基于FCE方法构建岷江流域眉山段水质安全评价体系研究

＊伍少泽 黄明 丁圆慧 欧阳峰*

（1.雅安市环境资源科研宣教中心 四川 625000 2.西南交通大学 四川 610000）

水环境安全问题起源于二十世纪七十年代，随着水体污染与水资源短缺日益加剧，水环境安全成为世界关注的热点。针对岷江眉山段存在的水体污染现象和现有的水质安全相关研究不足等问题，有必要对岷江眉山段的水环境质量与水质安全状况进行研究与评价，掌握岷江眉山段的水质安全现状，采取措施降低或消除存在的水质安全隐患，可有效防止水体污染对社会经济及人体健康造成不良影响。

1.区域概况与数据来源

眉山市位于四川盆地成都平原西南部，属亚热带湿润气候。随着眉山社会经济的发展，各类环境污染层出不穷。岷江是长江的重要一级支流，其具有独特的环境特征和重要的生态服务功能，但此区域仍存在一系列的生态问题[1]。岷江眉山段位于岷江中游，由于受到强烈的人类活动影响，岷江流域出现了水环境污染[2]。

本文以岷江流域（眉山段）为研究对象收集了2014年-2019年对10个监测断面的河水年均监测数据，其中彭山岷江大桥国控断面2018年8月-2019年12月因岷江大桥发生部分垮塌，无监测数据。岷江干流设有5个监测断面，从上游至下游依次为岷江大桥断面、岷江彭东交界断面、白糖厂断面、岷江东青交界断面及青神罗波渡断面；支流设有5个监测断面，分别为毛河桥江桥断面、体泉河的仲辉大桥断面及体泉河口断面、思蒙河口断面、金牛河口断面。将岷江眉山的水质监测指标分为三类：常规要素指标、营养状态指标、有毒及易积累物质类指标。根据研究区域特征，岷江流域（眉山段）水质适用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类标准。

表1 2014年-2019年水质监测数据汇总

续表

2.水质安全评价指标确定

本文研究岷江流域（眉山段）水环境质量的水质指标众多，这些水质指标间存在不同程度的相关性，可能包含有重复的信息，使得许多水质评价方法有一定的局限性，无法突出水质指标的作用[3]。因此运用主成分分析法来评价水环境质量，能将众多的水质指标重新组合成一组较少的综合指标[4]。以2016年的主成分分析结果为例，如表2所示。

表2 特征值、方差贡献率及累计方差贡献率

经计算，第一、第二与第三主成分累计方差贡献率（Σai）为91.959%，大于85%，说明三个主成分已将指标因子的大部分信息包含在内，能够较好的反映岷江（眉山段）水环境质量状况。筛选结果选取载荷矩阵中因子荷载值大于0.9的关键性因子作为评价指标，最终确定岷江流域（眉山段）水质安全评价体系的评价指标为DO、CODMn、BOD5、石油类、氟化物、氨氮、CODCr、TN及TP，共9项评价指标。

与第一主成分密切相关的评价因子是DO、CODMn、BOD5、氨氮、CODCr、TN、TP及砷，DO为负相关，其余因子为正相关，且它们与第一主成分的载荷系数均超过了0.9，这些评价因子可表征水体中有机物污染、富营养化状态以及重金属的污染，而DO在一定程度上代表了水体的自净能力。与第二主成分相关的评价因子是氟化物和Cr6+，氟化物正相关，Cr6+负相关，氟化物主要来源于造纸厂、化工厂等工业废水，Cr6+主要来源于电镀、染料等工业废水，说明第二主成分主要代表岷江的工业废水污染状况。与第三主成分相关的评价因子是挥发酚和硫化物，且两个指标均为负相关，可以推断这两个指标来自同一个污染源，挥发酚主要来源于造纸业、化工业等生产废水，硫化物主要来源于农业和化工业等生产废水，说明第三主成分可能代表岷江的化工类工业污水污染特征。第一主成分的方差贡献率为63.39%，远大于第二主成分和第三主成分的方差贡献率，因此，岷江（眉山段）水质主要是由第一主成分确定，即由DO、CODMn、BOD5、氨氮、CODCr、TN、TP及As共八项水质因子重点影响，水环境质量主要是受有机物污染、富营养化状态以及重金属污染的影响，说明岷江水质污染来源复杂多样，包括生活污染源、农业污染源及工业污染源。

3.水质安全评价体系构建

(1)岷江流域(眉山段)水质安全评价体系

水质安全评价属于多重因素影响下的复杂非线性问题，运用层次结构将安全评价体系分为目标层、要素层以及指标层，不同层次相互关联，全面地反映水环境的特征。其中，目标层是岷江流域（眉山段）水质安全评价，要素层包括常规水质状况及营养状态两个方面。常规水质状况的指标层包括DO、BOD5、氨氮、CODCr、石油类及氟化物共六个指标；营养状态的指标层包括TN、TP及CODMn共三个指标。

图1 岷江流域（眉山段）水质安全评价体系构成

(2)权重系数

表3 岷江流域（眉山段）水质安全评价体系指标权重系数

各个评价指标的权重系数反映了各个因素在综合评价结果中所占有的不同重要程度，会直接影响到最终综合评价结果的准确性。采用主成分分析法（PCA）[5]确定常规水质状况与营养状态各个指标的权重系数，得到的因子载荷系数。根据因子载荷系数计算可得水质安全评价体系的指标权重系数，常规水质状况层权重系数为0.658，营养状态层权重系数为0.342。

(3)分级标准

分级标准是水质安全评价体系的评价基础，是构建安全评价体系重要的一个环节。本文在参照国家现行标准《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）的基础上，考虑到部分成熟的水质安全评价研究成果[6]，由此明确岷江流域（眉山段）水质安全评价体系的分级标准，将其安全程度划分为I级水质安全状况好、II级水质安全状况较好、III级水质安全状况较差、IV级水质安全状况差四个等级，水质安全程度越低表明水质状况越差，具有较高的风险程度，容易引发水体污染现象。

(4)模糊综合评价

模糊集合是用隶属函数描述的，隶属度及隶属度函数是模糊数学的基本概念[7]。根据模糊数学理论，建立单因素模糊关系矩阵Ri：分别用隶属函数计算因素Ui的每一个指标对评价集V={V1,V2,……,Vp}的隶属度，得到因素Ui全部指标的隶属度即可建立单因素模糊关系矩阵Ri。

本研究为定量指标的隶属度确定，采用降半梯形隶属度函数的方法确定各评价因素的隶属度，以评价标准集V有四个标准等级为例，sik表示第i项指标的第k级评价标准，rik表示第i项指标对第k级标准的相对隶属度[8]。根据上述各个评价指标的隶属函数，可构建模糊关系矩阵。

4.水质安全评价结果

按照多级模糊综合评价过程，本研究采用加权平均型（M(.,+)）评价方式进行运算，得到模糊综合评价集B，遵循加权平均原则得到水质安全类别。岷江（眉山段）水质安全评价等级划分如表4所示，岷江（眉山段）水质安全评价结果见图2。

表4 岷江（眉山段）水质安全评价等级划分

图2 2014年-2019年岷江（眉山段）水质安全评价结果

根据水质安全评价结果，岷江流域眉山段干流水质安全状况大体上为I级和Ⅱ级，水环境整体状况良好。岷江眉山段上游及中游的岷江大桥、岷江彭东交界、白糖厂及岷江东青交界断面在2014年-2016年的水质安全状况稳定处于Ⅱ级，下游的青神罗波渡断面在2014年-2015年的水质安全状况稳定处于I级，2016年下降为Ⅱ级，水质受到污染，这可能与河流周边的畜禽污染、生活污染及工业污染有关。岷江眉山段干流在2017年-2019年的水质安全状况改善为I级。

岷江眉山段各支流的水质安全状况在不断改善，水体治理方案颇有成效。毛河桥江桥断面在2014年-2015年水质安全状况持续处于Ⅲ级，水质较差，在2016年-2017年水质有所好转，水质安全状况改善为Ⅱ级，在2018年-2019年进一步改善为I级，水质得到改善。

5.结论

基于模糊综合评价法对岷江流域（眉山段）水质安全进行评价，并采用主成分分析法确定各个指标的权重系数，构建了岷江流域（眉山段）水质安全评价体系，得到的主要结论如下：

（1）根据评价指标筛选原则，再进一步运用主成分分析法筛选评价指标，最终确定岷江流域（眉山段）水质安全评价体系的评价指标为DO、CODMn、BOD5、石油类、氟化物、氨氮、CODCr、TN及TP，共9项评价指标。

（2）根据岷江流域眉山段水质安全评价结果，岷江干流水质安全状况整体上较好，经过治理岷江水质不断改善，眉山采取的水环境综合污染治理措施都有显著的改善效果；岷江各支流水体受到不同程度地污染，经过治理河水水质均有所改善。

（3）本次模糊综合评价结果与岷江实际情况及前述水质评价相符，证明该方法适合岷江流域（眉山段）水质安全评价，为岷江流域和眉山市各河流水质安全评价提供了理论支持。