王彥麗, 趙敏寧

(咸陽師范學(xué)院 資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院， 陜西 咸陽 712000)

1 研究背景

河水污染與治理是一個世界性的研究課題，而重要河流水質(zhì)和重大涉水工程更是國內(nèi)外著名相關(guān)學(xué)者最為關(guān)注的研究領(lǐng)域。例如，Voza等[1]用主成份分析、因子分析和聚類分析3個統(tǒng)計分析方法，對多瑙河塞爾維亞段水質(zhì)的時空變化進行了研究，結(jié)果表明，河流水質(zhì)指標的時空變化與人類生活和生產(chǎn)活動具有強相關(guān)性。Kay等[2]對英國給水工業(yè)面臨水源水質(zhì)問題進行研究，說明英國水源水質(zhì)受到溶解有機碳、營養(yǎng)物質(zhì)和殺蟲劑3種主要污染的威脅，提出了鼓勵農(nóng)民采用無害環(huán)境的耕作方法計劃，強調(diào)制定和實施一系列管理措施的重要性。Fernandez[3]對美國和墨西哥邊境的共享河流水質(zhì)問題作了深入研究，結(jié)果表明，廢水污染問題在共同水道中尤為嚴重，只有相關(guān)政府和水管理人員開展多邊合作，才能助于跨界水污染問題的解決以提高國際河流的水質(zhì)。

近年來，我國很多地區(qū)頻繁出現(xiàn)水荒，引起了各級政府和學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注[4]，在2010年，錢易等[5]就在其著作中詳細深刻地闡述了我國水資源的匱乏和地表水分布不均的問題：地球的水資源是非常豐富的，然而地球的總水量中海水占去了97.3%，淡水僅占2.7%，而被人類直接可以利用的河流水量僅占淡水總量的0.01%，由此可見，天然的河流水是彌足珍貴的。我國人均水資源占有量僅為世界人均水資源占有量的25%，北方遼河、黃淮河和海灤河流域的片耕地面積大，人口多，但水資源占有量僅為全國總量的19%，水資源的短缺不僅影響人們的生活，而且成為許多地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的限制因素。

另一方面，個別重要江河水體污染嚴重，從城市生活污水和工業(yè)廢水的排放到農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村生活污水排放都在加劇著地表水環(huán)境的惡化。遼河流域是我國重要的化學(xué)工業(yè)和糧食生產(chǎn)基地，經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化水平的提升帶來了嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，農(nóng)民過度使用化肥和農(nóng)藥、生活污水和垃圾隨意亂倒、城市工業(yè)污水未經(jīng)科學(xué)嚴格處理自行排放、城鎮(zhèn)污水處理能力嚴重不足等，已經(jīng)嚴重威脅到地表水的安全。我國自1984年《水污染防治法》頒布實施30多年來，特別是自20世紀90年代國家將遼河確定為我國重點治理水域之一，科技部將其列為重大專項，有力地推動了遼河流域以及國家重要江河和湖泊水環(huán)境污染的治理工作，工農(nóng)業(yè)污染防治力度和城市污水處理能力也大大加強，同時引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

孟偉[6]闡釋了遼河流域水治理的國家重大專項的目標任務(wù)、實施方案和研究內(nèi)容，大力推進了遼河流域水污染治理和水環(huán)境管理兩大技術(shù)體系的建設(shè)。孟偉等[7]利用GIS技術(shù)，根據(jù)生態(tài)學(xué)格局與尺度理論對遼河流域分為3個一級區(qū)、14個二級區(qū)，就不同分區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的特點和所面臨的生態(tài)環(huán)境問題做了深入研究，建立了基于水生態(tài)區(qū)環(huán)境管理技術(shù)的理論體系。王高旭等[8]針對遼河流域水資源過度開發(fā)、河流斷流等問題研究了遼河流域的地表和地下復(fù)合生態(tài)需水的構(gòu)成和最小指標。王西琴等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在2003年遼河干流的所有監(jiān)測斷面均為劣Ⅴ類水質(zhì)，其中COD濃度達到117 mg/ L，是Ⅴ類地表水標準的近3倍，屬重度污染河流，提出了對排入遼河干流的污染物實行總量控制，加強水生態(tài)修復(fù)工程建設(shè)的建議。周丹卉[10]的研究表明2005-2009年遼河流域干流斷面氨氮濃度達標率較低，年均值呈現(xiàn)波動變化趨勢。趙衛(wèi)等[11]的研究表明，遼河流域水資源承載力處于不安全狀態(tài)?；菪憔甑萚12]構(gòu)建了遼河干流水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系，研究結(jié)果表明，遼河河流水生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)嚴重退化，建議大力推進遼河水系的生態(tài)恢復(fù)及水環(huán)境污染綜合治理。楊育紅等[13]研究表明從1991到2008年間對東北地區(qū)的流域水環(huán)境污染的研究還處于理論探索階段，今后應(yīng)加強評價和數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及管理措施的研究。然而，遼河水質(zhì)方面的綜合評價較少[14-15]。

本文利用模糊綜合評價和加權(quán)分析法相結(jié)合的方法，依據(jù)遼河干流的兩個國控監(jiān)測斷面從2008年到2017年的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，對其水質(zhì)的變化進行研究，給出了科學(xué)的結(jié)果和建議。

2 資料與方法

2.1 研究區(qū)概況

遼河流域地處中高緯度區(qū)域(如：福德店42°39′42.93″N，123°34′29.08″E)，東有長白山系的千山山脈，西為大興安嶺的余脈，南臨渤海，中部為遼河平原，屬溫帶大陸季風(fēng)氣候，其主要特點是冬季以西北風(fēng)為主，夏季以東南風(fēng)為主，四季寒暖干濕分明。年平均降水量為 537.7 ～690.4 mm，流域平均年徑流量為126×108m3，流經(jīng)區(qū)域是我國重要的重工業(yè)基地、糧食生產(chǎn)基地和畜牧業(yè)基地，是東北地區(qū)乃至全國經(jīng)濟較發(fā)達的地區(qū)。遼河干流是指遼河流域的東遼河和西遼河在遼寧省昌圖縣的福德店匯流形成的河流，干流流經(jīng)遼寧省的鐵嶺市、沈陽市以及鞍山市，經(jīng)盤錦市進入渤海，全長538 km，總面積1869.2 km2。徑流年內(nèi)分配不均，含沙量較高，鐵嶺斷面的平均含沙量為3.6 kg/m3。

本研究工作的數(shù)據(jù)來自國家環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫以及遼河干流兩個國家監(jiān)控斷面2008-2017年的數(shù)據(jù)，取每年第22周(水量近似于年均徑流量)的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為當(dāng)年的數(shù)據(jù)，依據(jù)國家最新地表水質(zhì)量標準，見表1。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量指標標準 mg/L

2.2 研究方法

模糊綜合評價是基于模糊數(shù)學(xué)理論，根據(jù)評價因子與評價對象的隸屬關(guān)系將定性轉(zhuǎn)化為定量的評價，在分析模糊綜合評價結(jié)果時采用加權(quán)平均處理的方法[16-18]，建立評價對象的因素集，根據(jù)評價標準確定評價對象的評語集V=V1,V2,…，Vm，并建立隸屬函數(shù)，計算模糊關(guān)系矩陣R，然后確定因素的評價權(quán)重向量A=(a1,a2，…，an)為權(quán)數(shù)分配模糊矢量，利用模糊權(quán)矢量A與模糊關(guān)系矩陣R合成得到各被評價對象的模糊評價結(jié)果矢量B=A·R=(B1,B2,…，Bj)，采用加權(quán)平均求隸屬度等級的方法，用j表示等級的秩，其取值j=1,2,3,…，m。用公式(1)得到被評價對象的相對位置。

(1)

式中：k為待定系數(shù)(k=1或2)，目的是控制較大的Bj所起的作用；Bj為第j等級的隸屬度。

由國家地表水質(zhì)量標準，將河流水質(zhì)分為5級，據(jù)此建立評價集，即V={Ⅰ,Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ,Ⅴ}，對每一個評價因子的分級標準，作出相應(yīng)的隸屬函數(shù)，DO評價指標用偏大型分布，其隸屬函數(shù)為：

(2)

COD和NH3—N含量指標用偏小型半梯形分布函數(shù)，因為其數(shù)值越小越優(yōu)。設(shè)vj與vj+1為兩個相鄰的分級標準，且vj

(3)

(4)

對評價指標權(quán)重的大小根據(jù)污染大、權(quán)重大的原則來決定。

DO大則優(yōu)型：

(5)

COD和NH3—N小則優(yōu)型：

(6)

為了進行模糊復(fù)合運算,各單因子權(quán)重必須歸一化處理。即

(7)

在本研究中，每年作為一個評價單元。

3 結(jié)果分析

根據(jù)模糊綜合評價法的基本原理和步驟，取遼河鐵嶺朱爾山和盤錦興安兩個國控斷面2008-2017年的溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3—N)的排放量及水體酸堿度pH值的逐年監(jiān)測結(jié)果(數(shù)據(jù)來源于國家環(huán)境保護部數(shù)據(jù)中心)，分析表明，10年間水體pH值符合國家標準(7～8之間)，DO、COD、NH3—N含量顯著偏離國家關(guān)于水環(huán)境質(zhì)量的相關(guān)標準，因此，確定將DO、COD和NH3—N作為評價因子，建立評判指標集u= (x1,x2,x3)，2008-2017年朱爾山斷面和興安斷面各評價因子的監(jiān)測結(jié)果列于表2。

表2 2008-2017年朱爾山斷面和興安斷面各評價因子的監(jiān)測結(jié)果 mg/L

表2反映了近10年兩個國控斷面水質(zhì)的監(jiān)測結(jié)果，朱爾山斷面DO濃度的值從2008年的5.74 mg/L變化到2017年的10.10 mg/L，其中最大值為2015年11.40 mg/L，呈現(xiàn)波動變化的態(tài)勢。根據(jù)表1中水質(zhì)的DO濃度標準值可以大體判斷出水體水質(zhì)總體向好的方向轉(zhuǎn)化。2009、2011、2015和2017年水質(zhì)DO濃度指標優(yōu)于Ⅰ類水指標(≥7.5 mg/L)，其中2016年的監(jiān)測值失效。盤錦興安斷面DO濃度值變化態(tài)勢與朱爾山斷面DO濃度的值變化態(tài)勢基本相同，最大值為2017年的9.16 mg/L，也優(yōu)于國家Ⅰ類水標準，但低于朱爾山斷面的監(jiān)測值。從評價水質(zhì)3個主要的指標看出，例如2015年朱爾山斷面其水質(zhì)指標檢測值DO為11.40 mg/L，COD為7.70 mg/L，都優(yōu)于Ⅰ類水指標，而NH3—N為0.65mg/L，卻在Ⅱ類與Ⅲ類之間，要科學(xué)界定2015年水質(zhì)處于那類水質(zhì)以及是否為朱爾山斷面10年水質(zhì)最優(yōu)的，必須按照上述評價方法進行綜合評價。

根據(jù)公式(2)計算矩陣R, 以2008年朱爾山斷面為例，DO含量的監(jiān)測結(jié)果代入公式(2)，得到該指標的隸屬度為：u1=0，u2=0.74，u3=0.74，u4=0，u5=0。根據(jù)公式(3)和公式(4)，可以計算出該斷面其他兩個指標2008年的隸屬度，由此得到模糊關(guān)系矩陣R2008，同理可以得到朱爾山斷面各年的模糊關(guān)系矩陣如下：

同理，利用公式(2)～(4)，計算盤錦興安斷面各年的模糊關(guān)系矩陣R：

利用公式(5)～(7)對每年的3個評價指標的監(jiān)測值權(quán)重分別進行計算并做歸一化處理，其結(jié)果見表3。

從表3的結(jié)果可以看出，10年間兩個斷面溶解氧指標的監(jiān)測值所占權(quán)重相對較大，如2008年，鐵嶺朱爾山斷面3個指標溶解氧、化學(xué)需氧量和氨氮的監(jiān)測值所占權(quán)重分別為0.49、0.23和0.28;盤錦興安斷面3個指標的監(jiān)測值所占權(quán)重分別為0.46、0.23和0.31。10年間鐵嶺朱爾山斷面溶解氧的權(quán)重小于0.33的有4年，鐵嶺朱爾山斷面溶解氧的權(quán)重小于0.33的只有1年。整體來看，溶解氧占權(quán)重相對較大且呈現(xiàn)波動狀態(tài)，兩個斷面的化學(xué)需氧量占權(quán)重值相對平穩(wěn)，而溶解氧權(quán)重值與氨氮權(quán)重值的負相關(guān)性表現(xiàn)明顯，具體對水質(zhì)的評價結(jié)果產(chǎn)生的影響需要進一步量化計算。

由模糊評價矢量B=A·R，計算出鐵嶺朱爾山斷面和盤錦興安斷面2008-2017年的水質(zhì)評價結(jié)果分別見表4和5。

表3 斷面評價因子權(quán)重歸一化處理結(jié)果

表4 2008-2017年鐵嶺朱爾山斷面水質(zhì)評價結(jié)果

表5 2008-2017年盤錦興安斷面水質(zhì)評價結(jié)果

從表4和5的評價結(jié)果中只能看出，兩個斷面Ⅰ類水質(zhì)的占比總體呈現(xiàn)增加的趨勢，朱爾山斷面從2008年的0.32增加到2017年的0.86，盤錦興安斷面從2008年的0.23增加到2017年的0.64，其間出現(xiàn)波動，要對每個斷面10年的水質(zhì)進行排序，必須通過加權(quán)平均處理。

由公式(1)對兩個斷面近10年水質(zhì)模糊綜合評價結(jié)果采用加權(quán)平均處理，得到2008-2017年的B*(k=1)結(jié)果。為了更直觀地了解兩個國控監(jiān)測斷面過去10年間水質(zhì)變化趨勢，將評價結(jié)果作圖顯示(如圖1)。

圖1 2008-2017年兩個監(jiān)測斷面水質(zhì)變化評價結(jié)果

圖1(a)表明，遼河鐵嶺朱爾山斷面水質(zhì)在Ⅰ類和Ⅳ類之間變化，從2011年以后水質(zhì)在Ⅰ類和Ⅱ類之間變化，水質(zhì)最好的年份為2017年(因該斷面2016年第22周的監(jiān)測結(jié)果異常，故在圖1(a)中做無數(shù)據(jù)處理)；圖1(b)表明，盤錦興安斷面水質(zhì)在Ⅰ類到Ⅲ類之間變化，從2013年后水質(zhì)基本在Ⅰ類和Ⅱ類之間變化，水質(zhì)最好的年份為2017年；水質(zhì)的空間分布符合上游水質(zhì)優(yōu)于下游水質(zhì)的一般規(guī)律。

4 討 論

從評價因素不同年度的權(quán)重可以看出，化學(xué)需氧量對該區(qū)域水質(zhì)影響不大，而溶解氧的影響較大，其中鐵嶺朱爾山斷面和盤錦興安斷面的溶解氧最大權(quán)重分別達到72%和57%；以溶解氧評價指標而言，鐵嶺朱爾山斷面和盤錦興安斷面水質(zhì)的溶解氧指標最大值分別為11.40和9.16 mg/L，因此鐵嶺朱爾山斷面大體優(yōu)于盤錦興安斷面；溶解氧含量標志著水體的自凈能力，檢測結(jié)果越大說明水體自凈能力越強。影響水體溶解氧濃度的因素主要是耗氧的有機物，如動物的死體和植物的殘體、工業(yè)廢水中所含的有機物以及生活污水等，這些有機物在氧化降解過程中需要消耗大量的氧，而水體中的氧又無法及時得到補充，溶解氧會迅速降低，同時水體中的動物因得不到足夠的氧氣可能窒息死亡，則厭氧菌大量繁殖，使水體變黑變臭水質(zhì)惡化。

從氨氮指標來看，從2011年后鐵嶺朱爾山斷面的氨氮指標下降明顯，盤錦興安斷面氨氮指標的平均值為0.50 mg/L，最大值為0.89 mg/L，而這種變化趨勢也符合綜合評價結(jié)果[19-20]，從監(jiān)測結(jié)果值表2和權(quán)重值表3可以看出，當(dāng)溶解氧監(jiān)測值大時，對應(yīng)的權(quán)重變大；相應(yīng)的氨氮的監(jiān)測值小時，對應(yīng)權(quán)重變小，所以水體中氨氮濃度指標也是影響溶解氧含量的重要因素。水體中氨氮等較難降解的無機污染物在氧化分解過程中需要大量的氧，從而影響水體的溶解氧含量指標，而且這些污染物來源廣泛。因此，遼河干流國控斷面溶解氧指標的降低與水體氨氮含量的超標也有直接的關(guān)系。遼河干流朱爾山斷面水質(zhì)最終評價結(jié)果的排序為(以優(yōu)為序，下同)：2017年(1.31) ，2012年(1.33)，2013年(1.34)， 2010年(1.36)，2014年(1.38)，2015年(1.81)，2008年(2.03)，2011年(2.23)，2009年(3.42)，其中2016年數(shù)據(jù)失效。遼河干流盤錦興安斷面水質(zhì)評價結(jié)果的排序為：2017年(1.32),2010年(1.52),2014年(1.52),2011年(1.64),2008年(1.93),2015年(1.93),2013年(2.26),2016年(2.16)，2012年(2.70)，2009年(2.80)。由此可以看出，在國家和遼寧省政府的共同努力下，在科技部重大專項的資助下，經(jīng)過各級管理人員和科技工作者的勤奮工作，遼河流域防治工業(yè)廢水污染的力度增強，農(nóng)村面源污染得到有效管控，水污染治理方法科學(xué)，措施得力，治理效果顯著[21-23]。

5 結(jié) 論

(1)遼河干流水質(zhì)狀況的時空分布顯示，10年間遼河干流的兩個國控監(jiān)測斷面中，鐵嶺朱爾山斷面和盤錦興安斷面的水質(zhì)分別在2011和2013年之后基本處在國家Ⅰ類到Ⅱ類水質(zhì)之間，鐵嶺朱爾山斷面水質(zhì)優(yōu)于盤錦興安斷面。

(2)要保持水質(zhì)、提高溶解氧含量，必須控制點源污染和面源污染。城鎮(zhèn)生活污水要實現(xiàn)達標排放，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中盡量減少農(nóng)藥化肥的施用量，控制農(nóng)業(yè)和農(nóng)村的面源污染。另外要轉(zhuǎn)變?nèi)藗兊南M模式和觀念，盡可能減少生活廢水污染物的排放。

(3)科技工作者要加快污水處理技術(shù)的科技攻關(guān)研究，尤其對高濃度有機廢水和一些特殊行業(yè)廢水處理技術(shù)的研究，實現(xiàn)污水達標排放，盡可能做到污水資源化，實現(xiàn)水資源的循環(huán)再利用。

總而言之，經(jīng)過近10年的治理，遼河干流水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)。研究表明，影響遼河干流水質(zhì)的主要因素是溶解氧含量偏低，主要因素是有機污染物、特別是耗氧有機污染物的超標排放以及氨氮的過量排放，從評價結(jié)果所呈現(xiàn)的波動態(tài)勢可以清晰地看到，只要加強科學(xué)管理，水質(zhì)就能變好。我國是世界上人均水量較少的國家之一，而水體污染進一步加劇了水資源的供需矛盾，因此，江河水質(zhì)狀況的研究與保護是一個永久的課題。