基于模糊综合评价法的东江湖水质评价

杨 楠， 马丰丰， 吴天乐， 周 莉， 马红华， 欧庆洪， 张灿明

(1.湖南省水资源研究和利用合作中心， 湖南 长沙 410013； 2.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 3.资兴市环境监测站， 湖南 资兴 423400； 4.资兴市科技局， 湖南 资兴 423400)

基于模糊综合评价法的东江湖水质评价

杨 楠1，2， 马丰丰2， 吴天乐2， 周 莉3， 马红华4， 欧庆洪4， 张灿明1，2

(1.湖南省水资源研究和利用合作中心， 湖南 长沙 410013； 2.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 3.资兴市环境监测站， 湖南 资兴 423400； 4.资兴市科技局， 湖南 资兴 423400)

以湖南省郴州市的东江湖为研究对象，运用模糊综合评判模型对3个监测断面的24个监测因子进行综合评判。结果表明：东江湖水质总体状况较好，符合功能区水环境质量标准，其中1月、4月、7月东江湖水质对I类水的隶属度最高，10月对Ⅱ类水的隶属度最高。水质污染因子中最重要的污染因子为铅，与东江湖流域内存在金属尾矿区有关。评价结果为污染控制提供了科学依据。

东江湖； 水质； 模糊综合评价法

东江湖位于湖南省资兴市南部，地处东经113°15′—113°36′，北纬25°34′—26°00′之间，行政区涉及资兴、汝城、桂东、宜章4个县市，面积160 km2，储水量81.2亿m3，流域总面积4 703 km2[1]。流域内山岭层叠，沟壑纵横，地形复杂，最高海拔1 691 m，最低海拔180 m。东江湖涉及资兴、汝城、桂东、宜章4个县市共52个乡镇，誉称“南洞庭”，是一个具有发电、防洪、航运、旅游和供应城市生活工业用水等综合效益的国家特大型水库。全流域基本属亚热带季风性湿润气候，雨量充沛，年平均降水量1 538.3 mm，径流总量75.61亿m3；流域内土壤类型主要为红壤、黄红壤、黄棕壤、山地草甸土和紫色土等，自然植被以常绿阔叶林、马尾松为主，森林覆盖率高达96%以上，生态环境良好。矿产资源种类较多、分布较广，已探明的矿种有煤、铁、锰、钨、锡、铅、锌、铜等30余种。

东江湖作为湘江的源头之一，为湘江流域抗旱、防洪、通航和电力等方面发挥了极为重要的作用。同时，东江湖作为资兴、郴州乃至长株潭城市群上千万人口的饮用水源地，对湖南的经济社会可持续发展具有极为重要的战略意义。为了加强东江湖水环境保护，防止水污染，2001年11月湖南省第九届人民代表大会常务委员会审议通过了《湖南省东江湖水环境保护条例》。结合该条例，湖南省郴州市编制了《东江湖流域污染防治规划》、《资兴市生态建设规划》等相关的地方规划和制度，进一步加强东江湖水环境保护工作。

本研究通过对东江湖连续性的监测(2008—2012)，在基于模糊综合评判模型的基础上，对东江湖的水质进行了综合评判，旨在为东江湖的水资源保护提供科学依据。

1 模糊综合评价法

在水体的水质级别判定及综合评价中，存在着大量的不确定性。模糊综合评价法以模糊数学模型理论和方法为依据，能定量化不同指标对水质的影响[2]，有效的克服了评价过程中可能出现极限状态的不合理性[3]，保证了结果的准确性以及客观性，是定量研究水质的有效手段，因而被广泛用于水质综合评价中[4-9]。

模糊综合评价法的基本思路为：根据监测数据建立各因子指标对各级标准的隶属度集，形成隶属度矩阵；将因子的权重集与隶属度矩阵相乘得到模糊积，获得综合评判集，直接表明评价水体水质对各级标准水质的隶属程度；通过对评判集的分析判定水质级别[10]。具体步骤如下：

1.1建立评价因子集

因子是参与评价的评价指标。在环境质量评价中，因子集就是参与评价的m个污染因子的实际测定浓度组成的模糊子集，即

(1)

1.2建立评价集

评价集是与因子集中评价因子相应的评价标准集合。在环境质量评价中，评价集是各个污染因子相应的环境质量标准等级的集合。根据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中的地表水水域功能和保护目标，将地表水水质分成了5类，故确定评价集为：

(2)

1.3确定权重向量B

水质指标权重的确定是模糊评价中最为关键的环节[11-13]，权重向量的确定采用主成分分析法，从数学的角度来说，属于一种降维处理的方法[14-15]，根据评价因素的累积贡献率的方法确定权重向量，根据各种污染因素在水质中的作用分别给予不同的权重。由权重的大小确定主要污染因素，本研究中选择权重大于5%的作为主要污染因素。其计算公式为

Wi=Ci/Si

(3)

式中，Ci为第i种评价因子的实测值，Si为第i种评价因子的基准标准值。对Wi做归一化处理：

Bi=Wi/∑Wi

(4)

式中，Bi为权重向量B中第i种评价因素的权重。将各单因子的实测值和选定的评价标准分别代入式(1-2)，求得各单因子的权重值，并由其组成权重向量B。

1.4模糊关系矩阵R

假定参与水质评价的因子有m个，水质评价标准由n个类别组成。用rij表示第i种污染物的环境质量数值可以被评价为第j类环境质量的可能性(即i对j的隶属度)，从而构成水质评价因子与类别的模糊关系矩阵R，代表污染因子对水质标准的隶属程度。

(5)

式中，m为评价因子数。

根据GB3838-2002水质标准，对各个水质类别的隶属度rij计算如下：

(6)

式中，ui为第j类标准；ci为被评价因子i的实测值。

2 数据来源

2.1样品采集时间和地点

样品采集时间为月初，每年分1、4、7、10四个月采样，具体采样时间为1月5-7日，4月6-9日，7月4-6日，10月6-9日。

采样点位于黄草、白廊和滁口三个位置，每个点设三次重复取样。取样点位置见图1。

图1 东江湖区位图及取样点设置Fig.1 Dongjiang Lake position and sampling position

2.2分析参数与方法

水质监测参数包括水温(℃)、pH值、溶解氧、CODMn、化学需氧量、BOD5、氨氮、总磷、总氮、铜、锌、氟化物、砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化物等24个指标，检测方法及材料依据《GB3838- 20025地表水环境质量标准》，由湖南省资兴市环境监测站进行检测。

3 东江湖水质类别判定

在模糊综合评价中，采用主因素决定型来判断水质类别。即通过复合计算X=B·R，得到权重向量B与模糊关系矩阵R的模糊积，根据其结果来判断出水质类别。

在收集东江湖2008—2012年基础监测数据的基础上，以水质监测24个指标的监测值为代表性指标，以GB3838-2002的Ⅱ类水质标准为基准标准值，按上述步骤在MATLAB中实现计算方程，计算24个指标的污染贡献率，以I>5%为界限，筛选出8个污染因子：COD，BOD，TN，TP，As，Hg，Pb，挥发酚。将各评价因子的实测值以及各水质类别相应标准值代入公式计算出4个月份的模糊关系矩阵R1(1月)、R2(4月)、R3(7月)、R4(10月)以及权重B1(1月)、B2(4月)、B3(7月)、B4(10月)，结果见式(7)和表1。

(7)

将上述结果代入复合计算X=B·R，得到模糊积的计算结果。

X1=B1·R1=(0.506 1 0.424 1 0.069 8)

(8a)

X2=B2·R2=(0.507 2 0.402 4 0.090 4)

(8b)

X3=B3·R3=(0.475 4 0.463 6 0.061 0)

(8c)

X4=B4·R4=(0.418 5 0.469 7 0.111 8)

(8d)

分析式(8)的结果，得到东江湖分别在1、4、7、10月的水质级别。从式(8)可以看出，1、4、7月东江湖水质对I类水的隶属度分别为0.506 1、0.507 2、0.475 4，高于Ⅱ类水的隶属度0.424 1、0.402 4、0.463 6和Ⅲ类水的隶属度0.069 8、0.090 4、0.061 0，而10月对Ⅱ类水的隶属度为0.469 7，高于I类水的隶属度0.418 5和Ⅲ类水的隶属度0.111 8。

4 结论与讨论

(1)根据模糊综合评价法，东江湖各时期水环境质量的变化由好到差依次为4月>1月>7月>10月。对应丰水期、平水期、枯水期分别为平水期>丰水期>枯水期。

(2)从污染因子分析，铅的权重因子超过25%，是各因子中占权重比重最大的因子，从而是东江湖污染的最主要因子。其次占权重较大的是汞和挥发酚，均超过10%。东江湖流域存在部分金属尾矿区，尾矿区尾砂由于存放原因，降雨后容易引发水土流失并汇入东江湖水体，可能是造成重金属为东江湖库区水质污染的重要污染物的主要原因，同时也是造成丰水期水质比平水期水质差的原因。

(3)利用模糊综合评价模型进行东江湖水环境质量评价，既可以反映出各种因子共同作用下的水质状况，又能确定主要污染物和主要污染类型，是一种比较综合和客观的方法。

(4)由于监测数据的限制，本研究只选取了东江湖的3个监测点，这些监测点是资兴市环境监测站长期监测位点。为加强东江湖水质保护，建议相关部门增加投入，加大监测力度，设置更多更全面的监测点。另外叶绿素的评价等级在国际水质标准中还未作出明确的分级标准，故该项指标有待进一步分析测定。

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WaterqualityassessmentofDongjiangLakebasedonfuzzycomprehensiveevaluation

YANG Nan1，2， MA Fengfeng2， WU Tianle2， ZHOU Li3， MA Honghua4，OU Qinghong4， ZHANG Canming1，2

(1.Hunan Cooperation Center of Water Resources Research and Development， Changsha 410013， China；2.Hunan Academy of Forestry， Changsha 410004， China；3.Zixing Environmental Monitoring Station， Zixing 423400， China；4.Zixing Science and Technology Bureau， Zixing 423400， China)

The water quality of Dongjiang Lake in Chenzhou，Hunan was studied in this paper.Comprehensive evaluation of three monitoring cross sections and 24 monitoring factors was conducted by fuzzy mathematical comprehensive evaluation model.The evaluation result showed that，the water quality of the Dongjiang Lake was in good condition，met the standards of water environmental quality.The water quality of Dongjiang Lake in January，April，July was Grade Ⅰ while in October was Grade Ⅱ.The most important pollution factor was Pb，may caused by the tailings in the watershed.The evaluation results provide a scientific basis for pollution control.

Dongjiang Lake； water quality； fuzzy comprehensive evaluation

2016-03-18

湖南省自然科学基金(11JJ5021)；科技部国际合作专项(2015DFA90450,2012DFB30030)；湖南省科技厅基础平台项目(2012TP1001)。

杨 楠(1980-)，男，湖南长沙人，高级工程师，博士，主要从事流域生态、水资源保护与可持续利用研究。

X 824

A

1003-5710(2016)05-0081-04

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2016. 05. 0016

(文字编校：张 珉)