沋河湿地水环境质量综合评价

权轻舟

摘要：以陕西省沋河水库2011—2015年监控断面水质为研究对象，在野外调查、收集和分析资料的基础上，引入基于熵权的水环境质量模糊物元评价模型对沋河水源地的水环境质量进行了综合评价。结果表明，沋河水库2011—2015年水质等级均符合《地表水环境质量标准》I类标准，水质良好，2013年水质综合评价等级最高。

关键词：沋河湿地;水源地;水环境质量评价;沋河水库

中图分类号：X522         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）21-0076-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.21.016

Abstract： Taking monitored sections water quality of Youhe river from 2011 to 2015 as the research object， a comprehensive evaluation of water quality was made through the introduction of fuzzy matter element evaluation model of water environmental quality which is based on entropy on the basis of data collection and analysis through field investigation， data collection and analysis. The results showed the water quality of Youhe river from the year of 2011 to 2015 met the first class of water environmental quality standard， with the best water quality in 2013.

Key words： Youhe wetland; water source; water environment quality evaluation; Youhe reservoir

随着工农业的发展和人口的增加，进入水体环境中的污染物质越来越多，这些污染物给人类生产生活环境和人体健康造成了许多危害。随着经济的快速发展，人口数量的剧增，农业活动的频繁，污染控制工程的滞后，国内许多地方的水质污染现象比较严峻。岳霞等[1]研究发现目前部分水域的污染治理行之有效，但全国七大水系总体呈现出轻度污染的特点。中国从20世纪中期就开始对国内主要河流、湖泊（水库）水质进行安全评价[2]。近年来，国内学者在水环境污染方面对重金属污染研究做了大量工作，相继对长江[3，4]、黄河[5，6]、海河[7]、太湖[8-10]、巢湖[11，12]等水体开展了水质现状分析，多数研究发现国内水环境污染现象愈发严重。

据中国环境监测总站在2014年1月发布的全国地表水水质月报数据显示，全国388条河流的701个断面中，68%断面属于Ⅰ～Ⅲ类、20%属于Ⅳ～Ⅴ类，12%属于劣Ⅴ类水质，主要的污染因子为氨氮（NH3-N）、重铬酸盐指数（CODCr）、5日生化需氧量（BOD5）、总磷（TP）和高锰酸钾盐指数（CODMn）。十大河流体系，西北诸河、珠江流域和西南诸河总体上是较优水质，长江流域水质总体上属于良好状态，松花江流域、辽河流域、浙闽片河流以及淮河流域在总体上属于轻度污染水质，黄河在总体上属于中度污染水质[13]。中国的水资源现状不容乐观，据国家水利部发布的《2015年中国水资源公报》数据显示，2015年全国23.5万km的河流水质评价结果为全年Ⅰ类水河长占评价河长的8.1%，Ⅱ类水河长占44.3%，Ⅲ类水河长占21.8%，Ⅳ类水河长占9.9%，Ⅴ类水河长占4.2%，劣Ⅴ类水河长占11.7%。从水资源分区看，Ⅰ～Ⅲ类水河长占评价河长比例为西北诸河区、西南诸河区在97%以上;长江区、东南诸河区、珠江区为79%～85%;黄河区、松花江区为66%～70%。从行政分区看，Ⅰ～Ⅲ类水河长占评价河长的比例为重庆、新疆、西藏、湖南等省（自治区、直辖市）在90%以上;陕西、吉林、黑龙江、安徽、河南省为50%～70%。因此，开展水环境质量评价是非常必要的工作，它能够科学评判当前中国不同河流水系的水环境遭受的现状情况，为水环境治理和保护提供数据支撑，进而为国家和区域水环境开发利用和治理保护提供决策依据。

水环境质量评价是按照水环境评价目标，选择相应的水质参数、水环境质量标准和评价方法对水体的利用价值作出评定。一般采用国家或地方政府颁布的水质标准作为评价标准。目前对水质评价所应用的方法有单因素评价法、综合污染指数法、灰色关联分析法、层次分析法、模糊综合评价法等。相对于其他方法，模糊综合评价法通过使用权重，综合考虑了各种因素对评价结果的影响，因此其评价结果更加符合实际[14]。在模糊综合评价中，权重对评价结果有重要影响。现有的模糊综合评价法需要对每个对象的每个指标计算其超标程度，计算量较大，并且也无法把重金属间的相关性反映在权重的计算过程。部分研究者通过采用综合权重法和熵权法来计算权重，并且与单项评价指标权重法进行比较，发现综合权重法和熵权法比单项评价指标权重法相对较好，而且利用熵权法只需计算一次就能得到评价区域中各个指标的权重，大大地减少了评价工作所需的工作量[4]。模糊物元方法能解决多级别、多目标的水环境质量评价问题，评价中引入熵权理论确定评价指标的无偏好权重，以欧式贴近度确定水质等级，既能比较全面地反映各指标对地表水环境的影响程度，又能使评价结果更客观、更符合实际[15]。

在诸多水质分析方面的研究中，陕西境内的相关研究比较集中，主要围绕渭河流域开展了水质现状分析[16-22]。其中张嘉嘉等[16]的研究表明，NH3-N是渭河流域水环境的主要污染因子之一，污染源既有点源，也有非点源，且以非点源为主，点源以化肥工业废水和城镇生活污水为主，非点源则以农业使用化肥后的灌溉退水以及水土流失为主;渭河化学耗氧量（COD）污染以点源为主，点源以工业废水和城镇生活污水為主。而李家科等[20]的研究结果显示，渭河干流关中段主要污染物为COD、NH3-N和总氮（TN）。易文利[18]运用模糊综合评价法对渭河宝鸡段6个断面的水质进行综合评价，结果表明，所有断面水质达到功能区所要求的水质类别，存在一定的有机污染。周璐红等[17]同样应用模糊综合评价法分析了渭河陕西段的水质在时间上和空间上的变化趋势，结果认为渭河陕西段的污染在逐年加重，且咸阳污染最严重，渭南次之。武玮等[22]针对渭河流域采用多种方法取样分析结果表明，渭河的水质情况最差，而渭河南岸支流水质最好。沋河作为渭河南岸支流中较大的一支，近年来针对其水质现状开展调查分析的报道较为缺乏，急需开展此方面的分析研究。为此，本研究以城市居民主要饮用水源地的沋河为研究对象，开展水环境质量综合评价。该研究的开展不仅对于保护渭南城区饮用水源地、确保居民生活用水安全具有重要的现实意义，也为沋河水源地与沋河流域生态环境保护提供一定的管理与决策依据。同时，基于上述方法的优缺点，本研究利用熵权法赋权确定各监测指标权重，使评价结果更客观、全面和合理，有效地克服了单因子评价法的不足与主观赋值的影响。引入模糊物元方法，结合熵权和欧氏贴近度理论，建立基于熵权的水环境质量模糊物元评价模型，选取评价指标，应用模糊物元模型对沋河水库监控断面2011—2015年的水环境质量进行了综合评价。

1  材料与方法

1.1  研究区概况

沋河是渭河的主要支流，全长41.5 km，全流域面积269.5 km2。位于34°15′—34°32′E，109°30′—109°35′N。整个流域形状为南北长、南宽北窄、中间仅5.5 km的葫芦形。流域内地势南高北低，比降34.7%，落差较大。沋河流域地处暖温带半湿润大陆性气候区，气候特点为冬寒干燥少雨雪，春暖多变升温快，夏热多雨有伏旱，秋凉气爽阴雨多。流域区年平均降水量为790 mm，且多集中于汛期，7—10月降雨量占全年的60%左右。

沋河水库是渭南市城市水源保护地，位于沋河干流上，坝址位于沋河下游的蒋家村，距离渭南市区4.5 km。水库于1963年投入使用，目前是一座以城市供水为主、兼顾防洪和农业灌溉的综合性中型水利枢纽工程。1999年经陕西省政府批准设立了沋河水库地表水饮用水源保护区，水源保护区范围包括黄土台塬区和丘陵沟壑区沋河集水区，南北从水库大坝至沋河源头以及箭峪水庫及其集水区，总面积约255.1 km2[23]。

水源地保护区内居住着14个自然村的村民，农村垃圾及废弃物随意堆放，生活污水直接或间接排入水库内，耕地施肥经雨水冲刷也进入库区;库区东西两岸分别有西南铁路、渭花公路穿越一类保护区并长距离经过流域，货物运输、旅客、游人也给水源带来一定程度的污染，特别是一、二类保护区距离渭南城区仅数千米，春夏季市民来此钓鱼游乐也给水源地造成一定程度的污染[13]。可见，对沋河水源地水环境质量现状进行综合评价是非常必要的。

1.2  资料来源及因子选取

依据《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002），利用2011—2015年渭南市沋河水库水环境质量监测数据，综合考虑沋河水质的主要影响因子，选取了溶解氧（DO）、高锰酸盐指数、化学需氧量、5日生化需氧量、氨氮、总磷和总氮等7项评价指标，应用模糊物元模型对沋河水库监控断面的水环境质量进行综合评价。

1.3  方法

1.3.1  模糊物元的基本概念  在物元分析中，由事物M、特征C和量值x 3个要素组成物元R，若量值x具有模糊性，则将R称为模糊物元。由此，n个事物的m维物元组成复合模糊物元Rnm。

1.3.2  从优隶属度的计算  将从优隶属度μji定义为各单项指标对应的模糊量值从属于标准方案对应的模糊量值的隶属程度，由各从优隶属度μji组成从优隶属度矩阵R′nm。

为了构建较优化的隶属度模糊物元，需制定单项从优隶属度原则，即以单项指标的从优隶属度作为标准来衡量。从优隶属度是各单项评价指标相应的模糊量值从属于标准样本所对应的各评价指标相应模糊量值的隶属程度。对于越大越优型和越小越优型指标可分别采用式（3）和（4）计算从优隶属度[15]。

式中，xji代表第j个事物中第i项评价指标对应的量值，maxxji、minxji分别代表各评价样本中第i项评价指标所对应的所有量值中的最大值和最小值。

1.3.3  标准模糊物元和差平方矩阵的计算  标准模糊物元R0m是指从优隶属度矩阵Rnm中的最大值或最小值。若以Δji（i=1，2，…m，;j=1，2，…，n）表示标准模糊物元R0m与从优隶属度矩阵R′nm中各个元素的差的平方，则差平方矩阵RΔ可表示为：

1.3.4  熵权系数的计算  由于水环境质量评价指标的重要程度不同，因此需要确定其权重。在信息论中，熵值反映信息无序化程度，其值越小，系统无序度就越小，因此可用信息熵评价所获系统信息的有序度及其效用，即由评价指标值构成的判断矩阵来确定指标权重。

熵权系数的具体计算步骤[24]：

设由n个事物和m个评价指标组成判断矩阵R。

1.3.5  贴近度（综合评价优劣度）的计算  利用欧式贴近度来表示被评价样本与标准样本的接近程度，从而对各方案进行优劣排序或类别划分。欧式贴近度的复合模糊物元矩阵RPH的表达式：

式（15）中，PHj为贴进度模糊物元矩阵RPH中的第j个贴近度，并且满足以下条件：

贴近度越大，表示被评价样本与标准样本越接近，反之则相离越远，因此可以利用贴近度来表示被评价样本的环境质量与标准样本的差别程度。

2  结果与分析

2.1  相关性分析

依据2011—2015年渭南市沋河水库水环境质量监测数据，采用SPSS19.0对各评价指标的含量进行描述性统计与相关性分析。除DO、COD和BOD5达到《地表水环境质量标准》Ⅰ类标准值外，其余5项指标均符合《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准，其中CODMn和COD在2011—2015年的年均值变化幅度较大，pH、DO、BOD5、NH3-N、TP、TN总体变化较小，具体见表1。

从表2可以看出，BOD5与CODMn极显著正相关（r=0.994，P<0.01），TN与NH3-N显著正相关（r=0.914，P<0.05）;沋河水源地监测断面水体中的BOD5与CODMn、TN与NH3-N之间存在同时增高的现象，表现出相似的迁移规律，在一定程度上呈现复合污染的趋势，且几种污染可能存在相似来源。

2.2  水环境质量综合评价

选取2011—2015年渭南市沋河水库水环境质量监测数据中DO、CODMn、COD、BOD5、NH3-N、TP和TN 7项评价指标，将5年沋河水库的监控断面和5级水环境质量标准（GB 3838-2002）作为10个事物，7个污染物浓度指标作为7个特征，组成复合模糊物元，具体见表3。

选取的水环境质量7项指标中DO为正向指标，其他6项为负向指标，因此可利用式（3）和式（4）分别计算量值的从优隶属度。取从优隶属度矩阵中的最大值组成标准模糊物元，即各指标从优隶属度均为1，得到差平方复合模糊物元，见表4。

由10个事物和7个评价指标组成判断矩阵，利用式（8）、式（9）将判断矩阵中的元素进行归一化处理，将结果代入式（12）和式（10），得到评价指标的熵值，然后代入式（13）得到评价指标的权重系数，见表5。

最后，将评价指标的熵值和权重系数代入式（16）中，得到欧式贴近度，由此得到2011—2015年沋河水库水环境质量的综合排序，具体见表6。

由表6可知，沋河水库监控断面2011—2015年的水环境质量的优劣排序为2013年>2015年>2011年>2014年>2012年，其中2013年水质综合评价等级最高，接近《地表水环境质量标准》Ⅰ类标准的最高值，2012年属于评价年度里等级最低者，但同样属于《地表水环境质量标准》I类标准，且与II类标准相应指标相差较大，可见评价对象在2011—2015年水质等级均较高，同时完全符合《生活饮用水卫生标准》，作为居民饮用水源地，沋河水庫的保护成果较好。测试水体水质良好，这与水源地处在农村、远离城市与工业园区、周围多为农业用地等现状有关，污染物来源相对较少，主要为地表径流与少量农业面源污染。结合实地走访，建议相关部门重视沋河流域农业生产大量施用化肥、农药的现状，加强监测与管控，保障饮用水源地的用水安全。

3  小结

1）对2011—2015年沋河水源地的水环境质量评价和主要污染物的趋势分析表明，沋河流域水质良好，且一直保持稳定状态，2013年水质最佳。

2）被测水体水质主要污染物来源为溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量和5日生化需氧量，其中高锰酸盐指数和化学需氧量在2011—2015年的年均值变化幅度较大，在水质综合评价中的贡献率较高。

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