基于模糊综合评价的长江中游水质分析

董春燕，周运涛，李君轶，杨海乐，喻亚丽，沈 丽，吴金明

(1.中国水产科学研究院长江水产研究所，武汉 430223；2.贵州大学动物科学学院，贵阳 550025)

长江为我国最大的河流，长江干流穿越12个省(自治区/直辖市)，最终汇入东海；长江中游江段从湖北宜昌至江西湖口，江段全长900多千米，鱼类资源丰富，经济种类多，是青鱼、草鱼、鲢、鳙“四大家鱼”及其他主要经济鱼类的繁殖地和栖息地[1-4]。近年来，社会经济的快速发展及人类活动的加剧使长江中游水体承受巨大环境压力。长江的水质主要受水文、气象、底质等自然因素和废水排放、水利设施等人类活动两方面的影响[5-6]。2018年4月在推动长江经济带发展座谈会上习近平强调坚持共抓长江保护，不搞大开发，湖北省也提出九大行动助力长江大保护，长江水质状况受到国家和地方的重视。

地表水水质评价方法主要有综合污染指数法、灰色聚类分析[7-8]、单因素评价法密切值法、加权或算术平均法、模糊综合评价法[9-11]等，其中模糊综合评价法能够客观地反映水质的实际状况，解决水质综合评价中的污染程度、水质类别等一些客观存在的模糊概念和模糊现象。目前，模糊综合评判法已成为水质综合评价的一种常见方法，是定量研究水质的一种有效手段。本研究利用模糊综合评价法，对长江中游干流地表水水质状况进行了综合评价，得出水质状况，以期为推动长江水质保护提供理论基础。

1 材料方法

1.1 采样点

采样点确定的原则是在水面宽度≤50 m时设置中泓一个采样点，水面宽度50～100 m时设置近左右岸有明显水流处的两个采样点，当水面>100 m时设置左中右三个采样点。以此确定长江中游江段的宜昌市江段、石首市江段、洪湖市江段、武汉阳逻江段、湖口县江段等5个断面15采样点。并于2018年1、4、7、10月分别开展相应的野外调查采样工作(图1)。

1.2 样品采集

图1 采样位点示意图Fig.1 Location of the sampling stations in the surveyed river section

1.3 数据分析

1.3.1 采用SPSS18.0 进行方差分析、使用GraphPad Prism5软件作图。

1.3.2 模糊综合评价方法

模糊综合评价方法是以模糊数学为基础，其基本原理可表述如下：设有n件事物的某一特征等待评价，这n件事物构成对象集X={x1,x2,…,xn}，又知因素集U={u1,u2,…,un}和评价集V={v1,v2,…,vm}。设对因素的权重分配为V上的模糊子集A，计为：A={a1,a2,…,an}。式中，ai为第i个因素ui所对应的权，其一般均规定为：

对第i个因素的单因素模糊评价为V上的模糊子集Ri={ri1,ri2,…,rim}，于是单因素评价矩阵R为：

R=r11r12…r1m

r21r22…r2m

rn1rn2…rnm

则对该评价对象的模糊综合评价B是V上的模糊子集：

B=AΘR

(1)

式中，“Θ”为算子符，再根据最大隶属度原则便可确定被评价对象的评价等级。

1.3.2 评价标准与评价因子的选择

采用GB 3838-2002《地表水环境质量标准》为评价标准，并选择在水质监测结果中主要的污染指标作为评价因子[13-15](表1)，建立因子集，同时根据相应的标准划分的水质级别确定评价集。

表1 地表水环境质量标准限值Tab.1 Environmental quality standard and ranking for surface water mg/L

在本评价中，具体选择了长江中游5个断面地表水监测断面的5 个评价参数：DO、CODMn、NH3-N、TP、TN作为评价因子，各监测断面的各监测指标的实测值见表2，这些监测值取自各监测断面2018年的监测数据年均值。通过这些数据，我们建立了因子集U={DO、CODMn、NH3-N、TP、TN}；确定评价集V ={ I、II、III、IV、V}，把河段的水质划分I、II、III、IV、V五类；污染程度相应为清洁、未污染、轻污染、中污染和重污染。

1.3.3 建立隶属度函数及隶属度矩阵

对各级水质的隶属程度样本是用隶属度来刻化的，隶属度用隶属函数u(x)表示，其只能在[0,1]区间连续取值，即0≤u(x)≤1。按各指标隶属各水质等级，确定出不同的隶属函数如下：第j个指标对第Ⅰ类水，对指数越大污染越重的指标：

1x∈[ 0 ，aj，1 ]

(a)uj1(x)=(aj，2-x)/(aj，2-aj，1 )x∈(aj，1，aj，2 )

(2)

0x∈[aj，2 ，∞ ]

对数值大污染越轻的指标：

1x∈[ 0 ，aj，2 ]

(a)uj1(x)=(x-aj，2 )/(aj，1-aj，2)x∈(aj，2，aj，1)

(3)

0x∈[aj，1，∞]

第j个指标对第k类水(k=2，3，…，k-1)，对数值越大污染越重的指标：

(x-aj，k-1)/(aj，k-aj，k-1)/x∈[aj，k-1，aj，k]

(a)ujk(x)=[aj，k+1-x)/(aj，k+1-aj，k)x∈(aj，k，aj，k+1]

(4)

0x∉[aj，k-1，aj，k+1]

对数值越大污染越轻的指标：

(x-aj，k+1)/(aj，k-aj，k+1)/x∈[aj，k+1，aj，k]

(a)ujk(x)=[aj，k-1-x)/(aj，k-1-aj，k)x∈(aj，k，aj，k-1]

(5)

0x∉aj，k+1，aj，k-1]

第j个指标对第V类水，对指数越大污染越重的指标：

1x∈[ 0 ，aj，4 ]

(a)uj5(x)=(x-aj，4)/(aj，5-aj，4)x∈(aj，4，aj，5)

(6)

0x∈[aj，5，∞]

对数值越大污染越轻的指标：

1x∈[0，aj，5]

(a)uj5(x)=(aj，4-x)/(aj，4-aj，5)x∈(aj，5，aj，4)

(7)

0x∈[aj，4，∞]

以上各式中，x表示某一监测断面第j项监测指标的实测值，aj、k表示第j项监测指标对第k类水的标准限值。按照上列公式分别建立各因子的隶属函数，然后将相应的实测值代入，即可得到各水质监测断面的隶属度矩阵。以李码头监测断面为例，得到其隶属度矩阵为：

1.3.4 确立各监测指标权重及计算模糊综合评价

在进行地表水水质的模糊综合评价时，水质的各项监测指标的重要性可能相同，也可能不同，因此，需要考虑评价指标的权重W，对数值越大污染越重的指标，第i项指标的权重为：

Wi=ci/Si

(8)

对于数值越大污染越轻的指标，其权重为为：

Wi=cSi/ci

(9)

式中，ci为第i项指标的实测值，Si为第i项指标的标准限值。使用公式(8) 、(9) 计算出来的权重值可能大于1 ，因此需要使用下式对各单项权重进行归一化处理：

(10)

式中，Ai为第i项监测指标的归一化后的权重值，n为评价中所采用的监测指标数。经过归一化处理后的权重计算结果见表2。

表2 各评价参数的权重Tab.2 Weights of each evaluation parameters

续表2

最后，利用公式(1)进行模糊综合评价的计算，得到长江中游各水质监测断面的模糊综合评价集，仍以宜昌庙嘴监测断面为例：

=[0.746 9 0 0.293 6 0.472 7 0.297 0]

2 结果与分析

2.1 监测结果

采样期间,长江中游干流水体环境监测结果(表3)，综合长江中游的监测指标，水质理化指标反映河流水质的瞬时状态，对长江中游干流的水质理化指标进行分析，水温季节性变化明显，7月、10月要高于1月和4月。DO含量范围为6.76～10.46 mg/L，达到渔业水质标准要求。营养盐指标中，各采样点TN含量均高于1.0 mg/L，最大值达到2.93 mg/L。不同月份水体TP含量均值表现为1月(0.29 mg/L)>7月(0.22 mg/L)>10月(0.16 mg/L)>4月(0.15 mg/L)的变化趋势，其中洪湖和阳逻样点年均TP含量较高，在0.20 mg/L 左右；测得NH3-N也在标准范围内，长江中游的水质状况呈现为良好状态(图2)。

表3 长江中游水质监测结果Tab.3 Water quality monitoring results in the middle reaches of the Yangtze River

2.2 方差分析结果

经过分析，在相同断面不同季节和相同季节不同断面溶解氧都着存在着显著性的差异(P<0.05)(图2)，而总氮与总磷不管是在相同断面不同季节还是相同季节不同断面都表现为差异不显著(P>0.05)(图2)，根据以下图表及数据可得，溶解氧受季节变化较大，冬季含量较高；总氮、总磷在长江中游没有明显的断面和季节差异说明长江中游富营养化程度在此江段没有明显的升高和降低趋势，长江中游江段受到的氮磷污染相对偏低。

2.2 模糊综合评价

经过一系列的计算，得出各监测断面的模糊综合评价结果(表4)。在确定断面的最终水质类别时，采用最大隶属度原则，即隶属度最大值所在的级别为该断面最终的水质类别，也是该断面模糊综合评价的最终结果。当出现2 个或2 个以上的隶属度最大值时，选择贴近次大值的隶属度所在的水质级别为该断面的最终水质类别。在宜昌庙嘴的水质模糊综合评价结果中，其最大的隶属度为0.746 9，则宜昌的最终水质类别为I级，污染程度为清洁。同理，可得到其它断面的水质类别评价结果见表4。

上述各断面的模糊综合评价结果表明，在长江中游五个断面的各个江段地表水水质监测断面中，基本处于清洁状态，只有洪湖7月份的监测中属于轻污染。造成湖长江江段水质相对较差的原因可能是城镇生活源和工业来源。

表4 模糊综合评价结果Tab.4 Evaluation results of the fuzzy synthetic evaluation

3 结论

水质理化指标是以单因子水质标识指数为基础，对河流进行综合分析评价。模糊综合评价它具有结果清晰，系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。综合分析水质理化指标，溶解氧、总磷和氨氮的范围都符合地表水质I类水的标准，高锰酸盐指数在II水的范围内，而总氮III～IV类水的范围内，通过方差分析得到总磷、总氮并不表现为显著性差异；且本文通过确立具有代表性的评价因子，建立评价因子矩阵，建立合适的隶属度函数，对研究区的地表水水质进行了模糊综合评价客观地反映了长江中游水质状况；得以下结论：(1)长江中游水质处于良好的状态，长江中游五个断面的各个江段地表水水质监测断面中，基本处于清洁状态，只有洪湖7月份的监测中属于轻污染；(2)长江中游富营养化程度在此江段没有明显的升高和降低趋势，长江中游江段受到的氮磷污染相对偏低；(3)监测数据的限制，只选择了长江中游5个监测断面作为评价对象，同时只选择了23个监测指标中的5个作为评价因子，如果加入更多的监测断面和更多的监测指标，可能会更好地反映长江中游地表水水质的综合状况。根据此次调查所得数据的分析结果与杨朋等[10]、宋述军等[11]、李紫煜[16]的结论相比，长江中游水环境状况总体良好。

长江作为中华民族的母亲河，支撑着我国社会、经济、文化等各项事业的发展[17-18]。2018 年4 月，习近平总书记提出“共抓大保护，不搞大开发”，为长江流域的生态保护事业提出了明确要求。长江大保护是一个超级巨系统，涉及经济、社会的各个方面[19]。在国家和地方政府的监督治理下，长江中游水质已经得到很大的改善，长江中游流域的水环境状况总体良好，但不可忽视的是，流域中仍然存在少量的黑臭水体，从而影响到全局的水环境。为了促进长江流域水质量的全局改善，应重点关注城镇生活污水达标排放、农药化肥施用量控制，农村和农业面源污染治理等方面措施的落实。