?？谑形逶春铀|(zhì)分析與評(píng)價(jià)

鄧少雄 雷湘齡 王小燕 林之盼 宿少鋒 薛楊

(1 ?？谑旋埲A區(qū)龍橋鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心 海南?？?571155;2 海南省林業(yè)科學(xué)研究院 海南?？?571100)

對(duì)水體進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)不僅能反映出水體的質(zhì)量和污染狀況，而且能從全局角度管控水質(zhì)，為合理利用、管理水資源提供基礎(chǔ)依據(jù)［1-2］。目前已有二三十種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法在國(guó)內(nèi)外被大量使用，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色評(píng)價(jià)法、水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法、模糊評(píng)級(jí)法、單因子評(píng)價(jià)法和水質(zhì)指數(shù)法等［3］。

我國(guó)從20 世紀(jì)70 年代開始進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)工作［4］，如今已取得了一定的進(jìn)展。陳仁杰等［5］運(yùn)用改良的綜合指數(shù)法發(fā)現(xiàn)，上海市飲用水源已經(jīng)出現(xiàn)了一定程度的有機(jī)污染；孫濤等［6］對(duì)錦溪進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，單項(xiàng)污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，在春、夏、冬季和全年的主要污染物指標(biāo)為TN，對(duì)應(yīng)分析法和綜合污染指數(shù)法表明，該河段春季污染最嚴(yán)重；富天乙等［7］基于多元統(tǒng)計(jì)和水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法分析太子河遼陽段的水質(zhì)狀況，研究結(jié)果表明，該河段的水質(zhì)大部分處于Ⅲ級(jí)以上；譚渝峰等［8］采用因子分析法評(píng)價(jià)淀山湖的水質(zhì)，結(jié)果顯示，研究區(qū)全年綜合水質(zhì)屬于Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

研究以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分別使用單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法、模糊綜合法對(duì)海口市五源河的水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合3 種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果，討論彼此間存在的差異，以期為?？谑形逶春痈玫匾?guī)劃和綜合治理水環(huán)境提供合理的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

五源河位于110°11′51〞～110°16′02〞E，19°57′06〞～20°04′59〞N，地處海南省?？谑械奈鞅辈浚呛？谑凶钪匾牧饔蛑?；發(fā)源于羊山濕地，干流河長(zhǎng)27.29 km。

1.2 方法

1.2.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法分別將各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分所屬類別，評(píng)價(jià)結(jié)果以最差指標(biāo)所屬的類別來代表整體水質(zhì)類別，該方法較為簡(jiǎn)便［9］。

1.2.2 綜合指數(shù)法

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各組中的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)單獨(dú)劃分所屬的水質(zhì)類別，當(dāng)為類別Ⅰ時(shí)，評(píng)價(jià)分值Fi取0；類別Ⅱ時(shí)，F(xiàn)i取1；類別Ⅲ時(shí)，F(xiàn)i取3；類別Ⅳ時(shí)，F(xiàn)i取6；類別Ⅴ時(shí)，F(xiàn)i取10［3］。

根據(jù)各單項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的評(píng)分值Fi計(jì)算各組的綜合評(píng)價(jià)分值F：

根據(jù)最終所得的F 值來評(píng)價(jià)水質(zhì)等級(jí)，當(dāng)F＜0.80，級(jí)別為Ⅰ，即水質(zhì)優(yōu)良；當(dāng)0.80＜F＜2.50，級(jí)別為Ⅱ，即水質(zhì)良好；當(dāng)2.50＜F＜4.25，級(jí)別為Ⅲ，即水質(zhì)良好；當(dāng)4.25＜F＜7.20，級(jí)別為Ⅳ，即水質(zhì)較差；F＞7.20，當(dāng)級(jí)別為Ⅴ，即水質(zhì)極差。

1.2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，依據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度原則對(duì)受到多因素影響的對(duì)象進(jìn)行定量的綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)步驟如下［10］：

（1）根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》確定各水質(zhì)指標(biāo)所屬的類別。

（2）建立隸屬度函數(shù)迷糊矩陣

根據(jù)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值Xki和其所對(duì)應(yīng)的j級(jí)水質(zhì)級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)值為Cij（j=1，2，…m）計(jì)算隸屬度，由n項(xiàng)監(jiān)測(cè)因子隸屬度構(gòu)建成的n×m模糊矩陣R，計(jì)算方式如表1。

由此確定模糊矩陣：

表1 隸屬度的計(jì)算方法

（3）確定權(quán)重因子

各單項(xiàng)的水質(zhì)指標(biāo)在整體水質(zhì)污染中所占的貢獻(xiàn)率不同，其與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大小及不同用途水中各指標(biāo)所允許的濃度有關(guān)，因此在綜合評(píng)價(jià)中需要對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。公式如下：

對(duì)做Wi歸一化處理：

式中：Wki為權(quán)重因子；Xki為第k個(gè)水樣第i個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度；Cim為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中水質(zhì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)m級(jí)濃度的標(biāo)準(zhǔn)值，Ci為第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)各級(jí)水標(biāo)準(zhǔn)值的均值；aki為第k個(gè)水樣第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重值。

由此構(gòu)成評(píng)價(jià)因子權(quán)重矩陣：

（4）綜合評(píng)價(jià)原則

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為模糊矩陣A與R的復(fù)合運(yùn)算，采用取大取小( ∨，∧)型綜合評(píng)價(jià)計(jì)算法。即：

結(jié)果按照最大隸屬度原則確定，即隸屬度最大值所對(duì)應(yīng)的等級(jí)，則為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)分類等級(jí)。

1.2.4 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于五源河國(guó)家濕地公園的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，其中3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖1）分別位于為永莊水庫（永1）、海秀快速路（海2）、長(zhǎng)東村（長(zhǎng)3）；水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)為pH、氨氮（NH3-H）、化學(xué)需氧量（CODCr）、溶解氧（DO）、總磷 （TP）、總氮（TN），數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為2018年7月至2019年6月。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)分析

圖1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

五源河水質(zhì)測(cè)評(píng)結(jié)果見表2。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，海秀快速路（海2）和長(zhǎng)東村（長(zhǎng)3）監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)值均高于永莊水庫（永1）。3個(gè)監(jiān)測(cè)位點(diǎn)PH值的在6.07～8.41，符合國(guó)家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的6～9；在6 個(gè)指標(biāo)中，3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均是CODCr的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，說明其數(shù)值波動(dòng)幅度最大；永莊水庫監(jiān)測(cè)點(diǎn)的CODCr和長(zhǎng)東村的NH3-H 變異程度屬于強(qiáng)變異（RSD≤0.1 為弱變異，0.1＜RSD≤1為中等變異，RSD＞1 為強(qiáng)變異［11］），其余水質(zhì)指標(biāo)的變異程度大部分屬于中等變異。

表2 水質(zhì)測(cè)評(píng)結(jié)果 單位：mg/L

2.2 單因子指數(shù)分析法

表3 為單因子指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果。在6 個(gè)水質(zhì)指標(biāo)中，以最差指標(biāo)所屬的等級(jí)代表整體水質(zhì)的級(jí)別。永莊水庫監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)在春、夏、秋、冬均屬于Ⅳ類水；海秀快速路監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)在春、夏、秋、冬均屬于Ⅴ類水；長(zhǎng)東村春、夏、冬季的水質(zhì)屬于Ⅴ類水，秋季水質(zhì)屬于Ⅳ類水。3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)四季的主要水質(zhì)污染指標(biāo)為TN 和TP，其中TN占比25%，TP占比75%。

2.3 綜合指數(shù)分析法

五源河水質(zhì)綜合指數(shù)分析法結(jié)果見表4，永莊水庫監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)極差（4.25＜F≤7.20），為Ⅴ類；海秀快速路和長(zhǎng)東村監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)較差（F＞7.20），均為Ⅳ類。

表3 單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

表4 綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

2.4 模糊綜合分析法

表5 為模糊綜合分析法中權(quán)重因子的計(jì)算結(jié)果。在永莊水庫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，5 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)對(duì)水質(zhì)污染的權(quán)重依次為TN＞CODCr＞DO＞TP＝NH3-H；海秀快速路監(jiān)測(cè)點(diǎn)權(quán)重依次為TN＞CODCr＞TP＞NH3-H＞DO；長(zhǎng)東村監(jiān)測(cè)點(diǎn)依次為TP＞TN＞CODCr＞NH3-H＞DO。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)對(duì)水污染的貢獻(xiàn)率不盡相同，但TP或TN在水質(zhì)污染中權(quán)重總是最大的。

表5 各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重

根據(jù)模糊綜合法的最大隸屬度原則，隸屬度最大值所對(duì)應(yīng)的等級(jí)，即為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)分類等級(jí)，由表6知，永莊水庫監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)評(píng)價(jià)為Ⅳ類水，海秀快速路和長(zhǎng)東村監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為Ⅴ類水。

運(yùn)用單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法和模糊綜合法3種評(píng)價(jià)法對(duì)五源河監(jiān)測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，對(duì)比3 種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果，見表7。3 種方法對(duì)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果一致，永莊水庫監(jiān)測(cè)點(diǎn)為Ⅳ類水質(zhì)，海秀快速路和長(zhǎng)東村監(jiān)測(cè)點(diǎn)為Ⅴ類水質(zhì)。

表6 模糊綜合法評(píng)價(jià)結(jié)果

表7 三種方法評(píng)價(jià)法對(duì)比表

3 討論

3 種分析方法對(duì)五源河水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果一致，但評(píng)價(jià)過程的側(cè)重點(diǎn)不同。單因子指數(shù)法計(jì)算簡(jiǎn)便易懂，但在評(píng)價(jià)過程中考慮的影響因素較為單一，僅以最差的評(píng)價(jià)指標(biāo)所屬的類別來代表整體水質(zhì)類別，沒有考慮綜合因素對(duì)整體水質(zhì)的影響，忽略了其他指標(biāo)對(duì)水質(zhì)污染的貢獻(xiàn)；綜合指數(shù)法在評(píng)價(jià)過程中統(tǒng)計(jì)了各水質(zhì)指標(biāo)所達(dá)到的水質(zhì)類別，但并未涉及各指標(biāo)對(duì)水質(zhì)污染造成影響的大小；模糊綜合法結(jié)合了綜合指數(shù)法對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，同時(shí)還對(duì)不同指標(biāo)對(duì)水質(zhì)影響的權(quán)重進(jìn)行了歸一化的分析，較前兩種分析方法，更能從整體的角度對(duì)水質(zhì)做出評(píng)價(jià)。

在本次研究中，單因子指數(shù)法分析結(jié)果顯示，TN 和TP 主要的水質(zhì)污染指標(biāo)，其超標(biāo)倍數(shù)在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中是最高的；綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)永莊水庫監(jiān)測(cè)點(diǎn)的評(píng)價(jià)值為5.52，屬于Ⅳ類—較差，海秀快速路和長(zhǎng)東村的評(píng)價(jià)值為9.61，屬于Ⅴ類—極差；模糊綜合法中，TN 和TP 的權(quán)重值最大，即其對(duì)水質(zhì)污染的貢獻(xiàn)率最大，其次為CODCr，CODCr值偏高說明水體受到了有機(jī)物的污染［12-15］。聶瑞等［16］的研究表明，TP、TN、CODCr和氨氮是五源河的主要污染因子，與本次研究結(jié)果基本一致。聶瑞等［16］的研究還表明，五源河上游的污染主要是由農(nóng)業(yè)廢水和生活污水造成的，而造成中下游污染的主要原因是生活污水［16］。3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)分析結(jié)果分別為Ⅳ類—較差和Ⅴ類—極差類別，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布位置分析，永莊水庫監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于五源河規(guī)劃的河源段，其周邊分布以農(nóng)田和零散鄉(xiāng)村居民為主，TN 和TP 超標(biāo)的主要來源于農(nóng)田施用化肥所造成的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染；海秀快速路監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于下游段，下游河道周邊的零散排污口較多，河道中水生植被少，污染源主要來源于生活污水的排放；長(zhǎng)東村監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于河口段，其污染主要來源于城市非點(diǎn)源污染。

水是人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中不可或缺的資源，本研究結(jié)果能為相關(guān)部門加強(qiáng)對(duì)五源河水環(huán)境規(guī)劃及管控和治理提供合理的參考依據(jù)。