鄭建根 傅雷 尤愛(ài)菊

摘要 通過(guò)引入模糊數(shù)學(xué)理論，對(duì)2015年杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗(yàn)中嘉興市的水質(zhì)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了計(jì)算與評(píng)估。結(jié)果表明，調(diào)水試驗(yàn)過(guò)程中，高錳酸鉀指數(shù)和溶解氧的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較低，總磷面臨一定風(fēng)險(xiǎn)，氨氮和總氮的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較高。嘉興市周邊河道的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)總體低于嘉興市內(nèi)河道（調(diào)水目標(biāo)區(qū)域），空間差異明顯。該研究結(jié)果對(duì)未來(lái)杭嘉湖平原河網(wǎng)開(kāi)展常態(tài)化調(diào)水過(guò)程中的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)管控有著重要意義。

關(guān)鍵詞 模糊數(shù)學(xué)；平原河網(wǎng)；區(qū)域調(diào)水；風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

中圖分類號(hào) X143 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）29-0056-05

Risk Assessment of Water Diversion Experiment in Hangjiahu Basin River Network Using Fuzzy Mathematics Method

ZHENG Jiangen， FU Lei*， YOU Aiju

（Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary， Hangzhou， Zhejiang 310020）

Abstract The fuzzy mathematics method has been introduced to assess the environmental risk caused by the water diversion experiment in Hangjiahu basin river network. The risk assessment indicated that during the water diversion experiment， the risk of CODmn and DO was low， the risk of TP was medium， and the risk of NH3N and TN was high. Moreover， the rivers outside Jiaxing City had lower risk than the rivers inside Jiaxing City， the spatial risks of those rivers were in different levels. The results of this study will play an important role in Hangjiahu basin water diversion project in the future.

Key words Fuzzy mathematics；Plain river network；Water diversion；Risk rate；Risk assessment

基金項(xiàng)目 水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2014ZX07101-011）；浙江省水利科技計(jì)劃項(xiàng)目（RB1405）。

作者簡(jiǎn)介 鄭建根（1962—），男，浙江桐鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師，從事水資源與水環(huán)境研究。*通訊作者，工程師，博士，從事水資源與水環(huán)境研究。

收稿日期 2017-08-16

區(qū)域調(diào)水是緩解地區(qū)性水資源短缺和水質(zhì)型缺水的重要手段。目前，我國(guó)對(duì)平原河網(wǎng)區(qū)域調(diào)水的研究多以水質(zhì)改善效果的評(píng)估為主[1-4]，對(duì)調(diào)水過(guò)程中可能出現(xiàn)的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)研究相對(duì)缺乏[5-7]。我國(guó)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究起步較晚，目前國(guó)內(nèi)的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)象多為某個(gè)特定河道或流域[1-2，7]，對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)整體的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估較少。水質(zhì)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要有3種方式：概率論法[7-8]、模糊數(shù)學(xué)法[7-10]和風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)法[9-12]。其中，使用概率論法得出的結(jié)論可信度較高，但概率論法對(duì)數(shù)據(jù)完整性和長(zhǎng)序列性的要求極高，目前大多數(shù)平原河網(wǎng)調(diào)水的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不足以支撐概率論法的計(jì)算；風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法計(jì)算較為簡(jiǎn)單，可操作性高，但目前對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的理論基礎(chǔ)和評(píng)價(jià)方法仍有較大爭(zhēng)議[7，9，12]?；谀：龜?shù)學(xué)理論的三角模糊風(fēng)險(xiǎn)分析法是目前較為可靠的水質(zhì)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)分析方法。金菊良等[9]將隨機(jī)模擬與三角模糊數(shù)耦合入水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析中，李如忠等[10，13]利用三角模糊數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單河道的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析，呂振霖等[12，14-16]進(jìn)一步將模糊數(shù)學(xué)理論運(yùn)用于望虞河引水的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中并取得了良好的評(píng)估結(jié)果。鑒于平原河網(wǎng)調(diào)水試驗(yàn)中水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要性，且目前杭嘉湖平原區(qū)河網(wǎng)調(diào)水水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。筆者利用三角模糊風(fēng)險(xiǎn)分析法對(duì)平原河網(wǎng)調(diào)水試驗(yàn)的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。

1 調(diào)水試驗(yàn)概況

杭嘉湖地區(qū)屬于典型的平原河網(wǎng)水系[16-18]，境內(nèi)水質(zhì)既受本地排污影響，又受入境水質(zhì)影響，水環(huán)境形勢(shì)既嚴(yán)峻又復(fù)雜，歷來(lái)受到蘇、浙、滬兩省一市的重點(diǎn)關(guān)注[16，19-20]。近年來(lái)，隨著浙江省“五水共治”的推進(jìn)，該地區(qū)的水質(zhì)已得到了明顯的提升。2015年11月6日—12月15日，筆者參與了杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗(yàn)。該研究以該次調(diào)水試驗(yàn)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，引入模糊數(shù)學(xué)理論，對(duì)2015年杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗(yàn)期間典型斷面的水質(zhì)變化情況進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)率計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)該調(diào)水試驗(yàn)的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。

調(diào)水試驗(yàn)以嘉興市為試驗(yàn)主體，選擇嘉興市域東西南北及中部具有代表性的5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面作為水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的參評(píng)斷面，各斷面的位置分布如圖1所示。

調(diào)水試驗(yàn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括溶解氧、水色、水溫、pH、電導(dǎo)率、高錳酸鉀指數(shù)、總氮、總磷、氨氮9項(xiàng)指標(biāo)，其中，水色、水溫、pH、電導(dǎo)率在試驗(yàn)期間變化并不明顯。因此，筆者選取高錳酸鉀指數(shù)、總磷、氨氮、總氮、溶解氧5項(xiàng)指標(biāo)作為水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的參評(píng)指標(biāo)，結(jié)合圖1及2015年杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗(yàn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。參評(píng)的5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面及其水質(zhì)指標(biāo)背景監(jiān)測(cè)值見(jiàn)表1。

2 三角模糊風(fēng)險(xiǎn)分析法

三角模糊風(fēng)險(xiǎn)分析法是定義風(fēng)險(xiǎn)空間并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控的有效工具，根據(jù)三角模糊數(shù)學(xué)理論，以單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子而言，設(shè)a，b，c分別為某一模糊變量的下極限值、目標(biāo)可能值和上極限值，則3個(gè)一組數(shù)（a，b，c）構(gòu)成一個(gè)三角模糊數(shù)。其中a，b，c為實(shí)數(shù)，相應(yīng)的函數(shù)可以定義為

U0xc

x-ab-aa≤x≤b

c-xc-bb

（3）氨氮和總氮指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)率均維持在較高水平。氨氮濃度僅有1個(gè)斷面風(fēng)險(xiǎn)率低于0.5，屬于較低風(fēng)險(xiǎn)；2個(gè)斷面風(fēng)險(xiǎn)率在0.8～1.0；2個(gè)斷面風(fēng)險(xiǎn)率為1.0，屬于高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)?？偟獫舛鹊娘L(fēng)險(xiǎn)率與氨氮濃度的情況類似，有2個(gè)斷面風(fēng)險(xiǎn)率處于0.5～0.8，屬于較高風(fēng)險(xiǎn)，另有3個(gè)斷面的風(fēng)險(xiǎn)率高于0.8，屬于高風(fēng)險(xiǎn)。這表明2015年杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗(yàn)對(duì)氨氮和總氮濃度的改善效果不佳，試驗(yàn)期間部分?jǐn)嗝娣磸?fù)出現(xiàn)氨氮和總氮濃度高于背景監(jiān)測(cè)值的情況。調(diào)水試驗(yàn)期間頻發(fā)降雨等惡劣天氣情況，帶動(dòng)太浦河沿岸及湖州地區(qū)的生活污水進(jìn)入水體，是試驗(yàn)期間氨氮和總氮風(fēng)險(xiǎn)率居高不下的主要原因。

從地理位置上看，該研究選擇的5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面分別位于嘉興市東西南北及中部，可以代表調(diào)水試驗(yàn)期間嘉興河網(wǎng)空間上的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)概率分布：

（1）總體來(lái)看，調(diào)水試驗(yàn)期間，嘉興河網(wǎng)南北向河道的風(fēng)險(xiǎn)率要小于東西向河道，從該研究參評(píng)的5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面來(lái)看，南北向河道監(jiān)測(cè)斷面（汾湖、長(zhǎng)山河橋）各個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)率，除含氮類指標(biāo)外，均處于較低水平。其中，汾湖斷面的高錳酸鉀指數(shù)風(fēng)險(xiǎn)率為0，氨氮風(fēng)險(xiǎn)率為0.366、溶解氧風(fēng)險(xiǎn)率僅為0.015。從地理位置上看，試驗(yàn)期間，汾湖斷面主要承接太浦河的優(yōu)質(zhì)來(lái)水（圖1）。因此，其水質(zhì)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)率很低，水質(zhì)在試驗(yàn)期間較好；長(zhǎng)山河橋斷面位于長(zhǎng)山閘上游的長(zhǎng)山河，是試驗(yàn)期間嘉興南排工程的主要排水河道。試驗(yàn)期間，長(zhǎng)山河橋斷面的總磷風(fēng)險(xiǎn)率為0，溶解氧的風(fēng)險(xiǎn)率也僅為0.32，表明調(diào)水試驗(yàn)期間，長(zhǎng)山河橋斷面在長(zhǎng)山閘開(kāi)閘拉動(dòng)河網(wǎng)流動(dòng)的有利條件下，其總磷濃度一直維持低于背景監(jiān)測(cè)值，溶解氧濃度在試驗(yàn)期間也偶爾出現(xiàn)水質(zhì)惡化的情況。

（2）東西向河道監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)率較南北向河道明顯增大，西部入流斷面太師大橋各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)率，除溶解氧為0.271，處于較低風(fēng)險(xiǎn)外，總氮指標(biāo)大于0.50，其余3項(xiàng)指標(biāo)均大于0.80，水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較高。這說(shuō)明調(diào)水試驗(yàn)期間湖州地區(qū)進(jìn)入嘉興的水質(zhì)情況一般，優(yōu)質(zhì)的太湖來(lái)水經(jīng)過(guò)湖州地區(qū)之后存在水質(zhì)下降的趨勢(shì)。而東部的青陽(yáng)匯斷面除溶解氧外，其他4項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)率均大于0.80，在調(diào)水試驗(yàn)期間存在較大的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

（3）調(diào)水試驗(yàn)期間，嘉興市內(nèi)河道的水質(zhì)改善效果一般，從參評(píng)的西麗橋斷面的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)率來(lái)看，其高錳酸鉀指數(shù)和總磷的風(fēng)險(xiǎn)率為0.380和0.458，屬于較低風(fēng)險(xiǎn)，氨氮、總氮和溶解氧的風(fēng)險(xiǎn)率則分別高達(dá)1.000、0.988和0935，由此判斷，氨氮和總氮濃度在西麗橋斷面長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)高于背景濃度的情況。西麗橋斷面溶解氧的風(fēng)險(xiǎn)率明顯不同于其他斷面，這是由于西麗橋斷面的溶解氧背景濃度高達(dá)4.33 mg/L，試驗(yàn)期間溶解氧濃度雖然也有較長(zhǎng)時(shí)間維持高于4.00 mg/L的地表水 Ⅲ 類水標(biāo)準(zhǔn)，但11月16日左右因大雨、太浦閘流量調(diào)整及南排工程開(kāi)度調(diào)整等各種因素綜合作用下出現(xiàn)了2.10 mg/L的極低值，明顯增大了西麗橋斷面溶解氧濃度的風(fēng)險(xiǎn)率。

5 結(jié)論

（1）該研究利用模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)2015年杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗(yàn)過(guò)程中的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了計(jì)算和評(píng)估。結(jié)果表明，調(diào)水試驗(yàn)中高錳酸鉀指數(shù)和溶解氧的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較小，總磷有一定的風(fēng)險(xiǎn)，氨氮和總氮的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較高。

（2）在河道流動(dòng)性、天氣情況、水利工程調(diào)度情況等因素的綜合影響下，調(diào)水試驗(yàn)中嘉興市南北向河道水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較低，東西向河道水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較高，中部河道的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)最高。

（3）2015年杭嘉湖平原河網(wǎng)調(diào)水試驗(yàn)期間，太湖的優(yōu)質(zhì)水源從湖州和太浦河2個(gè)方向進(jìn)入嘉興市，在一定程度上改善了嘉興河網(wǎng)的水質(zhì)。但試驗(yàn)過(guò)程中，太湖的優(yōu)質(zhì)來(lái)水存在一定的沿程惡化情況，加之試驗(yàn)期間遭遇降雨等特殊天氣，對(duì)調(diào)水試驗(yàn)效果產(chǎn)生了不利影響。在未來(lái)的杭嘉湖平原河網(wǎng)常態(tài)化調(diào)水實(shí)踐中應(yīng)對(duì)此給予高度關(guān)注。

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