牛栏江—滇池补水工程对滇池外海水质变化的多方法评价研究

王艺颐，李灵军，王铭明，贾璐璐，汪 菊，李连强，刘云韩，王云庆

(1.昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650500；2.水利部综合事业局，北京 100053)

0 引 言

近年来，城市化、工业化进程不断加快，水体污染形势愈加严峻，制约着经济和社会的发展，地表水及地下水水质污染情况也发生了较大改变。因此，水质监测及评价工作尤为重要，评价方法的研究及应用是近年来水环境领域的一个热点[1- 6]。常用的水质评价方法有单因子评价法、模糊综合评价法、人工神经网络法、灰色关联度分析法、综合污染指数法、综合水质标识指数法等。徐勇等[7]用人工神经网络法评价大沽河湿地海水水质表明，河道内站点水质均为劣Ⅳ类水质，无机氮含量严重超标，富营养化状态明显，应采取有效措施，提高大沽河湿地水质质量，从而保证湿地区域的生态环境安全；马京久等[8]把综合水质标识指数法应用于汉江中下游地区，评价结果表明，2001年～2014年汉江中下游水质逐渐好转，可为该流域水污染防治提供理论依据；张龙等[9]在阿哈水库水质评价中采用模糊综合评价法的研究结果表明，模糊综合评价法能客观评价各采样点的水质，可广泛应用于水质评价中；陈玲等[10]采用灰色关联度分析法对常州市北市河水质进行评价发现，断面水质变化趋势比较一致，总体上春冬季水质优于夏秋季水质。

每种评价方法在评价水质时的侧重点不同，评价方法各有优缺点[11]。单一的水质评价方法会造成评价结果较差或过于理想化，多种水质评价方法相结合，使评价结果更客观，更趋近事实。为此，本文把单因子评价法、综合污染指数法、灰色关联度分析法和模糊综合评价法4种常用的水质评价方法结合起来，克服单一水质评价的弊端，应用于研究牛栏江—滇池补水工程开通前后滇池外海的水质变化。

1 水质评价方法

1.1 单因子评价法

在所有参评的水质指标中，将其实测值和GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中的标准值作比较，确定水质类别，选择其中最差类别作为水质评价的结果。

1.2 综合污染指数法

综合污染指数法是计算单因子指数和综合污染指数，根据综合污染指数进行水质级别的划分。以污染分担率表征各污染物的贡献并识别主要污染物，公式如下[12]

(1)

(2)

(3)

式中，Ci为水质因子i的实测浓度；Si为GB 3838—2002中水质因子i的Ⅲ类标准值；Pi为污染因子i的单因子指数；P为综合污染指数；Ki为水质因子i的污染分担率；n为参评指标的个数。综合污染指数水质级别划分见表1。

表1 综合污染指数水质级别划分

1.3 灰色关联度分析法

灰色关联度分析法是灰色系统理论的基本方法，是通过对研究系统内各要素的相互关系、作用与影响进行关联度量化，从而确定参考序列与多个对比序列间的关联性[13]。灰色关联度分析法的步骤如下[14]：

(1)确定参考序列和比较序列。一般把地表水环境质量标准作为比较数列，实测水质作为参考数列。参考序列可以用x0，x1，…，xi表示，第i个实测样本的参考序列xi可表示为xi(1)，xi(2)，…，xi(n)；比较序列可以用y1，y2，…，yn表示，第j级水质标准的比较序列yj可表示为yj(1)，yj(2)，…，yj(n)。

(2)数据归一化处理。由于各样本序列中量纲的不同，数值和数量级相差比较悬殊，无法直接进行比较，需要对数据进行无量纲化处理[15]，求出各年份评价指标和地表水环境质量标准中项目的平均值，用平均值除各年份评价指标的实测值和标准值即可。

(3)计算关联系数εji。公式为

(4)

式中，Δji为比较序列和参考数列的差数列；Δmax为差序列的最大值；Δmin为差序列的最小值；ρ一般取0.5。

(4)计算关联度Rji。公式为

(5)

式中，n为参评指标的个数。

(5)对序列排序。关联度中最大值即为所求水质类别。

1.4 模糊综合评价法

模糊综合评价是对多种因素所影响的事物或现象，根据给出的评价标准和实测值，经过模糊变换，对其做出总评价的一种方法，使系统中的不确定性通过隶属度加以量化，在环境质量评价中显现出其优越性，近年来在环境科学中得到了应用[16]。具体步骤如下[17]：

(1)建立评价因子集和评价集。评价指标作为评价因子集，GB 3838—2002水质类别作为评价集。

(2)建立模糊关系矩阵。通常用降半梯形和升半梯形求两端的隶属度，用对称山形求中间的隶属度。

当实测值为Ⅰ级，隶属度函数为

(6)

当实测值为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，隶属度函数为

(7)

当实测值为Ⅴ级，隶属度函数为

(8)

式中，rij为评价指标i对j级水质的隶属度；Ci为指标实测值浓度；Sij为评价指标的j级水质标准值。

(3)确定权重。可采用污染物浓度超标加权法计算。公式为

(9)

(10)

式中，Si为评价指标的水质标准超标限值；Wi为评价指标的权重。

(4)建立模糊综合评价。公式为

(11)

式中，B为样本对于水质的模糊关系；r11表示第1种污染物的环境质量数值可以被评价为第Ⅰ类环境质量的可能性，即第1种污染物对第Ⅰ类环境质量的隶属度；m代表评价因子数；n代表水质类别。

2 研究区背景

滇池位于云南省昆明市，处于长江、红河、珠江三大水系的分水岭地带，是云南九大高原湖泊，有35条河流注入。滇池分为外海和草海，外海为滇池的主体部分。滇池湖面面积约300 km2，总蓄水量15.6亿m3，流域面积2 920 km2，流域径流6.961亿m3/a，湖面降水约2.72亿m3/a，共9.68亿m3/a[18]。

滇池流域降水量少，蒸发量大，无径流补给，使得滇池严重缺水，周边工农业排放污水，使得水污染加剧。在国家方针政策的大力支持下，2013年开通了牛栏江—滇池补水工程。本文选用滇池外海2009年～2015年水质指标实测数据(见表2)，采用单因子评价法、综合污染指数法、灰色关联度分析法、模糊综合评价法进行评价。选取化学需氧量(COD)、高锰酸钾指数、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷、总氮作为评价水质类别指标。指标标准见表3。

表2 滇池外海2009年～2015年水质指标实测数据 mg/L

表3 地表水环境质量标准 mg/L

3 结果对比与分析

单因子评价法、综合污染指数法、灰色关联度分析法、模糊综合评价法4种评价方法对滇池外海2009年～2015年的水质评价结果与水质实测值对比见表4。从表4可知：

表4 4种水质评价结果与水质实测值对比

(1)在4种评价方法中，单因子评价法水质结果最差，因为该方法忽略了评价指标的整体作用，选取最差的指标类别作为水质评价的结果，具有单一性和片面性，评价结果水质类别100%为劣Ⅴ类。单因子评价法更适合确定主要的污染物，其中化学需氧量、总磷、总氮3种指标是导致水质劣Ⅴ类的关键因素。

(2)综合污染指数法可以评价水质污染程度，但无法评价水质类别，水质级别重污染占比57%，严重污染占比43%。此外，综合污染指数法能对水质给出一定的定性判断，通过综合污染指数的计算结果能定量反映水质的差异，尤其是在水质较差的情况下，更能反映水质的区别[19]。牛栏江—滇池补水工程开通前，滇池外海水质级别为严重污染，经计算，综合污染指数分别为1.81、2.13、2.12、2.07，该阶段污染程度差异性不大。牛栏江—滇池补水工程开通后，滇池水质级别为重污染，经计算，污染指数为2.06、1.78、1.43，在2014年污染指数首次低于2，这说明工程开通后在一定程度上改善了滇池的水质。通过计算水质因子的污染分担率，可以得到滇池外海化学需氧量和总磷为主要的污染因子，污染分担率为28%～32%。

(3)灰色关联度分析法Ⅲ类水质占比43%，Ⅳ类水质占比57%，水质类别整体满足滇池保护规划2018年～2035年要求。到2025年，滇池草海和外海水质稳定达到Ⅳ类及以上。可以看出，灰色关联度分析法相比其他3种方法水质评价结果更好，水质类别整体控制在Ⅲ类和Ⅳ类，水质类别整体偏高，能看出水质转变趋势和发展趋势。

(4)模糊综合评价法的主要特点是系统性强、结果清晰，还能科学地解决边界模糊的问题，在解决水质问题时，可以通过模糊综合评价法反映水质边界的模糊性，使评价结果更加具有科学性。但是，模糊综合评价法也存在着缺点，模糊综合评价法的权重是通过超标法完成的，也就是说超标的越多，其权重也越大，突出了超标污染物的影响，忽略了一些实测浓度地的评价因子。另外，对于同一种水质指标，模糊综合评价法认为其不同的水质类别的权重相同，这也是其缺点之一[20]。模糊综合法Ⅳ类水质占比14%，Ⅴ类水质占比86%。通过计算隶属度可以看出，滇池外海2009年～2015年超标污染物为高锰酸钾指数、化学需氧量、总磷、总氮，生化需氧量和氨氮无明显超标迹象。

4 结 语

本文利用滇池外海2009年～2015年水质指标实测数据，采用4种方法评价牛栏江—滇池补水工程开通前后滇池外海水质的变化，得出以下结论：

(1)单因子评价法可直观看出超标水质指标，并选取最差指标的类别作为评价结果，水质评价结果均为劣Ⅴ类，带有片面性，在水质评价工作中应用较少。

(2)综合污染指数法把各个指标都纳入评价范围，但不能评价水质类别，只能得出水质污染程度，应用范围较为狭窄。

(3)模糊综合评价法和灰色关联度分析法可以反映当下实际水质和看出水质转变趋势。相比前2种方法，在水质评价领域中应用较为广泛。