張 進(jìn)

（陜西省商洛水文水資源勘測(cè)中心，陜西 商洛 726000）

0 引言

丹江發(fā)源于陜西省商洛市西北部的秦嶺南麓，為漢江左岸一級(jí)支流，是漢江最大支流，商洛市第一大河流。丹江流經(jīng)商州區(qū)、丹鳳縣、商南縣，于商南縣白浪鎮(zhèn)月亮灣出陜西省境。在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中，我國(guó)水資源、水生態(tài)、水環(huán)境問(wèn)題日益突出，已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。為了加強(qiáng)水資源、水生態(tài)、水環(huán)境“三水”統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)“有河要有水，有水要有魚(yú)，有魚(yú)要有草，下河能游泳”的目標(biāo)，在水環(huán)境方面，有針對(duì)性地改善水環(huán)境質(zhì)量，然而改善環(huán)境的第一步就是調(diào)查清楚當(dāng)前水體水質(zhì)狀況，對(duì)水體水質(zhì)有科學(xué)明確的判斷。現(xiàn)階段河流水質(zhì)評(píng)價(jià)的主要方法有：傳統(tǒng)的單因子評(píng)價(jià)法、模糊綜合指數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNs）法、綜合污染指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、物元分析法等。在這些方法中模糊綜合指數(shù)法計(jì)算量較為復(fù)雜，但其評(píng)判結(jié)果最為合理，所以模糊綜合指數(shù)法在地表河流水質(zhì)評(píng)價(jià)應(yīng)用十分廣泛。本文采用模糊綜合指數(shù)法對(duì)丹江上游的四個(gè)水質(zhì)斷面進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。通過(guò)與單因子評(píng)價(jià)法相對(duì)比能更加真實(shí)可靠、更為準(zhǔn)確判定水質(zhì)狀況，為當(dāng)?shù)卣诘そ嫌嗡h(huán)境保護(hù)工作的進(jìn)一步開(kāi)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的來(lái)源

1.1 水質(zhì)斷面的選取

丹江上游干流水質(zhì)斷面由上游往下依次為麻街、張村、丹鳳、月日，斷面間距分別為32 km、33 km、11 km，選取該干流四個(gè)水質(zhì)斷面作為評(píng)價(jià)目標(biāo)。

1.2 數(shù)據(jù)收集

依據(jù)斷面情況本次采用模糊綜合指數(shù)法對(duì)丹江上游麻街、張村、丹鳳、月日四個(gè)水質(zhì)斷面的水體水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用陜西省水環(huán)境監(jiān)測(cè)中心商洛分中心2018年～2021年的水質(zhì)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總評(píng)價(jià)。選取該四個(gè)水質(zhì)斷面的高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、五日生化需氧量（BOD5）五個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目年均值作為評(píng)價(jià)因子。四個(gè)斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 2018年～2021年水質(zhì)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)年均值表

2 評(píng)價(jià)方法及原理

通過(guò)構(gòu)造隸屬度函數(shù)和隸屬度矩陣，利用最大隸屬度原則，明確判斷水質(zhì)級(jí)別，反應(yīng)造成水體污染的主要污染物，尋找具體的污染源以便及時(shí)遏制。

2.1 建立評(píng)價(jià)因子集

因子集中所包含的各個(gè)因子是用來(lái)確定水質(zhì)類別的評(píng)價(jià)項(xiàng)目，一個(gè)因子集中可以包含n個(gè)項(xiàng)目，因子集V={v1， v2，…vn}。本文選取高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、化學(xué)需氧量（CODCr）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、五日生化需氧量（BOD5）五個(gè)項(xiàng)目作為評(píng)價(jià)因子。

2.2 建立評(píng)價(jià)集

與評(píng)價(jià)因子集相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)的集合作為評(píng)價(jià)集為U，評(píng)價(jià)集U= {u1，u2，u3，u4，u5}。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[2]（GB 3838-2002）將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為5個(gè)等級(jí)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 建立隸屬度函數(shù)并計(jì)算隸屬度

在分級(jí)之后為了表述該標(biāo)準(zhǔn)具有的特性程度，需建立隸屬度函數(shù)[3]。

第一級(jí)水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量， j=1，其隸屬函數(shù)為：

第二～四級(jí)水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量， j=2，3，4其隸屬函數(shù)為：

第五級(jí)水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量， j=5其隸屬函數(shù)為：

（1）～（3）式中j為水質(zhì)級(jí)別（j=1，2，3，4，5），i為因子項(xiàng)目種類；Ci第i種因子實(shí)測(cè)值；Sij第i種因子的第j級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；

2.4 建立模糊關(guān)系矩陣

根據(jù)實(shí)測(cè)值代入隸屬度函數(shù)得出隸屬度，構(gòu)成模糊矩陣關(guān)系矩陣，

式中：m為污染因子數(shù)1=1，2，3…m；n為水質(zhì)類別總數(shù)j=1，2，3， …n；rmn為第m檢測(cè)項(xiàng)目在n級(jí)別的隸屬度。

2.5 計(jì)算權(quán)重系數(shù)wi，建立權(quán)重集W

權(quán)重系數(shù)wi是用來(lái)衡量各污染因子對(duì)水體環(huán)境質(zhì)量大小，通過(guò)污染貢獻(xiàn)率分別計(jì)算出單因子系數(shù)，進(jìn)行歸一化處理[4]，計(jì)算式為：

或

如果檢測(cè)值越小，水質(zhì)越好用（5）式計(jì)算，反之用（6）式。式中：Ci為第i種污染因子的實(shí)測(cè)濃度，mg/L；ci0為第i種污染因子的各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的平均值，mg/L；由權(quán)重系數(shù)wi可得相對(duì)性權(quán)重集W={w1， w2， w3， …wm}。

2.6 計(jì)算模糊綜合指數(shù)矩陣

2.7 計(jì)算模糊綜合指數(shù)

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）的水體環(huán)境評(píng)價(jià)級(jí)別，構(gòu)造出水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)類別矩陣S=[1，2，3，4，5]，用B矩陣與矩陣得出綜合評(píng)級(jí)結(jié)果：

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算評(píng)價(jià)

3.1 由隸屬度函數(shù)求出矩陣

以麻街水質(zhì)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，代入（1）～（3）隸屬度函數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 麻街2018年～2021年的隸屬度數(shù)據(jù)表

由表3得出麻街2018年～2021年的隸屬度矩陣，按照同樣的方法可得出其余水質(zhì)斷面2018年～2021年的隸屬度矩陣，此處不一一列出。

3.2 權(quán)重系數(shù)計(jì)算

以2021年麻街?jǐn)嗝鏋槔桑?）式可得出各2021年權(quán)重系數(shù)wi，由權(quán)重系數(shù)wi可得相對(duì)性權(quán)重集W麻街2021。

表4 四個(gè)水質(zhì)斷面污染因子權(quán)重

續(xù)表4

由（7）式計(jì)算得出模糊指數(shù)綜合評(píng)價(jià)矩陣B麻街2021，其余斷面不一一列出。

3.3 計(jì)算模糊綜合指數(shù)

以2021年麻街?jǐn)嗝鏋槔?，由?）式計(jì)算得出模糊綜合指數(shù)，其余斷面不一一列出，具體數(shù)值見(jiàn)表5。

表5 四個(gè)水質(zhì)斷面評(píng)價(jià)結(jié)果

Q麻街2021=B麻街2021·S=［0.98 0.02 0 0 0］·［1 2 3 4 5］=1.02

4 結(jié)論

（1）利用模糊綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法不但能進(jìn)行同一類別水體狀況的比較，還能利用各污染因子權(quán)重的大小判別其對(duì)水體污染的貢獻(xiàn)率。

（2）通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出，模糊綜合指數(shù)法能以數(shù)據(jù)的大小反映出多年水質(zhì)變化趨勢(shì)。從2018年～2021年丹江上游麻街、張村、丹鳳模糊綜合指數(shù)在緩慢遞減，表明水體狀況逐年向好，而月日模糊綜合指數(shù)由降到升，出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，表明水體狀況有惡化趨勢(shì)。

（3）結(jié)果顯示丹江水質(zhì)斷面麻街、張村、丹鳳、月日，2018年～2021年之間評(píng)價(jià)因子氨氮和總磷所占權(quán)重較大，呈現(xiàn)出由增到減的下降趨勢(shì)。

（4）從評(píng)價(jià)的結(jié)果來(lái)看利用模糊綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)丹江上游水質(zhì)更為合理，具有以定量方式反映水體水質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。建議在水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)推廣使用，為各級(jí)政府在水環(huán)境治理方面提供科學(xué)依據(jù)。