孫向軍，鄭俊凡，楊巍巍，莫鐵祥，張 蘭，范文睿，焦 嬌，王 萌

（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048）

自2013年西安市被水利部確定為全國(guó)水生態(tài)文明建設(shè)試點(diǎn)城市以來，西安市通過實(shí)施“八水繞西安”生態(tài)恢復(fù)工程，水體環(huán)境得到了明顯的改善[1]。因此分析近年來西安河流水質(zhì)情況，對(duì)鞏固西安市水生態(tài)文明建設(shè)成果與進(jìn)一步深化水生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

1 監(jiān)測(cè)斷面及數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于陜西省環(huán)保廳公布的渭河水質(zhì)月報(bào)，涵蓋西安境內(nèi)入渭河口的十個(gè)斷面，分別是皂河、臨河、漕運(yùn)明渠、幸福渠、黑河、澇河、灞河、涇河、灃河、新河入渭河口斷面（編號(hào)1-10）。

由于水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的季節(jié)變化性，本文選取每年1、4、7、10月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[2]（2016年春季選取3月份，2017年夏季澇河入渭河斷面選取6月份）。

2 建立水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 因素集和評(píng)價(jià)集

在水質(zhì)評(píng)估中，因素集為水質(zhì)指標(biāo)組成的模糊子集。

在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中，將地表水水質(zhì)分成了5類，故評(píng)價(jià)集Ⅴ=｛Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ｝。

表1 GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值

2.2 隸屬函數(shù)的確定

在水質(zhì)模糊評(píng)估中，對(duì)于濃度越小越優(yōu)的指標(biāo)，如COD（化學(xué)需氧量）、NH3-N（氨氮）、TP（總磷）等，采用降半梯型隸屬函數(shù)；對(duì)于濃度越大越優(yōu)的指標(biāo)，如DO（溶解氧）等，采用升半梯型隸屬函數(shù)[3]。

2.3 各指標(biāo)權(quán)重的確定

在客觀賦權(quán)法中，目前應(yīng)用最為廣泛的是濃度超標(biāo)加權(quán)法，其根據(jù)各分指數(shù)超標(biāo)情況進(jìn)行加權(quán)，超標(biāo)越多，加權(quán)越大[4]。ωj=權(quán)重，式中x為因子的實(shí)測(cè)值，μj為Ⅲ類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)限值。

對(duì)于μj的取值，由于各評(píng)價(jià)因子不同水質(zhì)級(jí)別間階梯變化幅度不同，采用五類標(biāo)準(zhǔn)限值的均值可能會(huì)改變某些因子的實(shí)際表征作用，故本文采用Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值作為基準(zhǔn)，這樣既能直接表明該評(píng)價(jià)因子是否超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，又能反映超出標(biāo)準(zhǔn)的程度，從而使結(jié)果更加符合客觀實(shí)際[5]。

最后對(duì)各因子的權(quán)重值歸一化后即可得出最終權(quán)重，歸一化公式為：

2.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

將各因子模糊矩陣R與各因子權(quán)重集A進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，便可得到綜合評(píng)判結(jié)果B，歸一化后按照最大隸屬度原則即可判定水質(zhì)級(jí)別。

對(duì)于復(fù)合運(yùn)算，目前常采用模糊矩陣并運(yùn)算,其主要強(qiáng)調(diào)了超標(biāo)最大因子的作用，但評(píng)價(jià)因子較多時(shí)，容易造成水質(zhì)信息的丟失，無(wú)法獲得預(yù)期的評(píng)價(jià)結(jié)果[6]。由嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明[7]可知，在進(jìn)行綜合評(píng)判時(shí)，可采取實(shí)數(shù)的加乘運(yùn)算來代替交并運(yùn)算，得到的結(jié)果仍是一個(gè)F集，故本文采用加乘運(yùn)算，這樣充分考慮了各因素對(duì)最終結(jié)果的影響，比用并運(yùn)算更加精細(xì)[8]。

針對(duì)目前模糊綜合評(píng)價(jià)法中評(píng)價(jià)結(jié)果無(wú)法對(duì)同一類別水體水質(zhì)優(yōu)劣進(jìn)行比較的不足，本文引入級(jí)別特征值J的概念，設(shè)級(jí)別變量為j，其所對(duì)應(yīng)的隸屬度為bj，則J=值越大，水質(zhì)越優(yōu)，這樣即可精細(xì)化比較水質(zhì)優(yōu)劣。

3 計(jì)算示例

3.1 原始數(shù)據(jù)

以2018年夏季計(jì)算為例，見表2。

表2 2018年7月監(jiān)測(cè)斷面各指標(biāo)值

3.2 模糊關(guān)系矩陣的建立

構(gòu)建因素集 U=｛COD，NH3-N，DO，TP｝，評(píng)價(jià)集 V=｛Ⅰ ⅡⅢ Ⅳ Ⅴ｝，根據(jù)隸屬函數(shù)求各監(jiān)測(cè)斷面的隸屬度，建立模糊關(guān)系矩陣，例如2018年7月涇河入渭河斷面隸屬矩陣為：

3.3 權(quán)重的建立

根據(jù)濃度超標(biāo)法計(jì)算可得權(quán)重，例如2018年7月涇河入渭河斷面權(quán)重向量為A8=［0.328 0.234 0.375 0.063］。

3.4 模糊綜合評(píng)判

對(duì)R8與A8進(jìn)行模糊取積求和運(yùn)算并歸一化得B8=［0.047 0.508 0.412 0.033 0］，按照最大隸屬度原則可判定2018年夏季（7月）涇河入渭河斷面水質(zhì)為Ⅱ類。由于B8·VT=2.431，故2018年夏季（7月）涇河入渭河斷面的水質(zhì)級(jí)別特征值J8為2.431。同理可得Bi、Ji（i=1,…，7，9，10），各Bi組成對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬矩陣B，各Ji組成級(jí)別特征值向量。

4 結(jié)果分析

按照上述方法計(jì)算得2015年夏季～2018年夏季各季節(jié)水質(zhì)情況，見表3、表 4。

表3 2015年～2018年各季節(jié)各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)級(jí)別

表4 2015年～2018年各季節(jié)各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)級(jí)別特征值

4.1 水質(zhì)明顯改善斷面分析

圖1 西安市水質(zhì)明顯改善斷面級(jí)別特征值

由圖1并結(jié)合實(shí)際可知：新河、漕運(yùn)明渠、幸福渠通過一系列水環(huán)境綜合治理工程，水質(zhì)得到了極大改善。灃河與灞河水質(zhì)在2015年、2016年由于管控治理不嚴(yán)，污染加劇，但自2017年實(shí)施諸如像灃河綜合治理工程、灃河濕地生態(tài)修復(fù)工程、灞河生態(tài)區(qū)河道保潔項(xiàng)目等一系列極具針對(duì)性的工程以來，水質(zhì)呈不斷好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

4.2 水質(zhì)改善不明顯斷面分析

圖2 西安市水質(zhì)改善不明顯斷面級(jí)別特征值

由圖2可知：黑河水質(zhì)常年較好，大多數(shù)季節(jié)水質(zhì)屬Ⅰ類，這與西安市實(shí)施嚴(yán)格的水源地管理是離不開的。皂河水質(zhì)常年較差，均屬Ⅴ類，這與西安市每天有近百萬(wàn)噸生活污水排入皂河現(xiàn)狀相符合。臨河、澇河水質(zhì)呈規(guī)律性季節(jié)變化，澇河冬春季水質(zhì)較差，臨河秋季水質(zhì)差，這與枯水期大量污水入河有關(guān)。涇河水質(zhì)呈無(wú)規(guī)律波動(dòng)，這符合涇河支流眾多、難以統(tǒng)一管控、水土流失嚴(yán)重的特點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)目前模糊綜合評(píng)價(jià)法中評(píng)價(jià)結(jié)果無(wú)法對(duì)同一類別水體水質(zhì)優(yōu)劣進(jìn)行比較的不足，引入級(jí)別特征值的概念，精細(xì)化地比較了西安市各主要河流水質(zhì)優(yōu)劣。從結(jié)果可以看出，西安市近年來水系生態(tài)環(huán)境修復(fù)效果顯著，但其仍有較大改進(jìn)空間，尤其是臨河、澇河、皂河，具體的整改措施包括以下三點(diǎn)：

（1）在工程方面，為了進(jìn)一步深化生態(tài)文明建設(shè)，應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化污染物排放管理。除進(jìn)一步加強(qiáng)污染較重河段整治工作外，還應(yīng)注意已整治河段。

（2）在政策方面，為了西安市經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)考慮河流納污能力。城市和工業(yè)發(fā)展規(guī)模應(yīng)與河流的納污能力相協(xié)調(diào)，應(yīng)鼓勵(lì)發(fā)展低能耗、低污染的工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)。

（3）在技術(shù)方面，應(yīng)進(jìn)一步提高水循環(huán)率，減少排污，提高污水處理水平，減少污染物排放量。