基于物元分析的松花江省界缓冲区水质评价

郑国臣，王兆波，何佳吉，谷际岐

基于物元分析的松花江省界缓冲区水质评价

郑国臣1，王兆波2，何佳吉1，谷际岐3

（1．松辽流域水资源保护局，吉林长春130021；2.长春工程学院水利与环境工程学院，吉林长春130021；3.东北农业大学资源与环境学院，黑龙江哈尔滨150030）

根据实际监测数据，以松花江省界缓冲区2015年44个断面作为评价对象，选取化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、铜共5项水质指标，基于物元分析方法对松花江省界缓冲区进行水质评价。结果表明：松花江省界缓冲区水质总体状态良好，非冰封期水质劣于冰封期水质，下游水质劣于上游水质。

松花江；省界缓冲区；水质综合评价；物元分析

1 概况

省界缓冲区是为控制相邻省份水污染或上游对下游的水质影响，协调省际间的用水关系，一般为跨省、自治区行政区河流、省（区）边界河流、湖泊的边界附近等水域。省界缓冲区水质监测与评价，可以明确跨界污染责任，落实国家水资源保护政策，还可以加强水资源污染防治与预警，对协调省（区）际间建立和谐用水关系具有重要意义。为使省界缓冲区水资源保护工作全面到位，必须对省界缓冲区水资源质量监测工作进行系统研究，及时总结监测工作进展，为水行政主管部门开展水功能区水质达标评价工作提供科学可行的技术支撑。

松花江流域地跨黑、吉、蒙等省区，是中国东北重工业集中地和农牧业生产基地，冰封期每年长达5个月。松花江流域污染主要表现为点面源污染并重、城市污染排放较为集中、水污染事故风险高等特点。目前，松花江省界缓冲区水质评价主要采用单因子评价法。单因子评价法简单直观，但就综合水质评价而言，用最差的单项指标水质来决定水体综合水质情况，不能科学地评断其综合水质情况，综合水质评价已成为流域水环境质量评价中一个发展最快的方向。水质综合评价方法主要有物元分析法、模糊数学法、污染指数法等。这些水质综合评价方法各有优缺点，物元分析理论因其简便及可靠性，常常用于研究不相容问题，能够利用其物元模型将不相容问题转化为相容问题，可以对流域水质定量分析。采用物元分析法评价松花江省界缓冲区的水质情况，对松花江省界缓冲区水质的冰封期、非冰封期情况做出系统的分析。

2 物元分析法

2.1 物元的确定

物元理论以有序三元组RM=(M ，c，v)作为描述事物的基本单元，称RM=(M ，c，v)为物元。其中M表示事物；c表示事物的特征；v表示量值。在水水质综合评价中，需要确定3个物元集：经典域对象物元矩阵、节域对象物元矩阵、待评物元矩阵。

2.2 关联度的确定

式中：Kjvi是第i项水质指标对第j类水质的关联度；ρ(vi，vij)代表的距离；其中a，b分别是某一水质类别的上下限。

2.3 计算权系数

确定各水质指标对各水质类别的权重，计算综合水质对各水质类别的关联度。为了使权重系数更符合实际情况，需要对原始数据进行标准化处理。

式中：aij代表第i个水质指标对第j类指标的权系数；vij代表第i项水质指标第j类水质的取值范围，水质指标i对应第j类水质的权系数计算见表1。

表1 水质指标i对应第j类水质的权系数计算

2.4 水质类别的确定

求总关联度：

Kj(M)≥0时，完全符合被评价的类别，最大值对应的水质类别即为水质评价结果；-1≤Kj（M)＜0时，基本符合被评价的类别，最大值对应的水质类别，即为水质评价结果；当Kj()M＜-1时，为劣V类水质。

3 实例应用

3.1 监测样本的选取

选取2015年松花江省界缓冲区水质主要监测断面44个。根据实际测量的水质数据，选取化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、铜共5项水质指标作为松花江省界缓冲区水质评价指标。为了更全面地体现在2015年间44个水质断面的水质变化情况，选取2个特征明显的时间节点作为水质评价节点：冰封期与非冰封期。冰封期选取1，2月数据均值，非冰封期选取6—8月数据均值，分别对松花江省界缓冲区的冰封期与非冰封期水质进行分析。

3.2 物元矩阵的确定

根据GB3838-2002《地表水环境质量标准》确定5项监测指标的标准值，见表2。

表2 水质指标评价标准mg/L

则经典域物元矩阵为：

3.3 权系数的计算

根据式（1）（2）确定各个样本的关联度后，利用公式（3）确定水质指标的权重，见表3。

图1 松花江省界缓冲区2015年水质评价等级

表3 水质指标在不同水质类别的权系数

3.4 松花江省界缓冲区水质评价

按照上文的判定方法，对松花江省界缓冲区44个断面在2015年冰封期、非冰封期的水质情况进行类别分析，得到松花江省界缓冲区水质评价结果，见图1。

4 结论

综上所述，得到以下结论：松花江省界缓冲区断面水质情况总体较为良好，大多为Ⅰ—Ⅲ类水质。部分断面水质超标，其中龙家亮子断面在冰封期与非冰封期水质均达到Ⅴ类水质标准，水质较差；浩特营子、塔虎城渡口、同江断面在非冰封期水质均达到Ⅳ类；白沙滩、同江断面在冰封期为Ⅳ类水质，同江断面在冰封期与非冰封期水质均为Ⅳ类；从冰封期与非冰封期水质比较来看，松花江省界缓冲区非冰封期水质明显劣于冰封期水质，主要污染指标是农业面源污染，氮磷污染严重；从松花江省界缓冲区监测断面上下游的空间来看，从加西到原种场，多数断面水质为Ⅰ类，而从两家子水文站到同江断面，Ⅱ类到Ⅲ类水质居多，因此，松花江流域上游水质明显优于下游。

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X824 < class="emphasis_bold"> ［文献标识码］B

B

1002—0624（2017）12—0025—03

2017-05-08