2012—2016年象山近岸海域水質(zhì)評(píng)價(jià)與模擬研究

葉林安 歐陽萱 陳杲 袁國(guó)堅(jiān) 茆洪衛(wèi)

摘要：為了解象山近岸海域水質(zhì)污染狀況，文章根據(jù)2012—2016年象山縣近岸海域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析象山近岸海域水質(zhì)現(xiàn)狀及年際變化。應(yīng)用灰色預(yù)測(cè)的模型來對(duì)象山近岸海域水質(zhì)主要污染物的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出主要污染物的預(yù)測(cè)結(jié)果。分析結(jié)果表明：象山近岸海域主要污染物為無機(jī)氮。用預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際數(shù)值通過殘差驗(yàn)證，最后模擬出今后幾年的監(jiān)測(cè)值，為象山縣近岸海域生態(tài)環(huán)境相關(guān)管理部門提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：象山近岸;水質(zhì);年際變化;灰色模型;主要污染物

中圖分類號(hào)：P76????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A????文章編號(hào)：1005-9857（2020）03-0031-05

Evaluation and Simulation of Water Quality in Xiangshan Coastal Waters from 2012 to 2016

YE Linan1，2，OUYANG Xuan1，CHEN Gao 1，YUAN guojian1，MAO hongwei1

（1.Ningbo Environmental Monitoring Center，SOA，Ningbo 315040，China;2.Key Laboratory of Integrated Monitoring and Applied Technology for Marine Harmful Algal Blooms，State Oceanic Administration，Shanghai 200090，China）

Abstract：In order to understand the status of water pollution in Xiangshan coastal waters，based on the monitoring results of water quality in Xiangshan coastal waters from 2012 to 2016，this paper analyzed the current situation and interannual changes of water quality in Xiangshan coastal waters.The grey prediction model was applied to deal with the data of the main pollutants in the water quality of the coastal waters of Xiangshan，and the prediction results of the main pollutants were obtained.The results showed that inorganic nitrogen was the main pollutant in Xiangshan coastal waters.The prediction results and the actual values were verified by the residual error.Finally，the monitoring values for the next few years were simulated.It provided data support and decisionmaking basis for the relevant management departments of marine ecological environment in Xiangshan coastal waters.

Key words：Xiangshan near shore，Water quality，Interannual variations，Grey model，Major pollutant

0?引言

我國(guó)大陸海岸線長(zhǎng)1.8萬km，綿長(zhǎng)的海岸線導(dǎo)致了海洋近海水質(zhì)污染的概率大大增加，近年來在國(guó)家海洋管理部門和環(huán)境保護(hù)部門的共同努力下，近岸海域環(huán)境質(zhì)量迅速下降的趨勢(shì)總體有所減緩。但是，人類的石油開采、圍填海、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及旅游業(yè)的大力發(fā)展等，仍然嚴(yán)重威脅著海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康，海水污染不僅使海洋生態(tài)環(huán)境遭到破壞，還會(huì)使海洋環(huán)境災(zāi)害的發(fā)生頻率和規(guī)模呈明顯上升趨勢(shì)。海洋是實(shí)現(xiàn)中華民族復(fù)興大業(yè)的希望，確保藍(lán)色經(jīng)濟(jì)的永續(xù)發(fā)展需要我們時(shí)刻關(guān)注維護(hù)海洋水質(zhì)健康。

象山縣居浙江省中部沿海，北鄰象山港，東濱大目洋，南濱貓頭洋、三門灣，西接寧海縣，呈三面環(huán)海、一面靠陸之地勢(shì)，為典型的半島縣。象山海洋資源豐富，海域面積6 618km2、海岸線925 km、島礁656個(gè)，灘涂資源十分豐富，約2.02萬hm2，占寧波市灘涂資源總量的23.15%。對(duì)于象山附近海域和象山港海域國(guó)內(nèi)外已有較多的研究[1-5]，朱根海等[6]利用1982—2011年東海象山港海域 30 年主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溶解無機(jī)氮（ DIN ）、溶解無機(jī)磷（DIP）的年際變化，研究得出象山港氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽濃度呈逐年增加趨勢(shì)。葉林安等[7] 用模糊綜合評(píng)價(jià)法得出象山港水質(zhì)目前的主要富營(yíng)養(yǎng)化污染物為無機(jī)氮，其次是無機(jī)磷的結(jié)論。張麗旭等[8]介紹了近4年來象山港赤潮監(jiān)控區(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽變化及其結(jié)構(gòu)特征，DIN的比值均保持穩(wěn)定，整個(gè)監(jiān)控區(qū)一直處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，而無機(jī)磷一直是該海域初級(jí)生產(chǎn)力的主要潛在限制性因子。葉林安等[9]用2016年象山港春、夏、秋、冬四季的調(diào)查資料得出象山港主要污染因子為無機(jī)氮和無機(jī)磷，重金屬為二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。翁駿超等[10]對(duì)象山港海灣生態(tài)系統(tǒng)綜合承載力進(jìn)行評(píng)估，表明水體無機(jī)氮和活性磷酸鹽是造成海灣各功能區(qū)環(huán)境納污能力過載的主要環(huán)境因子，資源供給能力逐年下降，表現(xiàn)為從海灣口門處向內(nèi)灣逐漸降低的趨勢(shì)。

本研究旨在以較新的歷年現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)象山縣近岸海域水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過數(shù)值模擬，用模擬結(jié)果和實(shí)際數(shù)值進(jìn)行殘差驗(yàn)證，為象山縣近岸海域生態(tài)環(huán)境相關(guān)管理部門提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

1?站位設(shè)置與分析方法

1.1?調(diào)查海域分布

本研究選擇了象山近岸海域的21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖1），根據(jù)2012—2016年浙江省、寧波市、象山縣海洋環(huán)境公報(bào)中象山縣附近海域水質(zhì)數(shù)據(jù)[11-14]，來體現(xiàn)象山近岸海域水質(zhì)狀況。

1.2?分析方法

調(diào)查海域海水水質(zhì)評(píng)價(jià)參照《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB3097—1997）[15]，水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法采用海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范（GB12378.4—2007）[16]灰色系統(tǒng)著重解決“小樣本、貧信息、不確定”問題?；疑到y(tǒng)是既含有已知信息又含有未知信息的系統(tǒng)。通過分析各種因素之間的關(guān)聯(lián)性和量的測(cè)度，使系統(tǒng)的發(fā)展由不知到知，使系統(tǒng)的灰度逐漸減小，直至認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的變化規(guī)律。本研究正是利用灰色系統(tǒng)的這些特點(diǎn)，對(duì)象山近岸海域水質(zhì)主要污染物的值做一定的預(yù)測(cè)。

灰色理論的微分方程模型稱為GM模型，G表示Grey（灰），M表示Model（模型）。GM（1，1）表示1階的1個(gè)變量的微分方程。過程如下：

設(shè)有原始數(shù)據(jù)序列（非負(fù)序列）

X（0）={x（0）（1），x（0）（2），…，x（0）（n）}

灰色系統(tǒng)模型是在生成數(shù)列的基礎(chǔ)上，將時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為微方程的時(shí)間連續(xù)模型。首先對(duì)各原始序列進(jìn)行一次累加，得到生成數(shù)列

X（1）={x（1）（1），x（1）（2）…x（1）（n）}

Z（1）為X（1）的緊鄰均值生成序列。

其中z（1）（k）=12x（1）（k）+x（1）（k-1）

稱x（0）（k）+az（1）（k）=b為GM（1，1）模型的基本形式。

（1）GM（1，1）模型的白化方程也叫影子方程即：dx（1）dt+ax（1）=b。這是一個(gè)一階線性方程，它的解稱為時(shí)間響應(yīng)函數(shù)

x（1）（t）=x（1）（1）-bae-at+ba

式中：a，b為待辨識(shí)參數(shù)，

根據(jù)上面算式求出a，b代入方程即得灰色模型。

（2）GM（1，1）模型x（0）（k）+az（1）（k）=b的時(shí)間響應(yīng)序列

x∧（1）（k+1）=x（0）（1）-bae-ak+bak=1，2…n

（3）還原值為

x∧（0）（k+1）=α（1）x∧（1）（k+1）

=x∧（1）（k+1）-x∧（1）（k）

=（1-ea）x（0）（1）-bae-ak，

k=1，2…n

稱GM（1，1）模型中的參數(shù)-a為發(fā)展系數(shù)，b為灰色作用量。-a反映了x∧（1）與x∧（0）的發(fā)展態(tài)勢(shì)。GM（1，1）模型的選擇與發(fā)展灰數(shù)a緊密相關(guān)，只有當(dāng)a<2的時(shí)候，運(yùn)用GM（1，1）模型才有意義。具體參見表1。

2?數(shù)據(jù)與分析

2.1?象山近岸海域的評(píng)價(jià)因子平均數(shù)值的年際變化分析

2.1.1?溶解氧

2012—2016年象山近岸海域水質(zhì)中溶解氧的測(cè)值均在6.0 mg/L以上，都符合第一類海水水質(zhì)的要求（圖2）。5年間，溶解氧測(cè)值上下波動(dòng)，最大值出現(xiàn)在2012年，最小值出現(xiàn)在2013年。

2.1.2?pH值和石油類

2012—2016年，象山近岸海域水質(zhì)中pH值均在7.8～8.5的范圍內(nèi)，石油類的測(cè)值均小于0.05 mg/L，都符合第一類或第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，總體上pH值、石油類的測(cè)值均有上下波動(dòng)，但變化幅度不大。

2.1.3?化學(xué)需氧量（COD）

2012—2016年，象山近岸海域水質(zhì)中COD的測(cè)值均小于2 mg/L，符合第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.4?活性磷酸鹽

2012—2016年，象山近岸海域水質(zhì)中活性磷酸鹽的測(cè)值均在0.030～0.045 mg/L，屬于四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，總體趨于平穩(wěn)（圖3）。

2.1.5?無機(jī)氮

2012—2016年，象山近岸海域水質(zhì)中無機(jī)氮的測(cè)值均在0.50 mg/L以上，超出四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，總體在波動(dòng)中呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（圖4）。

2.1.6?重金屬

2012—2016，象山近岸海域水質(zhì)中銅濃度均小于0.005 mg/L，鉛濃度均小于0.001 mg/L，鎘濃度均小于0.001 mg/L，鉻濃度均小于0.05 mg/L，汞濃度均小于0.000 05 mg/L，砷濃度均小于0.020 mg/L，都符合第一類和第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。2012年，象山近岸海域水質(zhì)中鋅濃度在0.020～0.050 mg/L，符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，之后幾年，砷濃度均小于0.020 mg/L，符合第一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?？傮w上看，象山近岸海域海水中鋅濃度呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)（圖5）。

2.2?未來主要污染因子模擬

2.2.1?模型的建立

本研究將應(yīng)用GM（1，1）模型來建立象山近岸海域監(jiān)測(cè)站點(diǎn)無機(jī)氮平均值的預(yù)測(cè)模型。GM（1，1）模型不考慮影響無機(jī)氮的各種復(fù)雜的因素，把無機(jī)氮看作是一個(gè)灰色的過程，從無機(jī)氮的變動(dòng)外在現(xiàn)象中，挖掘出無機(jī)氮的內(nèi)部規(guī)律，研究無機(jī)氮的內(nèi)部規(guī)律，從而對(duì)其未來無機(jī)氮的變化及發(fā)展規(guī)律做出預(yù)測(cè)。

以無機(jī)氮為例，選取數(shù)據(jù)為象山縣近岸海域從2012—2016年的21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)含量的平均值，現(xiàn)將這5年的數(shù)據(jù)設(shè)置為初始序列，即為原始序列：

x（0）（k）=（0.693，0.682，0.749，0.719，0.660）

可得發(fā)展灰色a=0.013 186，內(nèi)生控制變量b=0.730 323，則對(duì)照表2模型適用條件可知，發(fā)展系數(shù)-a=-0.013186≤0.3，模型可做中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，結(jié)合建模方法，可得時(shí)間相應(yīng)函數(shù)：

x∧（1）（k+1）=x（0）（1）-bae-ak+ba=-54.6922e0.013186k-55.38516

結(jié)合公式

x∧（0）（k+1）=α（1）x∧（1）（k+1）=x∧（1）（k+1）-x∧（1）（k）=（1-ea）x（0）（1）-bae-ak，k=1，2…n

即可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行原始序列的模擬序列。

2.2.2?模型殘差的檢驗(yàn)

記Δ（0）（i）=x（0）（i）-x∧（0）（i）為原始數(shù)列與預(yù)測(cè)數(shù)列的絕對(duì)誤差數(shù)列，其中i=1，2，…，n，相對(duì)誤差（i）=Δ（0）（i）x（0）（i）×100%，擬合精度P0=1-1nni=1（i），若（i）能控制在8%以內(nèi)，則可認(rèn)為模型通過殘差檢驗(yàn)。

由表2可知，2012—2016年象山海域無機(jī)氮含量預(yù)測(cè)模型的相對(duì)誤差均小于8%，平均殘差為3.59%，擬合精度為96.41%，根據(jù)殘差檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)可知，該模型通過殘差檢驗(yàn)。

2.3評(píng)價(jià)結(jié)果與模擬結(jié)果分析

根據(jù)2012—2016年象山近岸海域水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，在所選監(jiān)測(cè)站點(diǎn)海域基本符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要污染物為無機(jī)氮，其次為活性磷酸鹽，這與象山港海域評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合[9]。盡管象山縣海洋環(huán)境相關(guān)管理部門已經(jīng)采取各種措施加強(qiáng)監(jiān)管，但海水養(yǎng)殖中過度的飼料喂養(yǎng)、超標(biāo)排污、旅游業(yè)的大力發(fā)展等現(xiàn)象仍然影響著象山縣近岸海域水質(zhì)。根據(jù)以上灰色模型精度檢驗(yàn)預(yù)測(cè)的結(jié)果可知，本研究得到的GM（1，1）模型是可靠的，可以用來預(yù)測(cè)象山近岸海域主要污染因子無機(jī)氮的含量。由GM（1，1）模型模擬可知，2017—2020年的無機(jī)氮含量預(yù)測(cè)值（表3）。將2012—2016年的5個(gè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)出的結(jié)果相比較，結(jié)果表明灰色模型在一定程度上能反映出象山近岸海域無機(jī)氮含量的變化規(guī)律。因此，由無機(jī)氮模擬結(jié)果可知，在未來幾年象山縣附近海域主要污染因子無機(jī)氮的含量將呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)殡S著國(guó)家對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境越來越重視，海洋相關(guān)管理部門已開始控制污染源入海和排放，并開始治理相關(guān)海域水質(zhì)。在2012—2016年無機(jī)氮雖然有波動(dòng)變化，但已有下降趨勢(shì)。這也是模擬結(jié)果呈現(xiàn)出緩慢下降趨勢(shì)的原因。

3 結(jié)語

根據(jù)象山縣近岸海域評(píng)價(jià)結(jié)果，在所選監(jiān)測(cè)站點(diǎn)海域基本符合二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，主要污染物為無機(jī)氮，其次為活性磷酸鹽。利用灰色模型模擬未來幾年無機(jī)氮的結(jié)果可知，所得到的GM（1，1）模型是可靠的，能在一定程度上反映出象山縣近岸海域無機(jī)氮含量的變化規(guī)律，在未來幾年象山縣附近海域主要污染因子無機(jī)氮的含量將呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢(shì)。隨著國(guó)家對(duì)海洋生態(tài)的重視，海洋環(huán)境相關(guān)管理部門早已開始控制污染源入海和排放，并開始治理相關(guān)海域水質(zhì)，這將是象山縣附近海域主要污染因子呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的重要原因。

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