寧夏沙湖歷年水質(zhì)變化趨勢(shì)分析

羅燕珠，璩向?qū)?/p>

（寧夏大學(xué) 西部生態(tài)研究中心，寧夏 銀川750021）

水質(zhì)污染是中國(guó)面臨的嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，防治水質(zhì)污染已成為中國(guó)環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。在全球干暖氣候的影響下，內(nèi)陸湖泊及其流域蒸發(fā)加劇，降水量和入湖徑流量急劇減少，導(dǎo)致湖泊面積萎縮、湖泊水位下降［1］；同時(shí)，由于大量的農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活污水、廢水排入湖泊，使湖泊水資源受到了嚴(yán)重的污染。深入研究并加強(qiáng)保護(hù)這些地區(qū)的湖泊［2］，對(duì)改善我國(guó)西北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境有著重要的意義。

本文以寧夏沙湖為研究對(duì)象，運(yùn)用主分量分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)其2000—2009年的水質(zhì)變化情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

沙湖旅游區(qū)是寧夏回族自治區(qū)的王牌景點(diǎn)，水體環(huán)境是其重要的構(gòu)景要素，同時(shí)也是旅游資源開發(fā)的核心，大多數(shù)旅游設(shè)施、旅游項(xiàng)目圍繞水域風(fēng)光開展。隨著沙湖旅游業(yè)的發(fā)展，游客數(shù)量越來越多，還有，燃油快艇數(shù)量增多，旅游垃圾未及時(shí)處理，補(bǔ)給水水質(zhì)較差，這些原因使沙湖旅游區(qū)的水體出現(xiàn)了有機(jī)污染逐漸加重，水質(zhì)逐漸退化等環(huán)境問題，影響了沙湖旅游業(yè)的持續(xù)發(fā)展。目前，關(guān)于沙湖水環(huán)境質(zhì)量在較大時(shí)間尺度上的研究還比較少，要實(shí)現(xiàn)沙湖旅游業(yè)的持續(xù)發(fā)展，以水質(zhì)評(píng)價(jià)方法為主要手段，空間分析為輔助工具，全面、客觀地評(píng)價(jià)沙湖水環(huán)境質(zhì)量是至關(guān)重要的。水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法現(xiàn)有數(shù)10種之多，但不知道哪種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果更能真實(shí)地反映沙湖水質(zhì)的實(shí)際狀況。針對(duì)這一問題，在選取多種方法評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)果和實(shí)際情況，最終將主分量分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法互補(bǔ)運(yùn)用，以達(dá)到充分發(fā)揮積各自的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)。

主分量分析法不僅能客觀地反映出環(huán)境系統(tǒng)中眾多污染因子間的相互聯(lián)系影響，及其對(duì)整體環(huán)境質(zhì)量水平的相對(duì)貢獻(xiàn)，而且還具有顯著辨別不同污染程度的變異性能力［3］。這是一種不考慮準(zhǔn)則權(quán)重，不加入評(píng)估者的主觀偏好，完全根據(jù)各項(xiàng)目在各準(zhǔn)則下評(píng)估的結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)估的方法。與層次分析法和群組決策特征的最大不同是整個(gè)主分量分析過程不需要專家打分［4］。

由于水環(huán)境中存在大量不確定性因素，水質(zhì)級(jí)別、分類標(biāo)準(zhǔn)都是一些模糊概念，通過模糊評(píng)價(jià)法可以對(duì)受多個(gè)因素影響的事物做出全面、有效的評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)法突破了精確數(shù)學(xué)的邏輯和語言，強(qiáng)調(diào)了影響事物因素中的模糊性，較為深刻地刻畫了事物的客觀屬性［5］。但是該法也存在如下不足：由于過分強(qiáng)調(diào)模糊信息，對(duì)白化信息（所得評(píng)價(jià)結(jié)論十分明確的信息）反而利用率不高。當(dāng)考慮因素較多，各權(quán)重值較小時(shí)，取大取小運(yùn)算將遺失許多有用信息，誤判現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

1 研究區(qū)概況

沙湖又稱漁湖，系河流古道型湖泊，是由黃河古道洼地經(jīng)過風(fēng)蝕至地下水面，地下水溢出并匯集，再接受大氣降水和地面水的補(bǔ)給而形成的湖泊［6］。沙湖位于寧夏回族自治區(qū)銀川市以北56 k m，平羅縣西南19 k m處的國(guó)營(yíng)前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)境內(nèi)，地理位置為106°20′E，38°27′N。景區(qū)總面積106 k m2，其中水域面積45 k m2，沙漠面積22.52 k m2；豐水位2.4 m，平水位1.7 m，枯水位1 m；湖面海拔1 099 m。湖中蘆葦面積占湖面積約30%，沙丘相對(duì)湖面高25～35 m，未開發(fā)沙丘地植被覆蓋率10%～30%。該區(qū)氣候干操，年均氣溫9.8℃，年降雨量?jī)H201.9 mm，年平均蒸發(fā)量1 653.2 mm［7］。

由于地處西北內(nèi)陸，研究區(qū)具有典型的大陸性氣候特征，同時(shí)又處在溫帶半干旱荒漠地區(qū)，熱量豐富，日照充足，干旱少雨。沙湖發(fā)育于鹽堿洼地，加之降水量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，入湖水量稀少，在長(zhǎng)期演化過程中，鹽漬化現(xiàn)象逐漸加劇，湖水礦化度不斷增加，演變成半咸水湖泊［8］。

2 沙湖水質(zhì)評(píng)價(jià)計(jì)算

2.1 沙湖水質(zhì)的主分量分析［9］

（1）原始數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化處理數(shù)據(jù)。表1為不同年份沙湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)。本文用的標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

表1 不同年份水質(zhì)監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù) mg/L

表2給出了采用式（1）的標(biāo)準(zhǔn)化處理數(shù)據(jù)。

表2 不同年份水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

（2）主分量分析法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)表（）n×p（表2），求的協(xié)方差陣：

式中：XT——X的轉(zhuǎn)置矩陣［9］。

（3）計(jì)算協(xié)方差陣的特征值、特征向量、貢獻(xiàn)率、累計(jì)貢獻(xiàn)率和荷載向量。根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率＞85%的原則，取高錳酸鹽指數(shù)（λ1），生化需氧量（λ2），總磷（λ3）作為主分量因子進(jìn)行分析。從各指標(biāo)的相對(duì)貢獻(xiàn)率可以看出，相對(duì)貢獻(xiàn)率最大的是高錳酸鹽指數(shù)，其次是生化需氧量，余者依次為總磷、氨氮、石油類、溶解氧。

（4）計(jì)算變量的綜合指標(biāo)。根據(jù)荷載向量計(jì)算變量的公共性，利用變量的公共性和原指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)計(jì)算綜合指標(biāo)得分，最后根據(jù)綜合得分對(duì)各年份的水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行排序，綜合得分值愈大，說明水質(zhì)愈差。具體結(jié)果見表3。

表3 不同年份沙湖水環(huán)境質(zhì)量的綜合指標(biāo)值及排序

計(jì)算得出的變量的公共性為：

綜合指標(biāo)計(jì)算：

式中：hj——變量的公共性；Y——綜合指標(biāo)。

2.2 沙湖水質(zhì)的模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)法的步驟［10］：

（1）確定評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)一定的原則和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立評(píng)價(jià)因子集。設(shè)選取的指標(biāo)有m個(gè)，選取的評(píng)價(jià)因子記為cj，則評(píng)價(jià)因子集寫為U＝｛c1，c2，…，cj，…，cm｝。

（2）建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838－2002），將地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)分為5級(jí)：n＝｛Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ｝。

（3）確定隸屬度向量。根據(jù)5類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，分別作出對(duì)應(yīng)5個(gè)級(jí)別的隸屬函數(shù)通式。對(duì)于極小型分布，其通式如下。

Ⅰ級(jí)水：

Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級(jí)水：

Ⅴ級(jí)水：

式是：cj——評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)測(cè)值；s1，s2，s3，s4，s5——相應(yīng)水質(zhì)分類1—5級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)值。

對(duì)于一些指標(biāo)（如溶解氧），隸屬函數(shù)采用極大型分布。這樣就構(gòu)成了評(píng)價(jià)因子與水質(zhì)類別模糊關(guān)系矩陣R。

（4）單因子權(quán)重集的確定。由于各評(píng)價(jià)因子對(duì)水質(zhì)影響的貢獻(xiàn)率不同，所以應(yīng)賦予不同的權(quán)重值，本文根據(jù)計(jì)算污染物的超標(biāo)比情況來確定權(quán)重值，其計(jì)算公式如下：

首先計(jì)算單因子的超標(biāo)比：

對(duì)于偏大型分布指標(biāo)，如溶解氧，采用上式的倒數(shù)形式。

單因子污染權(quán)重：

式中：Ij——某評(píng)價(jià)因子的監(jiān)測(cè)值相對(duì)于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)倍數(shù)；cj——評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)值；c——評(píng)價(jià)因子cj各類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值的平均值；aj——單因子污染權(quán)重。

從而獲得權(quán)重集：

（5）綜合評(píng)價(jià)同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)模糊矩陣：

（6）根據(jù)模糊矩陣綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，選取最大值對(duì)應(yīng)的級(jí)別即為水質(zhì)級(jí)別。

2000—2009年運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果及水質(zhì)等級(jí)列于表4。

表4 模糊綜合評(píng)價(jià)法水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)

3 沙湖水污染的的評(píng)價(jià)結(jié)果和原因分析

3.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

通過對(duì)2種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果分析得出，2000—2009年沙湖水質(zhì)整體上呈現(xiàn)逐漸好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，尤其是2007，2008年均達(dá)到地表水Ⅱ級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；水質(zhì)比較差的年份是2000—2005年，其水質(zhì)級(jí)別均超出了Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，未達(dá)到地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838—2002）的要求。

主分量分析法通過計(jì)算各污染物的相對(duì)貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率選取主要污染因子，以此來計(jì)算各年份水質(zhì)優(yōu)劣程度的綜合指標(biāo)，最后對(duì)綜合指標(biāo)進(jìn)行排序。雖然排序的結(jié)果直觀化，可以直接地看出不同年份污染物的整體變化情況，但是不能對(duì)水質(zhì)污染級(jí)別做出評(píng)判，給后續(xù)的水質(zhì)污染治理工作帶來一定的困難。另外，忽略了一部分污染因子，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的片面性。

模糊綜合評(píng)價(jià)法的最大優(yōu)點(diǎn)是：可以對(duì)所有參與評(píng)價(jià)的污染因子進(jìn)行評(píng)價(jià)，不損失任何信息，并且明確地對(duì)Ⅰ—Ⅴ類水確定出水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)。模糊綜合評(píng)價(jià)法根據(jù)污染物監(jiān)測(cè)值在相鄰評(píng)價(jià)指標(biāo)值之間的權(quán)重來確定其污染程度，最后得出模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，選取最大值對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)即為水質(zhì)等級(jí)。

就沙湖水質(zhì)而言，模糊綜合評(píng)價(jià)法能夠反映水質(zhì)污染級(jí)別，主分量分析法則可以反映水質(zhì)污染程度。通過對(duì)2種評(píng)價(jià)方法的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，將2種評(píng)價(jià)方法相結(jié)合，可以使水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確、客觀。

3.2 原因分析

3.2.1 補(bǔ)給水源水質(zhì)的改善 沙湖補(bǔ)給水源以黃河水為主，黃河水含泥沙量大，泥沙中含有大量的污染物，以前未經(jīng)過處理直接匯入沙湖。最近幾年考慮到沙湖水質(zhì)對(duì)其生態(tài)系統(tǒng)及其旅游業(yè)發(fā)展的影響，黃河水進(jìn)入沙湖之前先經(jīng)過澄清池處理，再流入沙湖，使進(jìn)湖水質(zhì)有所改善。

3.2.2 排放污染物的集中處理 隨著旅游業(yè)的快速發(fā)展，旅游人數(shù)呈上升趨勢(shì)。1998年以前，旅游人數(shù)一般在25～35萬人，1998年以后，旅游人數(shù)增加到50～58萬人，目前沙湖每年接待的游客數(shù)量在60萬左右［6］，人數(shù)的增加使排放的污染物也相應(yīng)增加。從2006年開始，隨著對(duì)水質(zhì)要求的提高，旅游垃圾每天有專門的環(huán)衛(wèi)人員集中收集處理，不再零散堆放；其次，對(duì)餐飲、娛樂業(yè)產(chǎn)生的生活廢水，修建了專門的排水管道流入污水處理廠處理，不再流入沙湖，使沙湖水質(zhì)得到了改善。

3.2.3 環(huán)境管理工作的加強(qiáng) 沙湖旅游區(qū)是在漁場(chǎng)的基礎(chǔ)上建立起來的，旅游區(qū)內(nèi)的管理工作人員大多是農(nóng)場(chǎng)的工人或其家屬，職業(yè)素養(yǎng)和思想覺悟相對(duì)有限。近幾年，不定期的崗位專業(yè)培訓(xùn)使他們的職業(yè)素養(yǎng)有所提高，同時(shí)對(duì)游客也起到了同化作用，相互影響，共同提高了保護(hù)沙湖環(huán)境的意識(shí)。

4 結(jié)論

（1）2000—2009年沙湖水質(zhì)整體上呈現(xiàn)逐漸好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)；（2）模糊綜合評(píng)價(jià)法能夠反映水質(zhì)污染級(jí)別，主分量分析法則可以反映水質(zhì)污染程度，將2種評(píng)價(jià)方法相結(jié)合，可以使水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確、客觀。

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