两种方法对泰莱盆地河流水质评价的分析

赵 耘，赵长春，兰 天，王 鹏，郑梦琪，田明刚

(中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，山东 济南 250000)

0 引 言

水质综合评价是以定量的方式对水环境的总体状况做出评价，为水资源污染的控制和管理提供科学依据[1]。地表水是水循环中的重要环节，特别是我国很多地区地表水和地下水具有较好的补排关系，对地表水水质评价也是进行环境管理与决策的前提。当前，用于河流水环境质量综合评价模型及方法有近30种[2-4]。由于河流水质综合评价自身存在的特殊性，不同的评价方法对同一水质监测数据会得出不同的评价结果，至今没有一个被大家公认通用的、具有可比性的水质评价数学模型，在具体的水质评价工作中，单因素评价法以其计算流程简便[5]，易于实现、原理清晰易懂的特点，被广泛应用。但单因素评价法无法对水质进行总体上，仅仅是根据最坏的指标来确定水质级别，往往高估或低估了综合水质的风险程度，不能全面反映水体质量的真实状态。基于模糊数学的模糊综合评价方法在应用于水环境质量评价中时，方法通过计算评价指标实际浓度的超标权重以及相对水质标准的贴近程度，运用模糊算子进行复合运算完成各水体质量类别综合评价，被国内外研究人员大量应用[6-8]，且被证明该方法在水质评价中切实可行[9]；但模糊综合评价法操作相对繁琐，计算比较复杂，对于评价断面、评价指标较多的研究区在应用过程中存在过程冗长，结果易出错的弊端被各位研究学者所诟病，影响方法的推广使用率。

泰莱盆地位于鲁中地区，处于“济南都市圈”的东南部，区位优势较为明显。在盆地内具有羊里水源地、寨里水源地、业马曹水源地等15个地下水水源地。研究表明，区内地表河流域地下水源具有较好的补排关系，地表河流水质对地下水源地水质具有较大的影响关系[10]。因此，急需对区内地表水水质进行评价，查明地表水环境状况，为区域水环境管理提供依据。因此，本文以泰莱盆地区内6条主要河流为研究对象，运用加权欧式距离法和模糊综合指数法对泰莱盆地内地表水的水质做出评价，旨在得出泰莱盆地区内地表水体水质情况，并通过对两种方法评价结果的比较分析，优选出两种方法中较为优良的水质评价方法。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于鲁中地区，北以泰山山脉为界，南以蒙山及其余脉为界，东至鲁山，西临东平湖东岸，面积8 173 km2，属暖温带季风大陆性气候，四季分明，春旱多风，夏热多雨，秋旱少雨，冬寒少雪，季节性干旱严重。多年平均气温11～13 ℃，最高温度达42.5 ℃(1955年8月11日)，最低气温-27.5 ℃(1963年1月15日)。区内多年平均降水量765.3 mm，年最大降水量1 571.7 mm(1964年)，年最小降水量263.1 mm(1989年)，日最大降雨量222.5 mm(1983年8月31日)，最高洪水位186.5 m(1966年7月5日)。冰冻期11月上旬至次年4月上旬。年总蒸发量1 664.2～1 927.0 mm。研究区水系较发育，树枝状河网密布其间，主要有大汶河等6条河流；有15个地下水水源地。

1.2 数据来源

表1 评价因子标准值 mg/L

表2 研究区河流水质化验结果 mg/L

1.3 评价方法

1.3.1加权欧式距离法

加权欧式距离评价法根据待评价断面水质实测值，计算相应评价指标的污染超标超标权重，以各个待评价断面到“原点”间的欧式距离确定待评价断面水质级别。“原点”一般以GB3838—2002《地表水环境质量标准》中的I类浓度作为基准点[11-12]。

(1)评价空间。设有i个水质评价监测断面，j个水质评价污染因子，5级水质评价标准，实测样本矩阵为C；根据地表水水质评价标准，设含有n个评价污染因子的5级水质标准矩阵为B。即

(1)

式中，cij为第i个评价监测断面第j个污染因子的实测浓度值；bkj为第j个污染因子的第k级标准浓度限值。

(2)评价指数的确定。以I级水质作为基本点与原点距离为“1”，结合权重计算出每个待评单元以及水质标准中其他各级水质与“原点”的加权欧式距离，将此加权欧式距离定义为加权欧氏距离综合评价指数PI。这里

(2)

式中，Dh为h指标的综合指数值；ωjk为第j个污染因子的第k级标准浓度权重。评价流程见图1。

图1 加权欧式距离法流程示意

1.3.2模糊综合评价法

模糊综合评价法在水环境质量评价中，可定量处理不同指标对水质评价结果的影响程度，以反映水环境的总体情况[13]。由于模糊综合评价法已广泛应用，具体方法及隶属度函数的建立在此不做赘述，其评价流程见图2。

图2 模糊综合评价法流程示意

2 结果与分析

根据河流各断面水质实测值，分别采用加权欧式距离法、模糊综合评价法2种方法对地表水水质标准分级和研究区地表河流水环境质量进行评价。地表水水质标准各等级欧式距离综合评价指数见表3，2种水质评价方法计算结果见表4和表5。

表3 地表水质量标准各等级对应欧氏距离综合评价指数PI值

表4 研究区河流各断面水质评价结果

表5 2种方法评价结果统计

(1)通过两种评价方法对泰莱盆地区内地表河水环境的评价，全区地表水以II和III类为主，其中以牟汶河和柴汶河的上游存在超过IV类，水质较差。西部下游的大汶河和汇河水质要好于东部地区河流水质。泰莱盆地区内II类～III类以上水质的评价断面两种方法评价结果相差2个，III类以上水质的评价断面两种方法评价结果相差2个。两种方法略有差异，表明最终的评价结果是真实可靠的。

(2)对单条河流上下游断面水质的综合分析可以发现，尽管同一断面采用不同的水质评价方法得到的结果存在不尽相同的现象；但加权欧式距离法与模糊综合指的结果表明，研究区东侧的牟汶河和柴汶河，2条河流上游的监测断面水质欧氏距离综合评价指数值分别为3.944 7和3.976 8，均大于III类水标准值3.936 1。这可能由于两个监测断面距离莱芜市城区和新泰市城区较近，城市排放的污水进入到河流中，导致河流水质较差。而随着水流流动，2条河流下游水质趋于良好。这可能是河流自净作用及下游其他河流较好水质汇入所致。

(3)瀛汶河和方下河位于莱芜市的西北部，2条河流在徂徕镇汇入大汶河。其水质评价结果显示，2条河流水质以III水为主；在泰莱盆地的西测，大汶河和汇河水质以II和III水为主，其中大汶河上游和下游监测断面水质为II类，中游水质监测断面水质为III类，这可能是与中游监测断面距离汶阳镇较近，受城镇产生污染所致；汇河上游监测断面水质为II类，中游和下游监测断面水质为III类，这可能是中游和下游监测断面距离东平县县城较近，城镇产生的污染所致。

(4)2种方法在对同一断面进行评价时，出现不同评价方法评价结果偏差的现象。如柴汶河上游断面的，2种方法最终的水质评价结果有所不同。对2种评价方法计算过程的深入分析显示，造成巨大差异的主要原因在于模糊综合评价法计算污染物指标超标权重的不合理。在这2个断面，影响水质的主要污染物因子在于挥发酚，但模糊综合评价法在进行指标权重计算时采用了不合理的“基准原点”，使得污染物超标倍数未能真实反映实际污染程度，使得最终的评价结果趋于更差。

3 结 论

(1)通过2种评价方法对泰莱盆地区内地表河水环境的评价，全区地表水以II和III类为主，其中以牟汶河和柴汶河的上游存在超过IV类，水质较差，这可能是2个监测断面距离莱芜市城区和新泰市城区较近，城市排放的污水进入河流，导致河流水质较差。西部下游的大汶河和汇河水质要好于东部地区河流水质以II类和III类为主。

(2)在水质评价过程中，模糊综合评价法引入相对隶属度概念，一定程度上能较好反映污染情况，但需要针对每一级别逐一建立隶属函数，过程较繁，并且求解污染物指标权重时以I～V类评价标准的算术平均值作为“基准”出现个别评价指标“基准”较高，评价失真的现象。

(3)对于加权欧式距离法，模型最终评价成果在给出评价断面所属水质类别的同时还给出了评价断面相对于不同类别水质标准的趋近度；并且在计算指标权重方面，加权欧式距离以各评价指标Ⅰ类评价标准作为基准“原点”，较能完整反映不同污染物实际超标情况。与模糊综合评价法相比，加权欧式距离法得出的水质评价结果更能反映水体实际状况及变化趋势，更好表现评价断面的水质状况；方法反映出的信息要更多，可为河流治理提供方向。