泰安市黄前水库水质模糊综合评价

张 琦，徐玉新*，李华荣，阴胜利

(1.山东农业大学 资源与环境学院，山东 泰安 271028;2.泰安市自来水公司，山东 泰安 271028)

1 引言

我国是一个水资源贫乏的国家，水资源总量虽在世界各国中排第六名，但人均占有量却只有相当于世界人均占有量的22%，是世界13个贫水国家之一。水环境质量评价是水资源保护的基础工作和重要手段。通过水环境质量评价，可以真实有效地反映水体质量及变化，了解环境质量的过去、现在和将来发展趋势及其变化规律，掌握影响本地区环境质量的主要污染因子和主要污染源，制定综合防治措施和改善环境质量的污染源治理方案。采用合理的水质评价方法至关重要。由于环境质量评价中"污染程度"的界线是模糊的，具有不确定性［1］，因此模糊数学在水质综合评价中得到广泛应用。

模糊综合评价法是通过函数关系，把反映各种水质污染问题的实测值转化为反映水质质量优劣程度的质量值，它是以隶属度来描述模糊的水质分级界线的［2，3］。为了更充分的利用综合评价的信息，本研究以泰安市主要饮用水源地－－黄前水库为对象，按照《地表水环境质量标准》(GB3838－2002)，采用模糊综合评价－加权平均复合模型，对1997～2010年的监测指标进行处理分析和评价，评价14年来黄前水库水质变化，为泰安市的饮用水源地环境管理的科学决策提供更有效的信息支持，保护地表饮用水源水质。

2 材料和数据处理

2.1 研究区域概况

黄前水库坐落在泰山东麓(117°4'～117°22'E、36°16'～36°28'N)，北接大青山，南接窝角山，西依泰山，东依黑山。南北长8 Km公里，东西宽5 Km，最深处达90多m。属黄河流域，大汶河水系，水源由泰山、长青岭和大青山三条溪流汇集而来。坝址以上控制流域面积292 km2，总库容8248万m3，兴利库容5913万m3。是泰山市区主要水源地，占泰安城区供水总量的2/3。流域水系范围见图1所示。

该库区气候属温带大陆性半湿润季风气候，雨热同季，四季分明，具有区域小气候气候特征。多年平均气温18.5℃，年平均无霜期196 d，平均降水量758 mm，75%的降水集中在6～9月。

图1 黄前水库流域水系图Fig 1 The map of Huangqian Lake basin water system

2.2 监测数据的处理

1997～2000年，每年监测两次，监测时间为5月、8月中旬。2001～2010年，每月监测一次，监测时间为每月中旬。采样点均为库中，每次采样3次。本文将1997～2010年每年的各监测数据运用SPSS分析软件进行初步检验分析，然后取具有显著性的各监测数据平均值进行统计分析与评价。

3 黄前水库水质评价

3.1 评价参数的选择和评价标准的建立

按照监测条件和主要污染物的代表性，结合库区的地理环境因素及人为因素的影响，选择六项参数作为评价代表因子进行模糊综合评价，即评价对象的因素集为U={溶解氧，氨氮，化学需氧量，总磷，氟化物，粪大肠菌群}。黄前水库1997～2010年水质监测结果见表1。经过统计分析，各监测数据达到显著差异(P＜0.05)，采用监测数据的平均值进行模糊计算。

表1 黄前水库水质监测结果Table 1 Water quality results of Huangqian Lake

注:粪大肠菌群单位为个/L，其余项单位为mg/L。Note:Unit of fecal coliform is A/L.The others are mg/L.

依据《地表水环境质量标准》(GB3838－2002)，把黄前水库水质分为5个等级。本文环境评价选用的标准值［4］详见表2，即评价标准集为:V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

表2 地表水环境质量标准(GB3838－2002)Table 2 Environmental quality standards for surface water(GB3838－2002)

3.2 计算各参数的隶属度，建立模糊关系矩阵R

在U和V都给定之后，因素论域(各污染因子)与评价论域(评价标准)之间的模糊关系可以用模糊矩阵R来表达，即用实测浓度值分别求出不同级别水的隶属度。

对于第 i个评判参数 ui，其单因素评判结果为 Ri=［ri1，ri2，…，ri5］，(i=1，2，…n)。rij表示第 i种因素的环境质量数值，属于第j类评价标准的隶属度。

隶属度可以通过隶属函数计算求得。如果指标越小越好，则第i个指标对各级水的隶属函数可做如下定义［5］:

某水质评价因子对Ⅰ级水环境质量的隶属函数，即j=1时

某水质评价因子对第Ⅱ级至第Ⅳ级的隶属函数，即j=2，3，4时

某水质评价因子对第Ⅴ级的隶属函数，即j=5时

式中:x－－第i种指标的实测值(i=1，2，…，m)mg/L;

vij－－第 i种因素第 j级水的标准值(j=1，2，…，5)，mg/L。

如果指标越大越好，如本文评价中的DO指标，改变上述隶属函数的定义域符号即为该指标的隶属函数［6，7］。因此，可得出如下的 DO 隶属函数:

根据各评价指标的隶属函数，进行单因素评价，从而建立模糊矩阵R。以2009年为例，根据隶属函数得到如下的6×5单因素评判矩阵R:

3.3 各评价因子权重的确定

各评价因子在水质综合评价中的权重向量为W(W1，W2，…Wm)。本文评价采用水环境中水质评价因子的实测值与其相应等级标准的比值来计算权重。第i个因子的权系数公式为由于本次评价单项指标分为5个级别，所以对于Si取其均值，即Si=(S1+S2+S3+S4+S5)/5。由于DO不是水质污染物，其值越大说明水质越好。故其权系数应取倒数，即WDO=SDO/CDO。最后，将各单项权系数归一化，即:

按照上述公式来确定1997～2010年黄前水库水质单项因子的权重，结果详见表3。如2009年各单项评价因子对水质的贡献占总体贡献的百分数为 W=(0.230，0.165，0.238，0.245，0.110，0.012)。

表3 各水质评价因子权重Table 3 The weighing of every water quality assessment factors

3.4 计算模糊综合评价矩阵［8］

根据“相乘取小，相加取大”的原则，对权系数矩阵W和隶属度矩阵R进行模糊矩阵复合运算，得出1×5的综合评价矩阵B。

其中，B=(b1，b2，…bn)是评价论域上的一个模糊子集。bi为水质隶属于某级别水质的程度，一般取bi的最大值为水质的综合评价结果。如下是计算2009年水质综合评价矩阵B的过程:

若B中出现两个最大值时，需考虑次大值贴近哪个级别。同理可得出其它年限的黄前水库水质模糊综合评价结果。

3.5 加权综合判断［9］

表4 模糊综合评价结果Table 4 The results of fuzzy comprehensive assessment

4 结果讨论

利用单指标模糊综合评价法评价水质，可以反映出单个因子对整个水质的贡献度［10］。依据表4的模糊综合评价结果，按照最大隶属度的原则，可以评价出黄前水库水质1998年属Ⅴ类水，其主导贡献因素是氨氮含量超国家Ⅲ类标准4.67倍;2002年属Ⅴ类水，其主导贡献因素是总磷含量超国家Ⅲ类标准2.6倍;2000年属Ⅳ类水，其主导贡献因素是氨氮含量超国家Ⅲ类标准0.53倍;2003年属Ⅲ类水;1999年和2009年属Ⅱ水;其余年份水质属Ⅰ类水，水质较好。由a值的大小确定黄前水库历年水质的优劣顺序为:2001＞1997＞2010＞2008＞2006＞2004＞2009＞2005＞2007＞1999＞2003＞2000＞2002＞1998年。具体变化趋势如图2所示:

图2 黄前水库历年水质趋势变化Fig.2 The variation of water qulity in several years

由上图可知，在1997～2003年期间，黄前水库水质波动较大，其中以1998年(a=1.384)和2002年(a=1.638)水质最差，2000年次之，已达不到生活饮用水标准。经分析调查，其主要原因可归纳为以下两点:

1)自然因素:每年随着降雨时节的到来，增大了水库本身的污染物底泥沉积物等的交换频率，减少了地表径流［11］。

2)人为因素:生活在黄前水库周边的人民农业生产使用的化肥、农药随雨水向水库迁移，生活污水、畜禽养殖粪便和含磷洗涤剂产生的废水等直接排入水库，对水库中氨氮和总磷的贡献最大，导致该两项指标超标严重。同时，在水库周边垂钓以及旅游业的发展，也会对水体造成不同程度的污染。

依据此状况，相关部门采取了对黄前水库的水质保护的措施，加大生态农业的发展，控制污染源，加强水质监测管理，集中综合治理。2009年规定禁止在黄前水库垂钓。自十五后期(2003年起)到十一五期间黄前水库水质有了大幅度改善，基本属Ⅰ类水质，整体水质满足国家规定的饮用水标准，总体上水质有逐渐好转的趋势。

5 建议及防治措施

为了更有效的保障人民的生活健康质量，实现以人为本的科学发展观、构建和谐社会的理念，有必要加强对黄前水库水环境的保护，做好水库资源的合理利用。依据此情况，提出以下建议及控制措施:

1)控制面源污染。降低流域内化肥施用量，大力发展农业标准化生产基地;发展库区生态型畜禽养殖业;集中处理生活垃圾。加强流域内工业企业及旅游业等重点污染源的防治。

2)控制人口总量与密度。水库污染与人口的活动强度密切相关。

3)加强监管。提高监测技能，多个部门协作，实现对水库统一监管。

［1］奚旦立，孙裕生，刘秀英.环境监测［M］.北京:高等教育出版社，2004.434－444

［2］付雁鹏.模糊数学在水质评价中的应用［M］.武昌:华中工学院出版社，1986.87－90

［3］Yilmaz Icaga.Fuzzy evaluation of water quality classifacation［J］.Ecological Indicators，2007，7:710－715

［4］GB3838－2002，地表水环境质量标准［S］

［5］Li Liu，Jianzhong Zhou，Xueli An.Using fuzzy theory and information entropy for water quality assessment in Three Gorges region，China［J］.Expert Systems with Applications，2010，37:2517－2521

［6］凌敏华，左其亭.水质评价的模糊数学方法及其应用研究［J］.人民黄河，2006，1:34

［7］郝庆杰，江长胜.模糊综合评价法在江安河青羊段水质评价中的应用［J］.西南师范大学学报(自然科学版)，2010，4:137

［8］张 丛.环境评价教程［M］.北京:中国环境科学出版社，2002.235－240

［9］张龙江.水质评价的模糊综合评判－加权平均复合模型应用［J］.环境工程，2001，19(6):53－58

［10］Sudhir Dahiya，Bupinder Singh，Shalini Gaur.Analysis of groundwater quality using fuzzy synthetic evaluation［J］.Journal of Hazardous Materials，2007，147:938－946

［11］张春荣，高宗军.黄前水库来水量特征与影响因素分析［J］.地下水，2008，5:75－76