2011—2020年太湖水質(zhì)分析及綜合評(píng)價(jià)研究

胡起靖

（蘇州圖書館，蘇州 215002）

太湖流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)達(dá)，人口稠密，是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)之一[1-2].太湖不但是周邊居民的生活用水保障，更是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展重要的戰(zhàn)略資源保障，是長三角一體化發(fā)展國家戰(zhàn)略的重要支撐和保障[3-4].2007年太湖流域爆發(fā)嚴(yán)重的藍(lán)藻污染，給社會(huì)發(fā)展造成巨大危害[5]，嚴(yán)重影響了太湖流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[6].

自2007年以來，太湖流域大力開展以控源截污、生態(tài)清淤、調(diào)水引流為重點(diǎn)的大規(guī)模水環(huán)境綜合治理，通過太湖上游及環(huán)湖地區(qū)水環(huán)境綜合治理，太湖的水質(zhì)逐步改善，各項(xiàng)主要指標(biāo)均有不同程度的降低，當(dāng)前太湖流域水環(huán)境綜合治理工作取得全面進(jìn)展，成效顯著[7-8].但最近幾年部分關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)濃度出現(xiàn)了波動(dòng)，藍(lán)藻水華有所反彈[9].此外，根據(jù)《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案（2013年修編）》，太湖流域按照方案所實(shí)施的治理期限為2013～2020年，因此當(dāng)前有必要對(duì)上一階段治理周期的太湖水質(zhì)狀況及變化趨勢(shì)開展分析和研究，以加強(qiáng)對(duì)太湖水質(zhì)治理進(jìn)程及水質(zhì)現(xiàn)狀的認(rèn)識(shí)，為更加科學(xué)地制定下一階段治理措施提供更多有價(jià)值的參考.

在水質(zhì)評(píng)價(jià)研究方法中，單指標(biāo)分析法僅對(duì)各個(gè)單指標(biāo)的高低進(jìn)行對(duì)照評(píng)判，多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法則能夠反映各評(píng)價(jià)指標(biāo)的疊加影響，可以綜合反映水體質(zhì)量.目前針對(duì)太湖水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的研究方法主要有模糊綜合評(píng)價(jià)法[10-11]、水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法[12-13]，其他的還有內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法[14]、綜合污染指數(shù)法[15]、投影尋蹤評(píng)價(jià)法[16]等.

屬性識(shí)別模型作為以模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法[17]，在湖泊水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用中被證明是可靠實(shí)用的評(píng)價(jià)方法[18-19].本文采用單項(xiàng)指標(biāo)污染指數(shù)對(duì)2011—2020年太湖水質(zhì)指標(biāo)濃度變化進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合屬性識(shí)別模型進(jìn)行水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)及變化趨勢(shì)分析，并對(duì)現(xiàn)有的太湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)相關(guān)信息進(jìn)行分析.

1 數(shù)據(jù)的來源及分析方法

所引用太湖主要水質(zhì)指標(biāo)濃度數(shù)據(jù)分別來源于水利部太湖流域管理局公開發(fā)布的《太湖健康狀況報(bào)告（2018）》[20]和江蘇省生態(tài)環(huán)境廳公開發(fā)布的《江蘇省生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》[21].按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），通過單項(xiàng)指標(biāo)污染指數(shù)和屬性識(shí)別模型綜合評(píng)價(jià)法對(duì)太湖水質(zhì)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)研究.所引用太湖綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)、全湖平均富營養(yǎng)化程度和藍(lán)藻水華次數(shù)來源于江蘇省生態(tài)環(huán)境廳公開發(fā)布的《江蘇省生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》.

1.1 單項(xiàng)污染指數(shù)

單項(xiàng)污染指數(shù)是指將實(shí)測(cè)值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較指數(shù)確定該指標(biāo)污染程度，計(jì)算公式為：

式中，pi—i污染物的單項(xiàng)污染指數(shù)；ci—i污染物的實(shí)測(cè)值；cio—i污染物的指數(shù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值.

1.2 屬性識(shí)別模型

1.2.1 建立分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣

設(shè)評(píng)價(jià)對(duì)象空間X有n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo){I1，I2，…，Im}，每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)有k個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí){C1，C2，…，Ck}，對(duì)于每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)Ij有相應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn){aj1，aj2，…，ajk}，則評(píng)價(jià)對(duì)象空間X的分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣為：

式中ajk滿足aj1＜aj2＜…＜ajk，或aj1＞aj2＞…＞ajk.

1.2.2 確定權(quán)重

采用超標(biāo)倍數(shù)法，計(jì)算公式為：

式中，cj—評(píng)價(jià)因子的監(jiān)測(cè)值；sj—評(píng)價(jià)因子各濃度標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)平均值；Wj—評(píng)價(jià)因子的歸一化權(quán)重值.

1.2.3 確定樣本屬性測(cè)度

第 i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第 j個(gè)指標(biāo)值 xij屬于 ct類（1≤t≤k）的屬性測(cè)度為 uijt.設(shè)aj1＜aj2＜…＜ajk，有：

當(dāng) xij≤aj1時(shí)，取 uij1＝1，uij2＝…＝uijk＝0，

當(dāng) xij≥ajk時(shí)，取 uijk＝1，uij1＝…＝uijk－1＝0

當(dāng) ajl≤xij≤ajl＋1時(shí)（1≤l≤k－1），取式中，t＜l，或 t＞l＋1.

1.2.4 綜合屬性測(cè)度

由單指標(biāo)屬性測(cè)度和指標(biāo)權(quán)重可以得到綜合屬性測(cè)度uit：

式中，wij—第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的歸一化權(quán)重；1≤i≤n，1≤t≤k.

1.2.5 對(duì)象的識(shí)別與排序

設(shè)置信度（0.5≤ ≤1），用下式進(jìn)行計(jì)算：

如果ti≥ ，則認(rèn)為xi屬于ct級(jí)別.

按照評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)分，對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行比較分析，用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，qxi—第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)；ni＝k＋1－i，依次取k～1之間遞減的正整數(shù).

2 結(jié)果

2.1 太湖水質(zhì)指標(biāo)

采用單項(xiàng)污染指數(shù)法，將近年來太湖主要水質(zhì)指標(biāo)濃度值（如表1所示）除以《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案（2013年修編）》確定的2020年控制目標(biāo)值（高錳酸鹽指數(shù)4，氨氮0.5 mg/L，總磷0.05 mg/L，總氮2 mg/L），得到相應(yīng)污染物控制指標(biāo)指數(shù)，結(jié)果匯總?cè)绫?和圖1所示.

表1 2007年及2011—2020年太湖水質(zhì)指標(biāo)濃度 （mg/L）

表2 太湖水質(zhì)指標(biāo)指數(shù)

圖1 太湖水質(zhì)指標(biāo)指數(shù)變化趨勢(shì)

2.2 太湖水體質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

2.2.1 評(píng)價(jià)因子與標(biāo)準(zhǔn)

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷、總氮為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分組標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示.

表3 地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分組標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 各年份評(píng)價(jià)單指標(biāo)屬性測(cè)度

根據(jù)1.2.3的屬性測(cè)度確定方法，代入表1太湖水質(zhì)指標(biāo)濃度值和表3相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，可計(jì)算得到各年度水質(zhì)單指標(biāo)屬性測(cè)度，結(jié)果如表4所示.以2007年高錳酸鹽指數(shù)為例，其指數(shù)值5.1介于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值4和三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值6之間，隸屬于其他級(jí)別的屬性測(cè)度為0，隸屬于二級(jí)的屬性測(cè)度為：（6－5.1）/（6－4）＝0.45，隸屬于三級(jí)的屬性測(cè)度為：（5.1－4）/（6－4）＝0.55.

表4 各年度水質(zhì)單指標(biāo)屬性測(cè)度

2.2.3 權(quán)重值

根據(jù)式（2），代入表1和表3數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到各年度水質(zhì)指標(biāo)的單指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表5所示.以2007年為例，其高錳酸鹽指數(shù)的單指標(biāo)權(quán)重計(jì)算為：（5.1÷8.6667）/（5.1÷8.6667+0.39÷1.1917+0.074÷0.0975+2.35÷1.2）＝0.162，相應(yīng)地求得其他污染物單指標(biāo)權(quán)重.

表5 各年度水質(zhì)指標(biāo)單指標(biāo)權(quán)重

2.2.4 綜合屬性測(cè)度

根據(jù)式（3），結(jié)合表5中各年度水質(zhì)指標(biāo)的單指標(biāo)權(quán)重及表4中各年度水質(zhì)單指標(biāo)屬性測(cè)度，可計(jì)算得到各年份評(píng)價(jià)對(duì)象屬性測(cè)度，結(jié)果如表6所示.以2007年度為例，其一級(jí)屬性測(cè)度的計(jì)算為：0×0.162＋0.314×0.09＋0×0.209＋0×0.539＝0.028；二級(jí)屬性測(cè)度的計(jì)算為：0.45×0.162＋0.686×0.09＋0×0.209＋0×0.539＝0.135.相應(yīng)地求得其他級(jí)別綜合屬性測(cè)度.

表6 各年度綜合屬性測(cè)度

根據(jù)式（5），按照評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行各年份水質(zhì)評(píng)分和比較分析，分?jǐn)?shù)越大，表明水體環(huán)境質(zhì)量越好.以2007年為例，得分計(jì)算為：6×0.028＋5×0.135＋4×0.198＋3×0.1＋2×0＋1×0.539＝2.47.相應(yīng)地，可求得其他年份水體環(huán)境質(zhì)量的評(píng)級(jí)和得分，結(jié)果如表7所示.

表7 各年度水質(zhì)評(píng)分

2.3 太湖水體富營養(yǎng)狀態(tài)

根據(jù)《江蘇省生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》發(fā)布的太湖水體富營養(yǎng)狀態(tài)相關(guān)信息，將2007-2020年太湖湖體富營養(yǎng)狀態(tài)、全湖平均富營養(yǎng)化程度，及預(yù)警監(jiān)測(cè)期間通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻水華聚集現(xiàn)象次數(shù)匯總?cè)绫?和圖2所示.

表8 太湖水體富營養(yǎng)狀態(tài)

圖2 太湖水體綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)變化趨勢(shì)

3 討論

3.1 太湖水質(zhì)指標(biāo)變化

由表2及圖1可知，相較于2007年，近年來太湖水質(zhì)指標(biāo)中的氨氮、總氮取得顯著控制成效.其中對(duì)氨氮的控制成效最好，雖然在2007年時(shí)，太湖水體中氨氮的濃度水平就已經(jīng)在2020年控制目標(biāo)以下，但是自2011年以來總體呈下降的趨勢(shì)，2019—2020年相較2018年有略微抬升，但僅維持在0.12，濃度水平比2007年下降了69.23%，是2020年控制目標(biāo)的24%；總氮的控制取得較好成效，雖然在2016年有小幅波動(dòng)，但也是整體呈下降態(tài)勢(shì)，且自2012年以來，濃度水平都在2020年控制目標(biāo)以下，2020年濃度水平比2007年下降了45.96%，是2020年控制目標(biāo)的63.5%.

近年來太湖水體中的高錳酸鹽指數(shù)、總磷的控制成效則不太理想.其中高錳酸鹽指數(shù)雖然自2011年以來的指數(shù)值均低于2007年，但是2011—2018年仍然都超過2020年控制目標(biāo)的水平，2019—2020年勉強(qiáng)達(dá)到控制目標(biāo)，說明雖然取得一定控制成效，但是要保持當(dāng)前的控制成效還需再接再厲；總磷自2011年以來的濃度水平都超過2020年控制目標(biāo).2011年濃度水平雖然低于2007年，但是其后并沒有下降，而是呈現(xiàn)一個(gè)上升、回落的波動(dòng)上升趨勢(shì)，且自2015年以來的指標(biāo)值均高于2007年，說明總磷濃度未得到有效控制.

因此，根據(jù)近年來太湖水質(zhì)主要控制指標(biāo)變化趨勢(shì)可以判斷，高錳酸鹽指數(shù)、總磷是當(dāng)前太湖水質(zhì)治理的重點(diǎn)，其中總磷是當(dāng)前太湖水質(zhì)治理的難點(diǎn).

3.2 太湖水體質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)及變化分析

由表7可知，太湖水體綜合環(huán)境質(zhì)量水平雖然在2013年和2016年有小幅波動(dòng)，但是總體呈上升趨勢(shì)，其中2007年、2011年水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)類別為劣Ⅴ類，2012年—2016年水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)類別為Ⅴ類，2017年—2020年水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)類別為Ⅳ類.2011年太湖水體綜合環(huán)境質(zhì)量水平略優(yōu)于2007年，自2012年以后，太湖水體每年的綜合環(huán)境質(zhì)量均明顯優(yōu)于2007年，其中2017—2020年連續(xù)四年優(yōu)于2020年控制目標(biāo)水平.說明近年來對(duì)太湖流域的綜合治理取得積極成效.

3.3 太湖水體富營養(yǎng)狀態(tài)分析

由表8和圖2可知，2009年太湖全湖平均富營養(yǎng)化程度由2007—2008年的中富營養(yǎng)轉(zhuǎn)化為輕度富營養(yǎng)，此后至2020年一直維持在輕度富營養(yǎng)狀態(tài)；綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在2012年由2007—2008年的58.5明顯下降為56.5，此后在56.8和54.8的數(shù)值范圍內(nèi)反復(fù)波動(dòng)，最高值和最低值對(duì)應(yīng)的年份分別為2017年和2020年；預(yù)警監(jiān)測(cè)期間通過衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻水華聚集現(xiàn)象次數(shù)在2011—2013年小幅上升，在2014年有顯著下降，但自2015年開始，呈明顯上升趨勢(shì).

4 結(jié)論

（1）2011—2020年太湖水質(zhì)指標(biāo)中的氨氮、總氮控制成效顯著.氨氮自2011年以來基本呈逐年下降的趨勢(shì)，總氮整體呈波動(dòng)下降態(tài)勢(shì).

（2）2011—2020年太湖水質(zhì)中的高錳酸鹽指數(shù)、總磷控制成效不太理想，指標(biāo)濃度呈波動(dòng)反復(fù)態(tài)勢(shì)，是當(dāng)前太湖水質(zhì)治理的重點(diǎn)，其中總磷是當(dāng)前太湖水質(zhì)治理的難點(diǎn).

（3）2011—2020年太湖水體的環(huán)境綜合治理控制取得積極成效，水體環(huán)境綜合質(zhì)量水平呈上升向好趨勢(shì).

（4）2011—2020年太湖全湖平均富營養(yǎng)化程度為輕度富營養(yǎng)，綜合營養(yǎng)狀態(tài)在一定范圍內(nèi)反復(fù)波動(dòng)，藍(lán)藻水華聚集現(xiàn)象有上升趨勢(shì).說明當(dāng)前太湖的水環(huán)境治理仍存在薄弱環(huán)節(jié).