杭嘉湖平原河网调水试验水质模糊风险评估

郑建根 傅雷 尤爱菊

摘要 通过引入模糊数学理论，对2015年杭嘉湖平原河网调水试验中嘉兴市的水质指标风险进行了计算与评估。结果表明，调水试验过程中，高锰酸钾指数和溶解氧的水质风险较低，总磷面临一定风险，氨氮和总氮的水质风险较高。嘉兴市周边河道的水质风险总体低于嘉兴市内河道（调水目标区域），空间差异明显。该研究结果对未来杭嘉湖平原河网开展常态化调水过程中的水质风险管控有着重要意义。

关键词 模糊数学；平原河网；区域调水；风险率计算；风险评估

中图分类号 X143 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）29-0056-05

Risk Assessment of Water Diversion Experiment in Hangjiahu Basin River Network Using Fuzzy Mathematics Method

ZHENG Jiangen， FU Lei*， YOU Aiju

（Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary， Hangzhou， Zhejiang 310020）

Abstract The fuzzy mathematics method has been introduced to assess the environmental risk caused by the water diversion experiment in Hangjiahu basin river network. The risk assessment indicated that during the water diversion experiment， the risk of CODmn and DO was low， the risk of TP was medium， and the risk of NH3N and TN was high. Moreover， the rivers outside Jiaxing City had lower risk than the rivers inside Jiaxing City， the spatial risks of those rivers were in different levels. The results of this study will play an important role in Hangjiahu basin water diversion project in the future.

Key words Fuzzy mathematics；Plain river network；Water diversion；Risk rate；Risk assessment

基金項目 水體污染控制与治理科技重大专项（2014ZX07101-011）；浙江省水利科技计划项目（RB1405）。

作者简介 郑建根（1962—），男，浙江桐乡人，高级工程师，从事水资源与水环境研究。*通讯作者，工程师，博士，从事水资源与水环境研究。

收稿日期 2017-08-16

区域调水是缓解地区性水资源短缺和水质型缺水的重要手段。目前，我国对平原河网区域调水的研究多以水质改善效果的评估为主[1-4]，对调水过程中可能出现的水质风险研究相对缺乏[5-7]。我国水质风险评估研究起步较晚，目前国内的水质风险评估对象多为某个特定河道或流域[1-2，7]，对平原河网地区整体的水质风险评估较少。水质指标的风险评估主要有3种方式：概率论法[7-8]、模糊数学法[7-10]和风险指标法[9-12]。其中，使用概率论法得出的结论可信度较高，但概率论法对数据完整性和长序列性的要求极高，目前大多数平原河网调水的监测数据不足以支撑概率论法的计算；风险指数法计算较为简单，可操作性高，但目前对风险指数法的理论基础和评价方法仍有较大争议[7，9，12]。基于模糊数学理论的三角模糊风险分析法是目前较为可靠的水质指标风险分析方法。金菊良等[9]将随机模拟与三角模糊数耦合入水质风险分析中，李如忠等[10，13]利用三角模糊数进行了简单河道的水质风险分析，吕振霖等[12，14-16]进一步将模糊数学理论运用于望虞河引水的水质风险评估中并取得了良好的评估结果。鉴于平原河网调水试验中水质风险评估的重要性，且目前杭嘉湖平原区河网调水水质风险的研究鲜见报道。笔者利用三角模糊风险分析法对平原河网调水试验的水质风险进行计算评估。

1 调水试验概况

杭嘉湖地区属于典型的平原河网水系[16-18]，境内水质既受本地排污影响，又受入境水质影响，水环境形势既严峻又复杂，历来受到苏、浙、沪两省一市的重点关注[16，19-20]。近年来，随着浙江省“五水共治”的推进，该地区的水质已得到了明显的提升。2015年11月6日—12月15日，笔者参与了杭嘉湖平原河网调水试验。该研究以该次调水试验的实际监测数据为基础，引入模糊数学理论，对2015年杭嘉湖平原河网调水试验期间典型断面的水质变化情况进行了风险率计算，并根据计算结果对该调水试验的水质风险进行了评估。

调水试验以嘉兴市为试验主体，选择嘉兴市域东西南北及中部具有代表性的5个监测断面作为水质风险评估的参评断面，各断面的位置分布如图1所示。

调水试验监测内容包括溶解氧、水色、水温、pH、电导率、高锰酸钾指数、总氮、总磷、氨氮9项指标，其中，水色、水温、pH、电导率在试验期间变化并不明显。因此，笔者选取高锰酸钾指数、总磷、氨氮、总氮、溶解氧5项指标作为水质风险评估的参评指标，结合图1及2015年杭嘉湖平原河网调水试验的水质监测数据。参评的5个监测断面及其水质指标背景监测值见表1。

2 三角模糊风险分析法

三角模糊风险分析法是定义风险空间并进行风险管控的有效工具，根据三角模糊数学理论，以单个风险因子而言，设a，b，c分别为某一模糊变量的下极限值、目标可能值和上极限值，则3个一组数（a，b，c）构成一个三角模糊数。其中a，b，c为实数，相应的函数可以定义为

U0xc

x-ab-aa≤x≤b

c-xc-bb

（3）氨氮和总氮指标的风险率均维持在较高水平。氨氮浓度仅有1个断面风险率低于0.5，属于较低风险；2个断面风险率在0.8～1.0；2个断面风险率为1.0，属于高风险等级。总氮浓度的风险率与氨氮浓度的情况类似，有2个断面风险率处于0.5～0.8，属于较高风险，另有3个断面的风险率高于0.8，属于高风险。这表明2015年杭嘉湖平原河网调水试验对氨氮和总氮浓度的改善效果不佳，试验期间部分断面反复出现氨氮和总氮浓度高于背景监测值的情况。调水试验期间频发降雨等恶劣天气情况，带动太浦河沿岸及湖州地区的生活污水进入水体，是试验期间氨氮和总氮风险率居高不下的主要原因。

从地理位置上看，该研究选择的5个监测断面分别位于嘉兴市东西南北及中部，可以代表调水试验期间嘉兴河网空间上的水质风险概率分布：

（1）总体来看，调水试验期间，嘉兴河网南北向河道的风险率要小于东西向河道，从该研究参评的5个监测断面来看，南北向河道监测断面（汾湖、长山河桥）各个水质指标的风险率，除含氮类指标外，均处于较低水平。其中，汾湖断面的高锰酸钾指数风险率为0，氨氮风险率为0.366、溶解氧风险率仅为0.015。从地理位置上看，试验期间，汾湖断面主要承接太浦河的优质来水（图1）。因此，其水质指标的风险率很低，水质在试验期间较好；长山河桥断面位于长山闸上游的长山河，是试验期间嘉兴南排工程的主要排水河道。试验期间，长山河桥断面的总磷风险率为0，溶解氧的风险率也仅为0.32，表明调水试验期间，长山河桥断面在长山闸开闸拉动河网流动的有利条件下，其总磷浓度一直维持低于背景监测值，溶解氧浓度在试验期间也偶尔出现水质恶化的情况。

（2）东西向河道监测断面的水质风险率较南北向河道明显增大，西部入流断面太师大桥各项水质指标的风险率，除溶解氧为0.271，处于较低风险外，总氮指标大于0.50，其余3项指标均大于0.80，水质风险较高。这说明调水试验期间湖州地区进入嘉兴的水质情况一般，优质的太湖来水经过湖州地区之后存在水质下降的趋势。而东部的青阳汇断面除溶解氧外，其他4项水质指标的风险率均大于0.80，在调水试验期间存在较大的水质风险。

（3）调水试验期间，嘉兴市内河道的水质改善效果一般，从参评的西丽桥断面的各项水质指标风险率来看，其高锰酸钾指数和总磷的风险率为0.380和0.458，属于较低风险，氨氮、总氮和溶解氧的风险率则分别高达1.000、0.988和0935，由此判断，氨氮和总氮浓度在西丽桥断面长时间出现高于背景浓度的情况。西丽桥断面溶解氧的风险率明显不同于其他断面，这是由于西丽桥断面的溶解氧背景浓度高达4.33 mg/L，试验期间溶解氧浓度虽然也有较长时间维持高于4.00 mg/L的地表水 Ⅲ 类水标准，但11月16日左右因大雨、太浦闸流量调整及南排工程开度调整等各种因素综合作用下出现了2.10 mg/L的极低值，明显增大了西丽桥断面溶解氧浓度的风险率。

5 结论

（1）该研究利用模糊数学理论对2015年杭嘉湖平原河网调水试验过程中的水质风险进行了计算和评估。结果表明，调水试验中高锰酸钾指数和溶解氧的水质风险较小，总磷有一定的风险，氨氮和总氮的水质风险较高。

（2）在河道流动性、天气情况、水利工程调度情况等因素的综合影响下，调水试验中嘉兴市南北向河道水质风险较低，东西向河道水质风险较高，中部河道的水质风险最高。

（3）2015年杭嘉湖平原河网调水试验期间，太湖的优质水源从湖州和太浦河2个方向进入嘉兴市，在一定程度上改善了嘉兴河网的水质。但试验过程中，太湖的优质来水存在一定的沿程恶化情况，加之试验期间遭遇降雨等特殊天气，对调水试验效果产生了不利影响。在未来的杭嘉湖平原河网常态化调水实践中应对此给予高度关注。

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