湘江流域水质污染现状及对策分析 1.docx
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湘江流域水质污染现状及对策分析1
湘江流域水质污染现状及对策分析
——基于模糊综合评价模型
王微李寒张静
（燕山大学经济管理学院,秦皇岛066004）
【摘要】湘江流域水体由于总氮、总磷、氨氮超标而污染严重，这是由工业、农业、生活等多种原因造成的。
水污染日益成为影响经济发展的重大问题，本小组从工业、农业、生活、监测、环保意识等不同角度出发，提出了相关防治措施。
【关键词】湘江流域模糊综合评价模型水质污染现状对策分析
0.引言
洞庭湖许多景点都是国家级的风景区，滨湖的风光极为秀丽，如：
岳阳楼、君山、杜甫墓、杨么寨、铁经幢、屈子祠、跃龙塔、文庙、龙州书院等名胜古迹。
然而，湘江作为一条重要的输入水源，水质恶化严重，在株洲市清水塘工业区，未经处理的工业废水肆无忌惮地汇入江中，湘江江面呈现出红黄分明的两种颜色。
根据湖南省环保局对湘江水质监测情况，湘江水体处在持续恶化中，尤其自2000年以后，湘江污染呈现出新的特征。
为了根治污染，株洲、长沙、衡阳等地都投入巨资建起了污水处理厂，但目前这些污水处理厂都处于一种停停开开的状况，能保证长期运行的几乎没有一个。
长此下去，如果不确立一种“人人有责”的治污机制，不明确政府、企业和消费者的权利和责任，那么保护“母亲河”的责任意识就无法真正深入人心。
笔者在搜集相关数据的基础上，引用模糊综合评价模型对湘江水质进行定量与定性相结合的分析，其目的是有针对性的提出解决污染问题的有效对策，还湘江甚至洞庭湖一个美好面貌。
1.湘江概况
湘江又称湘水，发源于湖南省永州市九嶷山，流经永州、衡阳、株洲、湘潭、长沙，至湘阴县后入洞庭湖，最终汇入长江。
干流全长856千米，流域面积9.46万平方千米，沿途接纳大小支流1300余条，是湖南省最大的河流。
湘江水系地处长江之南，南岭以北，分别以罗霄山脉、衡山山脉与赣江水系和资水毗邻。
湘江流域地势起伏和缓，大多为丘陵与河谷平原和盆地，下游以下与资江、沅江等河流的河口平原相连成为湖南省最大的滨湖平原。
湘江河口散布着的数十个湖泊，大多是洞庭湖的遗迹。
湘江流域资源丰富，矿产资源种类繁多，储量可观，其中湘潭是重要的锰矿区。
水利和水能资源丰富，有多处大中型水利工程，灌溉面积广阔，也是重要的粮食产区，农产品以水稻、茶叶、大豆为多。
湘江流域旅游资源丰富，拥有岳麓湖湘文化旅游区、湘潭历史文化旅游区、窑湾古码头观光区等风景胜地，其中橘子洲既是滞湘八景中“江天墓雪”的所在地，又曾出现在毛泽东诗词中，因此一直久负盛名。
同时湘江干支流大部可通航，旧时是两广与两湖重要的交通运输路线。
沿岸分布着众多的有色冶金、化工、造纸、纺织等行业，在带动经济发展的同时也潜藏着环境的危机。
2.湘江水质状况
2.1湘江水污染现状
近年来，每年排放入湘江的污水多达30多亿吨，部分支流和河段由于铅、砷超标造成了水生生物绝迹的现象，部分大型化工集团为了经济利益竟然对高浓度酸性废水不加任何处理直接排入湘江。
湖南省水质监测中心对湘江43个河段进行一次监测中，只有11个河段水质在三类标准以内，达标率仅为25．6％。
32个河段水质为4类，属已污染水体，其中湘江干流有2个河段水质为五类，已根本无法饮用。
据报道,长沙是全国省会城市中污水处理率最低的城市，湘江流域的县城竟然没有一个有污水处理厂。
湘江的污染已经严重威胁到居民的身体健康。
按现行饮用水源评价标准，湘江几乎全年不能达标，严重影响了正常供水。
由于水污染污染危害人体健康的现象时有发生，农田无法耕种、鱼类和家禽也有不同程度的损害。
据统计资料显示，湘江主要超标指标为总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）等有机污染。
2.2湘江水污染成因
2.2.1区域经济发展不平衡
源头地区经济不发达导致小水电站开发过热，同时大量发展冶炼、轧钢等高能耗产业，给湘江造成大量污染。
地方保护主义使得上中下游难以协调一致，造成了限制污水排放和治理的难度加大。
2.2.2居民环保意识淡薄，向湘江内排放大量的生活污水
湘江是洞庭湖水的重要输入源，其沿线绝大多数县级城镇的生活污水处理设施严重滞后，污水管网建设速度慢、资金短缺，使生活污水未经任何处理直接排入江内，如2005年，城市生活污染排放量达到了惊人的34.33万吨，严重超出其自我净化和修复的能力。
2.2.3农业成为重要污染来源
随着农村经济的发展，传统的种植业不断加大各类农药化肥的使用量，间接造成了对水质的破坏。
同时，家禽家畜养殖过程中废水往往也未经处理就直接排放，为水质破坏增添了新的砝码。
2.2.4工业废水的排放
湖南省工业技术相对落后，监管体制不到位，洞庭湖区遍布的数万公顷芦苇成为造纸业发展的重要基础，年产量仅1万至3万吨的小造纸厂遍布于湘江各处，他们的共同点便是盈利以牺牲环境为代价，他们大多只有简陋的污染防治措施，有些甚至直接将生产废水排入湘江。
2006年造纸业COD排放量占了湖南省的50%左右。
2007年，西、南洞庭湖区的造纸业，日排污水量分别占西、南洞庭湖直排污水量的４５％和９５％。
同时，各地政府也缺乏相应的监管机制，甚至对污染麻木不仁。
2.2.5三峡蓄水使洞庭湖水位降低，间接增加了污染物的浓度
3.应用模糊综合评价模型进行分析研究
所谓模糊综合评价模型就是对多种影响因素的事物或现象进行总的评价，且在评价过程中最显著的特征就是涉及模糊因素。
由于各种复杂多变的不确定性因素的影响，难于用解析方法做定量分析，因而通过模糊综合评判，将会使问题得到满意解决［1］。
自1965年美国控制论专家ZadehL.A.在《InformationandControl》发表开创性论文“FuzzySets”以来，模糊综合评价模型迅速发展并得到广泛应用［2］。
这种方法通常用于资源与环境条件评价、生态评价、区域可持续发展评价等各个方面。
模糊综合评价模型在研究水质方面已经有一定的应用，如何锦峰的模糊综合评价模型在水质整体质量评价中的应用，构建了水质模糊综合评价模型,并以雅安市青衣江龟都府水质监测断面为例,对比分析了水质的单因子评价法和模糊综合评价方法的特点［3］；苏华在水污染指数的模糊综合评价模型中利用因素之间的相似性矩阵的最大特征值对应的特征向量确定因素的权重且遵循国家水质评价标准，避免了评价结果的主观性，实验结果表明该模型可得到与其它经典方法相同的评价结果［4］;穆征在基于模糊综合评价模型的河流水质综合评价中，针对引起贾鲁河水质恶化的主要因素,以实测数据为基础,结合层次分析法,应用模糊综合评判方法对贾鲁河郑州段的5个实测断面的6个指标进行了评价［5］;万金宝在水质模糊综合评价模型的建立与应用中，建立了地表水环境质量模糊综合评价模型,利用该模型对江西省的乐安河进行了水质评价,介绍了模型应用于水质评价中的计算过程,证明该河流的主要污染物为有机物,为污染控制提供了科学依据［6］；丁春梅的模糊综合评价模型在东钱湖水质评价研究中的应用研究，利用该模型和浙江省水文局提供的最新数据,对东钱湖的水质等级进行评价［7］。
通过前面的介绍，我们知道湘江的污染已经是一个不争的事实，但是并没有指出污染的程度，这里我们运用模糊综合评价模型以湘江为例，对其污染状况进行评判分析。
3.1模糊综合评价模型的建立
3.1.1建立评价因子集
根据对湖泊水质影响的重要程度，选取若干重要指标作为评价因子，建立因子集。
评价因子集中共设置m个评价因子，所选中的评价因子为Xi,则建立的评价因子集U满足:
U={X1,X2,X3,…,Xm}。
3.1.2建立评价集
《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）根据地表水水域功能和保护目标将地表水水质分成了五类，故确定评价集为V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。
3.1.3建立模糊关系矩阵R
假设参与水质评价的评价因子有m个，水质评价标准由n个级别组成。
由于水质污染程度和水质评价标准都是模糊地，故用隶属度来刻划分级界限比较合理。
设rij为第i种污染物的环境质量数值可以被评为第j类环境质量的可能性（即i对j的隶属度，它们的关系为隶属函数），这样就构成了水质评价因子与水质类别的模糊关系矩阵R。
R=
式中m——代表评价因子数i=1,2,3,…,m
n——代表水体级别j=1,2,3,4,5
隶属度可以通过对隶属函数的计算来确定，隶属函数一般采用降半梯形分布来描述。
根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），对
个水质类别的隶属度rij按下式计算：
rij=
式中sj——代表评价因子xi的第j类水质标准值
Ci——代表评价因子xi的检测值
3.1.4确定各指标的权重
权重是衡量评价因子集中某一因子对水质污染程度影响相对大小的量，权重系数越大，则该因子对水质的影响程度越大。
可以用评价因子贡献率的方法确定权重向量，通过计算超标比来计算权重值。
对于一般的偏小型分布指标，如COD，其计算公式一般定义为：
Ii=
式中Ii——无量纲数，表示某评价因子的实际监测值相对于水质标准超标的倍数
Ci——评价因子xi的实际监测值
Si——评价因子xi各类水质标准限值的均值
但是对于偏大型分布指标如TN，其计算式应为
Ii=
各项含义同上式。
当每个评价指标的超标比都计算出来之后，将其进行归一化处理，便能算出每个评价指标的权重：
Ii
Wi=
∑Ii
由此即得到了权重集：
W={W1,W2,W3,…Wm}
3.1.5建立模糊综合评价模型
确定了模糊评级矩阵R和权重集W之后，可以得到如下的模糊综合评价模型：
B=W×R=（W1,W2,W3,…Wm）（rij）n×m=（b1,b2,b3,…,bm）
建立了模糊综合评价模型之后，根据最大隶属度原则，若bj=max（b1,b2,b3,…,bm）,则待评价对象的水质级别为第j类。
3.2湘江流域水质在该模型上的应用
由于工业、农业及生活用水的排入等原因，湘江的水质已经受到了一定程度的污染，要想改善现状，首先要对其污染状况有一个清醒的认识。
为此，笔者应用上述方法以洞庭湖为例对其水质状况进行了评价，以认清现状，更好的保护湘江流域水质，走可持续发展之路，从而使周边经济得到得到长足发展，居民生活用水有充分保障。
3.2.1评价因子集的建立
通过与相关部门沟通，利用已有观测数据，以高锰酸钾指数、总氮、总磷、溶解氧、氨氮、PH值等6个代表性较强的指标作为评价因子，即={X1,X2,X3,…,Xm}={高锰酸钾指数、总氮、总磷、溶解氧、氨氮、PH值}。
3.2.2评价等级的建立
根据GB3838-2002的标准，将地表水水质分为五类，即V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。
表1模糊综合评价中各项指标标准值
Tah1Standardboundaryvaluesofindicatorsusedinevaluating
mg/L
指标
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
高锰酸盐指数≤
2
4
6
10
15
总氮≤
0.2
0.5
1.0
1.5
2.0
总磷≤
0.01
0.025
0.05
0.1
0.2
溶解氧≥
7.5
6
5
XX文库-让每个人平等地提升自我3
2
氨氮≤
0.15
0.5
1.0
1.5
2.0
PH值
6～9
3.2.3模糊关系矩阵R的建立
研究数据是从国务院发展研究中心以及中华人民共和国环境保护部获得的2004—2007年的各个指标数据，如表2所示。
表2各湖泊水质评价指标
Tah2EvaluatingindicatorsofXiangJianginfouryears
mg/L
年份
高锰酸盐指数
总氮
总磷
溶解氧
氨氮
PH值
2004
4.11
2.17
0.12
7.06
1.03
7.04
2005
3.2
2.4
0.16
7.21
0.78
7.04
2006
3.53
1.89
0.1
7.16
0.94
7.24
2007
3.24
2.04
0.11
6.35
1.08
7.58
按照1.3描述的方法确定各个年份的模糊关系矩阵，例如2004年湘江水质的模糊关系矩阵为：
00.9450.05500
00001
0000.80.
R=0.7270.273000
000.940.060
11111
2005—2007年的模糊关系矩阵可以同样的方法逐一列出，在此不逐一列出。
3.2.4权重的确定
按1.4描述的方法，根据各指标的超标比可计算出各年份各指标的权重值，根据归一化处理后所得结果如表3所示：
表3评价因子权重值归一化处理结果
Tah3Evaluationfactors’weightsafternormaization
指标
2004
2005
2006
2007
Ii
wi
Ii
wi
Ii
wi
Ii
wi
CODmn
0.555
0.182
0.432
0.060
0.477
0.078
0.438
0.066
TN
2.087
0.307
2.308
0.322
1.817
0.297
1.962
0.296
TP
1.558
0.229
2.078
0.290
1.299
0.212
1.429
0.216
DO
0.666
0.098
0.652
0.091
0.656
0.107
0.740
0.112
NH3-N
1.000
0.147
0.757
0.106
0.913
0.149
1.049
0.158
PH
0.939
0.138
0.939
0.131
0.965
0.157
1.011
0.153
∑Ii
6.805
7.166
6.127
6.629
3.2.5水质综合评价
把2.3得到的各矩阵和2.4得到的权重相乘，即得到模糊综合评价集B,湘江流域各年份的模糊综合评级结果如表4所示：
表4湘江流域各年份的模糊综合评级结果
TahOutcomesoffuzzysyntheticevaluationinXiangJiang
年份
Ⅰ级
Ⅱ级
Ⅲ级
Ⅳ级
Ⅴ级
评价结果
2004
0.209
0.242
0.281
0.330
0.491
Ⅴ
2005
0.228
0.232
0.190
0.247
0.627
Ⅴ
2006
0.258
0.259
0.288
0.434
0.388
Ⅳ
2007
0.204
0.280
0.286
0.372
0.471
Ⅴ
3.3结语
应用模糊综合评级模型来评价水质，方法简单，评价准确。
由表4可以看出，湘江流域水质均在Ⅳ类—Ⅴ类之间，情况并不乐观。
其中2004、2005、2007水质均为Ⅴ级，究其原因为农业用水及生活用水严重超标，导致总氮、总磷、氨氮排放量过高，饮用水源水质仍受到威胁。
虽然2007年对洞庭湖周边的造纸企业进行了整顿，湘江流域水质仍无明显好转。
4.对策分析
由模糊综合评价模型分析可知，在所选的6个水质指标中，总磷、总氮、氨氮近年来一直处于严重超标水平，对水质污染影响最大。
而其他指标基本处于正常水平，对水质污染影响不大。
根据分析结果及上述阐述的污染产生原因，现提出以下对策措施。
4.1加强洞庭湖的水质监测系统，实行动态监测，加强区域联合监测
健全洞庭湖的监测系统，实现动态监测。
及时准确的获得相关数据，是分析问题，解决问题的前提条件。
实行动态监测，为洞庭湖水体的利用与保护提供科学依据。
加强区域联系，实行统一管理，从时间和空间上全面掌握洞庭湖水质的变化。
4.2建立健全城市污水处理系统，严格控制生活污水的排放
加快污水处理厂、污水管网及相关配套设施的建设。
为了满足日益增长的污水处理需要，必须加快污水处理厂、污水管网的建设，提高现有的污水处理能力。
健全污水处理厂运行机制和管理体制，确保污水处理系统能够有效的发挥作用。
例如：
加强各个环节的运行管理，确保达到排放标准；加强污水处理设施的维护，提高污水处理效率；加强收费管理，努力使污水处理系统走向企业化、市场化;加强各地区各部门的联系，加强团结合作，共同为保护洞庭湖水体做出贡献;调动社会各界人士的积极性，争取多方集资，政府要加强对污水处理系统的资金支持，尽可能建立高效、高标准的污水处理系统;加强法律制度建设，严格按照污水排放标准进行排放，杜绝超标排放或不经处理进行排放，违者追究其法律责任。
4.3调整农业结构，合理施用化肥和农药，走生态农业之路
因地制宜的种植各种农作物、经济作物，使农业生产多样化，在不适宜种植的地方发展水产养殖、生态观光农业，增加农业的经济效益。
严格控制水产养殖、家禽家畜养殖过程中的污水排放，建立一套污水处理系统。
推广毒性低,残留期短的农药和化肥并进行合理的施用。
减少化肥施用量，增加有机肥施用量。
例如:
充分利用养殖过程中动物产生的粪便，秸秆还田等。
根据湘江流域的地理环境，可以发展以下几种生态农业模式：
①“种－养－沼－加”复合生态工程模式。
一般以生态村的发展模式最为典型。
②“四位一体”复合生态工程模式。
把猪圈和沼气池建在生产蔬菜的日光温室中，既解决了沼气池越冬问题，又可为生猪补充热量，为温室增温，为蔬菜提供优质有机肥，充分体现了生态工程综合性创新的特点。
③种养加一体化绿色食品规模化开发模式。
4.4严格控制工业废水的排放，调整产业结构，优化工业布局
加大工业水污染防治资金投入,加大监管力度,促使临湖各企业引进先进环保设备,采用循环用水、清洁生产。
控制工业废水排放,对各排污企业坚决实行排污许可证制度、污染总量控制制度;采取限制氮、磷入湖量,帮助排污企业加大污水处理和回收力度;对排污量较大的区域推行“高排放标准、高排污收费”以降低污染物的点源排放。
同时,调整流域内的产业结构,改革工业布局,对于那些污染严重、经济效益差、规模小且排污设施不达标的厂子要坚决予以关、停、并、转,如小造纸厂、小氮肥厂、小糖厂、小化工厂等［8］。
建立健全环境保护责任制度，加强环保执法队伍建设，强化社会舆论监督，完善环保举报热线。
4.5加强宣传教育，提高全民的环境保护意识
洞庭湖水体的保护是一项长期的战略任务,需要各级政府和群众的密切合作。
为此,要大力开展群众性的宣传教育,调动沿江地区广大居民的积极性,鼓励群众参与改善和保护环境,维护群众的合法权益。
在日常生活中做到从我做起,从小事做起,如使用无磷洗衣粉,节约用水等。
要严格执法,严肃查处环境违法行为。
参考文献：
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（1）:
93.
注释：
1.化学需氧量（COD）：
用强氧化剂（如重铬酸钾、高锰酸钾或碘酸钾等）在强酸和加热回流条件下对有机物进行氧化，并加入银离子作催化剂，把反应中氧化剂的消耗量换算成氧气量即为化学需氧量。
化学需氧量越高，表示水中有机污染物越多。
水中有机污染物主要来源于生活污水或工业废水的排放、动植物腐烂分解后流入水体产生的。
水体中有机物含量过高可降低水中溶解氧的含量，当水中溶解氧消耗殆尽时，水质则腐败变臭，导致水生生物缺氧，以至死亡。
2.高锰酸盐指数：
在一定条件下，以高锰酸钾（KMnO4）为氧化剂，处理水样时所消耗的氧化剂的量，表示单位为氧的毫克/升（O2，mg/l）。
3.总磷（TP）：
水样经消解后将各种形态的磷转变成正磷酸盐后测定的结果,其主要来源为生活污水、化肥、有机磷农药及近代洗涤剂所用的磷酸盐增洁剂等。
磷酸盐会干扰水厂中的混凝过程。
水体中的磷是藻类生长需要的一种关键元素，过量磷是造成水体污秽异臭，使湖泊发生富营养化和海湾出现赤潮的主要原因。
4.pH值：
是反映水的酸碱性强弱的重要指标。
5.溶解氧（DO）：
溶解氧量受水温、气压和溶质（如盐分）的影响，随水温升高而减少，与大气中氧分压成比例增加。
由于水被污染，有机腐败物质和其他还原性物质的存在，溶解氧就被消耗，所以越干净的水，所含溶解氧越多；水污染越厉害，溶解氧就越少。
6.氨氮（NH3-N）：
指以氨或铵离子形式存在的化合氨。
氨氮是水体中的营养素，可导致水富营养化现象产生，是水体中的主要耗氧污染物，对鱼类及某些水生生物有毒害。
氨氮主要来源于人和动物的排泄物，生活污水中平均含氮量每人每年可达2．5～4．5公斤。
雨水径流以及农用化肥的流失也是氮的重要来源。
另外，氨氮还来自化工、冶金、石油化工、油漆颜料、煤气、炼焦、鞣革、化肥等工业废水中。
7.总氮（TN）：
水中所有含氮化合物总量，即亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、无机盐氮、溶解态氮及大部分有机含氮化合物中的氮的总和，在水处理中，一般认为总氮=总凯氏氮+氮氧化物。
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