劉詩雨

(中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0 引言

水是一切生命賴以存在的基礎(chǔ)，是自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)不可替代的要素，是人類生活和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)條件[1-2]。隨著人口與經(jīng)濟(jì)的增長，水資源的需求量不斷增加，水資源短缺與水環(huán)境污染問題日益突出，越來越嚴(yán)重地困擾人類的生存與發(fā)展[2]。水質(zhì)評價是對水資源進(jìn)行監(jiān)督管理的重要手段。水質(zhì)評價即選取水體的水質(zhì)指標(biāo)以及相對應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)，通過科學(xué)的計算方法確定各指標(biāo)重要性，并評價水體的綜合水質(zhì)等級[3]。

元陽梯田已有1300多年的歷史，其核心區(qū)約有梯田1.32×104hm2，分布于海拔700～1800m，坡度為15～75°的溝壑山嶺間[4]，其最典型的土地利用格局是在坡面上形成了森林-哈尼聚落-梯田的垂直空間分布模式，其中水生態(tài)過程是維持景觀穩(wěn)定性最重要的過程[5]。

因此，水質(zhì)現(xiàn)狀是否良好不僅影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)與生活發(fā)展，也影響著梯田的可持續(xù)發(fā)展。

目前，采用的水質(zhì)評價方法主要包括: 算數(shù)或加權(quán)平均法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]、綜合污染指數(shù)法[7]、單因子評價法[8]、灰色聚類分析法[9]和模糊綜合評價法等[10]。由于水體環(huán)境存在大量不確定因素，且水質(zhì)類別的劃分、標(biāo)準(zhǔn)確定都具有模糊性，選擇所需數(shù)據(jù)量少的模糊綜合評價法能較客觀、全面地反映水體污染程度和水質(zhì)類別，使評價結(jié)果更具有可靠性。

1 模糊綜合評價模型概述

模糊綜合評價法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)給出的評價標(biāo)準(zhǔn)和實測值，經(jīng)過模糊變換，對評價對象給出總的評價的一種方法。在水質(zhì)評價中，應(yīng)該找出影響水質(zhì)的各主要因素，確定評價因素集、評判集、隸屬函數(shù)，然后通過計算各因素的權(quán)重和隸屬度，得到綜合隸屬度，確定水質(zhì)級別。該方法可以體現(xiàn)水質(zhì)污染程度由輕到重逐漸變化的模糊特性，評價結(jié)果比較合理，更加接近客觀實際[11]。建立模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型的步驟如下[12]：

(1)構(gòu)造因素集U=(TN(總氮)，TP(總磷))=(x1，x2)；被評判對象的各因素組成的集合。

(2)構(gòu)造評判集V=(Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級，Ⅴ級)=(y1,y2,y3,y4,y5)；評語組成的集合。

(3)權(quán)重系數(shù)的確定。在評價中要考慮到各單項指標(biāo)在總體污染中作用大小不同。這不僅與實測數(shù)據(jù)大小有關(guān)，而且與某種用途水中各指標(biāo)的允許濃度有關(guān)，實測數(shù)據(jù)相同而允許濃度高標(biāo)準(zhǔn)卻低的指標(biāo)對污染程度影響較小。因此在綜合評價過程中要進(jìn)行權(quán)重計算[13]。各因素在綜合評價中的權(quán)重計算公式為：

(1)

式中：Wki為權(quán)重因子，Xki為第k種水樣第i個因子的實測濃度；Si為第i個因子各等級代表值的算術(shù)平均值；ai為第i種指標(biāo)在各等級標(biāo)準(zhǔn)中的代表值；n為分級數(shù)；Sim為評價標(biāo)準(zhǔn)中各級濃度標(biāo)準(zhǔn)值。為進(jìn)行模糊復(fù)合運算，各單因素權(quán)重必須做歸一化處理，公式為：

(2)

式中：aki為第k個水樣的第i個因子的權(quán)重值。

將n個單因子的實測值和評價標(biāo)準(zhǔn)值代入公式(1)和(2)，便可求得各單因子的權(quán)重值，并由其組成模糊矩陣A,即因子權(quán)重集A=(ak1,ak2,…,akn)。

(4)建立隸屬函數(shù)和模糊關(guān)系矩陣R。

(3)

(4)

(5)建立綜合評判矩陣B=(b1,b2,…,bm)，即

(5)

2 大魚塘小流域水質(zhì)模糊綜合評價

2.1 研究區(qū)概況

大魚塘村位于云南省紅河哈尼彝族自治州元陽縣，屬于山區(qū)。距離村委會0.00km,距離新街鎮(zhèn)29.00km，國土面積5.55km2，海拔1920.00m，年平均氣溫14.00℃，年降水量1370.00mm，適宜種植水稻、玉米等農(nóng)作物。有耕地70.43hm2(1056.46畝)，其中人均耕地0.073hm2(1.10畝)；有林地302.147hm2(4532.20畝)。全村轄1個村民小組，有農(nóng)戶219戶，鄉(xiāng)村人口1051人，其中農(nóng)業(yè)人口1051人，勞動力654人，其中從事第一產(chǎn)業(yè)人數(shù)556人。2015年全村經(jīng)濟(jì)總收入641.00萬元，農(nóng)民人均純收入3707.00元。農(nóng)民收入主要以種植業(yè)、畜牧業(yè)為主，沒有溝長制度存在[14]。

2.2 采樣點的布設(shè)及樣品采集

2.2.1 采樣點布設(shè)

以《HJ/T 91-2002地表水和污水檢測技術(shù)規(guī)定》[15]、元陽梯田獨特的“森林—聚落—梯田—江河”四素同構(gòu)的土地利用格局、是否經(jīng)過聚落為考慮要素，從上到下依次選取九處采樣檢測點位(森林上方G01、S02,森林出口G03、H05、J02,大魚塘G09,梯田交匯口J05,河流入水口H03、H01)(見圖 1)，并用 GPS 對每個采樣點進(jìn)行定位(見表 1)。

表1 采樣點地理位置

2.2.2 樣品采集

根據(jù)《HJ/T 91-2002地表水和污水檢測技術(shù)規(guī)定》和《GJW-03-SSG-002國家地表水環(huán)境質(zhì)量檢測網(wǎng)作業(yè)指導(dǎo)書(2017)》標(biāo)準(zhǔn)[16]，用具塞聚乙烯瓶作盛樣容器，采集水樣之前，用水樣沖洗采樣容器和盛樣容器 2～3次。采用地表表層水取樣法。由于是對總氮和總磷進(jìn)行分析，故需采集的水樣為 500mL(總磷)、250mL(總氮)即可。靜置30min后，用吸管虹吸的方式一次或幾次移取水樣，吸管進(jìn)水尖嘴應(yīng)插至水樣表層50mm以下位置，再加保存劑保存。貼好不干膠標(biāo)簽后將外蓋蓋緊，存放在陰涼處并及時送回實驗室，放置于 4℃冰箱保存，并盡快測定。

2.3 評價指標(biāo)和對象的確定

根據(jù)《GB 5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[17]：采用地表水為生活飲用水水源時應(yīng)符合《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(見表2)的有關(guān)規(guī)定[18]。結(jié)合大魚塘小流域監(jiān)測資料(表3)，選取2種典型污染物作為評價對象。

表2 GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) (mg/L)

表3 大魚塘采樣點的水質(zhì)分析結(jié)果 (mg/L)

2.4 指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)權(quán)重系數(shù)的定義，將地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中各級規(guī)定的數(shù)值和各斷面實測數(shù)據(jù)帶入公式(1)與(2)中，將計算結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，并先考慮2項評價指標(biāo)的作用完全一致[19]。

2.5 建立隸屬度函數(shù)和模糊關(guān)系矩陣

模糊集定義在實數(shù)域上，模糊集的隸屬函數(shù)可以成為模糊分布，根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)確定分布中所含的參數(shù)。由于水質(zhì)受污染程度和水質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)屬于模糊現(xiàn)象，又由于數(shù)字越小代表水質(zhì)質(zhì)量越好，所以采用降半梯形分布進(jìn)行單因素模糊評價。根據(jù)表2中地表水質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)及公式(3)和(4)確定各單因子實測值(Xi)對各級別(即j=1、2、3、4、5時)的隸屬度。各指標(biāo)的隸屬度矩陣計算結(jié)果見表5。

表5 不同斷面各指標(biāo)對各級指標(biāo)的隸屬度

以G01為例，可得隸屬度的模糊關(guān)系矩陣R。同理可以計算得到其他采樣點的隸屬度。

表4 水質(zhì)指標(biāo)評價權(quán)重

2.6 計算綜合評價矩陣

經(jīng)過各因素指標(biāo)權(quán)重和隸屬度的計算，將評判等級連續(xù)并定量化，最后進(jìn)行歸一化處理，按照最大隸屬原則，判定大魚塘各檢測斷面水質(zhì)類別，按照公式(5)計算結(jié)果見表6。

表6 大魚塘水質(zhì)等級評價結(jié)構(gòu)

3 結(jié)果討論

(1)大魚塘小流域水質(zhì)污染總體不嚴(yán)重，屬于Ⅰ類水質(zhì)。從檢測數(shù)據(jù)可以看出除H05、G09點總氮、總磷較G01對應(yīng)值大外，其余監(jiān)測點檢測的污染物濃度較水庫入口值小或相當(dāng)。

(2)從9個監(jiān)測斷面水質(zhì)等級隸屬度可以看出，除G09(大魚塘村寨)水質(zhì)屬于V類水質(zhì)，G01(森林上方)、J05(梯田交匯處)水質(zhì)部分指標(biāo)屬于IV類水質(zhì)，其中G01水質(zhì)Ⅲ類、Ⅳ類隸屬度分別為0.33和0.33；J05水質(zhì)Ⅲ類、Ⅳ類隸屬度分別為0.56和0.22。其余斷面水質(zhì)大多屬于Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)，對部分流域需加強關(guān)注。采用模糊綜合評價方法進(jìn)行非點源污染評價，在確定水質(zhì)級別和判斷水體污染程度上具有優(yōu)勢。

(3)村寨上游污染源產(chǎn)生的污染物在梯田溝渠進(jìn)入山區(qū)河道的過程中降解作用顯著，對小流域水質(zhì)影響較大。相關(guān)管理部門應(yīng)從保護(hù)小流域水質(zhì)和促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面考慮，完善各級監(jiān)測體系并加強管理，控制村寨規(guī)模并加大污染物治理力度，改變農(nóng)業(yè)技術(shù)并積極發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，完善大魚塘小流域水質(zhì)管理。