白石水库水质综合评价

费卓越

(辽宁省葫芦岛水文局,辽宁 葫芦岛 125000)

随着城镇化进程的加快和经济发展水平的提升,加之对生态保护的重视程度不够,我国近50%的水库超过Ⅳ类水质,水环境状况较差,许多研究学者越来越关注水体的污染治理问题[1]。目前,常用的水质评价方法有随机森林评价法、模糊数学法、综合污染指数法、内梅罗污染指数法等。其中,模糊数学法通过归一化处理主要污染因子,评价分析不同区域、不同年份的水环境变化趋势,如申震等通过对比常规评价法与模糊数学法发现,充分考虑污染物权重的模糊数学法评定结果更加客观全面;张洪伟等以甘肃省正宁县为例,运用模糊综合法定量评价了不同水库与河流的水质检测数据;闫伯忠等对安阳市2017年8个地下水监测点水质利用随机森林模型进行了评价,结果显示随机森林模型的稳定性和训练效率更高,可以准确评定地下水质情况[2-4]。

以上方法都有各自的特点,但使用过程中受水质诸多因素的干扰而存在一定的局限性。在水环境评价分析时,必须考虑具体情况选择合适的方法,由于能够定量分析自然界中一些不容易定量化且边界不清的因素,灰色关联法与模糊数学法被广泛用于不确定性地表水环境评价研究[5]。鉴于此,文章结合白石水库实测水体理化数据,采用灰色关联分析法和模糊数学法评定该水库水质类别,以期为该水源地开发利用、保护及水资源管理提供科学依据。

1 研究区概况

白石水库位于北票市大凌河干流的中下游,是一座以城市供水、灌溉和防洪为主,兼顾养鱼、发电等功能的大(1)型水利枢纽,水面面积80km2,总库容16.45亿m3,控制流域17649km2,占大凌河流域76%。水库为碾压混凝土重力坝,最大拔高50.3m,坝顶长513m,设计正常高水位127.0m,为多年调节水库[6-7]。流域集水区属寒温带季风气候,受季风环流、北来大陆气团及南来温暖气团影响,夏季多雨炎热,春冬干燥少雨,多年平均气温约8℃,年降水量在400～600mm之间,且大多集中于6～9月,河流的补给来源主要为降水形成的地表径流。流域内土壤为亚砂土性的黄白土,山地大部分为生草棕色森林土,森林覆被以蒙古栎林、油松人工林、刺槐人工林、油松林及沿河小叶杨、小青杨林为主,还有山杏矮林、辽东栎林等;灌丛以酸枣、荆条、榛子灌丛为主,灌草丛以白羊草灌草丛最多,还有野谷草灌草丛、黄背草灌草丛等,分布在漫滩和低阶地上的代表植物主要有刺槐、杨树、山杏、油松、沙棘、柳树等人工林[8-9]。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究于2017—2020年逐月采集表层水样,结合入库支流分布特点和白石水库形状布设5个采样点,主要涉及粪大肠菌群、化学需氧量、高锰酸盐指数、氟化物、溶解氧、总磷、总氮、氨氮8个参数。采用位置和空间轨迹利用Arc GIS、LocaSpace Viewer软件进行确定,参照现行标准测定各理化参数。

2.2 模糊数学评价法

根据白石水库实际情况选择评级标准为《地表水环境质量标准》,参评指标选用粪大肠菌群、化学需氧量、高锰酸盐指数、氟化物、溶解氧、总磷、总氮、氨氮8个参数,模糊数学评价流程如下:

1)步骤1:因子集与评价集。假设有i个水质影响因子和j个评价等级,采用集合的形式可以表示成U={u1,u2,…,ui}、V={v1,v2,…,vj},结合参评指标和等级标准则有U={粪大肠菌群,化学需氧量,高锰酸盐指数,氟化物,溶解氧,总磷,总氮,氨氮}、V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}[10-11]。

2)步骤2:模糊评价矩阵。对于数值越大则水质等级越低型的正向指标(如溶解氧),参照现行标准建立隶属度函数如下:

(1)

(2)

(3)

对于数值越大则水质等级越高型的负向指标(如总磷、总氮等其它7个参数),参照现行标准建立隶属度函数如下:

(4)

(5)

(6)

结合以上计算结果构造模糊评判矩阵R,具体如下:

(7)

第i行Ri=(ri1,ri2,…,rim),其中i=1,2,…,8;第j列Rj=(r1j,r2j,…,rnj),其中j=1,2,…,5,i、j代表评价因子i隶属于各水质标准的程度和各评价因子隶属于第j级标准的程度。

(8)

4)步骤4:根据模糊评价矩阵R和权重集M构造综合评判矩阵B,各监测点的水质类别即为最大隶属度值对应的等级,数学表达式为:

(9)

2.3 灰色关联评价法

根据白石水库实际情况选择评级标准为《地表水环境质量标准》,参评指标选用粪大肠菌群、化学需氧量、高锰酸盐指数、氟化物、溶解氧、总磷、总氮、氨氮8个参数,灰色关联法评价流程如下[12-14]:

1)步骤1:样本矩阵与标准浓度矩阵。设待评价样本数有p个,各评价样本存在q项指标,从而构造样本矩阵Xp×q,即:

(10)

结合水体实测数据和相关标准合理划分水质污染等级为m,构造水库水质参数即有浓度矩阵Sm×n,即:

(11)

2)步骤2:归一化处理。针对数值越大则水质越差的负向指标和数值越大水质越好的正向指标利用分段线性公式进行归一化处理,具体如下:

(12)

通过归一化处理,标准浓度矩阵和样本矩阵可以转换成如下形式:

(13)

(14)

3)步骤3:关联度计算。采用极差法计算指标关联度,即:

(15)

4)步骤4:综合评判。关联度Γk最大值对应的分级数就是灰色关联法评定的水质等级。

3 结果与分析

水库水质各参评指标的标准限制如表1所示,模糊数学法与灰色关联法评定的白石水库水质等级如表2所示。

表1 水质评价标准

表2 白石水库水质评价结果

由灰色关联法计算结果可知,2017—2020年白石水库水质较好,除了2017年5#采样点和2020年1#采样点属于Ⅳ类、Ⅰ类水质外,其它时段各样点均达到Ⅱ类水质,水环境变化较稳定;结合关联度计算结果,1#～4#采样点隶属于Ⅱ类和Ⅲ类水质的关联度基本接近,隶属于Ⅲ类水的程度较高,这说明白石水库具有从Ⅱ类转变成Ⅲ类的可能。根据模糊数学法计算结果,2017—2020年白石水库水质表现出明显变化趋势,其中2017—2018年3#、4#、5#采样点水质较差,这与采样点附近外源径流和上游下泄水质较差有关,从而导致水质出现较大变化,2017—2020年5#采样点均属于Ⅳ类水质,2019年1#、2#、3#、4#采样点隶属于Ⅳ类水质的程度较高,2020年1#、2#、3#、4#采样点隶属于Ⅴ类水的程度也较高。由图1可知,模糊数学法与灰色关联法评价的白石水库水质变化基本相同,而2017—2018年存在一定差异,两种方法均表明评价结果具有一定的参考价值。总体而言,白石水库整体达到Ⅱ类水质,只有5#采样点较差,这主要与附近外源径流和上游下泄水质较差有关,从隶属度计算结果上,白石水库具有水质变差的概率,仍需加强库水环境保护。

(a)2017年

将2021年白石水库水质类别(表3)与文章评价结果相比较发现,2021年白石水库水质达到Ⅲ类,汛期优于非汛期水质,表明水库排水期和雨季会在一定程度上更换水体,水质较好,且2017—2020年水库水质总体优于2021年,这主要与权重计算有关,历年总磷、总氮实测值较高影响了权重分配比例,并进一步影响灰色关联法与模糊数学法的隶属度,尤其是5#采样点高于其它样点的指标值,该样点水体环境较差。

表3 2021年白石水库水质

由于模糊数学法主要是由实测水质确定隶属度矩阵和因子权重,故超标因子对评价结果的影响较大,这也是导致5#采样点水质较差的主要原因。灰色关联法相比的各级水质标准和实测水质都是经过归一化处理再计算比较数列、参考数列的,所以超标因子影响较低,该方法评价结果相对稳定。根据2021年白石水库汛期优于非汛期水库可知,丰水期或较大降水量在一定程度上影响着水库水质,特别是汛期水质较好,表明2017—2020年降雨量较大可能是导致该时段白石水库水质较优的重要原因。但由于采样点较少,分布较系数,个别位于出水口的采样点受下泄水体影响水质较差。因此,在评价水库水质时应充分考虑上下游之间的关系,降雨量也是影响水质状况的重要因素。

4 结 论

1)2017—2020年白石水库总体处于Ⅱ类、Ⅲ类水质,符合水质标准,但1#～4#采样点水质隶属于其它等级的程度也较高,表明白石水库具有从Ⅱ类转变成Ⅲ类的可能,水库水体与入库河流及上游地区下泄水携带的营养物质有关。

2)采用灰色关联法评价白石水库水质较好,而模糊数学法波动较大且计算的水质较差。根据2021年白石水库调查结果,2017—2020年白石水库水质较优,这可能与权重计算有关。另外,降雨量大的年份特别是汛期优于非汛期水质,2017—2020年北票市降雨量较高,这从侧面也反映了受降雨量影响评价的水质较优。由于参与评价的样点较少,水库水文资料及入库干支流相关数据缺失等可能会存在一定偏颇,未来仍需做进一步验证。