趙 耘，趙長春，蘭 天，王 鵬，鄭夢琪，田明剛

(中國冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院，山東 濟南 250000)

0 引 言

水質(zhì)綜合評價是以定量的方式對水環(huán)境的總體狀況做出評價，為水資源污染的控制和管理提供科學依據(jù)[1]。地表水是水循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)，特別是我國很多地區(qū)地表水和地下水具有較好的補排關(guān)系，對地表水水質(zhì)評價也是進行環(huán)境管理與決策的前提。當前，用于河流水環(huán)境質(zhì)量綜合評價模型及方法有近30種[2-4]。由于河流水質(zhì)綜合評價自身存在的特殊性，不同的評價方法對同一水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)會得出不同的評價結(jié)果，至今沒有一個被大家公認通用的、具有可比性的水質(zhì)評價數(shù)學模型，在具體的水質(zhì)評價工作中，單因素評價法以其計算流程簡便[5]，易于實現(xiàn)、原理清晰易懂的特點，被廣泛應用。但單因素評價法無法對水質(zhì)進行總體上，僅僅是根據(jù)最壞的指標來確定水質(zhì)級別，往往高估或低估了綜合水質(zhì)的風險程度，不能全面反映水體質(zhì)量的真實狀態(tài)?；谀：龜?shù)學的模糊綜合評價方法在應用于水環(huán)境質(zhì)量評價中時，方法通過計算評價指標實際濃度的超標權(quán)重以及相對水質(zhì)標準的貼近程度，運用模糊算子進行復合運算完成各水體質(zhì)量類別綜合評價，被國內(nèi)外研究人員大量應用[6-8]，且被證明該方法在水質(zhì)評價中切實可行[9]；但模糊綜合評價法操作相對繁瑣，計算比較復雜，對于評價斷面、評價指標較多的研究區(qū)在應用過程中存在過程冗長，結(jié)果易出錯的弊端被各位研究學者所詬病，影響方法的推廣使用率。

泰萊盆地位于魯中地區(qū)，處于“濟南都市圈”的東南部，區(qū)位優(yōu)勢較為明顯。在盆地內(nèi)具有羊里水源地、寨里水源地、業(yè)馬曹水源地等15個地下水水源地。研究表明，區(qū)內(nèi)地表河流域地下水源具有較好的補排關(guān)系，地表河流水質(zhì)對地下水源地水質(zhì)具有較大的影響關(guān)系[10]。因此，急需對區(qū)內(nèi)地表水水質(zhì)進行評價，查明地表水環(huán)境狀況，為區(qū)域水環(huán)境管理提供依據(jù)。因此，本文以泰萊盆地區(qū)內(nèi)6條主要河流為研究對象，運用加權(quán)歐式距離法和模糊綜合指數(shù)法對泰萊盆地內(nèi)地表水的水質(zhì)做出評價，旨在得出泰萊盆地區(qū)內(nèi)地表水體水質(zhì)情況，并通過對兩種方法評價結(jié)果的比較分析，優(yōu)選出兩種方法中較為優(yōu)良的水質(zhì)評價方法。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于魯中地區(qū)，北以泰山山脈為界，南以蒙山及其余脈為界，東至魯山，西臨東平湖東岸，面積8 173 km2，屬暖溫帶季風大陸性氣候，四季分明，春旱多風，夏熱多雨，秋旱少雨，冬寒少雪，季節(jié)性干旱嚴重。多年平均氣溫11～13 ℃，最高溫度達42.5 ℃(1955年8月11日)，最低氣溫-27.5 ℃(1963年1月15日)。區(qū)內(nèi)多年平均降水量765.3 mm，年最大降水量1 571.7 mm(1964年)，年最小降水量263.1 mm(1989年)，日最大降雨量222.5 mm(1983年8月31日)，最高洪水位186.5 m(1966年7月5日)。冰凍期11月上旬至次年4月上旬。年總蒸發(fā)量1 664.2～1 927.0 mm。研究區(qū)水系較發(fā)育，樹枝狀河網(wǎng)密布其間，主要有大汶河等6條河流；有15個地下水水源地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

表1 評價因子標準值 mg/L

表2 研究區(qū)河流水質(zhì)化驗結(jié)果 mg/L

1.3 評價方法

1.3.1加權(quán)歐式距離法

加權(quán)歐式距離評價法根據(jù)待評價斷面水質(zhì)實測值，計算相應評價指標的污染超標超標權(quán)重，以各個待評價斷面到“原點”間的歐式距離確定待評價斷面水質(zhì)級別?！霸c”一般以GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中的I類濃度作為基準點[11-12]。

(1)評價空間。設(shè)有i個水質(zhì)評價監(jiān)測斷面，j個水質(zhì)評價污染因子，5級水質(zhì)評價標準，實測樣本矩陣為C；根據(jù)地表水水質(zhì)評價標準，設(shè)含有n個評價污染因子的5級水質(zhì)標準矩陣為B。即

(1)

式中，cij為第i個評價監(jiān)測斷面第j個污染因子的實測濃度值；bkj為第j個污染因子的第k級標準濃度限值。

(2)評價指數(shù)的確定。以I級水質(zhì)作為基本點與原點距離為“1”，結(jié)合權(quán)重計算出每個待評單元以及水質(zhì)標準中其他各級水質(zhì)與“原點”的加權(quán)歐式距離，將此加權(quán)歐式距離定義為加權(quán)歐氏距離綜合評價指數(shù)PI。這里

(2)

式中，Dh為h指標的綜合指數(shù)值；ωjk為第j個污染因子的第k級標準濃度權(quán)重。評價流程見圖1。

圖1 加權(quán)歐式距離法流程示意

1.3.2模糊綜合評價法

模糊綜合評價法在水環(huán)境質(zhì)量評價中，可定量處理不同指標對水質(zhì)評價結(jié)果的影響程度，以反映水環(huán)境的總體情況[13]。由于模糊綜合評價法已廣泛應用，具體方法及隸屬度函數(shù)的建立在此不做贅述，其評價流程見圖2。

圖2 模糊綜合評價法流程示意

2 結(jié)果與分析

根據(jù)河流各斷面水質(zhì)實測值，分別采用加權(quán)歐式距離法、模糊綜合評價法2種方法對地表水水質(zhì)標準分級和研究區(qū)地表河流水環(huán)境質(zhì)量進行評價。地表水水質(zhì)標準各等級歐式距離綜合評價指數(shù)見表3，2種水質(zhì)評價方法計算結(jié)果見表4和表5。

表3 地表水質(zhì)量標準各等級對應歐氏距離綜合評價指數(shù)PI值

表4 研究區(qū)河流各斷面水質(zhì)評價結(jié)果

表5 2種方法評價結(jié)果統(tǒng)計

(1)通過兩種評價方法對泰萊盆地區(qū)內(nèi)地表河水環(huán)境的評價，全區(qū)地表水以II和III類為主，其中以牟汶河和柴汶河的上游存在超過IV類，水質(zhì)較差。西部下游的大汶河和匯河水質(zhì)要好于東部地區(qū)河流水質(zhì)。泰萊盆地區(qū)內(nèi)II類～III類以上水質(zhì)的評價斷面兩種方法評價結(jié)果相差2個，III類以上水質(zhì)的評價斷面兩種方法評價結(jié)果相差2個。兩種方法略有差異，表明最終的評價結(jié)果是真實可靠的。

(2)對單條河流上下游斷面水質(zhì)的綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，盡管同一斷面采用不同的水質(zhì)評價方法得到的結(jié)果存在不盡相同的現(xiàn)象；但加權(quán)歐式距離法與模糊綜合指的結(jié)果表明，研究區(qū)東側(cè)的牟汶河和柴汶河，2條河流上游的監(jiān)測斷面水質(zhì)歐氏距離綜合評價指數(shù)值分別為3.944 7和3.976 8，均大于III類水標準值3.936 1。這可能由于兩個監(jiān)測斷面距離萊蕪市城區(qū)和新泰市城區(qū)較近，城市排放的污水進入到河流中，導致河流水質(zhì)較差。而隨著水流流動，2條河流下游水質(zhì)趨于良好。這可能是河流自凈作用及下游其他河流較好水質(zhì)匯入所致。

(3)瀛汶河和方下河位于萊蕪市的西北部，2條河流在徂徠鎮(zhèn)匯入大汶河。其水質(zhì)評價結(jié)果顯示，2條河流水質(zhì)以III水為主；在泰萊盆地的西測，大汶河和匯河水質(zhì)以II和III水為主，其中大汶河上游和下游監(jiān)測斷面水質(zhì)為II類，中游水質(zhì)監(jiān)測斷面水質(zhì)為III類，這可能是與中游監(jiān)測斷面距離汶陽鎮(zhèn)較近，受城鎮(zhèn)產(chǎn)生污染所致；匯河上游監(jiān)測斷面水質(zhì)為II類，中游和下游監(jiān)測斷面水質(zhì)為III類，這可能是中游和下游監(jiān)測斷面距離東平縣縣城較近，城鎮(zhèn)產(chǎn)生的污染所致。

(4)2種方法在對同一斷面進行評價時，出現(xiàn)不同評價方法評價結(jié)果偏差的現(xiàn)象。如柴汶河上游斷面的，2種方法最終的水質(zhì)評價結(jié)果有所不同。對2種評價方法計算過程的深入分析顯示，造成巨大差異的主要原因在于模糊綜合評價法計算污染物指標超標權(quán)重的不合理。在這2個斷面，影響水質(zhì)的主要污染物因子在于揮發(fā)酚，但模糊綜合評價法在進行指標權(quán)重計算時采用了不合理的“基準原點”，使得污染物超標倍數(shù)未能真實反映實際污染程度，使得最終的評價結(jié)果趨于更差。

3 結(jié) 論

(1)通過2種評價方法對泰萊盆地區(qū)內(nèi)地表河水環(huán)境的評價，全區(qū)地表水以II和III類為主，其中以牟汶河和柴汶河的上游存在超過IV類，水質(zhì)較差，這可能是2個監(jiān)測斷面距離萊蕪市城區(qū)和新泰市城區(qū)較近，城市排放的污水進入河流，導致河流水質(zhì)較差。西部下游的大汶河和匯河水質(zhì)要好于東部地區(qū)河流水質(zhì)以II類和III類為主。

(2)在水質(zhì)評價過程中，模糊綜合評價法引入相對隸屬度概念，一定程度上能較好反映污染情況，但需要針對每一級別逐一建立隸屬函數(shù)，過程較繁，并且求解污染物指標權(quán)重時以I～V類評價標準的算術(shù)平均值作為“基準”出現(xiàn)個別評價指標“基準”較高，評價失真的現(xiàn)象。

(3)對于加權(quán)歐式距離法，模型最終評價成果在給出評價斷面所屬水質(zhì)類別的同時還給出了評價斷面相對于不同類別水質(zhì)標準的趨近度；并且在計算指標權(quán)重方面，加權(quán)歐式距離以各評價指標Ⅰ類評價標準作為基準“原點”，較能完整反映不同污染物實際超標情況。與模糊綜合評價法相比，加權(quán)歐式距離法得出的水質(zhì)評價結(jié)果更能反映水體實際狀況及變化趨勢，更好表現(xiàn)評價斷面的水質(zhì)狀況；方法反映出的信息要更多，可為河流治理提供方向。