李韶慧， 周忠發(fā)， 但雨生， 尹林江

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院/地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550001；2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地， 貴州 貴陽(yáng) 550001)

水質(zhì)評(píng)價(jià)是以實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用某評(píng)價(jià)方法，依據(jù)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行定性定量評(píng)價(jià)，從而對(duì)水體開發(fā)利用及污染程度作出判斷[1]。其評(píng)價(jià)方法眾多，但至今國(guó)內(nèi)外沒有公認(rèn)的統(tǒng)一的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，目前主要的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有綜合污染指數(shù)法[2-3]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[5-6]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7-9]、多元統(tǒng)計(jì)分析法[10-12]、以及主成分分析法[13-14]等，以上方法應(yīng)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)中各有優(yōu)缺點(diǎn)，并且眾多學(xué)者針對(duì)以上方法的不足均進(jìn)行了一定的改進(jìn)，但由于水環(huán)境本身具有動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，加之監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集不完全的影響，如何在水環(huán)境存在不確定性的條件下，提高水質(zhì)評(píng)價(jià)精度，就成為了現(xiàn)階段水質(zhì)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵[15]。為了對(duì)平寨水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行較為精確的評(píng)價(jià)，本文引入了貝葉斯方法。貝葉斯理論是英國(guó)數(shù)學(xué)家貝葉斯于1763年提出來的一種基于概率論的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，通過計(jì)算賦權(quán)之后的后驗(yàn)概率和，以最大概率原則確定所屬水質(zhì)等級(jí)的概率的方法[16]。目前眾多學(xué)者[17-18]把貝葉斯理論引入水質(zhì)評(píng)價(jià)領(lǐng)域取得一定研究成果，但上述貝葉斯模型實(shí)質(zhì)上為“等權(quán)重”貝葉斯模型，忽略了各評(píng)價(jià)因子對(duì)水環(huán)境質(zhì)量貢獻(xiàn)的差異性。有學(xué)者將熵權(quán)法引入貝葉斯模型[19-20]，結(jié)果表明基于熵權(quán)賦權(quán)的貝葉斯評(píng)價(jià)模型應(yīng)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)明顯優(yōu)于等權(quán)貝葉斯模型。然而熵權(quán)法主要依據(jù)數(shù)據(jù)本身的離散程度計(jì)算其權(quán)重大小，可削弱異常值的影響，但其權(quán)重往往由于“過于客觀”而與實(shí)際不符。為了更好地反映實(shí)際情況，本文采用主觀層次分析法和客觀熵權(quán)法組合確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，在客觀賦值的基礎(chǔ)上加入主觀因素，使平寨水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)更加科學(xué)、合理。平寨水庫(kù)位于中國(guó)喀斯特廣泛分布、工程性缺水嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱的西南地區(qū)，同時(shí)又是黔中水利樞紐的源頭水庫(kù)，是周邊地區(qū)及貴陽(yáng)市供水、灌溉的重要水源地。因此對(duì)其進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文利用組合權(quán)重并結(jié)合貝葉斯水質(zhì)評(píng)價(jià)模型，對(duì)平寨水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期對(duì)平寨水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)及科學(xué)管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

平寨水庫(kù)位于烏江南源一級(jí)支流三岔河，地處105°17′3″E—105°26′44″E，26°29′33″N—26°35′38″N之間，由水公河、張維河、白水河和扈家河匯入納雍河(三岔河納雍段)后筑壩而成(圖1)。壩址位于六枝特區(qū)與織金縣交界的三岔河中游木底河平寨附近，壩高162.7 m，水庫(kù)正常蓄水位1 331 m，總庫(kù)容量1.09×109m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容4.48×108m3，水庫(kù)面積14.57 km2，湖岸線長(zhǎng)達(dá)94.89 km。入庫(kù)河流流域總面積357.2 km2，年平均氣溫10.4～15.1 ℃，多年平均降雨量為1 089.6 mm。于2015年開始蓄水，作為黔中水利樞紐一期工程核心水源工程，主要用于解決黔中主要灌區(qū)的農(nóng)灌用水、縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水和人畜飲水，和貴陽(yáng)市2020年缺水問題。

圖1 平寨水庫(kù)監(jiān)測(cè)斷面及樣點(diǎn)分布

1.2 采樣與監(jiān)測(cè)

根據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則：地面水(HJ2.3-2018)》，并結(jié)合根據(jù)平寨水庫(kù)入庫(kù)河流、匯流區(qū)以及壩區(qū)分布位置特點(diǎn)，設(shè)置了納雍河(NY)、水公河(SG)、扈家河(HJ)、白水河(BS)、張維河(ZW)、庫(kù)區(qū)中心1(KQ1)、庫(kù)區(qū)中心2(KQ2)7個(gè)斷面(圖1)，于2018年1，5，8月在連續(xù)穩(wěn)定天氣條件下進(jìn)行水樣采集，所采水樣立即放入便攜式冷藏箱保存，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水樣分析。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》，排除了一些低于檢出限的指標(biāo)，最后選取化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、溶解氧(DO)和氨氮(NH3-N)作為水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，溶解氧(DO)采用Multi 3510IDS便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，其余指標(biāo)均按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[21]在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)定。

2 研究方法

2.1 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.1.1 熵權(quán)法 本文采用熵權(quán)法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重。熵權(quán)法確定評(píng)價(jià)權(quán)重的步驟為：

(1) 建立有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，n個(gè)評(píng)價(jià)樣本的原始矩陣。

X=(xij)m×n

(1)

式中：xij為第i個(gè)評(píng)價(jià)樣本j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。

(2) 矩陣標(biāo)準(zhǔn)化。

(2)

(3) 計(jì)算信息熵。

(3)

(4) 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)j的熵權(quán)。

(4)

2.1.2 層次分析法 本文采用層次分析法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重。計(jì)算權(quán)重步驟如下。

2.1.3 差異系數(shù)法計(jì)算組合權(quán)重 熵權(quán)法主要依據(jù)數(shù)據(jù)本身的離散程度計(jì)算其權(quán)重大小，可削弱異常值的影響，但其權(quán)重往往由于“過于客觀”而與實(shí)際不符；采用層次分析法修正熵權(quán)法的不足。設(shè)層次分析法得到的指標(biāo)權(quán)重為ωj1，熵權(quán)法得到的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重為ωj2，綜合權(quán)重為ωz，用ωj1和ωj2線性表示ωz，計(jì)算公式為：

ωz=(1-α)ωj1+αωj2

(5)

式中：α為熵權(quán)法確定的權(quán)重在組合賦權(quán)中所占的比例，為了減少主觀因素的影響，其值選用差異系數(shù)法[22]進(jìn)行賦值，計(jì)算公式為：

(6)

式中：ω1，ω2，…，ωn為層次分析法確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重依次遞增重新排列；n為層次分析法的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)。

2.2 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

(1) 貝葉斯水質(zhì)模型。貝葉斯計(jì)算公式[23]為：

(7)

式中：Bi代表水質(zhì)等級(jí)；A代表樣本水質(zhì)指標(biāo)；P(Bi)表示先驗(yàn)概率；P(Bi|A)表示后驗(yàn)概率；P(A|Bi)表示條件概率。

將貝葉斯公式引入水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，公式改寫為：

(8)

式中：i表示所測(cè)樣本指標(biāo)(i=1,2,…,n)；j表示水質(zhì)等級(jí)(j=1,2,3,4,5)；yij表示水質(zhì)等級(jí)；

(2) 貝葉斯水質(zhì)評(píng)價(jià)計(jì)算步驟。

①計(jì)算P(yij)，即水質(zhì)等級(jí)的先驗(yàn)概率，沒有前提條件下，所測(cè)水樣屬于任一水質(zhì)等級(jí)的概率相等即：P(yi1)=P(yi2)=P(yi3)=P(yi4)=P(yi5)=1/5。

②計(jì)算P(xi|yij)，采用幾何概率中距離計(jì)算值法，以水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)指標(biāo)距離的絕對(duì)值倒數(shù)進(jìn)行計(jì)算可得：

(9)

式中：Lij=|xi-yij| (j=1,2,…,5) (i=1,2,…,5)，Lij越小則表示所測(cè)指標(biāo)屬于對(duì)應(yīng)水質(zhì)等級(jí)的概率越大。

③計(jì)算P(yij|xi)，即公式(8)所示公式。

④計(jì)算多指標(biāo)下綜合水質(zhì)的后驗(yàn)概率Pj。

(10)

式中：ωi表示檢測(cè)指標(biāo)i的權(quán)重。

⑤確定最終水質(zhì)等級(jí)。

(11)

3 結(jié)果與分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)含量分析

根據(jù)平寨水庫(kù)的水文情況，以1，5，8月分別代表枯水期、平水期和豐水期，以1，5和8月這3個(gè)月份指標(biāo)的平均濃度值代表全年指標(biāo)情況，并結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》中4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)，對(duì)所選評(píng)價(jià)指標(biāo)含量進(jìn)行分析。由圖2可知，7個(gè)斷面TN的平均濃度均高于2 mg/L，超過Ⅴ類水，TN濃度最低值出現(xiàn)在豐水期SG斷面，為Ⅴ類水，TN濃度最高值出現(xiàn)在豐水期的KQ2斷面。DO全年平均濃度高于7.5 mg/L，為Ⅰ類水，7個(gè)斷面均為枯水期DO濃度最低，BS和HJ兩個(gè)斷面平水期DO濃度最高，ZW，NY和SG斷面豐水期DO濃度最高，而KQ1和KQ2兩個(gè)斷面平水期和豐水期DO濃度值相差不大，考慮可能是由于處于河流交匯處。NH3-N濃度最高值低于0.15 mg/L，為Ⅰ類水，除NY斷面外，其余6個(gè)斷面在平水期NH3-N濃度最高。COD全年平均濃度值在KQ1和KQ2斷面高于30 mg/L，為Ⅴ類水，其余5個(gè)斷面COD濃度高于20 mg/L，為Ⅳ類水，COD濃度最高值出現(xiàn)在平水期的KQ1斷面，其濃度高于40 mg/L，超過Ⅴ類水，COD濃度最低值出現(xiàn)在豐水期BS斷面低于20 mg/L，為Ⅲ類水。全年而言，TN濃度超過Ⅴ類水，COD濃度為Ⅴ類水，DO和NH3-N濃度達(dá)到Ⅰ類水。因此，平寨水庫(kù)主要水質(zhì)污染因子為TN和COD。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) mg/L

圖2 平寨水庫(kù)水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)含量實(shí)測(cè)值

3.2 各水文時(shí)期內(nèi)水質(zhì)指標(biāo)變化

對(duì)平寨水庫(kù)2018年各水文時(shí)期內(nèi)水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)含量取均值，分析其在各水文時(shí)期的變化特征，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，DO濃度在枯水期最低；NH3-N和COD在平水期濃度最高；TN在枯水期濃度最高。4個(gè)指標(biāo)濃度值在水文時(shí)期內(nèi)變化趨勢(shì)為：DO表現(xiàn)為：豐水期>平水期>枯水期；TN為：枯水期>平水期>豐水期；COD表現(xiàn)為：平水期>枯水期>豐水期；NH3-N表現(xiàn)為：平水期>豐水期>枯水期。

3.3 貝葉斯水質(zhì)評(píng)價(jià)

以2018年1，5，8月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按公式(1)—(6)得到熵權(quán)法、層次分析法的權(quán)重及兩者共同確定的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的組合權(quán)重(表2)；按公式(7)—(10)計(jì)算多指標(biāo)下綜合水質(zhì)的后驗(yàn)概率(表3)，按最大概率的原則即公式(11)并結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》(表1)確定平寨水庫(kù)各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)《貴州省水功能區(qū)劃》要求，平寨水庫(kù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。監(jiān)測(cè)顯示(圖4)，除枯水期KQ1斷面以及豐水期NY和KQ2斷面外，其余斷面在各水文時(shí)期水質(zhì)類別均達(dá)到Ⅱ類及以上。從各水文時(shí)期的水質(zhì)狀況看，豐水期7個(gè)斷面水質(zhì)均達(dá)標(biāo)，枯水期ZW，SG，NY，HJ，BS和KQ2斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，平水期ZW，SG，KQ1，BS和HJ斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)，因此，平寨水庫(kù)豐水期水質(zhì)最好，枯水期水質(zhì)次之，平水期水質(zhì)最差。從各斷面水質(zhì)狀況來看，ZW，SG，BS，HJ斷面在各水文時(shí)期水質(zhì)均達(dá)標(biāo)，KQ1斷面水質(zhì)僅枯水期未達(dá)標(biāo)，NY和KQ2斷面水質(zhì)僅豐水期水期未達(dá)標(biāo)，因此，平寨水庫(kù)NY，KQ1和KQ2斷面水質(zhì)最差。

圖3 平寨水庫(kù)評(píng)價(jià)指標(biāo)各水文時(shí)期的含量變化

表2 各評(píng)價(jià)因子權(quán)重

表3 多指標(biāo)下綜合水質(zhì)后驗(yàn)概率

注：按后驗(yàn)概率的最大值，最終確定各斷面在不同月份的水質(zhì)類別。

3.4 組合賦權(quán)貝葉斯與等權(quán)重貝葉斯評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比

以平寨水庫(kù)2018年枯水期、平水期、豐水期的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按各指標(biāo)等權(quán)重即為0.25，根據(jù)公式(7)—(11)并結(jié)合《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》(表1)確定各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)等級(jí)，并與組合賦權(quán)貝葉斯評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表4。表4顯示，組合賦權(quán)貝葉斯模型和等權(quán)重貝葉斯模型兩者評(píng)價(jià)結(jié)果具有較好的一致性。表現(xiàn)出86%的評(píng)價(jià)結(jié)果相一致，評(píng)價(jià)結(jié)果不一致的主要集中于枯水期的ZW，BS，KQ1三個(gè)斷面，在枯水期ZW和BS斷面顯示組合賦權(quán)貝葉斯模型評(píng)價(jià)等級(jí)優(yōu)于等權(quán)重貝葉斯模型，而在枯水期的KQ1斷面顯示出等權(quán)重貝葉斯模型評(píng)價(jià)等級(jí)優(yōu)于組合賦權(quán)貝葉斯模型評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖4 平寨水庫(kù)各斷面不同水文時(shí)期的水質(zhì)變化

表4 組合賦權(quán)貝葉斯與等權(quán)重貝葉斯水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比

4 討 論

4.1 水質(zhì)時(shí)空差異分析

通過分析2018年平寨水庫(kù)在不同水文時(shí)期內(nèi)的水質(zhì)狀況，得出豐水期水質(zhì)最好、枯水期水質(zhì)次之、平水期水質(zhì)最差的變化特征。說明豐水期徑流攜帶的污染物含量低，平水期徑流攜帶污染物含量最高。一般情況下，豐水期水體污染物含量低[24]，平寨水庫(kù)由于豐水期降雨量集中，庫(kù)區(qū)流量增大，污染物運(yùn)移和自凈能力強(qiáng)，因而水質(zhì)最好；平水期正值農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的繁忙時(shí)節(jié)，農(nóng)業(yè)面源污染量大，致使水質(zhì)劣于豐水期和枯水期。在分析平寨水庫(kù)各斷面水質(zhì)狀況時(shí)發(fā)現(xiàn)，主要是KQ1，NY，KQ2斷面水質(zhì)最差?？紤]主要由于KQ1和KQ2位于河流交匯處承接了來自上游河流的污染物，且水流速度在此減緩，水體交換周期長(zhǎng)，因而水質(zhì)較差。有研究表明，水質(zhì)與土地利用類型之間存在顯著相關(guān)關(guān)系[25-26]，其中水體污染物的含量與城鎮(zhèn)用地、耕地呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與林地、草地則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[27-28]，NY斷面離居民點(diǎn)較近，受兩岸分布密集的居民點(diǎn)影響，生產(chǎn)生活污水排放量高，因此居民點(diǎn)源污染可能是造成NY斷面水質(zhì)差的原因。

4.2 組合賦權(quán)貝葉斯模型水質(zhì)評(píng)價(jià)的合理性

利用組合賦權(quán)貝葉斯模型與等權(quán)重貝葉斯模型分別對(duì)平寨水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。組合賦權(quán)貝葉斯模型與等權(quán)重貝葉斯模型評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，但從各斷面評(píng)價(jià)結(jié)果來看存在一定差異，等權(quán)重貝葉斯模型在枯水期ZW，KQ1和BS斷面評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅴ，Ⅲ，Ⅲ，而組合賦權(quán)貝葉斯模型在枯水期三個(gè)斷面的評(píng)價(jià)結(jié)果則分別為Ⅱ，Ⅳ和Ⅱ，等權(quán)重貝葉斯模型評(píng)價(jià)結(jié)果較為保守，而基于組合賦權(quán)的貝葉斯模型強(qiáng)調(diào)各評(píng)價(jià)因子之間的聯(lián)系，并且在貴州高原TN本底值較高的情況下，削弱了TN的貢獻(xiàn)，區(qū)分了各評(píng)價(jià)因子對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn)率的差異，使得其評(píng)價(jià)結(jié)果更為合理。

5 結(jié) 論

(1) 由評(píng)價(jià)指標(biāo)含量分析可知，平寨水庫(kù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)中，DO和NH3-N平均達(dá)Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)；TN平均超過Ⅴ類水；COD平均達(dá)Ⅴ類水，平寨水庫(kù)主要污染因子為TN和COD。

(2) DO在豐水期濃度最高，枯水期最低；TN在枯水期濃度最高，豐水期最低；NH3-N在平水期濃度最高，枯水期最低；COD在平水期濃度最高，豐水期最低。

(3) 平寨水庫(kù)豐水期水質(zhì)最好，其次為枯水期，最次為平水期；各斷面中庫(kù)區(qū)中心1(KQ1)、庫(kù)區(qū)中心2(KQ2)以及納雍河斷面(NY)水質(zhì)最差。

(4) 組合賦權(quán)貝葉斯水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果與等權(quán)重貝葉斯評(píng)價(jià)結(jié)果一致性較好，其運(yùn)用組合賦權(quán)確定權(quán)重值，較等權(quán)重貝葉斯更具真實(shí)、客觀，能夠真實(shí)反映地表水質(zhì)實(shí)際狀況。