嫩江干流水环境质量评价研究

□ 李乐乐（河南省水利宣传中心）

1 绪论

1.1 背景及意义

水是生命之源、生产之要素、生态之基础。由于我国的资源状况，决定了在水问题上将面临严峻的挑战。无论是当代还是未来，水资源优化配置都是人们关心、关注的重要问题。因此，防治水体污染、保护水资源、改善水体环境、维持水生态将是人们生存与发展的重要课题。

1.2 主要研究内容

水质评价是根据水体的用途，按照一定的参数、质量标准和评价方法，对水体的质量做出定性、定量的评定。根据实地考察及嫩江干流的具体情况，该江河干流排污口主要污染指标为:化学耗氧量COD、生化需氧量BOD、氨氮、挥发酚。同时，通过对比资料成果实地考察并进行分析，本文确定了DO、BOD5、氨氮、挥发酚、总砷、COD、总氰化物7项为评价指标。

2 水环境特征

嫩江是松花江的北源，发源于我国东北地区的大兴安岭伊勒呼里山，由西北向东南流淌172km后与二根河汇合，之后便被称为嫩江干流。自此，水流由北向南流经东北地区15个市、县（旗），在吉林省松原市三岔河口与发源于长白山的第二松花江汇合后，始称松花江。嫩江全长1370km，流域面积2.97×105km2,流域多年平均径流量228亿m3。

嫩江作为河道外用水，其主要作用为工业及城镇供水水源、农业灌溉、养殖业水源和湿地水源。作为河道内用水，主要用于航运和城市环境用水。

3 水环境质量评估

3.1 模糊识别评价简介

水环境质量是多因素影响的反映，水环境系统中污染物质之间存在复杂关系，各污染物对水体的影响不尽相同，水质分级标准很难形成统一。而模糊评价法是在水环境质量评价中引入模糊性概念，运用模糊数学的原理来开展水质评价，对水环境质量评价中的一些模糊性问题做出定量化处理，从而更好地反映水体质量的不确定性。引入模糊数学的方法及模型，是计算水质评价指数的一个新思路。

3.2 模糊识别评价模型

本文以嫩江水质为研究对象，选择了一些具有代表性或者比较重要的水体断面数据作为参考，应用模糊识别方法对嫩江水质进行评价。根据著名学者陈守煜建立的模糊识别理论的模型框架:已知若干个模式或标准样本，识别与计算研究对象属于各个模式的相对隶属度，计算相对状态（或级别）特征值，从而识别并同时判断对象属于哪一个模式或标准样本。

设有需要对模糊概念或模糊子集进行识别的n个样本组成的集合，有m个指标特征值，则有样本集的指标特征值矩阵X,矩阵中元素 Xij为样本 j指标 i的特征值，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。建立指标特征值矩阵X。

如样本依据m个指标按c个级别的已知指标标准特征值进行识别，则有指标特征值矩阵Y，矩阵中元素Yih为状态或级别 h指标 i标准特征值，h=1，2，…，c；i=1，2，…，m。建立指标特征值矩阵Y。

样本j级别h对模糊子集的相对隶属度公式的完整形式为:

上式、称为模糊模式识别理论模型，具有广泛的适应性与通用性。

3.3 模糊识别评价

根据考察，收集了嫩江各水质断面枯水期水质监测数据，并建立数据资料表格如表1所示。

表1 嫩江各水质断面枯水期水质监测结果表

由表1建立样本特征值矩阵X:

为使本文的水质评价参数、成果更加客观，根据具体情况，结合实地考察，最终确定7项河流枯水期水质评价参数，本文采用《地表水环境质量标准》作为评价标准。如表2所示。

表2 评价标准表

由表2建立指标特征值矩阵Y:

对上述两个矩阵进行规格化，由此得S矩阵:

将样本j的m个指标相对隶属度分别与矩阵S的第1，第2，…，第m行的行向量逐一地进行比较，可得样本j的级别上限值bj和级别下限值aj。各指标重要程度相同，故各指标权重相等。令距离参数p=1，为海明距离，则:

得到Dhj矩阵:

根据模糊模式识别理论模型，当α=1时，可得U矩阵:

由上矩阵得出各个断面水质评价结果为:

石灰窑断面:u11×1+u21×2+u31×3+u41×4+u51×5=1.08

该断面水质为Ⅰ级；

库莫屯断面:u12×1+u22×2+u32×3+u42×4+u52×5=1.55

该断面水质为Ⅱ级；

尼尔基断面:u13×1+u23×2+u33×3+u43×4+u53×5=1.78

该断面水质为Ⅱ级；

拉哈断面:u14×1+u24×2+u34×3+u44×4+u54×5=1.82

该断面水质为Ⅱ级；

浏园断面:u15×1+u25×2+u35×3+u45×4+u55×5=1.76

该断面水质为Ⅱ级；

白沙滩断面:u16×1+u26×2+u36×3+u46×4+u56×5=2.86

该断面水质为Ⅲ级；

大安断面:u17×1+u27×2+u37×3+u47×4+u57×5=2.42

该断面水质为Ⅱ级。

4 研究课题应用及可行性分析

本文的目的是找出嫩江干流的主要污染断面及主要污染物，并采用模糊评价法，对嫩江干流水质现状进行综合评价，了解嫩江干流目前的水质状况。根据嫩江干流的河流特点，建立嫩江干流水质模糊模式识别模型，并利用该水质模型对河流水质进行一些预测，进而对嫩江干流水质变化、水环境污染的发展趋势做一些更好地了解。

本文在评价中引入模糊数学概念，隶属函数的应用，可以描述水质分界线，注意到了界限的模糊性，使评价结果接近客观。考虑了各项参数在总体污染中的作用差异，给予了不同的权重，因此，该研究成果具有一定的参考价值。其意义在于:

第一，能够很直观地发现嫩江干流的主要污染断面所处的位置及主要污染物是什么，为河流的综合治理提供科学依据。

第二，使水行政主管部门更好地了解其水质现状，为合理利用嫩江水资源提供决策依据。

第三，对于河流水质的预测能够使水行政主管部门、科研工作者了解水质变化趋势，为综合治理提供理论依据。

污染物质进入河流水体后，由于各种复杂的物理、化学变化如迁移、转化、沉淀、吸附等，同时水体中的污染物之间也会相互作用，这些都对水体及相关环境因素产生影响，降低未考虑这些作用影响的单一水质模型的模拟精度。因此，笔者认为，这就要求水行政主管部门要加强污染机理研究、高参数估值准确度及所研究模型存在的不确定性，这也是科研部门在今后研究河流综合水质模型的一个思考重点和重要方向。目前，不仅仅是嫩江，我国很多河流水体污染严重，这必将会很大程度地制约社会经济发展，也将对人民群众的生产生活带来很大的不良影响。合理开发利用水资源，加强饮用水源地和重点河流、湖泊的生态环境保护将是我国水利工作者今后需要努力的一项长期的战略任务。

[1]胡乃利.玉清湖水库水质评价及预测研究[D].山东大学,2008.

[2]陈守煜.工程模糊集理论与应用[M].北京:国防工业出版社，1998.

[3]范晓娜.嫩江干流水环境质量与保护对策研究[D].东北师范大学，2003.