改進(jìn)密切值法在陽澄湖水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用

吳旻妍,薛媛媛,吳福全

(蘇州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 蘇州 215004)

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改進(jìn)密切值法在陽澄湖水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用

吳旻妍,薛媛媛,吳福全

(蘇州市環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 蘇州 215004)

以陽澄湖水質(zhì)分析為例，利用改進(jìn)密切值法分別對其東、中、西3個(gè)湖區(qū)湖體水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明，在復(fù)雜的湖泊生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)評價(jià)中，該方法不僅具有模型構(gòu)建簡便靈活、計(jì)算量小、結(jié)果直觀的特點(diǎn)，而且區(qū)別于以往籠統(tǒng)的將不同時(shí)段、不同區(qū)域湖體水質(zhì)判斷為某一類標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)模式，能夠客觀準(zhǔn)確地分析不同時(shí)空的水質(zhì)分布規(guī)律，預(yù)判水質(zhì)變化趨勢，同時(shí)區(qū)別于將污染指標(biāo)等權(quán)處理或忽略指標(biāo)權(quán)重的評價(jià)方式，通過引進(jìn)熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重判斷主要污染因子，使湖泊生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)評價(jià)結(jié)果更真實(shí)合理。

湖泊水質(zhì)評價(jià); 陽澄湖; 改進(jìn)密切值法

湖泊不僅具有大量淡水以及農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品等多種資源，而且具有巨大的環(huán)境調(diào)節(jié)功能和環(huán)境效益。但由于湖泊水環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)復(fù)合體系，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)交錯(cuò)且相互作用，造就了湖泊水環(huán)境的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，如何準(zhǔn)確客觀地評價(jià)湖泊水環(huán)境狀況以及變化趨勢值得探討和研究。

近年來，密切值法以其計(jì)算量小、結(jié)果直觀的優(yōu)勢在各類水質(zhì)評價(jià)中被逐漸采用[1-5]，但由于其對指標(biāo)權(quán)重計(jì)算的均值化，不能客觀反映污染因子對湖體的影響，而使該方法的適用性受到局限。現(xiàn)以改進(jìn)密切值法對陽澄湖水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)，采用熵權(quán)法確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，更合理地確定主要污染因子，其最大優(yōu)點(diǎn)是區(qū)別于籠統(tǒng)地將不同時(shí)段、不同區(qū)域湖體水質(zhì)判斷為某一類標(biāo)準(zhǔn)的評價(jià)方法，能夠客觀準(zhǔn)確地分析不同時(shí)空的水質(zhì)分布規(guī)律，預(yù)判水質(zhì)變化趨勢[6-9]。該方法可以將多指標(biāo)簡化為單一綜合值，對各類評價(jià)指標(biāo)權(quán)重設(shè)置更加科學(xué)，計(jì)算簡便靈活，結(jié)果簡明合理。

1 陽澄湖概況

陽澄湖是太湖流域重要的淡水湖泊之一，位于蘇州市區(qū)的東北部，是昆山傀儡湖飲用水水源的重要補(bǔ)給來源，也是蘇州工業(yè)園區(qū)擬選的第二水源地，同時(shí)還承擔(dān)著陽澄地區(qū)防洪、排澇、引水、灌溉和養(yǎng)殖等功能。

陽澄湖分為東湖、中湖、西湖3個(gè)湖區(qū)，總面積約119 km2，入湖河流基本位于西北，出湖河流位于東南。根據(jù)陽澄湖湖面面積大，湖水交換速度慢，湖區(qū)分割明顯且污染分布不均等特點(diǎn)，分湖區(qū)網(wǎng)格化設(shè)置了7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位，見圖1，每年分別在枯水期(1月、3月)、平水期(5月、11月)和豐水期(7月、9月)對各湖區(qū)點(diǎn)位進(jìn)行取樣分析。

圖1 陽澄湖各湖區(qū)監(jiān)測點(diǎn)位分布

2 基于熵權(quán)法確定權(quán)重的密切值評價(jià)法

2.1 構(gòu)建原始矩陣及規(guī)范化處理

有量綱矩陣模型的規(guī)范化：由于初始矩陣中各評價(jià)指標(biāo)的量綱、數(shù)量級(jí)及指標(biāo)優(yōu)劣的取向存在很大差異，故采用目標(biāo)差值率法對初始矩陣規(guī)范處理。

式中：Xij——第i個(gè)監(jiān)測斷面中第j個(gè)指標(biāo)監(jiān)測值；Ej——第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)的目標(biāo)值，即正向指標(biāo)取第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)中，i個(gè)監(jiān)測斷面連同n級(jí)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)取最大值，負(fù)向指標(biāo)取第j個(gè)評價(jià)指標(biāo)中，i個(gè)監(jiān)測斷面連同n級(jí)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)取最小值；rij——第i個(gè)監(jiān)測斷面中第j個(gè)指標(biāo)的無量綱化值。由此可得無量綱的樣本矩陣(rij)(m+n)×l。

2.2 熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

將由(m+n)個(gè)樣本與l個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的初始環(huán)境矩陣(rij)(m+n)×l進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

由此可得標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：Y=(Yij)(m+n)×l。由斯提林公式計(jì)算可得j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵值ej，而某項(xiàng)指標(biāo)的信息效用值取決于該指標(biāo)的信息熵值ej與1的差值hj，從而可以確定j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重wj。

2.3 計(jì)算密切值并評價(jià)

采用歐氏距離計(jì)算待評價(jià)斷面與虛擬斷面的距離diX+和虛擬最劣斷面距離diX-。

因此分別計(jì)算最優(yōu)密切值EiX+和最劣密切值EiX-：

水質(zhì)評價(jià)中的多個(gè)指標(biāo)A1，A2，…，Al轉(zhuǎn)化為能從總體上衡量水環(huán)境優(yōu)劣的單指標(biāo)EiX+或EiX-。當(dāng)EiX+越小而EiX-越大時(shí)，與最優(yōu)點(diǎn)越密切，與最劣點(diǎn)越疏遠(yuǎn)，即水環(huán)境質(zhì)量越高。當(dāng)EiX=0時(shí)，水環(huán)境質(zhì)量最佳，即為最優(yōu)點(diǎn)。

3 實(shí)例分析

3.1 陽澄湖水質(zhì)年內(nèi)時(shí)空分布

以2012年為例，用改進(jìn)密切值法對陽澄湖東湖、中湖和西湖水質(zhì)的枯、平、豐不同水期分別比較評價(jià)。選取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中 DO、IMn、BOD5、TP和TN 5項(xiàng)指標(biāo)(以下簡稱“5項(xiàng)指標(biāo)”)作為評價(jià)因子，與各湖區(qū)2012年平、豐、枯3個(gè)水期的監(jiān)測值和地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅰ—Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成8個(gè)樣本與5項(xiàng)指標(biāo)的初始環(huán)境樣本矩陣。通過計(jì)算得到各湖區(qū)5項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值，從而計(jì)算出各湖區(qū)最優(yōu)密切值，并對各湖區(qū)水質(zhì)分別排序。各湖區(qū)評價(jià)結(jié)果詳見表1。

表1 2012年陽澄湖各湖區(qū)不同水期水質(zhì)評價(jià)結(jié)果

由表1可見，2012年陽澄湖各湖區(qū)水質(zhì)總體變化為平水期>豐水期>枯水期，各湖區(qū)枯水期水質(zhì)均介于Ⅲ類和Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)之間，東湖區(qū)平、豐水期水質(zhì)介于Ⅱ類和Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)之間，中、西湖區(qū)平、豐水期水質(zhì)均介于Ⅲ類和Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)之間。

通過計(jì)算熵權(quán)確定的監(jiān)測指標(biāo)權(quán)重可以看出，2012年陽澄湖各湖區(qū)不同水期的主要污染因子為TP，其次為TN，見圖2。

圖2 2012年陽澄湖各湖區(qū)5項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)權(quán)重

由于枯水期湖泊水量和流量均較小，各類浮游生物生命力弱，水體自凈能力較差，水質(zhì)惡化較為嚴(yán)重，造成各湖區(qū)枯水期水質(zhì)較差；豐水期雖然湖泊水量和流量均很大，但上游帶入的污染物量也加大，且各種藻類、浮游生物生長旺盛，造成湖體氮、磷富集，湖泊內(nèi)源氮、磷釋放量增加，湖泊水質(zhì)受到影響；平水期降雨量和湖泊流量相對穩(wěn)定，水體自凈能力發(fā)揮作用，總體水質(zhì)優(yōu)于豐水期和枯水期[10]。

從最優(yōu)密切值數(shù)據(jù)對比分析可見，2012年陽澄東湖各水期水質(zhì)均明顯優(yōu)于陽澄中、西湖。其水質(zhì)差別的主要原因與湖體流向、分布面積、湖區(qū)形狀以及出入湖河道分布位置有關(guān)。3個(gè)湖區(qū)中，東湖區(qū)面積最大，水體自凈能力較強(qiáng)且入湖河道較少，受來水影響小，水質(zhì)較好；而中、西湖區(qū)面積較小，自凈能力較弱，特別是西湖區(qū)，呈狹長的帶狀，主要入湖河道在西部沿岸集中分布，受入湖河道周邊生活污染和工業(yè)、企業(yè)生產(chǎn)影響較大。

3.2 水質(zhì)年際變化

選取5項(xiàng)指標(biāo)作為評價(jià)因子，與各湖區(qū)2006—2012年的監(jiān)測值、地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅰ—Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成12個(gè)樣本與5項(xiàng)指標(biāo)的初始環(huán)境樣本矩陣。通過計(jì)算得到各湖區(qū)5項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值，從而計(jì)算出各湖區(qū)最優(yōu)密切值，并對各湖區(qū)水質(zhì)分別排序。各湖區(qū)評價(jià)結(jié)果見表2。

表2 陽澄湖各湖區(qū)水質(zhì)年際變化評價(jià)結(jié)果

按照最優(yōu)密切值法評價(jià)，“十二五”以來陽澄湖各湖區(qū)水質(zhì)較“十一五”期間有明顯提高，總體呈逐年好轉(zhuǎn)趨勢。“十一五”期間，東湖區(qū)水質(zhì)總體介于Ⅲ類和Ⅳ類之間，在2011年之后，東湖區(qū)水質(zhì)提高了一個(gè)類別，達(dá)到了Ⅲ類水質(zhì)。中、西湖區(qū)水質(zhì)總體介于Ⅳ類和Ⅴ類之間，也是在2011年，中、西湖區(qū)水質(zhì)提高了一個(gè)類別，達(dá)到了Ⅳ類水質(zhì)。

從各湖區(qū)年際間最優(yōu)密切值數(shù)據(jù)對比分析， 3個(gè)湖區(qū)水質(zhì)優(yōu)劣順序依次為東湖>中湖>西湖。2007年各湖區(qū)水質(zhì)出現(xiàn)致劣拐點(diǎn)，隨后水質(zhì)呈逐年好轉(zhuǎn)趨勢，以西湖區(qū)水質(zhì)改善最為明顯。這主要是因?yàn)?007年蘇州市修訂了陽澄湖保護(hù)條例，政府加大了對陽澄湖的保護(hù)力度。

通過對各監(jiān)測指標(biāo)計(jì)算的權(quán)重，7 a來影響各湖區(qū)水質(zhì)的主要污染因子一直是TP和TN，見圖3。

圖3 2006—2012年陽澄湖各湖區(qū)5項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)權(quán)重

陽澄湖富營養(yǎng)化的內(nèi)在根源并沒有發(fā)生根本扭轉(zhuǎn)，由TP和TN等污染物引起的各種藻類水華時(shí)有發(fā)生，造成其枯水期出現(xiàn)水色異常等狀況，這種現(xiàn)象在西湖區(qū)尤為明顯。為此，政府啟動(dòng)了陽澄湖生態(tài)優(yōu)化行動(dòng)方案，強(qiáng)化對各湖區(qū)及出入湖河道的水質(zhì)監(jiān)測，通過清淤、拓浚整治以及引排水綜合治理等多項(xiàng)工程，加大湖體水質(zhì)流動(dòng)性，努力提高陽澄湖水環(huán)境容量與質(zhì)量。通過建設(shè)人工濕地和生態(tài)修復(fù)工程，發(fā)揮其對氮、磷等富營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和降解作用，逐步改善陽澄湖生態(tài)環(huán)境[11]。

4 結(jié)語

通過對陽澄湖水質(zhì)評價(jià)的實(shí)例分析結(jié)果表明，改進(jìn)密切值法能夠很好地適用于對復(fù)雜的湖泊生態(tài)系統(tǒng)的水質(zhì)評價(jià)，不僅可以靈活地分湖區(qū)和分水期對湖泊水質(zhì)的時(shí)空變化趨勢進(jìn)行分析，還可以詳細(xì)地反映湖體年際變化情況，預(yù)判水質(zhì)變化走勢。通過引進(jìn)信息熵確定監(jiān)測指標(biāo)權(quán)重，避免了傳統(tǒng)密切值法忽略權(quán)重或等權(quán)處理帶來的誤差，能夠更合理地確定湖體的主要污染因子，為決策部門快速作出準(zhǔn)確判斷和采取有效措施提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

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Application of the Modified Osculating Method on Water Quality Evaluation of Yangcheng Lake

WU Min-yan，XUE Yuan-yuan，WU Fu-quan

(SuzhouEnvironmentalMonitoringCenter,Suzhou,Jiangsu215004,China)

The modified osculating method was used for the analysis of the water quality of the Yangcheng Lake as an exemplary water body. Evaluation of the east,middle,and west area of the lake water highlighted the advantages of the osculating method for evaluating water quality of complex lake ecosystem. This method uses a simple and flexible model and requires only minor amount of calculation. The result is direct and visual. Compared with previous methods which utilize a general model for evaluating water bodies that are different in time and in space,the modified osculating method is capable of providing more accurate and objective evaluation for the water distribution law in different time and in space,and of predicting the change trend of water quality. At the same time,it calculates entropy weight to determine the main pollution factors,which is different from the evaluation method of equal index weight or ignored index weight. It could make the evaluation result on water quality of lake ecosystem more reasonable.

Evaluation of lake water quality; Yangcheng Lake; Modified osculating method

2013-05-13；

2015-01-23

蘇州市環(huán)?？萍蓟鹳Y助項(xiàng)目(A20130601)

吳旻妍(1984—)，女，工程師，碩士，從事環(huán)境監(jiān)測綜合業(yè)務(wù)分析工作。

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B

1674-6732(2015)03-0039-04