杭嘉湖平原河网调水试验水质模糊风险评估

摘要 通过引入模糊数学理论，对2015年杭嘉湖平原河网调水试验中嘉兴市的水质指标风险进行了计算与评估。结果表明，调水试验过程中，高锰酸钾指数和溶解氧的水质风险较低，总磷面临一定风险，氨氮和总氮的水质风险较高。嘉兴市周边河道的水质风险总体低于嘉兴市内河道（调水目标区域），空间差异明显。该研究结果对未来杭嘉湖平原河网开展常态化调水过程中的水质风险管控有着重要意义。

关键词 模糊数学；平原河网；区域调水；风险率计算；风险评估

中图分类号 X143 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）29-0056-05

Risk Assessment of Water Diversion Experiment in Hangjiahu Basin River Network Using Fuzzy Mathematics Method

ZHENG Jiangen， FU Lei*， YOU Aiju

（Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary， Hangzhou， Zhejiang 310020）

Abstract The fuzzy mathematics method has been introduced to assess the environmental risk caused by the water diversion experiment in Hangjiahu basin river network. The risk assessment indicated that during the water diversion experiment， the risk of CODmn and DO was low， the risk of TP was medium， and the risk of NH3N and TN was high. Moreover， the rivers outside Jiaxing City had lower risk than the rivers inside Jiaxing City， the spatial risks of those rivers were in different levels. The results of this study will play an important role in Hangjiahu basin water diversion project in the future.

Key words Fuzzy mathematics；Plain river network；Water diversion；Risk rate；Risk assessment

基金項目 水体污染控制与治理科技重大专项（2014ZX07101-011）；浙江省水利科技计划项目（RB1405）。

作者简介 郑建根（1962—），男，浙江桐乡人，高级工程师，从事水资源与水环境研究。*通讯作者，工程师，博士，从事水资源与水环境研究。

收稿日期 2017-08-16

区域调水是缓解地区性水资源短缺和水质型缺水的重要手段。目前，我国对平原河网区域调水的研究多以水质改善效果的评估为主[1-4]，对调水过程中可能出现的水质风险研究相对缺乏[5-7]。我国水质风险评估研究起步较晚，目前国内的水质风险评估对象多为某个特定河道或流域[1-2，7]，对平原河网地区整体的水质风险评估较少。水质指标的风险评估主要有3种方式：概率论法[7-8]、模糊数学法[7-10]和风险指标法[9-12]。其中，使用概率论法得出的结论可信度较高，但概率论法对数据完整性和长序列性的要求极高，目前大多数平原河网调水的监测数据不足以支撑概率论法的计算；风险指数法计算较为简单，可操作性高，但目前对风险指数法的理论基础和评价方法仍有较大争议[7，9，12]。基于模糊数学理论的三角模糊风险分析法是目前较为可靠的水质指标风险分析方法。金菊良等[9]将随机模拟与三角模糊数耦合入水质风险分析中，李如忠等[10，13]利用三角模糊数进行了简单河道的水质风险分析，吕振霖等[12，14-16]进一步将模糊数学理论运用于望虞河引水的水质风险评估中并取得了良好的评估结果。鉴于平原河网调水试验中水质风险评估的重要性，且目前杭嘉湖平原区河网调水水质风险的研究鲜见报道。笔者利用三角模糊风险分析法对平原河网调水试验的水质风险进行计算评估。

1 调水试验概况

杭嘉湖地区属于典型的平原河网水系[16-18]，境内水质既受本地排污影响，又受入境水质影响，水环境形势既严峻又复杂，历来受到苏、浙、沪两省一市的重点关注[16，19-20]。近年来，随着浙江省“五水共治”的推进，该地区的水质已得到了明显的提升。2015年11月6日—12月15日，笔者参与了杭嘉湖平原河网调水试验。该研究以该次调水试验的实际监测数据为基础，引入模糊数学理论，对2015年杭嘉湖平原河网调水试验期间典型断面的水质变化情况进行了风险率计算，并根据计算结果对该调水试验的水质风险进行了评估。

调水试验以嘉兴市为试验主体，选择嘉兴市域东西南北及中部具有代表性的5个监测断面作为水质风险评估的参评断面，各断面的位置分布如图1所示。

调水试验监测内容包括溶解氧、水色、水温、pH、电导率、高锰酸钾指数、总氮、总磷、氨氮9项指标，其中，水色、水温、pH、电导率在试验期间变化并不明显。因此，笔者选取高锰酸钾指数、总磷、氨氮、总氮、溶解氧5项指标作为水质风险评估的参评指标，结合图1及2015年杭嘉湖平原河网调水试验的水质监测数据。参评的5个监测断面及其水质指标背景监测值见表1。

2 三角模糊风险分析法

三角模糊风险分析法是定义风险空间并进行风险管控的有效工具，根据三角模糊数学理论，以单个风险因子而言，设a，b，c分别为某一模糊变量的下极限值、目标可能值和上极限值，则3个一组数（a，b，c）构成一个三角模糊数。其中a，b，c为实数，相应的函数可以定义为

U0xc

x-ab-aa≤x≤b

c-xc-bb

定义三角模糊数A（a，b，c），其函数表达式同式（1），根据模糊数学理论，三角模糊数A的α-截集可以定义为

A-α={x|U（x）≥α，x∈X}（2）

式中，x为广域空间；α为可信度水平，α∈[0，1]；A-α是一个无空的闭区间，通常表示为

显然，A-α是三角模糊数且对所有α∈[0，1]都是如此。由式（2）、（3），对于给定的可信度水平α，三角模糊数实际上已经转化为区间数。根据模糊数学理论，假设X（d，d，d）为表示调水试验之前水环境污染负荷水平，采用相同的可信度水平，利用三角模糊数的α-截集技术将三角模糊数X表示为区间数，其模糊数学的表达式即X-α=[（b-a）α+a，（b-c）α+c]，X的区间值随着可信度α取值的变化而改变，即X是可信度水平α的函数，α取遍整个可信度区间[0，1]。利用上述公式，可得到三角模糊数形式的某个水质指标的质量浓度分布（图2）。

假设W（a，b，c）为调水试验期间某个水质指标的三角模糊数，令Z=X-W。若Z>0，即Z为正的三角模糊数，表示试验前水环境污染负荷水平大于试验期间污染负荷水平，此时水环境水质是安全的；若Z<0，即Z为负的三角模糊数，则表示将发生失效模糊概率事件，试验期间出现水质超标现象。显然，Z=0为临界状态。因此，可以用式（4）表征污染风险发生的可能性：

R（Z～<0）=∫Z～<0UZ～（Z～）dZ～∫Z～UZ～（Z～）dZ～（4）

由图2可以看出，水质指标浓度三角模糊数的隶属函数可以近似看作是线性的。由图2及式（4），三角模糊数转换为区间数，其风险率R可用式（5）计算。

R（Z～<0）=∫Z～<0UZ～（Z～）dZ～∫Z～UZ～（Z～）dZ～=S1SALL（5）

式中，SALL为图2中大三角形（三角形a，b，c）总面积；S1为调水试验期间水质指标浓度超过试验前背景浓度部分的面积，即图2中阴影部分的面积。水质风险的分布一般都符合正态分布。该研究中以风险率0.2、0.5和0.8作为3个分界值，将水质风险从低到高分为Low（低风险）、Low～medium（较低风险）、Medium～high（较高风险）、High（高风险）4个等级（表2）。

3 水质模糊风险评估算例

以汾湖断面氨氮浓度在2015年杭嘉湖平原河网调水试验期间的变化为例，进行风险率的计算及水质风险评估：

3.1 汾湖断面氨氮风险率公式构建

试验阶段，汾湖断面氨氮浓度的最高值为0.99 mg/L，最低值为0.38 mg/L，取两者的平均值为最高模糊概率值，为0.685 mg/L。定义汾湖断面氨氮浓度在试验期间的三角模糊数CNH3-N=[0.380，0685，0.990]，以此构建三角模糊函数：

采用相同的可信度水平并引入α—截集技术，其三角模糊数的区间可以表示为[0.685α+0.38，-0.685α+0.99]，若α的可信度区间为[0，1]，则得到汾湖断面氨氮浓度的三角模糊形式分布（图3）。

3.2 汾湖断面氨氮风险率计算及评估

以汾湖断面氨氮浓度的背景监测值作为水质控制目标，构建调水试验前的三角模糊数Cback =（0.729，0.729，0.729），则根据图3所示，汾湖断面氨氮浓度的三角模糊风险率计算如下：

其中，三角形edb的面积为汾湖断面的氨氮在试验期间发生浓度高于背景值的风险发生概率的积分。由图3及式（7）可知，2015年杭嘉湖平原河網调水试验期间，汾湖断面氨氮浓度的风险率为0.366，属于较低风险级别，存在偶尔出现水质恶化的可能。

4 平原河网调水试验水质风险评估

以2015年杭嘉湖平原河网调水试验中的汾湖、长山河桥、太师大桥、青阳汇及西丽桥作为调水试验期间嘉兴市的5个主要控制断面，计算高锰酸钾指数、总磷、氨氮、总氮及溶解氧5项水质指标的风险率并进行水质风险评估。为构建各项水质指标的三角模糊数，根据监测数据，调水试验期间嘉兴市5个监测断面各项水质指标的极限数据见表3。

由表3可知，利用式（1）～（5）计算5个监测断面中各项水质指标的风险率，其中，各断面水质指标背景监测值见表1。利用三角模糊数的α-截集技术对各断面进行风险率计算，结果见表4。

相关水质指标风险评估显示：

（1）调水试验期间，各断面的高锰酸钾指数和溶解氧的风险率大多处于较低水平。调水试验对改善高锰酸钾指数的效果较好，大部分监测断面的高锰酸钾指数在试验期间小于背景监测值；调水试验对溶解氧浓度的改善效果尤为突出，其中，2个断面的溶解氧风险率小于0.2，属于低风险等级；2个断面的溶解氧风险率小于0.5，属于较低风险等级；仅1个断面的溶解氧风险率高于0.9，属于高风险等级。由此可见，试验期间，绝大多数监测断面的溶解氧浓度长时间维持高于背景监测值。这表明2015年杭嘉湖平原河网调水试验促进了嘉兴地区的水体流动，水体复氧能力大为增强，河网溶解氧浓度的改善极为明显。

（2）调水试验期间，各断面总磷的风险率有明显不同，体现出较大的空间差异。从计算结果来看，有1个断面风险率为0，1个断面的风险率小于0.5，但也有3个断面风险率大于0.7，差异明显。根据试验实际情况分析，这一方面是由于各断面总磷的背景监测浓度差异巨大（表1），导致试验期间总磷的风险率差异较为明显；另一方面，调水试验期间，河网流动性的增加虽然会改善水体环境，但也会拉动一些水质较差的“死水”进入河道，从而影响河网水质。

（3）氨氮和总氮指标的风险率均维持在较高水平。氨氮浓度仅有1个断面风险率低于0.5，属于较低风险；2个断面风险率在0.8～1.0；2个断面风险率为1.0，属于高风险等级。总氮浓度的风险率与氨氮浓度的情况类似，有2个断面风险率处于0.5～0.8，属于较高风险，另有3个断面的风险率高于0.8，属于高风险。这表明2015年杭嘉湖平原河网调水试验对氨氮和总氮浓度的改善效果不佳，试验期间部分断面反复出现氨氮和总氮浓度高于背景监测值的情况。调水试验期间频发降雨等恶劣天气情况，带动太浦河沿岸及湖州地区的生活污水进入水体，是试验期间氨氮和总氮风险率居高不下的主要原因。

从地理位置上看，该研究选择的5个监测断面分别位于嘉兴市东西南北及中部，可以代表调水试验期间嘉兴河网空间上的水质风险概率分布：

（1）总体来看，调水试验期间，嘉兴河网南北向河道的风险率要小于东西向河道，从该研究参评的5个监测断面来看，南北向河道监测断面（汾湖、长山河桥）各个水质指标的风险率，除含氮类指标外，均处于较低水平。其中，汾湖断面的高锰酸钾指数风险率为0，氨氮风险率为0.366、溶解氧风险率仅为0.015。从地理位置上看，试验期间，汾湖断面主要承接太浦河的优质来水（图1）。因此，其水质指标的风险率很低，水质在试验期间较好；长山河桥断面位于长山闸上游的长山河，是试验期间嘉兴南排工程的主要排水河道。试验期间，长山河桥断面的总磷风险率为0，溶解氧的风险率也仅为0.32，表明调水试验期间，长山河桥断面在长山闸开闸拉动河网流动的有利条件下，其总磷浓度一直维持低于背景监测值，溶解氧浓度在试验期间也偶尔出现水质恶化的情况。

（2）东西向河道监测断面的水质风险率较南北向河道明显增大，西部入流断面太师大桥各项水质指标的风险率，除溶解氧为0.271，处于较低风险外，总氮指标大于0.50，其余3项指标均大于0.80，水质风险较高。这说明调水试验期间湖州地区进入嘉兴的水质情况一般，优质的太湖来水经过湖州地区之后存在水质下降的趋势。而东部的青阳汇断面除溶解氧外，其他4项水质指标的风险率均大于0.80，在调水试验期间存在较大的水质风险。

（3）调水试验期间，嘉兴市内河道的水质改善效果一般，从参评的西丽桥断面的各项水质指标风险率来看，其高锰酸钾指数和总磷的风险率为0.380和0.458，属于较低风险，氨氮、总氮和溶解氧的风险率则分别高达1.000、0.988和0935，由此判断，氨氮和总氮浓度在西丽桥断面长时间出现高于背景浓度的情况。西丽桥断面溶解氧的风险率明显不同于其他断面，这是由于西丽桥断面的溶解氧背景浓度高达4.33 mg/L，试验期间溶解氧浓度虽然也有较长时间维持高于4.00 mg/L的地表水 Ⅲ 类水标准，但11月16日左右因大雨、太浦闸流量调整及南排工程开度调整等各种因素综合作用下出现了2.10 mg/L的极低值，明显增大了西丽桥断面溶解氧浓度的风险率。

5 结论

（1）该研究利用模糊数学理论对2015年杭嘉湖平原河网调水试验过程中的水质风险进行了计算和评估。结果表明，调水试验中高锰酸钾指数和溶解氧的水质风险较小，总磷有一定的风险，氨氮和总氮的水质风险较高。

（2）在河道流动性、天气情况、水利工程调度情况等因素的综合影响下，调水试验中嘉兴市南北向河道水质风险较低，东西向河道水质风险较高，中部河道的水质风险最高。

（3）2015年杭嘉湖平原河网调水试验期间，太湖的优质水源从湖州和太浦河2个方向进入嘉兴市，在一定程度上改善了嘉兴河网的水质。但试验过程中，太湖的优质来水存在一定的沿程恶化情况，加之试验期间遭遇降雨等特殊天气，对调水试验效果产生了不利影响。在未来的杭嘉湖平原河网常态化调水实践中应对此给予高度关注。

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