近海水質(zhì)綜合評價模型的構(gòu)建及其應用——以九龍江口為例

姜雙城，林培梅，蔡建堤，吳立峰，席英玉，楊妙鋒，鄭盛華，顏聰毅，吳水清

近海水質(zhì)綜合評價模型的構(gòu)建及其應用——以九龍江口為例

姜雙城1，林培梅2，蔡建堤1，吳立峰1，席英玉1，楊妙鋒1，鄭盛華1，顏聰毅1，吳水清1

（1. 福建省水產(chǎn)研究所//福建省海洋生物增養(yǎng)殖與高值化利用重點實驗室，福建 廈門 361013；2. 廈門市第五中學，福建 廈門 361004）

【】研究水質(zhì)質(zhì)量綜合評價模型的構(gòu)建及應用。根據(jù)我國近海海洋環(huán)境監(jiān)測指標和《國家海水水質(zhì)標準》，運用PCA法，構(gòu)建近海水質(zhì)質(zhì)量的綜合評價模型，并給出四類水質(zhì)綜合指數(shù)的量化區(qū)間值。在九龍江及毗鄰海域，利用該評價模型開展示范應用研究，計算并繪制水質(zhì)質(zhì)量值的空間分布和平面分布，篩查出污染的關(guān)鍵區(qū)域和指標，九龍江口水質(zhì)質(zhì)量綜合指數(shù)F值區(qū)間為-1.875 ~ 2.570，以三類或四類為主。評價結(jié)果較好反映了九龍江口水質(zhì)環(huán)境實際情況，水質(zhì)質(zhì)量綜合評價模型可為該海域海洋環(huán)境綜合治理及利用提供參考。

九龍江；近海水質(zhì)；評價模型

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《2017年中國近岸海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量公布》[1]，我國海洋環(huán)境質(zhì)量評價尚停留在單因子污染評價階段，大部分評價數(shù)據(jù)處理采用平均值辦法，存在數(shù)據(jù)相互掩蓋現(xiàn)象；對于排污口毗鄰海域，由于評價因子均超標，很難作出合理評價。國際上海域生態(tài)環(huán)境管理已從單純生態(tài)環(huán)境污染管理轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)環(huán)境綜合管理，并建立了海域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價模型。歐盟[2]提出生態(tài)狀況綜合評價模型，但該模型有2點缺陷：（1）需篩選出未受人類污染的區(qū)域作為對照點，而近岸和河口區(qū)是人類活動主要區(qū)域，很難找出未受干擾水體；（2）僅給出“優(yōu)、良、中、差、劣”定性評價，沒有予以量化，可操作性較差。美國[3-4]提出沿岸海域綜合評價模型，該模型優(yōu)點是操作性較強，存在問題主要有：（1）富營養(yǎng)化指標采用ASSETS標準，評價結(jié)果和實際狀況經(jīng)常沖突；（2）僅定性，未做定量；（3）各國之間水質(zhì)現(xiàn)狀和標準均不一樣，很難直接應用于我國近岸水質(zhì)評價。針對上述問題，基于GB3092-1997《海水水質(zhì)標準》[5]和我國近海海洋環(huán)境監(jiān)測指標，本研究運用主成分分析法（Principal components analysis，PCA）將多維水質(zhì)參數(shù)優(yōu)化為少數(shù)不相關(guān)主成分，利用得到的主成分構(gòu)建近岸生態(tài)環(huán)境水質(zhì)質(zhì)量綜合評價模型，并在九龍江海域進行應用，以期為我國海域水環(huán)境的評估、診斷和決策提供參考。

1 材料和方法

1.1 九龍口生態(tài)環(huán)境概況

九龍江位于福建省南部，又名漳州河，是福建省僅次于閩江的第二大河流，水系總長1 923 km，流域面積14 741 km2，占全省國土面積的12.2%。其主要由北溪、西溪兩大支流及南溪組成，北溪和西溪年均流量分別為260 m3/S(浦南站) 和117 m3/S (鄭店斷面)[6]。九龍江下游屬于感潮河段，其潮流為非正規(guī)半日潮淺海潮流，屬于往復流，一般落潮流速大于漲潮流速。九龍江不僅是上述龍巖、漳州和廈門的飲用水源，也是重要工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水源，是支撐福建閩西南地區(qū)經(jīng)濟社會系統(tǒng)重要的基礎(chǔ)性水源[7]。

九龍江沿岸人口密集、工農(nóng)業(yè)發(fā)達，有多家化工廠、化妝品生產(chǎn)廠、電鍍廠和大型港口碼頭等，每年向九龍江輸入大量陸源污染物，尤其是氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，導致九龍江及毗鄰海域面臨的主要問題是氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)超標。研究[8-9]表明九龍江流域單位面積上的NO3-N產(chǎn)率處于較高水平，九龍江上、中游NO3-N和SRP增加了2 ~ 3倍；部分海域存在金屬元素超標現(xiàn)象，尤其是As元素[10]。

1.2 樣品采集與分析

2016年3月（枯水期）在九龍江及鄰近海域布設(shè)16個調(diào)查站位（圖1），進行現(xiàn)場調(diào)查。水樣品采用葵花式采水器（8 L）進行收集，樣品的采集、貯存與運輸采用《GB17378.3-2007海洋監(jiān)測規(guī)范 第3部分：樣品采集、貯存與運輸》[11]；水質(zhì)分析準則依據(jù)《GB17378.4-2007海洋監(jiān)測規(guī)范 第4部分：海水分析》[12]和近岸海域環(huán)境監(jiān)測[13]。亞硝酸鹽(NO2--N)、硝酸鹽 (NO3--N)、銨鹽( NH4+-N)和活性磷酸鹽(PO43--P)采用連續(xù)流動分析儀（型號：Skalar San++）測定；重金屬（Cu、Pb、Zn、Cd和總Cr）使用ICP-MS測定（型號：Agilent 7700x）；總汞和無機砷采用原子熒光儀（型號：AFS-9130）；石油類使用紫外可見分光光度計（型號：Cary 50）；水溫、鹽度(S)、pH和溶解氧(DO)等指標應用多參數(shù)分析儀(型號：WTW Multi 3430)現(xiàn)場測定；無機氮(DIN)為亞硝酸鹽(NO2--N)、硝酸鹽 (NO3--N)和銨鹽(NH4+-N)三者之和。

圖1 2016年3月九龍江河口區(qū)調(diào)查站位

1.3 數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建

采用SPSS 20.0[14]開展主成分、多元回歸等數(shù)據(jù)探索性分析，并運用Surfer 12.0繪制平面分布圖；基于PCA法，采用近海海洋環(huán)境調(diào)查指標，構(gòu)建水質(zhì)質(zhì)量的綜合評價模型。

2 水質(zhì)綜合評價模型構(gòu)建

2.1 水質(zhì)評價模型的指標體系構(gòu)建

根據(jù)我國近海海洋環(huán)境監(jiān)測指標，選擇12個水質(zhì)指標，按照《GB3092-1997國家海水水質(zhì)標準》建立假設(shè)樣本，即以12個水質(zhì)指標的各級區(qū)間值作為樣本值。

2.2 水質(zhì)指標之間的相關(guān)性

使用SPSS 20.0分析指標之間相關(guān)性，表1為12個水質(zhì)指標間的相關(guān)矩陣。從表2中可以看出，12個指標之間相關(guān)性較高，基本保持0.80 ~ 0.99的相關(guān)度，因此，假設(shè)直接使用這12個指標建立評價模型，很多信息會重疊在一起，帶來嚴重共性問題。同時，采用SPSS的因子分析模型研究指標間的偏相關(guān)性，假設(shè)樣本Bartlett球型檢驗統(tǒng)計量的Sig值<0.01，說明12個指標并非獨立，取值有很大相關(guān)性和重疊性。

表1 12個水質(zhì)指標的相關(guān)矩陣

2.3 基于PCA法構(gòu)建水質(zhì)綜合評價模型

通過分析指標間的相關(guān)性和球形檢驗可知，上述12個水質(zhì)指標之間存在很大相關(guān)度。而PCA通過數(shù)據(jù)降維，可以實現(xiàn)少數(shù)幾個主成分來表征12個變量，因此可利用PCA法建立近海水質(zhì)的綜合評價模型。

2.3.1 主成分分析結(jié)果 利用主成分分析法，對水質(zhì)假設(shè)樣本中的12個指標進行提取。由主成分分析提取結(jié)果（表2）可知，第1個主成分特征根1為10.772，它解釋了指標累積方差信息的89.7%，超過85%，可以滿足技術(shù)指標要求；至此之后的特征根均小于1，解釋累積方差信息總和為10%。因此，只提取1個主成分即可，可解釋指標信息的90%。

表2 主成分解釋的總方差

使用SPSS標準化12個指標Z，經(jīng)過簡單數(shù)學運算，即可得到水質(zhì)質(zhì)量綜合評價F的數(shù)學模型：

其中：代表DO、COD、DIN……Oil等12個水質(zhì)指標，B為表4中對應指標值、1為特征根、Z為指標的標準化數(shù)值。

2.3.2 水質(zhì)的綜合評價模型 利用SPSS分析12個水質(zhì)指標的初始因子載荷，結(jié)果見表3。

表3 初始因子載荷陣

2.3.3 水質(zhì)綜合指數(shù)值利用公式（1），計算得出各類水質(zhì)的取值范圍，見表4。

表4 四類水質(zhì)F的取值范圍

3 結(jié)果與分析

根據(jù)2016年3月，九龍口及毗鄰海域枯水期調(diào)查結(jié)果，選取12個指標的檢測數(shù)據(jù)，運用水質(zhì)綜合評價模型，計算16個站位的綜合指數(shù)值，結(jié)果見表5。利用Surfer 12.0繪制值的空間分布（圖2）和平面分布（圖3）。

表5 水質(zhì)質(zhì)量綜合指數(shù)值F

圓點的大小表示綜合指數(shù)的高低，分別對應水質(zhì)的差和好

由圖2可以明顯看出，水質(zhì)綜合評價較差區(qū)域主要位于沿岸水域，如J3、J4、J6和J10等站位，九龍江航道臨近海域的J8、J14、J16和廈門島南部外海域的J11、J12和J13等站位水質(zhì)較好，評價結(jié)果比較符合實際情況。

圖3 水質(zhì)綜合評價指數(shù)F值平面分布

由圖3可以直觀看出，九龍江口污染區(qū)主要集中在J3、J4和J15站點鄰近海域，這和吳善[15]、王偉力[16]和黃海寧[10,17]研究結(jié)果基本一致，而在J11、J12和J13等開闊海域污染最輕。沿著九龍江流向，從河流→河口→近海整體呈現(xiàn)污染逐漸降低趨勢。J4和J15站位位于南溪出口端（無機NP含量較高區(qū)域），上述站位的沿岸區(qū)分布有很多小型加工廠、造船及拆解廠和碼頭等高污染企業(yè)，這可能是造成該海域水質(zhì)質(zhì)量較差的主要原因，這需要當?shù)卣h(huán)保部門加強污染治理，防止未經(jīng)處理的污水流入九龍江。廈門海域水質(zhì)綜合質(zhì)量整體優(yōu)于漳州海域，這與廈門政府加強污水處理和退養(yǎng)還海的政策有關(guān)。

為更好比較單因子指數(shù)和的評價結(jié)果，本研究將2016年3月調(diào)查數(shù)據(jù)中主要超標指標抽取出來（表7）。從表7可以知道，J1-J16站位的無機氮含量＞0.50 mg/L，按照GB3097-1997標準，均屬于劣四類水質(zhì)，很明顯，評價結(jié)果存在短板效應；SRP和DIN一樣，很多站位的含量＞0.045 mg/L；但是二者整體趨勢一致，均呈現(xiàn)河流→河口→近海，含量遞減的趨勢，為了更直觀判斷二者的來源，繪制了DIN（圖4）和SRP（圖5）平面分布圖，從圖中可以明顯判斷出九龍江流域的無機氮磷主要受陸源輸入的控制；而超標元素Hg濃度（圖6）和無機氮磷的趨勢很不一致，在九龍江中下游的J10、J14和J16站位鄰近海域出現(xiàn)極大值。由于所有調(diào)查站位的無機氮均超標，而汞的超標站位和無機NP不一致，很明顯，單因子無法對九龍江口水質(zhì)質(zhì)量進行合理診斷和評價，也無法給出環(huán)境治理的合理建議。

表7 2016年3月調(diào)查主要超標因子

圖4 DIN含量平面分布

圖5 SRP含量平面分布

圖6 Hg含量平面分布

為更直觀比較綜合指數(shù)和單因子的評價結(jié)果，本研究將DIN平面分布圖和綜合指數(shù)空間圖重疊在一起（圖7）。由圖7可以明顯看出，綜合指數(shù)不僅較好反映了DIN污染情況，而且也反映了Hg的污染情況（J10）。

圖7 DIN的平面分布和水質(zhì)質(zhì)量綜合指數(shù)F重疊

從以上分析可知，綜合指數(shù)的量化值較合理診斷、評估了九龍江河口水質(zhì)質(zhì)量現(xiàn)狀。根據(jù)平面分布圖，識別出九龍江口水質(zhì)污染的關(guān)鍵區(qū)域集中在沿岸區(qū)，需要政府加強重點監(jiān)管，防止污染加劇，有助于政府減少工作量和環(huán)保資金投入。

九龍江口的污染具有面源和點源的復合特征，面源污染的關(guān)鍵指標為無機N、P，主要源于陸源輸入；而點源主要為J4、J5的鄰近海域，綜合反映了NP和重金屬污染。

3 結(jié)論

本研究基于PCA法構(gòu)建了水質(zhì)質(zhì)量的綜合評價模型，并給出了基于國家海水水質(zhì)標準的四類綜合指數(shù)值的量化區(qū)間值。利用水質(zhì)質(zhì)量的綜合模型評估和診斷九龍江及毗鄰海域枯水期水質(zhì)現(xiàn)狀，研究表明，九龍江及毗鄰海域水質(zhì)以三類或四類為主，污染關(guān)鍵指標為無機氮磷，關(guān)鍵區(qū)域為漳州近岸海域。評價結(jié)果較好反映了九龍口及毗鄰海域水質(zhì)環(huán)境實際情況，可為該海域海洋環(huán)境綜合治理及利用提供一定參考。

錢小明、羅冬蓮、許貽斌、林永青、魏珊珊和林嬌等同志在樣品采集、分析過程中給予幫助,特此致謝！

[1] 中華人民共和國生態(tài)環(huán)境部. 2017年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報[R/OL]. （2018-05-31）[2019-01-05] http://www.mee.gov.cn/hjzl/zghjzkgb/lnzghjzkgb/201805/P020180531534645032372.pdf.

[2] European Community. Directive2000/60/EC of the European Parliament and of the Council of 23 October 2000 establishing a framework for community action in the field of waters policy [R]. Brussels: European Community Official Journal,2000 (L327):1-73.

[3] USEPA. National coastal condition report(EPA-620/R-01/005)[R]. Washington,D.C:U.S. Environmental Protection Agency , Office of Research and Development/Office of Water , 2001: 1-204.

[4] USEPA. Cleanwateraction: Restoring America's water (EPA-840-98-001)[R]. Washington,D.C.:U.S. Environmental Protection Agency , Office of Research and Development/Office of Water,1998:1-87.

[5] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. 海水水質(zhì)標準：GB3097-1997[S].北京: 中國標準出版社, 1998, 1-10.

[6] 黃秀琴. 九龍江流域水文特征[J]. 水利科技, 2008(1): 16-20.

[7] CAO W, HONG H, YUE S. Modelling agricultural nitrogen contributions to the Jiulong River estuary and coastal water[J].Glob Planet Change, 2005, 47: 111-121.

[8] 顏秀麗，翟惟東，洪華生，等. 九龍江口營養(yǎng)鹽的分布、通量及其年代際變化[J]. 科學通報, 2012，57(17): 1575-1587.

[9] 黃海寧，林彩，暨衛(wèi)東，等. 九龍江河口區(qū)營養(yǎng)鹽分布特征及其影響因素[J]. 海洋通報, 2012, 31(3): 290-296.

[10] 趙佳懿，杜建國，陳彬，等.應用物種敏感性分布評估九龍江口水體重金屬生態(tài)風險[J]. 生態(tài)學雜志，2014, 33（2）：400-407.

[11] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會. 海洋監(jiān)測規(guī)范第3部分：樣品采集、貯存與運輸：GB17378.3-2007[S]. 北京：中國標準出版社, 2008.

[12] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會. 海洋監(jiān)測規(guī)范第4部分: 海水分析: GB17378.4-2007[S]. 北京: 中國標準出版社,2008.

[13] 中華人民共和國環(huán)境保護部. HJ442-2008: 近岸海域環(huán)境監(jiān)測規(guī)范[S]. 北京：中國環(huán)境科學出版社，2008.

[14] 杜強，賈麗艷，嚴先. SPSS統(tǒng)計分析從入門到精通[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2014.

[15] 吳善.福建九龍江口的水質(zhì)狀況及評價[J]. 福建水產(chǎn), 2004(4): 40-43.

[16] 王偉力，耿安朝，劉花臺，等. 九龍江口表層沉積物重金屬分布及潛在生態(tài)風險評價[J]. 海洋科學進展，2009，27（4）：502-506.

[17] 黃海寧，林彩，林輝，等. 九龍江口流域水質(zhì)主要污染物危害水平的評價[C]//國家海洋局第三海洋研究所，第五屆青年海洋科學研討會論文集，2012，625-630.

Establishment and Application of Comprehensive Assessment Model for the Coastal Water Quality：an Example of the Jiulong River Estuary

JIANG Shuang-cheng1, LIN Pei-mei2, CAI Jian-di1, WU Li-feng1, XI Ying-yu1, YANG Miao-feng1, ZHENG Sheng-hua1, YAN Cong-yi1, WU Shui-qing1

（1.//,361013,;2.，361000,）

【】The construction and application of water quality comprehensive evaluation model were studied.【】Based on the inshore marine environmental monitoring indicators and the National Seawater Quality Standard, a comprehensive evaluation model of the coastal water quality was established by using the PCA method, and the quantitative interval values of four kinds of comprehensive index F were obtained.【】In Jiulong River and the adjacent sea areas, the model was used to carry out demonstration application research, and the spatial and horizontal distribution of F value of water quality was calculated and plotted. The key areas and indicators of pollution were screened out. The results showed that the F value range of water quality in Jiulong River Estuary was -1.875 ~ 2.570, and mainly divided into three or four categories.【】The assessment results reflected the actual situation of the water quality and environment of the Jiulong River Estuary. Comprehensive assessment model for water quality could provide some reference for the comprehensive management and utilization of the marine environment in the sea area.

Jiulong River; the coastal water quality; evaluation model

P735

A

1673-9159（2019）05-0065-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.05.010

2019-04-02

國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項資助項目(201505034-4)；省科學技術(shù)廳公益專項資助項目(2015R1003-12)

姜雙城(1980－)，男，碩士，助理研究員，研究方向為生態(tài)環(huán)境保護與監(jiān)測、數(shù)學建模。E-mail：2001082011@163.com

姜雙城，林培梅，蔡建堤，等. 近海水質(zhì)綜合評價模型的構(gòu)建及其應用——以九龍江口為例[J].廣東海洋大學學報，2019，39（5）：65-70.

（責任編輯：劉嶺）