抚顺市东洲区地表水水质综合评价

刘姗姗

(辽宁省河库管理服务中心(辽宁省水文局),沈阳 110000)

近年来,抚顺市水环境问题日趋突出,地表水质量状况关系着供水区用水安全。我国许多学者利用不同方法研究评价了区域水质状况,如层次分析法、可拓物元法、神经网络法、属性识别法、综合指数法以及灰色系统法等,不同方法的适用范围和优缺点各异[1-4]。在计算权重时熵权法能够有效避免人为主观因素的干扰,故选择熵权法与模糊综合法定量评价抚顺市东洲区地表水质状况。

1 模糊综合评价方法

1.1 熵值法计算权重

熵是一种衡量不确定性的参数,参评因子的信息量越多则其确定性越大,赋予的熵也就越小,反之则赋予的熵越大[5-6]。根据熵的特性一般利用熵值评定其离散状况,离散程度越大则评价结果受该因子的影响越显著。设由m个决策样本的n个参评指标所构成的初始数据矩阵为X:X=(xij)m×n,其中i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;参评因子xij的差距越大则对评价等级的贡献越高。信息论中的系统有序程度可以利用信息熵来衡量,有序程度越高则该信息熵越大;反之,则计算的信息熵越小。

为保证水质评价的客观合理性,研究选用熵权法进行赋权,该方法不存在非线性的复杂关系式,具有逻辑清晰、计算简单等优点,其主要计算流程为[7]:

步骤1:由于各参评因子的单位或数量级不同无法直接参与运算,必须先对各因子初始数据进行无量纲化处理,对正、负向因子的预处理公式为:

(1)

式中:rij、xij为决策样本i的第j项因子的归一化和初始数值;xjmin、xjmax为各决策样本中第j项因子的最大和最小值。

步骤2:然后利用下式计算因子j的熵值Hj:

(2)

步骤3:采用公式(3)计算参评因子j的权重ωj,即:

(3)

1.2 模糊综合评价流程

模糊综合法主要是利用模糊数学原理将定性分析转变成定量计算,对于受多因素制约的复杂系统评价具有较好的适用性[8-10],其主要流程如下:

步骤1:设U={u1,u2,…,um}、V={v1,v2,…,vn}为参评因子集和评价等级集,其中um、vn表示地表水污染因子值及其相应的等级标准。

步骤2:以降半梯形分布函数计算隶属度,对于j=1时,j=2,3,…,(m-1)时和j=m时的隶属函数分别如下:

(4)

(5)

(6)

式中:xi为参评因子实测数据;si,j-1、sij、si,j+1为参评因子i隶属于相应水质类别的标准值,通过上述计算构造模糊关系矩阵P=(pij)m×n。

步骤3:将模糊关系矩阵P=(pij)m×n与权重向量W利用合成算子“·”进行复合计算,从而建立地表水水质模糊评价子集B,其计算公式为:

(7)

依据上述计算结果可以确定各评价样本隶属于不同水质类别的隶属度,遵循最大隶属度原则评定地表水水质等级。

2 实例应用

2.1 研究区概况

东洲区地处抚顺市区的东南部,总面积664km2,地貌构造为剥蚀低山丘陵,属北温带大陆性季风气候区,全区年均降水量780.0mm,多集中于7～8月份,冬春雨量偏少。全境均在浑河流域内,共有大小河流7条,年均径流量1.394亿m3。全区平均每人占有水资源量433.0m3,在东洲区境内主要河流有3条,即浑河、章党河、东洲河[11-13]。

根据东洲区水资源以流域与行政相结合的管理方式,本次评价采取流域套行政乡镇级分区作为基本评价分区。其中,流域分区是以自然条件、水资源分布特点及河流径流情势等形态为主要因素划分的,根据《辽宁省水资源分区》,东洲区流域划分为2个水资源四级区,如表1所示。

表1 东洲区地表水资源评价分区

2.2 地表水水质

根据东洲区水资源评价相关资料选择大伙房水库以上的浑河干流1段、大伙房水库以下党章河段、东洲河段和浑河干流2段为监测点,水质监测数据如表2所示。

表2 东洲区主要河段水质监测数据 mg/L

参照地表水环境质量标准选择评价因子为当地主要污染物,采用公式(1)和表2中的数据确定rij,然后利用公式(2)～(3)计算各参评因子的熵值Hj和权重ωj,结果显示粪大肠杆菌群、化学需氧量、高锰酸盐指数、挥发酚、BOD5和氨氮的熵值Hj=[0.988671,0.810861,0.906417,0.646738,0.987960,0.991075],粪大肠杆菌群、化学需氧量、高锰酸盐指数、挥发酚、BOD5和氨氮的权重W=[0.015128,0.280142,0.151775,0.522957,0.017250,0.012748]。然后利用隶属度函数(4)～(6)构造模糊关系矩阵P=(pij)m×n,以大伙房水库以上浑河干流1段为例,计算确定其模糊关系矩阵P浑1如下:

(7)

将模糊关系矩阵P浑1与权重向量W应用合成算子“·”进行加权处理,从而建立大伙房水库以上浑河干流1段的水质评价模糊子集B浑1=(0,0.214,0.762,0.019,0.005);同理,可以依次求出其它河段的水质评价模糊子集,如表3所示。

表3 东洲区主要河段水质评价等级

由表3可知,大伙房水库以上浑河干流1段达到Ⅱ类水等级,大伙房水库以下党章河段达到Ⅱ类水等级,而大伙房水库以下东洲河段和浑河干流2段达到Ⅲ类、Ⅳ类水等级,主要河段水质均符合生活用水标准要求,但个别河段水质较差应加强监管力度。

2.3 验证分析

为进一步检验熵权-模糊综合法的适用性与可靠性,对抚顺市东洲区主要河段利用综合指数法评价其水质状况,并将评价结果与熵权-模糊综合法相比较,如表3所示。

由表3可知,采用综合指数法与熵权-模糊综合法评价的主要河段水质存在明显差异。其中,熵权-模糊综合法评定的Ⅱ类水河段有2个,评定的Ⅲ类、Ⅳ类水河段分别为1个,而选用综合指数法评定的4个河段均为Ⅳ类水质。通过对比分析初步确定造成这种差异的原因如下:①由于过于突出地表水质受单项超标因子值的不利影响,因此综合指数法评定的水质相对较差;②综合指数法忽略了不同因子对水质评价的影响作用;③在水质分级标准中综合指数法未考虑评定等级受界限边缘指标值的影响,对于水质分级界限熵权-模糊综合法进行了精细的划分。因此,对于地表水质熵权-模糊综合法表现出较高的精准度和较好的适用性。

2.4 对策建议

1)完善水资源管理配套法律法规保障体系。目前,东洲区水资源管理还处在粗放的管理模式,相应配套法律法规还不完善,如水功能区划及管理办法;重点水源保护区划及管理办法;水资源管理保护条例等水资源管理的配套法规,应加快制定,实现水资源有序开发、利用的动态调控,使全区水资源管理走向法制化管理的轨道,为今后水资源管理在法律上得到保障奠定坚实基础。

2)优化用水结构,提高用水效益及与效率。调整用水结构,引进高效益、节水型、低污染的工业企业,在改善环境的基础上,促进经济增长,应合理开发利用水资源,改善城镇供水的状况,减少供水损失,在工、农业生产及生活用水上提高用水效率和效益。

3)加强水资源统一规划,强化水资源管理。充分考虑境内水资源分布不均的情况,应将水当作重要的资源和环境要素实施科学管理,通过政策和经济手段逐步建立起统一用水制度,科学调配水资源,应用新技术、新设备、新工艺提高用水效率,推广节水技术,坚持“开源节流并重”的思想,生活用水要安装节水设施,进一步开展节水灌溉规划,全面推进节水工作的开展。新建项目、改扩建项目及办理取水许可证须经水资源论证,以保证项目用水、退水的合理性可靠性。

4)加大治污力度,强化水资源保护。东洲区工农业兼有,以工业为主,由于一些点源和面源的污染,部分地表水和地下水受了一定的污染,如东洲河部分河段、浑河干流章党河口等都受到了工业、生活排污的污染,生态环境和水资源系统受到不利影响。因此,必须加强生产和生活废污水处理,所有企业的排水必须达标。另外,还要通过加大废污水处理和回用来提高我区水资源的利用效率,使污水资源化,有效改善我市水环境,加强水功能区的管理,不断提高水功能区的功能和达标率,满足各区域水功能区用水需求。

5)发展节水灌溉,搞好灌溉工程规划。东洲区辖有4个乡镇,农村水利发展方向主要是巩固现有水浇地面积,适量发展新的灌溉工程,对现有工程进行优化提高,在稳定水田面积的情况下,走节约灌溉之路,大力提倡经济作物的喷灌、滴灌的灌溉方式,进行灌区节水配套改造,提高和改善农村的灌溉和供水条件。

3 结 论

1)文章采用熵权-模糊综合评价法定量评定了东洲区主要河段地表水水质,结果显示大伙房水库以上分区浑河干流1段达到Ⅱ类水质,大伙房水库以下的党章河段达到Ⅱ类水质,而东洲河段和浑河干流2段达到Ⅲ类、Ⅳ类水水质;熵权-模糊综合评价法可以解决相邻等级界限存在的模糊性问题,实际应用中具有较好的精准度和适用性。

2)地表水水质评价是一项涉及因素多、覆盖范围广的复杂系统性问题,实际评价时具有一定不确定性、模糊性及复杂性。采用熵权法和隶属度函数计算参评因子权重及其水质分级界限,能够直观准确地反映其模糊性界限和地表水质特征,采用该方法可以较为详细的评价地表水质受单项参数的影响。在判断过程中该方法降低了人为误差和主观因素的干扰,保证结果科学合理性。