廖偉東，秦 朗，黃學(xué)平，劉在今，陳子悅，姚元勛，章 鑫

(南昌工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

當(dāng)今受氣候變化、人類活動干預(yù)等影響，水環(huán)境污染問題日益凸顯。國內(nèi)外針對大湖泊、大河流的治理與修復(fù)做了大量工作、取得了眾多研究成果，但對池塘等小微水體的水質(zhì)狀況與污染治理等關(guān)注不夠。相較于湖泊、河流，小微水體一般具有水域面積較小、封閉性較強(qiáng)、流動性較差且生態(tài)結(jié)構(gòu)較為單一、自凈能力較差等特點(diǎn)，一旦有污染物遷移進(jìn)入水體，更易引發(fā)嚴(yán)重污染而成為黑臭水體[1]。因此研究池塘小微水體的水質(zhì)狀況與污染治理等對流域治理的長效性具有重要意義。

科學(xué)、適宜的水質(zhì)評價方法能科學(xué)地反映水質(zhì)變化規(guī)律，其評價結(jié)果對水污染治理等具有重要指導(dǎo)作用[2]。水質(zhì)評價方法通常有指數(shù)評價法、灰色系統(tǒng)評價法、主成分分析法、模糊綜合評價法、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[3]。本研究采用傳統(tǒng)與改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評價法對安義古村群門口塘小微水體進(jìn)行水質(zhì)評價，以期為小微水體的評價提供一定的參考。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域現(xiàn)狀

研究區(qū)域?yàn)榘擦x千年古村群中的3個村落(羅田村、水南村和京臺村)。村中分布著大小10余處門口塘，雨污水經(jīng)管、溝流入附近的池塘、菜地與農(nóng)田。安義古村群門口塘監(jiān)測點(diǎn)位經(jīng)緯度參見表1。安義古村群門口塘外觀與水處理措施實(shí)施情況參見表2，其中位于旅游線路顯要處的7口塘已采取安裝曝氣設(shè)施、栽種水生植物等水處理措施，剩余5口塘未采取水處理措施。

表1 監(jiān)測點(diǎn)位經(jīng)緯度

表2 安義古村群門口塘外觀與水處理措施實(shí)施情況

1.2 采樣與分析方法

水樣采樣點(diǎn)分布狀況如表1所示，采樣時間為2019年11月(枯水期)。水樣采集參照HJ494—2009《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》，水樣保存參照HJ493—2009《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》。選取常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)COD、NH3-N 、TP作為水質(zhì)分析與評價指標(biāo)。水樣檢測方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[4]即：COD濃度采用重鉻酸鹽法測定，NH3-N濃度采用納氏試劑分光光度法測定，TP濃度采用鉬酸銨分光光度法測定。

1.3 水質(zhì)評價方法

1.3.1 傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)水質(zhì)評價法主要突出最大污染因子影響[5]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)～(3)：

Fi=Ci/Si，

(1)

(2)

(3)

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅標(biāo)染指數(shù)值分級如表3。

表3 傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)劃分的水質(zhì)級別

1.3.2 改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法過于強(qiáng)調(diào)最大污染因子對水質(zhì)的影響而忽視了對權(quán)重的考慮，為了合理地反映水質(zhì)狀況，改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法引入了權(quán)重系數(shù)，同時，對最大值和平均值進(jìn)一步加以修正[7]。

權(quán)重系數(shù)Wi的表達(dá)式為式(4)：

(4)

式中評價因子的相關(guān)性比值Ri表達(dá)式為式(5)：

Ri=Smax/Si，

(5)

式中Si為第i個評價因子的標(biāo)準(zhǔn)值，Smax為評價指標(biāo)的最大值。

Fmax的修正表達(dá)式參見式(6)～(7)[8]：

(6)

(7)

式中，F(xiàn)w為n項(xiàng)評價指標(biāo)的關(guān)鍵指標(biāo)平均值；n為評價指標(biāo)項(xiàng)數(shù)；Fi為評價指標(biāo)的評分值；m為Fi≥1的項(xiàng)數(shù)，當(dāng)m=0時，F(xiàn)w=0。

(8)

(9)

改進(jìn)內(nèi)梅羅標(biāo)染指數(shù)值分級如表4。

表4 改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)劃分的水質(zhì)級別

1.3.3 模糊綜合評價方法

隸屬度函數(shù)表達(dá)如下[11]：

(1)第Ⅰ級(首級)，即j=1時，其隸屬度函數(shù)為式(10)：

(10)

(2)第Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級(中間級)，即1

(11)

(3)第Ⅴ(末級)，即j=m時，其隸屬度函數(shù)為式(12)：

(12)

式中xi表示第i項(xiàng)評價因子的實(shí)測濃度值；si，j表示第i項(xiàng)評價因子對應(yīng)的第j級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，i=1，2，…，n，j=1，2，…，m。

建立模糊評價矩陣，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式(13)：

(13)

其中i為污染因素個數(shù)，j為評價等級個數(shù)。

由于所接收到的語音信號包含聲道傳輸?shù)挠绊?多個麥克風(fēng)所接收到的語音信號經(jīng)過不同的傳播路徑,我們希望在多路麥克風(fēng)信號的相關(guān)性計算中盡量去除傳輸?shù)挠绊?因此對各路麥克風(fēng)接收的語音信號進(jìn)行LPC[10]處理,得到反映語音激勵特征的殘差信號用于相關(guān)性計算[11]。基于p階LPC的殘差信號由式(7)給出。式中N為一幀信號的長度。

(14)

式中Ci為第i項(xiàng)評價因子的實(shí)測值，Si為第i項(xiàng)評價因子標(biāo)準(zhǔn)值的平均值。

模糊綜合評價法數(shù)學(xué)模型為

B=W×R，

(15)

式中B為綜合評價結(jié)果；W為評價因子權(quán)重；R為模糊關(guān)系矩陣。依據(jù)綜合評價結(jié)果，由最大隸屬度確定水質(zhì)級別[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)分析

水質(zhì)檢測結(jié)果參見表5。由表5可知：羅田村AY01、AY02、AY03的水質(zhì)較好，AY04、AY05、AY06的水樣TP、NH3-N濃度大于Ⅲ類水體限值；水南村整體水質(zhì)較好；京臺村部分水樣TP、NH3-N濃度偏大于Ⅲ類水體限值。通過計算整個古村群落評價指標(biāo)的均值發(fā)現(xiàn)：COD濃度指標(biāo)呈Ⅰ類水體，NH3-N濃度指標(biāo)體現(xiàn)為Ⅲ類水體，TP濃度過高(超越了Ⅴ類水體的限值)。

表5 安義古村群水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù) mg/L

2.2 內(nèi)梅羅指數(shù)法分析

本文參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，內(nèi)梅羅指數(shù)評價計算結(jié)果如表6所示。比較傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法和改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法可知，兩種評價方法得出的水質(zhì)評價結(jié)果趨于一致。由于傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法過于突出最大污染指標(biāo)的影響，未考慮權(quán)重因子對低濃度指標(biāo)的作用，因此，不能夠體現(xiàn)地表水質(zhì)量的連續(xù)性[13]。傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果顯示：水質(zhì)級別主要集中在Ⅰ類水體和Ⅳ類水體，同時Ⅳ類水體占比高達(dá)50%，沒有Ⅱ類和Ⅴ類水體。由改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果可得：整個安義古村群Ⅴ類水體占33%，Ⅳ類水體占16%。比較傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法和改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法的評價結(jié)果可知：研究區(qū)內(nèi)大于Ⅲ類水體的監(jiān)測點(diǎn)占比達(dá)50%，整體水質(zhì)狀況不容樂觀，需進(jìn)一步采取治理措施改善水質(zhì)狀況。

表6 安義古村群內(nèi)梅羅指數(shù)評價結(jié)果

2.3 模糊綜合評價法分析

以AY08為例，分別計算權(quán)重和其隸屬度：W08=[0.1383 0.3160 0.5457]。

同理可計算出其他各采樣點(diǎn)相關(guān)指標(biāo)，評價結(jié)果如表7所示。由表可知：三個村落中水質(zhì)最好的是水南村，羅田村含有3個Ⅳ類水體，京臺村含有2個Ⅴ類水體。通過對TP和NH3-N的權(quán)重進(jìn)行分析：

WTP=[0.5148，0.2979，0.2932，0.4482，0.5140，0.5165，0.3197，0.1383，0.1275，0.2778，0.8875，0.6252]，

WNH3-N=[0.1750，0.2784，0.3770，0.4124，0.3753，0.3970，0.3750，0.3160，0.6432，0.5885，0.0287，0.2888]，

由此可見TP是水質(zhì)污染的主要影響因素。

表7 安義古村群模糊綜合指數(shù)法評價結(jié)果

3 討論

三種評價方法的結(jié)果參見圖1。由圖1可知：(1)選用的三種水質(zhì)評價方法得出的結(jié)果基本一致，羅田村AY01、AY02、AY03的水質(zhì)級別均為Ⅰ類水體，AY04、AY05、AY06的水質(zhì)級別為Ⅳ類水體；水南村AY07、AY08的水質(zhì)級別為Ⅰ類水體，AY09的水質(zhì)級別為Ⅲ類水體；京臺村AY10、AY11、AY12的水質(zhì)級別均為Ⅳ類水體。(2)三種水質(zhì)評價方法均能在一定程度上反映研究區(qū)水質(zhì)狀況，說明三種水質(zhì)評價方法具有一定的合理性和適用性，同時最終的評價結(jié)果存在一定差異，這與吳喜軍等[14]的研究結(jié)論相吻合。

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法側(cè)重于最大污染因子的影響，對于低濃度指標(biāo)不能夠很好第進(jìn)行水質(zhì)評價，評價結(jié)果不能夠體現(xiàn)地表水質(zhì)量的連續(xù)性。改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法考慮了評價因子的權(quán)重，同時對最大值和平均值進(jìn)行了修正，與傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法相比，能更加客觀第反映水質(zhì)狀況。模糊綜合評價法通過建立隸屬度函數(shù)及權(quán)重系數(shù)，將定性問題轉(zhuǎn)變?yōu)槎繂栴}，在水質(zhì)評價上科學(xué)合理。改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊綜合評價法的評價結(jié)果接近，均能夠體現(xiàn)地表水質(zhì)量的連續(xù)性?？傮w而言，模糊綜合法得出的水質(zhì)評價級別小于改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法，結(jié)合研究區(qū)現(xiàn)狀，模糊綜合法更具合理性。

4 結(jié)論

(1)通過三種評價方法對研究區(qū)進(jìn)行水質(zhì)評價，經(jīng)計算分析可得：模糊綜合法得出的水質(zhì)級別<改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法得出的水質(zhì)級別<傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法得出的水質(zhì)級別。與研究區(qū)現(xiàn)狀進(jìn)行比較，采用模糊綜合評價法得出的評價結(jié)果最符合現(xiàn)狀。

(2)研究區(qū)水質(zhì)狀況分布如下：水質(zhì)最好的村落為水南村(均符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及以上)；羅田村AY01、AY02、AY03的水質(zhì)級別均為優(yōu)良(Ⅰ類)，AY04、AY05、AY06的水質(zhì)級別為較差(Ⅳ類)；京臺村的水質(zhì)狀況不容樂觀(體現(xiàn)為Ⅳ、Ⅴ類水質(zhì))。

(3)研究區(qū)門口塘水污染物的可能來源：

(a)隨著安義古村群旅游業(yè)的發(fā)展，村內(nèi)農(nóng)家餐飲店逐漸增加，這使得部分未經(jīng)處理的餐飲廢水進(jìn)入塘內(nèi)水體。

(b)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中農(nóng)藥、化肥使用等導(dǎo)致面源污染，其殘留的氮磷元素等隨徑流進(jìn)入塘內(nèi)水體，導(dǎo)致塘內(nèi)水體的富營養(yǎng)化加劇。

(c)雨、污水管道存在一定的錯接、混接，使未經(jīng)處理的生活污水最終流入周邊塘內(nèi)水體。