太子河流域水质模糊综合评价_宋雪英.pdf

2011 年 12 月 December 2011 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 30，No． 6 705 ～708 收稿日期 2010 －12 －16; 接受日期 2011 －08 －16 基金项目 国家科技重大专项 “水体污染控制与治理” 项目 2008ZX07208 － 001 － 01， 2008ZX07208 － 009 － 05 ; 辽宁省科技计划 项目 2009223004 ; 国家高技术研究发展计划 863 计划 项目 2007AA06A405 作者简介 宋雪英， 博士， 副教授， 主要从事环境污染控制与修复研究。E- mail songxy2046163． com。 通讯作者 胡晓钧， 教授， 主要从事环境修复材料与污染治理技术相关领域的研究。E- mail hu- xj mail． tsinghua． edu． cn。 文章编号 02545357 2011 06070504 太子河流域水质模糊综合评价 宋雪英1，金彩霞2，胡晓钧1*，李玉双1，李卉颖1，杨继松1 1． 沈阳大学区域污染环境生态修复教育部重点实验室，辽宁 沈阳110044; 2． 河南师范大学黄淮水环境与污染防治省部共建教育部重点实验室，河南 信阳453007 摘要 采用模糊数学方法对太子河流域水质进行综合评价。沿程选取老官砬子、 兴安、 参窝坝下等 8 个干流断面 和汤河桥、 河洪桥、 孟柳等 6 个支流断面， 确定五日生化需氧量 BOD5 、 化学需氧量 COD 、 氨氮 NH3－ N 、 挥发酚 FN 等 7 个指标为评价因子， 通过建立评价因子矩阵， 计算各因子的权重及进行模糊综合运算， 得出各监 测断面的综合水质状况。水质模糊综合评价结果表明， 太子河干流和支流各监测断面的综合水质较差， V 类水质 断面所占比例达 85． 7。在各项评价指标中， BOD5和挥发酚所占权重较高， 其次为 COD 和 NH3－ N 等， 这几项 指标应该作为太子河流域十二五污染减排和治理的重点。 关键词 水质; 模糊关系; 综合评价; 太子河 Fuzzy uation on the Water Quality of the Taizi River SONG Xue- ying1，JIN Cai- xia2，HU Xiao- jun1*，LI Yu- shuang1，LI Hui- ying1，YANG Ji- song1 1． Key Laboratory of Regional Environment and Eco- Remediation，Ministry of Education， Shenyang University，Shenyang110044，China; 2． Key Laboratory for Yellow River and Huaihe River Water Environmental and Pollution Control， Ministry of Education，Henan Normal University，Xinyang453007，China Abstract The fuzzy mathematical was used to uate the water quality of the Taizi River． Eight main stream sections such as Laoguanlazi，Xingan，Senwobaxia，and six branch stream sections such as Tanghe Bridge，Hehong Bridge，Mengliu，were investigated with seven uation factors such as BOD5，COD，NH3- N，volatile phenol． An uation factor matrix was established and the comprehensive water quality of each section was obtained by fuzzy computing with a weighting calculation． Analysis results revealed that the water quality in the monitoring sections of the main and branch streams of the Taizi River was very poor since 85． 7 of the total monitoring sections were Grade V water． The factors of COD and NH3- N were the main pollutants，followed by the BOD5and volatile phenol，which should be controlled preferentially in the Twelfth Five- Year Plan for Taizi River recovery． Key words water quality; fuzzy relationship; comprehensive uation; Taizi River 507 ChaoXing 太子河是辽河水系的主要支流， 干流全长 413 km， 发源于辽宁省新宾县南部， 流经本溪市、 辽阳市和 鞍山市至三岔河与浑河汇合后， 经辽河入渤海。太子 河水资源对本溪市、 辽阳市和鞍山的经济发展、 社会进 步和人民生活水平的提高起着至关重要的作用。同 时， 太子河流域是辽宁省水环境建设的重大区域， 是也 辽河水环境污染控制的主要目标 ［1 －2 ］。近年来， 随着 流域内经济快速发展， 水资源过度开发利用与水污染 严重的双重影响， 太子河的生态系统遭到严重破 坏 ［3 －5 ］。为了掌握太子河流域水质污染状况， 迫切需 要对其水环境质量做出科学、 客观的评价。 目前所采用的地表水水质评价方法主要有单因素 评价法、 综合污染指数法、 加权或算术平均法、 密切值 法、 灰色聚类分析、 模糊综合评价法 ［6 －10 ］等。然而， 由 于地表水环境是多因素控制的复杂的、 非线性的模糊 系统， 对这类系统进行水质评价具有模糊性。模糊综 合评价法因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、 水质类别等客观存在的模 糊概念和模糊现象近年来得到广泛关注和应用 ［11 －15 ］。 为此， 本研究利用模糊综合评价法对太子河流域地表 水水 质 状 况 进 行 综 合 评 价， 以 期 为 太 子 河 流 域 十二五污染减排和治理提供理论依据。 1实验方法 1． 1监测断面与采样 于 2009 年对太子河流域进行枯水期、 丰水期和平 水期 3 个时期的采样分析。在太子河干流自上而下布 设了老官砬子、 兴安、 参窝坝下、 下王家、 唐马寨、 下口 子、 刘家台、 小姐庙 8 个监测断面， 于重要支流布设了 汤河桥、 河洪桥、 孟柳、 高家、 唐马桥、 牛庄 6 个监测断 面， 如图 1 所示， 共计 14 个监测断面。分别于 2009 年 枯水期 4 月 、 丰水期 7 月 和平水期 10 月 采集断 面水样并进行分析测试， 监测项目主要包括溶解氧 DO 、 五日生化需氧量 BOD5 、 化学需氧量 COD 、 总磷 TP 、 氨氮 NH3－ N 、 挥发酚 FN 、 石油类、 铜 Cu 、 锌 Zn 、 铅 Pb 、 镉 Cd 、 铬 Cr 、 砷 As 和汞 Hg 共 14 项指标。各项指标的测试方法参考文献 ［ 16］ 。 1． 2评价方法 单因素模糊评价仅反映单个因子对评价对象的影 响， 不能反映所有因子的综合影响， 因此不能得综合评 价结果。模糊综合评价考虑所有因子的影响， 将模糊 权向量 W 与单因素模糊评价矩阵 R 进行复合运算， 得 到评价对象的模糊综合评价向量 D［12 －14 ］， 即 D WR 1 式中， D模糊综合评价结果向量; W评价因子的权 重向量; R评价因子隶属于不同水质级别的隶属度 矩阵; “ ” 一种模糊复合运算法则。 其评价步骤如下 ［14， 17 ］ ①建立评价因子集; ②建 立评价集; ③计算隶属函数， 建立单因子模糊关系矩 阵; ④权重因子计算; ⑤建立模糊综合评价模型， 进行 模糊综合评判。 图 1太子河水样采样点位图 Fig． 1Sampling locations of surface water along the Taizi River G1老官砬子; G2兴安; G3参窝坝下; G4下王家; G5唐马寨; G6下口子; G7刘家台; G8小姐庙; Z1汤河桥; Z2河洪桥; Z3孟柳; Z4高家; Z5唐马桥; Z6牛庄。 2结果与讨论 2． 1水质评价因子 根据统计学原理， 只有具有一定代表性、 符合一定 精度要求的监测数据才能用于评判目的 ［7 ］， 通过计算 污染物超标倍数占全部超标倍数总和的百分比累积频 率 本文选大于 95 。本研究从中筛选出 BOD5、 COD、 NH3－ N、 FN、 TP、 Hg 和 Cd 共 7 项对太子河综合 环境影响较大的因子作为评价因子集， 即 U { X1， X2， X3， ， X7} { COD，NH3－ N，BOD5，FN，TP，Hg， Cd} 。上述指标的具体监测结果 以年平均值表示 见 表 1。 2． 2水质评价标准 根据 地表水环境质量标准 GB 3838 －2002 ， 地 表水质量划分了5 个等级， 为此确定评价集为 V {Ⅰ 类， Ⅱ 类， III 类， Ⅳ类， Ⅴ类} ， 把河流水质划分为优Ⅰ 、 良Ⅱ 、 中 Ⅲ 、 差 Ⅳ 、 劣 Ⅴ 共5 级， 污染程度相应为 未污染、 轻污染、 中污染、 重污染和严重污染。 607 第 6 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2011 年 ChaoXing 表 1太子河干流采样点水质监测结果年均值 Table 1Annual average of water quality monitoring results in Taizi River in 2009 序号 监测断面 ρB/ mgL －1 BOD5CODNH3－ NTPFNCdHg 1老官砬子 2．8538．400．210．040．020． 0020 0．00002 2本溪兴安 6．25117．133．130．050．220． 0037 0．00002 3参窝坝下 3．9529．771．610．050．060． 0041 0．00002 4下王家4．4618．030．690．030．030． 0030 0．00002 5唐马寨10． 3862．304．030．130．040． 0075 0．00005 6下口子9．9162．504．330．320．030． 0050 0．00002 7刘家台9．5467．373．720．120．020． 0032 0．00004 8小姐庙8．4134．434．490．220．020． 0034 0．00005 9汤河桥5．6562．271．360．430． 019 0． 0025 0．00002 10河洪桥18． 5281．379．620．360． 014 0． 0020 0．00002 11孟柳5．17129．907．190．270． 022 0． 0030 0．00002 12高家8．88140．4714． 160．390． 010 0． 0033 0．00006 13唐马桥10． 6592．8010． 360．410． 044 0． 0032 0．00009 14牛庄6．9594．333．170．250． 011 0． 0072 0．00007 2． 3建立隶属函数 隶属矩阵 R 中隶属函数采用降半梯形分布来描 述 ［7 ］， 将各监测断面水质的实际监测值代入相应的隶 属函数， 计算隶属度得到相应的隶属度矩阵 R。7 个 评价因子隶属于 5 个不同级别的隶属度组成隶属度矩 阵 R R 为 7 5 阶 。以老官砬子断面为例， 其隶属关 系矩阵为 R老官砬子 10000 0000． 160． 84 0． 830． 17000 0． 750． 25000 0000． 890． 11 0． 750． 25000                   10000 2． 4权重值的计算 在模糊综合评判中， 权重值反映了各因素在综合 决策中所占地位或所起作用， 直接影响到综合评判的 结果 ［2， 5， 7 ］。通常各因子的重要程度不一样， 因此对每 个因子 Xi赋于一个相应的权重值 ai i 1， 2， ， n 构 成权重集 A a1， a2， ， an 。本研究中按照评价因 子贡献率 ［9 ］的方法确定权重向量， 通过计算超标比来 计算权重值， 进行归一化处理后所得结果列于表 2。 2． 5模糊综合评价结果 模糊综合评价结果是通过模糊数学矩阵的乘积求 出运算结果， 评价结果按最大隶属度原则确定最后评 价结果的级别 ［5， 15 ］。太子河干支流各监测断面水质模 糊综合评价结果见表 3。评价结果表明， 太子河流域 各监测断面的水质除参窝坝下和下王家外均达到 Ⅴ级， Ⅴ级水质断面所占断面总数比例达 85． 7， 流 域水质受到严重污染。 表 2评价因子权重值的归一化结果 Table 2uation factorsweights after normalization 监测断面 权重值 ai BOD5 CODNH3－ NTPFNCdHg 老官砬子0．1520．5130．0560．0530． 1070．1080． 011 本溪兴安0．0800．3740．2000．0160． 2810．0470． 003 参窝坝下0．1280．2410．2600．0400． 1940．1310． 006 下王家0．2300．2320．1780．0390． 1550．1570． 010 唐马寨0．1690．2540．3280．0530． 0650．1230． 008 下口子0．1560．2460．3410．1260． 0470．0790． 003 刘家台0．1780．3150．3470．0560． 0370．0590． 007 小姐庙0．1650．1690．4410．1080． 0390．0670． 010 汤河桥0．1300．3590．1570．2480． 0430．0580． 005 河洪桥0．1860．2040．4830．0900． 0140．0200． 002 孟柳0．0600．3790．4190．0800． 0260．0340． 002 高家0．0690．2710．5470．0750． 0080．0260． 005 唐马桥0．1020．2230．4970．0980． 0420．0300． 009 牛庄0．1130．3830．2570．1010． 0180．1160． 011 表 3各监测断面模糊综合判别结果 Table 3Fuzzy comprehensive uation results of different monitoring sections 监测断面 水质级别 Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类 水质综合 判别结果 老官砬子0．3300．0500．0000．1770．443Ⅴ类 本溪兴安0．0240．0410．0000．0750．860Ⅴ类 参窝坝下0．0630．1210．1270．6110．079Ⅳ类 下王家0．1210．2860．3850．1730．034Ⅲ类 唐马寨0．0080．0370．0160．1040．835Ⅴ类 下口子0．0030．0000．0000．2200．777Ⅴ类 刘家台0．0350．0770．0110．0540．824Ⅴ类 小姐庙0．0370．0400．0870．2170．620Ⅴ类 汤河桥0．0410．0220．0670．2600．611Ⅴ类 河洪桥0．0170．0050．0000．0500．928Ⅴ类 孟柳0．0200．0170．0460．1160．801Ⅴ类 高家0．0100．0190．0010．0350．935Ⅴ类 唐马桥0．0140．0180．0070．0260．935Ⅴ类 牛庄0．0000．0050．0580．2210．717Ⅴ类 同时由表 3 各监测断面隶属Ⅴ类的计算结果可以 看出， 干流的本溪兴安断面、 唐马寨断面和刘家台断面 综合污染程度较严重， 支流的河洪桥断面、 高家断面和 唐马桥断面污染均较严重。另外， 总体上太子河支流 断面的污染程度比干流更严重， 这与实际的踏勘结果 及对太子河其他指标的调查研究结果相一致 ［4， 19 －20 ］， 说明模糊综合评价方法具有比较客观和真实的优点。 707 第 6 期宋雪英， 等 太子河流域水质模糊综合评价第 30 卷 ChaoXing 另外， 由模糊综合评判的权重因子看出， NH3－ N 和 COD 在各断面的权重值都较大， 对水质起主导作用， 其次为 BOD5和 FN， 反映出太子河流域工业污染和生 活污染严重， 这 4 项指标应该作为太子河流域十二 五污染减排和治理的重点。 3结语 1 通过模糊综合分析可以看出， 太子河流域水 质污染十分严重， 85． 7 的干流和支流监测断面水质 评价级别达到Ⅴ级， 主要污染物为 COD 和 NH3－ N， 其 次为 BOD5和 FN。总体上太子河支流断面较干流断面 的污染程度更为严重， 这与实际的踏勘结果相符。 2 应用模糊评价法对水质进行评价， 可以客观 地反映各评价因子共同作用下的水质状况， 同时还可 以确定主要污染物和主要污染类型， 为制定环保政策 和防治污染措施提供一定的科学依据。 4参考文献 ［ 1］沈拥， 何丽莉． 太子河流域辽阳段河流水质污染状况 分析［ J］ ． 环境保护科学， 2009， 35 3 20 －22． ［ 2］张乃英． 太子河鞍山段水质中主要污染物通量相关性 分析［ J］ ． 辽宁城乡环境科技， 2007， 25 2 17 －18， 29． ［ 3］张远， 郑丙辉， 王西琴， 胡成． 辽河流域浑河、 太子河生态 需水量研究［J］ ． 环境科学学报，2007， 27 6 937 － 943． ［ 4］苏丹， 王治江， 王彤， 白琳， 刘兰岚． 辽河流域工业废水主 要污染物排放强度单元差异分析［J］ ． 生态环境学报， 2010， 19 2 275 －280． ［ 5］郭素萍， 陈国栋． 模糊综合评价在太子河辽阳段水质评 价中的应用［ J］ ． 东北水利水电， 2008， 26 2 50 －52． ［ 6］Yin Y Y， Huang G H， Hipel K W． Fuzzy relation analysis for multicriteria water resources management［ J］ ． Journal of Water Resources Planning and Management， 1999， 25 1 41 －47． ［ 7］梁德华， 蒋火华． 河流水质综合评价方法的统一与改进 ［ J］ ． 中国环境监测， 2002， 18 2 63 －66． ［ 8］高学平， 赵世新， 张晨， 涂向阳． 河流系统健康状况评价 体系及评价方法［ J］ ． 水利学报， 2009， 40 8 962 －970． ［ 9］潘峰， 付强， 梁川． 模糊综合评价在水环境质量综合评价 中的应用［ J］ ． 环境工程， 2002， 20 2 58 －61． ［ 10］ 万金保， 侯得印． 水质模糊综合评价模型的建立与应用 ［ J］ ． 中国给水排水， 2006， 22 20 101 －104． ［ 11］ 万金保， 侯得印， 万兴， 涂盛辉． 模糊综合评价法在乐安 河水质评价中的应用［J］ ． 环境工程， 2006，24 6 77 －80． ［ 12］ 万金保， 李媛媛． 模糊综合评价法在都阳湖水质评价中 的应用［ J］ ． 上海环境科学， 2007， 26 5 215 －218． ［ 13］ 周贵忠， 张金恒， 王军强， 刘佳． 利用模糊数学评价大沽 河干流水质的研究［J］ ． 农业环境科学学报， 2010， 29 Z1 191 －195． ［ 14］ 徐晓云， 陈效民， 谢继征． 模糊综合评价法用于京杭运 河扬州段的水质评价［J］ ． 中国给水排水， 2008，24 24 107 －110． ［ 15］ 贺华中， 柏森． 地面水环境质量模糊综合评判方法的改 进［J］ ． 武汉大学学报; 自然科学版， 1998， 44 5 594 －596． ［ 16］ 国家环境保护总局． 水和废水分析监测方法 第四版 ［ M］ ． 北京 中国环境科学出版社， 2002． ［ 17］ 吴钢， 蔡井伟， 付海威， 王涌翔， 魏晶， 姜萍， 付晓， 刘阳． 模糊综合评价在大伙房水库下游水污染风险评价中应 用［ J］ ． 环境科学， 2007， 28 11 2438 －2442． ［ 18］ 孟祥宇， 徐得潜． 流域水质评价模糊综合评判模型及其 应用［ J］ ． 环境保护科学， 2009， 35 2 92 －94． ［ 19］ 宋雪英， 伦小文， 李玉双， 翟羽新， 胡晓钧． 太子河流域水 体中总大肠菌群污染现状研究［J］ ． 安徽农业科学， 2010， 38 28 15790 －15791， 15795． ［ 20］ 宋雪英， 李玉双， 伦小文， 蔺昕， 翟羽新， 胡晓钧， 孙铁珩． 太子河水体中多环芳烃分布与污染源解析［J］ ． 生态学 杂志， 2010， 29 12 2486 －2490． 807 第 6 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2011 年 ChaoXing