

2.3 樣本功能區(qū)水質監(jiān)測數(shù)據(jù)合理性分析

2.3.1 CODMn與CODCr、 BOD5之間的相關性。CODMn、CODCr、 BOD5均是表示水體中有機物污染狀況的綜合指標，具有較顯著相關性，通過分析同一監(jiān)測斷面3項監(jiān)測指標之間的相關性，分析CODMn數(shù)據(jù)的合理性。

2.3.2 CODMn與DO之間的相關性。CODMn是水質監(jiān)測指標中反映有機物含量和還原性物質污染程度的重要指標。DO與CODMn之間相互影響、相互關聯(lián)，二者間呈負相關關系[4]。通過分析同一監(jiān)測斷面CODMn與DO之間的相關性，分析CODMn數(shù)據(jù)的合理性。

2.3.3 NH3-N與TN之間的相關性。NH3-N是TN的主要組分之一，兩者之間具有顯著的相關性。通過分析同一監(jiān)測斷面NH3-N與TN之間的相關性，分析NH3-N數(shù)據(jù)的合理性。

2.3.4 NH3-N與DO之間的相關性。較高的DO濃度可以促進硝化作用，促使硝化菌將部分NH3-N氧化，從而降低NH3-N濃度，因此NH3-N與DO之間呈負相關關系[5]。通過分析同一監(jiān)測斷面NH3-N與DO之間的相關性，分析NH3-N數(shù)據(jù)的合理性。

2.3.5 斷面來水情況與監(jiān)測指標濃度之間的相關性。一般情況下，監(jiān)測指標濃度與來水情況呈負相關關系，因此通過年際和年內比較，定性判斷監(jiān)測斷面來水在年際和月際上的相對豐枯，分析其與監(jiān)測指標濃度在相同時間尺度上的變化情況的相關性及監(jiān)測指標上報數(shù)據(jù)的合理性。

2.4 構造層次分析結構 根據(jù)達標監(jiān)測數(shù)據(jù)核查方法構建3層次分析結構，層次結構如圖1所示。

圖1 達標監(jiān)測數(shù)據(jù)核查方法層次結構Fig 1 Standard data monitoring and verification method hierarchy structure

針對構建的3層指標體系構造以下判斷矩陣(表1～3)。

表1 判斷矩陣B2-C

表2 判斷矩陣B3-C

表3 判斷矩陣A-B

對于判斷矩陣B3：

λmax=5.120，CI=0.030,RI=1.120,CR=0.030<0.100，通過一致性檢驗。

對于判斷矩陣A：

λmax=3.010，CI=0.005，RI=0.580,CR=0.009<0.100，通過一致性檢驗。

沿遞階層次結構由上而下逐層計算最低層因素相對于最高層的相對重要性排序值，即權系數(shù)。結果見表4。

表4 水質評價數(shù)據(jù)總體質量評價權重

Table 4 The weight of the total quality evaluation of water quality evaluation data

名稱Name權重Weight名稱Name單權重Singleweight總權重Totalweight樣本選取的合理性Rationalityofsampleselection0．2970C11．00000．2970基本數(shù)據(jù)的合理性Rationalityofbasicdata0．1630C20．50000．0815C30．50000．0815樣本功能區(qū)水質0．5400C40．17300．0930監(jiān)測數(shù)據(jù)合理性C50．22800．1230RationalityofwaterqualityC60．17300．0930monitoringdataintheC70．22800．1230samplefunctionareaC80．19800．1070

2.5 綜合評價方法 采用模糊綜合評判法[6]，步驟如下：

(1)確定評價對象的因素論域U=(u1,u2,…,um)。對于該研究，U為各項具體的核查技術方法。

(2)確定評語等級論域V=(v1,v2,…,vn)。與考核辦法確定的等級劃分相對應，評語等級劃分為4級，即V=(完全符合，符合，基本符合，不符合)。

(3)進行單因素評價，建立模糊關系矩陣R：

(4)確定評價因素權向量A=(a1,a2,…,a10)，筆者采用層次分析法確定權向量：

A=(0.297 0,0.081 5,0.081 5,0.093 0,0.123 0,0.093 0,0.123 0,0.107 0)

(5)模糊合成及結果分析。模糊綜合評判的基本模型為B=A·R。采用最大隸屬度原則進行處理得到評判結果。

3 應用實例分析

3.1 樣本選取的合理性(C1) 樣本水功能區(qū)選擇山西省黃河流域2014年數(shù)據(jù)，水功能區(qū)數(shù)量41個，覆蓋了不同區(qū)域、不同地表水體類型，覆蓋了該地區(qū)全部的一級、二級水功能區(qū)類型(排污控制區(qū)除外)，樣本選取合理性較好。

3.2 基本數(shù)據(jù)合理性(C2～C3) 山西省(黃河流域)采樣斷面及采樣點位《水質采樣技術規(guī)程》《省界水體水質站(斷面)設置導則(試行)》等規(guī)定的要求，具備斷面位置圖、斷面標識等；樣品采集記錄規(guī)范、詳實、全面；監(jiān)測頻次滿足規(guī)定；監(jiān)測報告內容與原始記錄完整規(guī)范，水質監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)范(C2)。同一監(jiān)測水樣中，除極個別數(shù)據(jù)(CODCr小于檢出限，無法比較)外，其余均滿足CODMn

3.3 樣本水功能區(qū)水質監(jiān)測數(shù)據(jù)合理性

3.3.1 CODMn與輔助指標間的相關性(C4～C5)。由表5可知，2014年山西省監(jiān)測所得的CODMn與CODCr、BOD5及DO水質數(shù)據(jù)之間存在極顯著相關性。其中CODMn與CODCr、BOD5呈極顯著正相關，與DO呈極顯著負相關，且在0.01置信水平上顯著相關，這與水化學理論相符，說明樣本水功能區(qū)的CODMn數(shù)據(jù)具有合理性。

3.3.2 NH3-N與輔助指標間的相關性(C6～C7)。由表6可知，2014年山西省監(jiān)測所得的NH3-N與TN、DO水質數(shù)據(jù)之間存在極顯著相關性。其中，NH3-N與TN呈極顯著正相關，與DO呈顯著負相關，且在0.01置信水平上顯著相關，這與水化學理論相符。

表5 CODMn與輔助指標相關性

注：**表示在0.01水平(雙側)顯著相關。

Note: * * indicated significant correlation at the 0.01 level (bilateral).

3.3.3 斷面來水情況與監(jiān)測指標濃度相關性(C8)。監(jiān)測斷面各水質指標的濃度不僅與河道的排污情況有關，還與河道的來水條件密切相關。筆者以山西省的亳清河垣曲緩沖區(qū)(上亳城)、涑水河永濟緩沖區(qū)(張留莊)、偏關河偏關緩沖區(qū)(關河口)、黃河天橋農(nóng)業(yè)用水區(qū)(河曲)為例，分析了2013和2014年年際和月際來水情況對CODMn、NH3-N濃度的影響。

表6 NH3-N與輔助指標相關性

注：**表示在0.01水平(雙側)顯著相關。

Note: * * indicated significant correlation at the 0.01 level (bilateral).

由表7可知，年際上，2013年上亳城、河曲斷面的來水豐于2014年，2014年張留莊、關河口斷面的來水豐于2013年；月際上，除個別月份外，均符合年際變化規(guī)律。

考慮來水情況對NH3-N和CODMn濃度的影響，通過比較2013、2014年上亳城、張留莊、關河口、河曲4個監(jiān)測斷面可以發(fā)現(xiàn)，河曲、張留莊斷面符合來水相對豐沛的年份及月份，其NH3-N和CODMn濃度監(jiān)測值相對較低。由于流量較小，上亳城、關河口斷面較為反常，個別月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)不符合變化規(guī)律，監(jiān)測數(shù)據(jù)質量較差。

表7 2013—2014年山西省各斷面平均流量

3.4 綜合評價 采用模糊綜合評價法，對山西省黃河流域41個樣本水功能區(qū)水質數(shù)據(jù)總體質量進行評價。首先對水功能區(qū)水質數(shù)據(jù)核查結果進行分類統(tǒng)計，統(tǒng)計情況見表8，其中樣本核查指標中的數(shù)字為單項指標對應等級的百分制結果。

表8 水功能區(qū)數(shù)據(jù)核查結果分類統(tǒng)計

根據(jù)以上統(tǒng)計結果，建立模糊關系矩陣R：

計算模糊綜合評價結果向量B：B=A·R。其中，A為水功能區(qū)水質數(shù)據(jù)質量評價的權重向量，取值A=(0.297 0,0.081 5,0.081 5,0.093 0,0.123 0,0.093 0,0.123 0,0.107 0)，計算得到B=(0.430 0,0.360 0,0.110 0,0.100 0)。從模糊綜合評價結果向量B中選取最大隸屬度，對水功能區(qū)水質數(shù)據(jù)質量進行了等級判斷，山西省(黃河流域)樣本水功能區(qū)水質數(shù)據(jù)總體質量等級為優(yōu)秀。

4 結論

筆者對模糊綜合評價法的各影響因素進行了研究與分析，采用層次分析法對水質達標率指標進行權重賦值，使權重系數(shù)能準確、客觀地反映各指標對水質評價的作用。分析與CODMn、NH3-N相關性較強的輔助評價指標，綜合考慮輔助指標評價結果、監(jiān)測斷面設置合理性、監(jiān)測頻次規(guī)范性等因素，提出區(qū)域水功能區(qū)數(shù)據(jù)核查技術。經(jīng)實例證明，該方法能夠較好地對區(qū)域內樣本水功能區(qū)數(shù)據(jù)的規(guī)范性和邏輯性進行檢驗，利用輔助指標與考核指標CODMn、NH3-N的相關性，判斷數(shù)據(jù)的合理性與準確性。

[1] 陶潔，左其亭，薛會露，等.最嚴格水資源管理制度“三條紅線”控制指標及確定方法[J].節(jié)水灌溉，2012(4)：64-67.

[2] 彭文啟.水功能區(qū)限制納污紅線指標體系[J].中國水利，2012(7)：19-22.

[3] 李志亮，仲躋文. 生化需氧量、化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)三者關系簡析[J].水利技術監(jiān)督，2015(1)：5-6.

[4] 韓志萍，邵朝綱，楊志紅，等. 南太湖入湖口藍藻生物量與CODMn和DO的相關性研究[J].海洋與湖沼，2013,44(2)：277-282.

[5] 王珍，宋進喜，段孟辰，等.渭河陜西段河水水質COD、NH3-N變化特征分析[J]. 水資源與水工程學報，2013，24(3)：64-68.

[6] 楊靜.改進的模糊綜合評價法在水質評價中的應用[D].重慶：重慶大學，2014.

Study on Verification Method of Water Function Zone Standard Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Method

LI Shu-zhen, LI Hao, Gao Ming et al

(Water Environmental Monitoring Center of Yellow River Basin, Zhengzhou, Henan 450004)

According to the correlation between the evaluation indexes and the auxiliary indexes, the verification method of the water quality compliance rate of the water function area based on the fuzzy comprehensive evaluation method were established, and an example to verify the method carried out. The results showed that the method can better to examine the normative and logic within the area of the water function zone, judge the rationality and accuracy of monitoring data.

Rate of Water quality compliance; Technical verification; Fuzzy comprehensive evaluation method; Auxiliary index

李淑貞(1968- )，女，河南鄭州人，高級工程師，碩士，從事水資源保護研究。

2016-11-30

S 181；TV 213

A

0517-6611(2016)34-0098-04