基于水质评价综合模糊优化法对广州市猎德涌引清调度工程水质改善效果的研究

杨 娟

(广州市河涌管理中心，广东 广州 510640)

随着水生态文明的大力推进，城市河涌的水环境和水景观问题受到了全社会的普遍关注，实行调水补水是治污截污前提下改善城市河涌水环境和水景观的一种常见且有效的措施，但对于水质改善效果缺乏符合客观实际、操作简便的评价。本文以广州市猎德涌补水工程为例，利用综合模糊优化法对其水质改善效果进行定量评价。

1 研究背景

1.1 猎德涌补水工程概况

猎德涌补水工程隶属于广州市北部水系建设沙河涌等3条河涌联合补水工程。工程按提水—输水—蓄水—补水的工艺流程，通过对沙河涌、猎德涌、车陂涌补水，解决截污后河涌露底和无流动水现象。枯水期，该工程通过从珠江前航道抽水引至长虹调蓄湖，再从长虹调蓄湖抽水补给猎德涌。

1.2 猎德涌水资源概况

猎德涌流域范围内没有水文观测站，无历史实测水位、流量资料，区域内河流受潮汐影响，无实测径流资料，河道天然径流主要来自于降雨。根据《广东省水文图集》(1991年)径流深查算图表，多年平均径流深975mm，根据猎德涌流域面积，推算河涌的多年平均径流量，见表1。

表1 猎德涌天然径流量计算成果

根据广州市全年降雨分布可知，猎德涌在每年10月至次年3月枯水期无雨工况下，河涌主要水源来自于长虹湖补水，当长虹调蓄湖未补水时，猎德涌中上游(不受潮汐影响河段)河道内几乎没有水流，河道干涸，水深较浅，水体不流动，水流态较差;当长虹调蓄湖补水时，上中游河道水深40～70cm，流速较大，水流态较好。

1.3 区域概况

1.3.1 猎德涌地理位置

猎德涌是位于广州新轴线且唯一流经广州珠江新城(CBD)的非人工河涌，地理位置优越，距广州最繁华商务圈太古汇、万菱汇直线距离仅1.2km，距广州电脑城岗顶百脑汇仅1km，距广州市地标性建筑广州塔也仅1km；交通便利，猎德涌半径1km范围内有5个地铁站、20个公交站。

1.3.2 猎德涌流域概况

猎德涌发源自广东省农业机械工业公司，东到玉树尖峰岭，吉山狮山，前进深涌一带，与黄埔区相连；南到珠江，与海珠区隔江相望；西从广州大道、杨箕、先烈东路、永福路、沿广深铁路方向达登峰，与越秀区相接；北到筲箕窝，与白云区和黄埔区相接。猎德涌河口已建水闸，干流全长4.4km，下游现状河宽10～25m。流域集水面积为14.1km2，上游广深铁路以北较高为丘陵地区，广深铁路以南地势平坦。

1.3.3 猎德涌潮汐概况

猎德涌位于珠江感潮河段，潮汐性质属不规则半日潮，即在1个太阴日(约24h50min)里会分别出现两次高潮和低潮，且相邻的潮位和潮流历时均不相同。潮位过程线呈不对称正弦曲线形状，其特点为涨潮历时短，落潮历时长。由于受径流影响，年最高潮位多出现在汛期。

2 猎德涌补水工程水质现状调查与评价

在掌握猎德涌相关区域概况的基础上，为深入探讨猎德涌现状补水模式与水质改善效应的关系，利用水质评价综合模糊优化模型，对现状不补水方案以及几种补水流量下河涌各典型断面的水质开展评价。

2.1 猎德涌水质现状调查

通过对猎德涌各段的水质感官情况进行了解，发现猎德涌上游河段水体流动性好，水体呈现浅灰绿色，河底抛石；中游河段水面较宽，水体流动性一般，水体呈现墨绿色，水质较脏；下游河段水深较深，达2m，水体流动受下游潮汐影响，无异味，水体呈现墨绿色。

为进一步细致掌握猎德涌水质现状及补水前后水质变化情况，本次研究分别于2018年11月3、4、5日,现场对猎德涌上、中、下游4个典型断面(广东水院LDC4+270、天河北路LDC3+640、海欣街LDC2+300、花城大道LDC0+830)进行了水质检测和采样分析，其中溶解氧、氧化还原电位、透明度3个指标为现场检测，氨氮、总磷为采集水样后送检，检测位置见图1。

图1 猎德涌现状水系检测点位分布

因猎德涌补水泵站为单一流量，无法调节补水流量，结合猎德涌补水路径沿途实际情况，利用华工西湖双向阀门对猎德涌补水流量进行调节，即在检测前一天与华南理工大学沟通将华工西湖库容预腾空，检测当天利用阀门双向的开度对猎德涌补水流量进行调节，多余来水汇入华工西湖，待各断面各检测值稳定后读取数据、采集水样。猎德涌补水管位置见图2，水质现状检测计划见表2。

表2 猎德涌水质现状检测计划

图2 猎德涌补水管布设位置

因该检测为现场实际检测，受天气状况、检测设备、相关工作人员操作经验等客观因素影响，出现了下列情况：

a.11月3日天气小雨，由于对水质有影响，因此当天所检测的数据不能用于水质评价。

b.在现场检测的过程中发现，氧化还原电位检测值不稳定，读数不断下降，无法取值。经综合考虑，本次研究不将其纳入水质分析指标。

因此，本次检测可用数据为11月4、5日氨氮、总磷、溶解氧、透明度。水质检测结果见表3。

表3 猎德涌现状水质检测结果

注因猎德涌中上游水深较浅，因此刻度尺放至涌底均为透明。

2.2 猎德涌水质改善效果评价

2.2.1 水质评价方法

对猎德涌的现状水质进行检测、评价是开展本次研究、优化补水方案的基础性工作，利用合理、有效的评价方法，既可反映猎德涌现状补水模式下的水体质量，又可为后续建立水动力水质模型提供边界条件，为比选最佳补水方案提供参考和依据。

目前比较常用的河湖水质评价方法有单因子评价法、水污染指数法[1]、主成分分析法[2]、模糊综合评价法[3]等。单因子评价法可以合理地识别主要污染指标[4]，即以待评价水体中最差的单项指标所属的水体级别来作为该水体水质综合类别。水污染指数法可以定量地评价水质[5]，是基于单因子评价法的评价原则，用内插方法计算得出某一断面每个参加水质评价项目的WPI，取最大WPI 作为该断面的WPI[6]，更适用于小流域水体的定性定量评价。主成分分析法是一种降低维度的处理方法，通过将原来具有一定关联性的变量重新合成新的少数几个相互独立的、能反映原变量大部分信息的综合变量，且分析需要数据呈正态分布才能合理分析，以保证分析的准确性[7]。以模糊矩阵和隶属度概念为基础的模糊综合评价法是应用广泛的水质评价方法，该方法通过找出影响水质的关键因素，通过计算其各自的隶属度和权重，得到综合隶属度，并以此判断水质级别[8-9]。

模糊综合评价法既能考虑分级模糊性，又可为各参数在总体污染中的贡献量给予不同权重，从而使结果更为客观可信。但其复合运算过程中取值运算的结果并未对中间项进行充分的思考，从而导致了评价精度降低，结果平均化。本次研究拟采用综合模糊优化模型[3]，直接考虑各采样点隶属于各水质级别标准的隶属度，并把它作为权重，以各样本与各级标准之间的加权广义距离和最小为目标函数，求出各采样点的水质级别隶属度，取最大隶属度所对应的级别为该采样点所属的水质级别，充分克服上述缺点，把所有样本作为一个整体考虑，使得水质评价结果更为客观、符合实际[3]。

2.2.2 综合模糊优化模型原理

设某河涌有n个待评估的采样样本，每个样本有m项参数指标，即有m×n阶水质参数指标实测浓度矩阵:

(1)

i=1,2,…,m，j=1,2,3,…,n

式中：cij为污染物浓度,mg/L。

以《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)为分级评价标准，m项参数的t级分级标准浓度值可以组成m×t阶分级标准浓度矩阵，即

(2)

i=1,2,…,m，l=1,2,3,…，t

对于浓度越大、水质越差的参数隶属度采用

(3)

对于浓度越大、水质越好的参数隶属度采用

(4)

得各样本参数污染隶属度矩阵：

(5)

鉴于本研究氨氮、总磷、溶解氧3个指标对水质评价同等重要，因此三者等权重。将式(2)～(5)作归一化处理，将其压缩在[0,1]区间，得归一化的指标综合权重矩阵:

(6)

再根据式(7)把分级标准矩阵转化为分级标准模糊矩阵(8):

(7)

式中：i=1,2,…,m；l=1,2,…t。

(8)

矩阵(8)的意义也可以表达为分级标准的标准权重矩阵。

第j个采样样本的超标权重向量表示为

(9)

第l个采样样本的超标权重向量表示为

(10)

设第j个样本隶属于l级标准的隶属度为ujl，则n个样本对t个级别水质评价标准的隶属度以模糊矩阵(11)来表示：

(11)

式中：j=1,2,…,n；l=1,2,3,…，t。

(12)

计算出隶属度矩阵Un×t后即可从每个采样样本中选出一个最大值，其对应的评价级别便是该样本所属的水质级别。

2.2.3 猎德涌不同补水工况下水质评价

a.猎德涌未补水工况下水质评价。根据表3猎德涌11月5日未补水工况下4个采样点检测数据，取每个样本中的最大隶属度所对应的等级为该采样点所代表断面未补水工况下的水质级别，各样本所属等级见表4。

表4 猎德涌流域未补水工况下各断面所属水质级别

由表4可知，猎德涌未补水工况下，上游为劣Ⅴ、下游为Ⅴ类水体，分析原因有：下游受感潮影响，污染物受到稀释，浓度降低。下游水深较深，取水样时采集中上层水质，未受底泥影响；上游水深较浅，取水样时受到底泥影响。

b.猎德涌补水工况下水质评价。根据表3猎德涌11月5日1.0m3/s补水工况下4个采样点检测数据，取每个样本中的最大隶属度所对应的等级为该采样点所代表断面补水工况下的水质级别，各样本所属等级见表5。

表5 猎德涌流域11月5日1.0m3/s补水工况下各断面所属水质级别

同理，猎德涌11月5日0.8m3/s补水工况下，各样本所属等级见表6。

猎德涌11月5日0.6m3/s补水工况下，各样本所属等级见表7。

表6 猎德涌流域11月5日0.8m3/s补水工况下各断面所属水质级别

表7 猎德涌流域11月5日0.6m3/s补水工况下各断面所属水质级别

猎德涌11月4日0.8m3/s补水工况下，各样本所属等级见表8。

猎德涌11月4日1.0m3/s补水工况下，各样本所属等级见表9。

表8 猎德涌流域11月4日0.8m3/s补水工况下各断面所属水质级别

表9 猎德涌流域11月4日1.0m3/s补水工况下各断面所属水质级别

3 不同补水工况对比分析

3.1 补水与未补水工况对比分析

根据表4、表5、表9，对未补水工况与1.0m3/s补水工况进行对比，由表10可知，猎德涌在未补水工况下，除LDC0+830花城大道段受珠江感潮影响为V类水外，其余3个断面均为劣V类水；在1.0m/s补水工况下，除11月4日LDC0+830花城大道段受潮汐水质影响为劣V类水外，其余均为V类。说明补水工况下，猎德涌水质明显优于未补水工况。猎德涌11月5日未补水、补水工况各断面水质现状对比见图3。

图3 猎德涌流域11月5日未补水、补水工况下各断面水质级别对比

表10 猎德涌各采样点水质评价等级统计

3.2 不同补水流量工况进行对比分析

为探讨不感潮段河涌水质与流量的关系，此处分别选取猎德涌上游段LDC4+270广东水院、LDC3+640天河北路两个断面11月4、5日进行对比分析结果。对比结果见表11、表12。

表11 LDC4+270广东水院断面不同补水流量水质评价结果对比

由表11对比分析可知，尽管1.0m3/s流量与0.8m3/s断面水质评价均为Ⅴ类水体，但1.0m3/s流量的Ⅴ类水体隶属度略低于0.8m3/s流量，说明水质更优。因此，补水流量越大，水质越优。

表12 LDC3+640天河北路断面不同补水流量水质评价结果对比

由表12对比分析可知，1.0m3/s流量断面水质明显优于0.8m3/s流量，而0.6m3/s水质优于0.8m3/s是由于0.6m3/s检测时间晚于0.8m3/s，经过0.8m3/s、1.0m3/s流量补水检测，河涌水质得到一定程度改善。同时，再对11月5日1.0m3/s与0.6m3/s同为Ⅴ类水体的隶属度进行比较分析，发现1.0m3/sⅤ类水体隶属度低于0.6m3/s，说明1.0m3/s补水流量水质优于0.6m3/s补水流量水质。因此，补水流量越大，水质越优。

4 结 语

综合以上分析可知，不同补水模式对猎德涌水质改善效应不同，具体结论如下：

a.对补水前后进行比较分析，未补水工况下，除LDC0+830花城大道段受珠江感潮影响为Ⅴ类水外，其余3个断面均为劣Ⅴ类水；补水工况下，绝大多数断面为Ⅴ类水。由此可知：补水工况下水质明显优于未补水工况。

b.对不同补水流量进行比较分析，除受检测时间段前后的影响外，基本为补水流量越大，水质越优。

c.经综合统计11月4日0.8m3/s、1.0m3/s补水流量及11月5日0.8m3/s、1.0m3/s补水流量水质评价结果，1.0m3/s补水流量工况下，水质评价级别为Ⅴ类水体的为87.5%、劣Ⅴ类水体的为12.5%；0.8m3/s补水流量工况下，水质评价级别为Ⅴ类水体的为50%、劣Ⅴ类水体的为50%。再次证明，补水流量越大，水质越优。