裴習(xí)軍 曹松寶 趙國(guó)彬

(儀征市水利工程總隊(duì)， 江蘇 儀征 211400)

儀征市地表水水質(zhì)現(xiàn)狀分析

裴習(xí)軍 曹松寶 趙國(guó)彬

(儀征市水利工程總隊(duì)， 江蘇 儀征 211400)

本文利用水質(zhì)采樣、指標(biāo)測(cè)試、統(tǒng)計(jì)分析、模糊邏輯以及GIS等技術(shù)對(duì)儀征市的地表水水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。共收集儀征市17個(gè)采樣點(diǎn)的204個(gè)樣品，并對(duì)其進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試，得到各水質(zhì)指標(biāo)的濃度及統(tǒng)計(jì)特征值。采用模糊邏輯法對(duì)各樣點(diǎn)的水質(zhì)狀況進(jìn)行量化，并結(jié)合GIS技術(shù)得到研究區(qū)域內(nèi)地表水水質(zhì)的分布情況。

儀征市； 地表水； 水質(zhì)采樣； 模糊邏輯

1 概 述

水質(zhì)與水環(huán)境惡化問題已成為我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要制約因素之一，其相關(guān)研究得到了越來越廣泛的關(guān)注。水質(zhì)評(píng)價(jià)是飲用水源地選址、工農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制的基礎(chǔ)，也是解決水質(zhì)問題的關(guān)鍵，因此具有十分重要的應(yīng)用意義。然而，目前的相關(guān)研究在三個(gè)方面存在不足：?大多數(shù)研究對(duì)象為某一流域或河流而不是某一行政區(qū)劃或地區(qū)；?研究所得到的大多為定性結(jié)論而非明確的定量結(jié)論；?很少有研究分析了水質(zhì)狀況的空間分布情況。

針對(duì)以上三點(diǎn)不足，本文選擇儀征市為研究區(qū)域，利用水質(zhì)采樣、指標(biāo)測(cè)試、統(tǒng)計(jì)分析法得到17個(gè)采樣點(diǎn)204個(gè)地表水樣品的水質(zhì)指標(biāo)及統(tǒng)計(jì)特征值，應(yīng)用模糊邏輯法將水質(zhì)評(píng)價(jià)定性結(jié)論轉(zhuǎn)變?yōu)槎拷Y(jié)論，并采用GIS技術(shù)得到研究區(qū)間內(nèi)的地表水水質(zhì)現(xiàn)狀分布地圖。為水質(zhì)評(píng)價(jià)領(lǐng)域的研究與分析提供了補(bǔ)充方法，為研究區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)保護(hù)與治理提供了科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域與方法

研究區(qū)域?yàn)閮x征市(見圖1)，其隸屬于江蘇省揚(yáng)州市，位于揚(yáng)州市西部，屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，降雨充沛，季風(fēng)特征明顯。總面積901km2，總?cè)丝?1萬，是長(zhǎng)江中下游地區(qū)重要的石油化學(xué)工業(yè)城市。如圖1中圓點(diǎn)所示，共選擇研究區(qū)域內(nèi)的17個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行地表水采樣，所選采樣點(diǎn)基本包括儀征市最重要的地表水區(qū)域，包括長(zhǎng)江、儀揚(yáng)河、龍河、胥浦河、鴨嘴橋水庫、風(fēng)嶺水庫、塔山水庫等。2015年1—12月期間，每月在各采樣點(diǎn)取樣1次，共收集樣品204個(gè)。對(duì)所收集樣品進(jìn)行物理化學(xué)測(cè)試，得到總硬度、生化需氧量、化學(xué)耗氧量、溶解氧、氨氮、懸浮物、氟化物、總氮、總磷、高錳酸鹽等代表水質(zhì)狀況的指標(biāo)。

圖1 研究范圍及地表水采樣位置

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析采用FORTRAN語言編程法，所編寫的程序可以對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行匯總，計(jì)算其平均值、中間值、最大值、最小值以及正態(tài)分布規(guī)律等統(tǒng)計(jì)特性，其中最重要的是75%概率范圍，該范圍相較于平均值或中間值更能表達(dá)研究區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)水平。

在傳統(tǒng)的水質(zhì)評(píng)價(jià)工作中，主要通過我國(guó)的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《地表水資源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)范對(duì)水質(zhì)情況進(jìn)行分級(jí)，但這種分級(jí)結(jié)論屬于定性結(jié)論，其反映實(shí)際情況的能力有限。因此采用模糊邏輯法對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行量化。這兩種表達(dá)方式的主要區(qū)別在于前者只能表達(dá)二項(xiàng)元(例如“是”或者“否“)，其普通的量化結(jié)果只能是0(代表“否”)或者1(代表“是”)，而后者則可以表達(dá)連續(xù)區(qū)間，其量化結(jié)果介于0與1之間。例如,前者只能表達(dá)某樣品水質(zhì)是否屬于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類，但后者卻可以表達(dá)該水質(zhì)屬于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ類的程度，因此后者可實(shí)現(xiàn)水質(zhì)表達(dá)的完整量化過程。

在以往的地表水水質(zhì)分析中，很少分析某一區(qū)域的水質(zhì)空間分布情況，主要因?yàn)榈乇硭谀骋谎芯繀^(qū)域中不連續(xù)，即研究區(qū)域內(nèi)還有農(nóng)田、城市以及山林等非水體，而且所得采樣點(diǎn)的水質(zhì)為定性結(jié)果。本文將采樣點(diǎn)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)量化后，則可以基于這些樣點(diǎn)的水質(zhì)指數(shù)通過空間插值法得到整個(gè)研究?jī)?nèi)的水質(zhì)空間分布情況。所采用的GIS平臺(tái)為ArcGIS，所采用的空間插值法為Kring法。所得結(jié)果中非水體處結(jié)果并無實(shí)際意義，但卻有助于分析水質(zhì)的空間分布趨勢(shì)及某一小區(qū)域的水質(zhì)水平。

3 結(jié)果與分析

水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果表明：儀征市地表水的主要水質(zhì)參數(shù)有總硬度、溶解氧、生化需氧量、化學(xué)耗氧量、氨氮、懸浮物、氟化物、總氮、總磷以及高錳酸鹽10項(xiàng)，而其他參數(shù)的濃度則可忽略不計(jì)。這些主要參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。由于各參數(shù)濃度差異較大，因此采用對(duì)數(shù)表格，從而可在一張圖中顯示所有參數(shù)值。圖2中下端橫線表示各樣品中的最低值，例如，總硬度的最低值約為85mg/L；上端橫線表示各樣品中的最大值，例如，總硬度的最大值約為185mg/L；方塊范圍表達(dá)的為75%概率范圍，例如，在所有樣品中75%樣品的總硬度值介于103mg/L和148mg/L之間，方塊中的橫線代表中間值，例如，總硬度值的中間值為110mg/L，當(dāng)該橫線居中時(shí)可認(rèn)為各樣品中的水質(zhì)狀況呈正態(tài)分布趨勢(shì)。圖2中氨氮量和總磷量的圖形不完整，其主要原因是這兩者的中間值、75%概率范圍低值以及最小值都低于0.1mg/L，因此幾乎可以忽略不計(jì)。

圖2 水質(zhì)參數(shù)值及統(tǒng)計(jì)特性

將圖2數(shù)據(jù)與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)進(jìn)行比較，說明儀征市地表水按水域環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)劃分，可被認(rèn)為是水質(zhì)Ⅲ類，即適用于集中式生活飲用水地表水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)、魚蝦類越冬場(chǎng)、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及旅游區(qū)。

然而，各采樣點(diǎn)的水質(zhì)情況不盡相同，為更精確地表達(dá)出儀征市各地區(qū)的水質(zhì)現(xiàn)狀，需對(duì)各水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行模糊邏輯處理。根據(jù)閆曉惠等人提出的模糊邏輯在水利工程環(huán)境評(píng)價(jià)中的應(yīng)用方法，對(duì)不同的選項(xiàng)進(jìn)行比較，選擇出最適合水質(zhì)評(píng)價(jià)模糊邏輯化方案。其最終步驟如下：?對(duì)各水質(zhì)參數(shù)定義論域，選用經(jīng)驗(yàn)最低濃度值為論域最低值、經(jīng)驗(yàn)最高濃度為論域最高值；?選擇模糊邏輯隸屬方程，其中高斯式方程最為適合；?定義輸出量，在水質(zhì)評(píng)價(jià)中可定義為水質(zhì)指數(shù)，認(rèn)為該值越大水質(zhì)越好，反之亦然；?建立計(jì)算規(guī)則，經(jīng)檢驗(yàn)，其中最常用的“IF-THEN”規(guī)則完全適用于水質(zhì)評(píng)價(jià)，其基本規(guī)則為“濃度越高水質(zhì)越差”；?去模糊化，這里可將輸出結(jié)果即水質(zhì)指數(shù)值定義為介于0與1之間的數(shù)值?；谝陨狭炕Y(jié)果，利用ArcGIS平臺(tái)及Kring空間插值法，得到儀征市的地表水水質(zhì)現(xiàn)狀分布地圖，如圖3所示。

圖3 儀征市地表水水質(zhì)現(xiàn)狀分布情況

在圖3中，水質(zhì)指數(shù)值越小表明污染指標(biāo)濃度越高、水質(zhì)越差，反之亦然。當(dāng)某一點(diǎn)的水質(zhì)指數(shù)值低于0.2時(shí)，說明該處水體污染嚴(yán)重；當(dāng)大于0.2而小于0.5時(shí)，說明該處水體受污染，但污染程度較輕；當(dāng)該值大于0.5而小于0.7時(shí)，說明該處水體基本符合飲用標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)該值大于0.7時(shí)，說明該處水體水質(zhì)較好。儀征市各處水質(zhì)指數(shù)均大于0.75，因此水質(zhì)合格?？傮w而言，儀征市水質(zhì)中部地區(qū)好于南部和北部地區(qū)，農(nóng)村地區(qū)好于城市地區(qū)。棗林水庫、塔山水庫以及龍河流域水質(zhì)指數(shù)甚至高于0.95，說明這些區(qū)域的水質(zhì)非常優(yōu)異，最適合作為優(yōu)質(zhì)飲水水源。而儀揚(yáng)河、胥浦河以及風(fēng)嶺水庫的水質(zhì)指數(shù)為0.8左右，相對(duì)其他地區(qū)較低，應(yīng)加強(qiáng)這些區(qū)域的水質(zhì)污染源排查并加強(qiáng)水質(zhì)污染防治。

4 結(jié) 語

在儀征市17采樣點(diǎn)采集樣品204個(gè)，并進(jìn)行物理化學(xué)檢測(cè)，得到各水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)的濃度值。將各水質(zhì)指標(biāo)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行比較并應(yīng)用模糊邏輯法進(jìn)行量化分析，再利用GIS技術(shù)得到研究區(qū)域內(nèi)的水質(zhì)現(xiàn)狀空間分布地圖，并為該地區(qū)的飲水水源選址及水污染防治重點(diǎn)提出建議。本文主要結(jié)論為：?儀征市地表水水質(zhì)較好，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)可將其劃為Ⅲ類水質(zhì)；?總體而言，儀征市水質(zhì)中部地區(qū)好于南部和北部地區(qū)，農(nóng)村地區(qū)好于城市地區(qū)；?棗林水庫、塔山水庫以及龍河流域水質(zhì)非常優(yōu)異，最適合作為飲水水源；?儀揚(yáng)河、胥浦河流域以及風(fēng)嶺水庫的水質(zhì)指數(shù)相對(duì)較低，應(yīng)加強(qiáng)這些區(qū)域的水質(zhì)污染源排查并加強(qiáng)水質(zhì)污染防治。

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Analysis on Yizheng surface water quality present situation

PEI Xijun, CAO Songbao, ZHAO Guobin

(Yizheng Water Conservancy Engineering Team, Jiangsu 211400, China)

In the paper, water quality sampling, index testing, statistical analysis, fuzzy logics, GIS and other technology are utilized to analyze surface water quality present situation in Yizheng. 204 samples in 17 sampling points in Yizheng are collected totally. Indexes are tested for obtaining concentration and statistic characteristic values of all water quality indexes. Fuzzy logic method is adopted to quantify the water quality situation of every sampling point. GIS technology is combined to get the distribution condition of surface water quality in the study area.

Yizheng; surface water; water quality sampling; fuzzy logic

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.06.007

TV213.9

B

2096- 0131(2016)06- 0021- 03