近岸海域環(huán)境質量評價方法研究現(xiàn)狀及探討*

王曉娟

(福建省近岸海域環(huán)境監(jiān)測站，福建 莆田 351100)

1 概述

日益增強的人類活動對近岸海域海洋環(huán)境的影響顯著[1]，環(huán)境問題日益復雜，人們對環(huán)境問題及其規(guī)律的認識也日益深化。時代的發(fā)展要求環(huán)境監(jiān)測不能僅僅停留在獲取數(shù)據(jù)、簡單分析的層面，應透過數(shù)據(jù)分析環(huán)境問題的本質，這也是順應現(xiàn)代生態(tài)文明建設的需要。實際上，近岸海域監(jiān)測數(shù)據(jù)時常不能直接反映大家關心的“熱點”問題以及決策者對信息的需求。因為數(shù)據(jù)是一個個獨立的實體，而信息是數(shù)據(jù)通過加工、合成、組織后才可得到的產(chǎn)品。有人對數(shù)據(jù)與信息之間的差異作出精辟的論述：“數(shù)據(jù)變成信息需要條件，更需要知識”[2]。這個轉化過程的實現(xiàn)就需要環(huán)境質量評價工作來完成。本文將從近岸海域環(huán)境質量評價方法研究的現(xiàn)狀來探討這個問題。

2 近岸海域環(huán)境質量評價方法

近岸海域環(huán)境質量評價標準與方法的研究，國內(nèi)始于上世紀70年代，可查到的研究最早見于80年代初[3]。評價方法主要有單因子評價法、指數(shù)法、基于生態(tài)系統(tǒng)的綜合評價法，以及模糊集理論、灰色關聯(lián)分析等。

2.1 單因子評價法

單因子評價法以參數(shù)中質量最差的等級確定評價結果，在我國近岸海域監(jiān)測評價中得到廣泛應用[4，5]，如《2018年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》[6],按照《海水水質標準》(GB3097—1997)，進行單因子評價。我國已有《海水水質標準》(GB3097—1997)、《海洋沉積物質量標準》(GB18668—2002)、《海洋生物質量》(GB18421—2001)等多個要素的評價標準，現(xiàn)實中每個評價標準都是完全獨立的，對于同一片海域的評價結果也不盡相同，而且不同標準的參數(shù)之間也缺少必要的銜接。

2.2 指數(shù)法

綜合指數(shù)法是指在單因子指數(shù)基礎上，結合一定計算方法(算數(shù)平均、加權平均、平方和的平方根、本底值等)得到一個綜合指數(shù)，最終可以得到環(huán)境的污染程度，既便于比較，對于環(huán)境質量結果的表述也更有說服力。20世紀60年代綜合指數(shù)評價法即有應用，對水質的綜合評價起到了積極的作用，如在海水評價中廣泛利用的有機污染指數(shù)(P)、富營養(yǎng)化指數(shù)(E)、生物評價中的多樣性指數(shù)(H′)、均勻度指數(shù)(J)、大型底棲動物污染指數(shù)(MPI)以及潛在生態(tài)危害指數(shù)等[7-10]。王以斌等進行了水質因子的相關性評價，表明富營養(yǎng)化指數(shù)和有機污染指數(shù)存在顯著正相關，葉綠素a與營養(yǎng)鹽和COD存在顯著正相關[1],這對于有針對性地制定環(huán)境治理措施有積極的意義。Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)考慮了沉積物中重金屬區(qū)域的背景值的差異、遷移轉化規(guī)律以及評價區(qū)域的敏感性，成為國內(nèi)外沉積物質量評價中應用最為廣泛的方法之一。王偉等通過Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)，認為芝罘灣大部分海域環(huán)境質量較好，但有少范圍達到重污染級別[11]。徐國鋒等計算Hakanson潛在生態(tài)危害指數(shù)等，評價象山港毛蚶種苗區(qū)表層沉積物中鎘的潛在生態(tài)危害最大，但種苗區(qū)整體上重金屬屬于輕微生態(tài)等級，養(yǎng)殖環(huán)境良好[12]。王倩利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)、富營養(yǎng)化指數(shù)和有機污染指數(shù)，確定欽州茅尾海水的污染等級和污染因子[7]。

2.3 基于生態(tài)系統(tǒng)的綜合評價法

無論是單因子評價還是著眼于要素(海水、沉積物、生物、生物體)的綜合指數(shù)評價，都不是對環(huán)境質量的總體評價，已逐漸不滿足海洋環(huán)境綜合管理的需求?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)的綜合評價法是一種總體評價方法，一般認為影響較大的生態(tài)系統(tǒng)綜合評價方法是在歐盟水框架指令(WFD)下提出的生態(tài)狀況綜合評價方法[13]以及美國EPA提出的近岸海域狀況綜合評價方法[14]。WFD選擇生物、水文和理化指標作為評價要素，認為生物要素優(yōu)于理化和水文要素，強調(diào)分區(qū)，首先確定各區(qū)域的背景值，再綜合各類指標與背景值比較，參照最差指標評價等級作為要素等級的原則。美國EPA的近岸海域狀況綜合評價方法選擇海水、沉積物、濱海濕地、底棲生物指數(shù)和魚類組織五類要素，認為各項要素同等重要，根據(jù)各要素得分進行算術平均，進而確定海域綜合狀況級別。2005年，原國家海洋局以行業(yè)標準的形式發(fā)布了《近岸海洋生態(tài)健康評價指南》(HY/T087-2005),規(guī)范了我國珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)、海草床生態(tài)系統(tǒng)、紅樹林生態(tài)系統(tǒng)、河口與海灣生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)健康評價方法。此后，國內(nèi)開展近岸海域生態(tài)環(huán)境健康評價的研究也多起來。張秋豐[15]對天津近岸海域綜合評價認為，天津市近岸海域的生態(tài)系統(tǒng)處于亞健康狀態(tài)。王保棟等[16]選擇生物、沉積物、水質和生物體質量對膠州灣的生態(tài)環(huán)境狀況評價，認為20世紀90年代以來基本在“良/中”級水平，且逐漸趨于好轉。

2.4 模糊評價法

近岸海域環(huán)境系統(tǒng)本身極其復雜，充滿不確定性，很多環(huán)境因素難以度量，具有隨機性、模糊性、不相容性等特征，僅僅考慮最差參數(shù)來確定評價等級是不夠嚴謹?shù)?，因此關注模糊性問題的模糊數(shù)學理論在水質綜合評價中得到廣泛應用。

模糊評價法是基于模糊數(shù)學理論發(fā)展而來，可歸結為Fuzzy集合論中的隸屬函數(shù)的建立和隸屬度的計算，其通過建立因子或要素的隸屬度函數(shù)計算其隸屬度，再將各因子或要素的權值與隸屬度列成Fuzzy矩陣進行復合運算，結果與哪一類評價標準的隸屬度最大，則判斷其屬于該類級別。此法也不局限于一個點位，可以在點位、斷面和海域三個層次上進行評價。近岸海域水質邊界模糊，難以清晰的定量判斷，模糊評價法很好地解決了這個問題，使得評價結果趨于客觀和可靠。王化泉等通過實際數(shù)據(jù)的例子說明了模糊評價方法的計算過程[18]，趙昕以渤海為例，通過模糊評價方法得出2007年渤海水域對第四級水質隸屬度最大，為0.456，水質總體質量較差[19]。吳海燕應用模糊評價法對福建省同安灣、泉州灣、東山灣、興化灣和羅源灣的海水和沉積物進行綜合評價[20]。

2.5 灰色系統(tǒng)評價法

海水水質監(jiān)測數(shù)據(jù)的不連續(xù)性,以及所得數(shù)據(jù)時空范圍的特異性,使得海洋環(huán)境質量的評價具有灰色性?；疑到y(tǒng)評價方法注意到了環(huán)境系統(tǒng)的灰色性,可以反映監(jiān)測序列(參考序列)和水質標準各級序列(比較序列)的關聯(lián)性和模糊隸屬關系,評價結果與實際符合程度較高。其基本思想是：計算實際監(jiān)測濃度與評價標準之間的關聯(lián)度，根據(jù)關聯(lián)度的大小確定水質屬于哪類級別。局限性在于不能清晰地判斷出主要污染因子，評價值趨于均化,分辨率較低等。利用灰色系統(tǒng)理論的評價方法有灰色關聯(lián)評價法、灰色聚類分析、灰色決策評價法等[21]。付會等以青島某海區(qū)海水水質評價為例，闡明了灰色關聯(lián)分析法在海洋環(huán)境評價中的應用[22]。

2.6 人工神經(jīng)網(wǎng)絡法

近岸海域環(huán)境質量評價是根據(jù)特定的評價標準選擇方法對環(huán)境質量進行評級的過程，其實質上是模式識別和系統(tǒng)辨識問題。人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論廣泛應用于圖象處理模式識別中，模擬人腦思考的過程，自學習有代表性的樣本，經(jīng)過自適應、自組織的多次訓練后，具有了對樣品學習的記憶能力，再將監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)中后，依靠系統(tǒng)已掌握的知識信息可以做出迅速的評價[23]，從而掌握事物的本質。與其他評價方法相比，人工神經(jīng)網(wǎng)絡法具有很強的客觀性與通用性，人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型有多種，如BP、BPN、RBFN，在地表水[24]、地下水[25]等中均有廣泛的應用，在海水中的應用不多，例如楊紅等用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法對長江口外生態(tài)的綜合評價[26]。

2.7 其他方法

在環(huán)境質量評價中，除了上述6種常見的方法，還有物元分析法[27]、加權歐式距離法[28]、分形插值模型[29]、組合權重法[30]等,這幾種方法在地表水中應用較多，少見于近岸海域環(huán)境質量的評價。

3 結論與探討

3.1 幾種方法比較

單因子評價法比較簡單，綜合指數(shù)評價法應用最為廣泛，基于生態(tài)系統(tǒng)的綜合評價方法更具系統(tǒng)性，但這三種方法均以最差參數(shù)確定評價結果為基礎，容易忽視其他因子的污染情況。模糊集理論針對環(huán)境數(shù)據(jù)的不確定性，有效解決了評價邊界模糊和監(jiān)測誤差對評價結果的影響，但是無法比較同一級別的樣本孰優(yōu)孰劣?；疑治龇鼙容^同一級別的不同樣本之間環(huán)境質量優(yōu)劣，但是存在分辨率低的問題[21]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法具有計算速度快、評價客觀的優(yōu)點，但是對于協(xié)同性較差的樣本，評價結果易出現(xiàn)均化[31]?？傊壳拜^為常見的近岸海域環(huán)境質量評價方法各有優(yōu)劣，應根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實際情況來選擇使用哪種方法。

3.2 地理信息技術豐富了結果的表現(xiàn)形式

地理信息技術(GIS)的應用，使近岸海域環(huán)境質量評價結果表現(xiàn)形式更生動、更形象。胡莉燁[32]建立了基于ArcGIS Enginei的海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過數(shù)學模型對相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，確定主要污染因子，可視化表征海洋環(huán)境質量。陳星亮等[33]在可視化基礎上，又進一步運用了ArcGIS的動態(tài)顯示功能，實現(xiàn)了近岸海域環(huán)境質量評價與預警的結合。

3.3 數(shù)理統(tǒng)計軟件提高了評價效率

近些年，數(shù)理統(tǒng)計軟件(如SPSS、Stata等)的應用和推廣，大大降低了人們對統(tǒng)計學理論的掌握要求，只需要了解適用的條件、結果的解釋，便可以進行快速評價,大大提高了環(huán)境監(jiān)測人員利用統(tǒng)計理論評價近岸海域環(huán)境質量的便捷性，以及評價工作的科學性、合理性和精確性，逐漸實現(xiàn)從單純的監(jiān)測數(shù)據(jù)到有效的環(huán)境信息的轉化。

為獲得更加合理、準確的評價結果，人們在工作和研究中，需要根據(jù)研究目的和管理要求，選擇適當?shù)脑u價方法。有人說，現(xiàn)代社會任何一門學科，如果擺脫了數(shù)學的精確理論，都不會是一門精彩的學科。近岸海域環(huán)境質量評價工作也是如此，不僅越來越精確，也越來越客觀實際，此外還統(tǒng)籌了監(jiān)測、水文、天氣、地形、人口與經(jīng)濟等各相關因素，借助現(xiàn)代數(shù)理統(tǒng)計和地理空間技術實現(xiàn)評價與預警的一體化、智能化和動態(tài)可視化。隨著社會的進步和近岸海域開發(fā)的深入，對近岸海域環(huán)境質量評價的要求會逐漸提高，相應對評價方法的研究也將逐步深化。