遼河口濕地水質(zhì)模糊綜合評判研究

楊繼松，陳紅亮，吳 昊，李馨昕，胡曉鈞

（1.沈陽大學(xué)區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110044；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所中國科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春 130012）

遼河口濕地水質(zhì)模糊綜合評判研究

楊繼松1，2，陳紅亮1，吳 昊1，李馨昕1，胡曉鈞1

（1.沈陽大學(xué)區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110044；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所中國科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春 130012）

利用模糊綜合評判方法對2009年遼河口濕地的水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評判.17個(gè)樣點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果顯示，7月份遼河口濕地水質(zhì)大多數(shù)樣點(diǎn)化學(xué)需氧量（COD）和全氮（TN）超地表水環(huán)境質(zhì)量IⅤ類標(biāo)準(zhǔn)，全磷（TP）、氨氮（NH3-N）和重金屬（Cd、Pb、Cu、Zn）優(yōu)于III類標(biāo)準(zhǔn).運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法從8個(gè)監(jiān)測指標(biāo)中遴選出了COD、TN、TP、NH3-N、Cd和Pb 6個(gè)指標(biāo)作為參評因子，采用污染貢獻(xiàn)率方法確定單因子權(quán)重系數(shù)，評判結(jié)果表明遼河口濕地大多數(shù)樣點(diǎn)水質(zhì)級別為Ⅴ，水環(huán)境質(zhì)量較差.

遼河口濕地；水質(zhì)評價(jià)；模糊綜合評判；參評因子

水是濕地系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的生態(tài)要素，它對整個(gè)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)過程均具有重要的影響.濕地水環(huán)境質(zhì)量是衡量濕地系統(tǒng)健康水平的重要指標(biāo)，因而在濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)中備受關(guān)注.模糊綜合評價(jià)方法在天然水體的水質(zhì)評價(jià)中得到廣泛的應(yīng)用.濕地的水環(huán)境質(zhì)量受多種因素影響和控制，各因素之間相互影響、相互制約，不同因素的影響程度也不同.利用模糊數(shù)學(xué)理論，結(jié)合水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)及其評價(jià)原理，綜合考慮水質(zhì)污染程度由輕到重逐漸變化的模糊特性，可以獲得更科學(xué)和更合理的評價(jià)結(jié)果［1］.利用模糊綜合評判方法，研究者對河流［2-3］、湖泊［4］和濕地［5-7］等水體水質(zhì)進(jìn)行了評價(jià)研究，取得了較好的結(jié)果.遼河口濕地位于遼寧省南部、遼東灣北岸，是我國和亞洲最大的暖溫帶濱海濕地，是遼河三角洲的核心地帶和我國重要的石油開發(fā)和糧食生產(chǎn)基地.由于地處遼河下游入?？?，河流攜帶沿途大量物質(zhì)流經(jīng)河口濕地，加之日益增加的開發(fā)活動(dòng)，這些都對河口濕地水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了直接影響.本研究在區(qū)域布點(diǎn)采樣的基礎(chǔ)上，利用模糊綜合評判方法對遼河口濕地水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)研究，可為河口濕地保護(hù)、濕地生態(tài)健康恢復(fù)提供依據(jù).

1 采樣點(diǎn)與監(jiān)測指標(biāo)

2009年7月中旬，分別在遼河下游雙臺子河口的趙圈河葦場、羊圈子葦場和東郭葦場的蘆葦濕地區(qū)域選取了17個(gè)采樣點(diǎn)（圖1），樣點(diǎn)數(shù)分布為羊圈子葦場5個(gè)（T1、T2、T3、T4、T5）、東郭葦場5個(gè)（T6、T7、T8、T9、T10）、趙圈河葦場7個(gè)（T11、T12、T13、T14、T15、T16、T17）.水質(zhì)分析指標(biāo)包括化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）、鋅（Zn）、鎘（Cd）、鉛（Cd）和銅（Cu）.上述指標(biāo)的分析測定均參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》［8］：重鉻酸鉀法測定COD；過硫酸鉀氧化-紫外分光光度計(jì)法測定TN；納氏試劑-紫外分光光度計(jì)法測定NH3-N；樣品經(jīng)硝酸-高氯酸消解后，火焰原子吸收法測定Zn和Cu，石墨爐原子吸收法測定Cd和Pb.

圖1 采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Sample sites in the study area

2 結(jié)果與分析

2.1 遼河口濕地水環(huán)境質(zhì)量特征

根據(jù)實(shí)測結(jié)果（表1），以地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（表2）衡量，大部分樣點(diǎn)COD和TN超標(biāo)嚴(yán)重，TP、NH3-N和重金屬（Cd、Pb、Cu、Zn）優(yōu)于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn).遼河口濕地水中COD變化在17.6～73.6mg／L之間，70%的樣點(diǎn)超出Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，近50%的樣點(diǎn)超出Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn).濕地水中TN的質(zhì)量濃度變化在1.389～4.404mg／L之間，幾乎全部樣點(diǎn)超地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，近76%的樣點(diǎn)超Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn).TP質(zhì)量濃度變化在0.035～0.190mg／L之間，30%的樣點(diǎn)在Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，其他樣點(diǎn)優(yōu)于Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn).

表1 河口濕地地表水取樣點(diǎn)水質(zhì)實(shí)測值Table 1 Measurement values of wetland water quality

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值Table 2 Environmental quality standard for surface water value mg·L-1

2.2 遼河口濕地水質(zhì)模糊綜合評判

濕地水質(zhì)模糊綜合評判的步驟為：（1）將污染物因子實(shí)測濃度與其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相比較，建立線性函數(shù)，計(jì)算出各污染因子對各級水的隸屬度組成模糊矩陣；（2）計(jì)算各單項(xiàng)因子的權(quán)重值，組成權(quán)系數(shù)矩陣；（3）將隸屬度矩陣與權(quán)系數(shù)矩陣相乘，得到綜合評價(jià)結(jié)果.

2.2.1 評判因子選擇

依據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（表2），按照水質(zhì)各項(xiàng)實(shí)際監(jiān)測值（表1），根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，通過各單項(xiàng)超標(biāo)倍數(shù)的百分比由大到小的累計(jì)頻率，遴選出對水環(huán)境影響較大的因子［5］37，最終選取7個(gè)單項(xiàng)因子作為評價(jià)因子組成因子集：U＝｛CODCr、TN、NH3-N、TP、Cd、Pb｝.篇幅所限，計(jì)算過程略.

2.2.2 因子隸屬度計(jì)算

模糊綜合評價(jià)法以隸屬度來描述水質(zhì)的模糊界限，由各采樣點(diǎn)單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)ci對各水質(zhì)級別sj的隸屬度uij（ci）所構(gòu)成的矩陣，即為模糊關(guān)系矩陣R，隸屬度可用隸屬函數(shù)來表示.本文采用模糊分布曲線中的“梯形分布”確定各個(gè)元素的隸屬函數(shù)［5］38.隸屬函數(shù)的表達(dá)式如下：

Ⅰ級水質(zhì)的隸屬度函數(shù)為

ci表示第i個(gè)評價(jià)因子的實(shí)測值，sij-1，sij，sij＋1分別表示各評價(jià)因子的第j-1，j，j＋1級標(biāo)準(zhǔn)值.把各評價(jià)因子的實(shí)測值代入相應(yīng)的隸屬函數(shù)，計(jì)算出每一個(gè)評價(jià)因子對于各評價(jià)等級的隸屬度，得到模糊矩陣R.篇幅所限這里僅列出采樣點(diǎn)T1的隸屬度矩陣RC1.

2.2.3 因子權(quán)重系數(shù)計(jì)算

因子的權(quán)重系數(shù)用來衡量參評因子對水體環(huán)境質(zhì)量影響的大小，為了突出各參評因子對濕地水質(zhì)貢獻(xiàn)的程度，采用污染貢獻(xiàn)率計(jì)算方法求單因子權(quán)重系數(shù)，計(jì)算式為

歸一化權(quán)重分配矩陣為

表3 遼河口濕地水質(zhì)評價(jià)權(quán)重計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of assessment weight for wetland water quality

2.2.4 模糊綜合評判結(jié)果

在確定了模糊關(guān)系矩陣R與權(quán)重分配矩陣A之后，考慮到各個(gè)評價(jià)因子都對評價(jià)結(jié)果起作用，采用相乘相加法進(jìn)行A與R的模糊關(guān)系合成計(jì)算［9］，即M（·，＋）得到遼河口濕地水質(zhì)的模糊綜合評判結(jié)果，即模糊子集B（B＝A?R）.

maxbj＝0.721，表明采樣點(diǎn)T1的濕地水環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)結(jié)果為Ⅴ，水質(zhì)污染較為嚴(yán)重.相同方法計(jì)算其他16個(gè)采樣點(diǎn)的水質(zhì)綜合評價(jià)模糊子集，結(jié)果見表4.模糊綜合評價(jià)結(jié)果顯示，遼河口濕地所有17個(gè)采樣點(diǎn)的水環(huán)境質(zhì)量較低，水質(zhì)污染較為嚴(yán)重.

表4 遼河口濕地水質(zhì)模糊綜合評價(jià)結(jié)果Table 4 Results of water quality assessment based on fuzzy comprehensive evaluation method

3 結(jié) 論

遼河口濕地水質(zhì)大多數(shù)樣點(diǎn)COD和TN超標(biāo)嚴(yán)重，TP、NH3-N和重金屬（Cd、Pb、Cu、Zn）含量優(yōu)于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn).基于各單項(xiàng)超標(biāo)倍數(shù)的累計(jì)頻率，遴選出COD、TN、NH3-N、TP、Cd和Pb作為參評因子，采用模糊分布曲線中的“梯形分布”確定各個(gè)元素的隸屬度，并采用污染貢獻(xiàn)率計(jì)算方法計(jì)算單因子權(quán)重系數(shù)，評判結(jié)果表明遼河口濕地大多數(shù)樣點(diǎn)水質(zhì)級別為Ⅴ，水環(huán)境質(zhì)量較差.

［1］鄒志紅，孫靖南，任廣平.模糊評價(jià)因子的熵權(quán)法賦權(quán)及其在水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（4）：552-556.

［2］鄒志紅，云逸，王惠文.兩階段模糊法在海河水系水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（4）：799-803.

［3］陳潤羊，花明，涂安國.長江流域水質(zhì)評價(jià)的幾種方法［J］.華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，31（2）：146-151.

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Water Quality Assessment of Liaohe River Estuarine Wetland based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Method

YANG Jisong1，2，CHEN Hongliang1，WU Hao1，LI Xinxin1，HU Xiaojun1

（1.Key Laboratory of Regional Environment and Eco-Remediation（Ministry of Education），Shenyang University，Shenyang 110044，China；2.Key Laboratory of Wetland Ecology and Environment of Chinese Academy of Sciences，Northeast Institute of Geography and Agroecology，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130012，China）

Water quality of Liaohe River estuarine wetland in July 2009was evaluated based on fuzzy comprehensive evaluation method.The examined results of 17water samples showed that COD and TN concentrations of most samples exceeded classⅣof Environmental Quality Standards for Surface Water，and TP，NH3-N and heavy metals including Cd，Pb，Cu and Zn better than classⅢ.Except for Cu and Zn，six factors were selected to be evaluated from all examined index by statistics method.The weighting coefficient for each factor was calculated by its pollutant contribution to water quality.Fuzzy comprehensive evaluation results showed that water quality grade of the most samples wasⅤand water environment quality was bad.

Liaohe River estuarine wetland；water quality assessment；fuzzy comprehensive method；evaluation factors

X 824

A

1008-9225（2012）03-0005-04

2012-02-12

國家科技支撐計(jì)劃課題（2011BAJ06B02）；國家水體污染控制與治理重大專項(xiàng)課題（2008ZX07208-009-005）；中國科學(xué)院濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（WELF-2009-B-004）.

楊繼松（1978-），男，山東成武人，沈陽大學(xué)副教授，博士；胡曉鈞（1977-），男，浙江淳安人，沈陽大學(xué)教授，博士.

王 穎】