優(yōu)化模糊綜合評價法在廈門灣水質(zhì)評價中的應(yīng)用

張繼偉　高超　巫建偉等

關(guān)鍵詞：模糊綜合評價法;面積比法;水質(zhì)綜合評價;廈門灣

中圖分類號：X824;P76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-9857（2023）04-0021-08

0引言

近年來，如何合理開發(fā)和利用海洋資源已成為世界上多個國家關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1]。隨著海洋開發(fā)的力度和規(guī)模逐漸加大，污染問題日趨嚴(yán)重，沿海地區(qū)水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象日漸凸顯，對海洋資源利用及海洋生態(tài)等方面造成十分不利的影響[2-5]。為正確應(yīng)對海洋環(huán)境問題，促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展，需要對海洋的水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行正確的評價。

目前國內(nèi)外關(guān)于水環(huán)境質(zhì)量評價的方法有很多，常用的水質(zhì)評價方法有污染指數(shù)法、物元分析法、模糊評價法、灰色評價法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[6-8]。模糊數(shù)學(xué)是美國加利福尼亞大學(xué)控制論專家扎德教授于1965年創(chuàng)立的數(shù)學(xué)理論。模糊綜合評價法是基于模糊數(shù)學(xué)理論的評價方法，其通過模糊集合體現(xiàn)元素對模糊集合的隸屬關(guān)系[9-10]。模糊綜合評價法能夠客觀反映評價事物的模糊性與連續(xù)性，保證事物之間的緊密聯(lián)系[11-13]。在水質(zhì)評價方面，模糊綜合評價法應(yīng)用隸屬函數(shù)劃分水質(zhì)等級，能夠科學(xué)、客觀地反映水質(zhì)狀況。目前該方法已在河流水質(zhì)評價[14-15]、地下水水質(zhì)評價[16-17]、湖泊水質(zhì)評價[18]、海水水質(zhì)評價[19-21]等水環(huán)境評價領(lǐng)域得到實際應(yīng)用。

本研究在常用的模糊綜合評價法基礎(chǔ)上，采用面積比法進(jìn)行優(yōu)化，選取廈門灣2018年全年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)綜合評價，以期準(zhǔn)確反映廈門灣水質(zhì)狀況，為進(jìn)一步探討九龍江近年來水質(zhì)變化趨勢提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

廈門是中國東南沿海重要的港口風(fēng)景城市，地處亞熱帶，屬南亞熱帶季風(fēng)性氣候，全年平均降雨量為800mm 左右。廈門由本島（廈門島）、鼓浪嶼、西岸海滄半島、北岸集美半島、東岸翔安半島、大嶝島、小嶝島、內(nèi)陸同安、九龍江等組成。廈門灣是半封閉型海灣，岸線曲折，地形復(fù)雜，海域總面積390km²，由灣內(nèi)和灣外2個部分組成[22-23]。灣內(nèi)主要包括西部海域、九龍江河口區(qū)、同安灣，灣外主要包括南部海域、東部海域和大嶝海域。

1.2 數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)廈門多年海洋環(huán)境質(zhì)量公報結(jié)果，廈門灣主要超標(biāo)污染物為活性磷酸鹽和無機(jī)氮，重金屬鮮有超標(biāo)情況出現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，剔除評價標(biāo)準(zhǔn)未給出的指標(biāo)（如葉綠素、總有機(jī)碳）或分級不明確的指標(biāo)（如滴滴涕、pH 值），最終篩選出溶解氧（DO）、化學(xué)耗氧量（COD）、可溶性無機(jī)氮（DIN），可溶性無機(jī)磷（DIP）、石油類和硫化物6個因子進(jìn)行水質(zhì)綜合評價。

本 研究各海水樣品和各監(jiān)測因子的數(shù)據(jù)均來源于自然資源部第三海洋研究所于2018年5月、8月和10月開展的3次大面調(diào)查，每次調(diào)查均涵蓋17個監(jiān)測站位，每個監(jiān)測站位采集表層水樣本和底層水樣本（水深5m以下的站位僅采集表層水）用于分析。其中，XM01、XM02、XM03、XM04、XM05位于西部海域，XM06位于九龍江河口區(qū)，XM07位于南部海域，XM08、XM09、XM10位于東部海域，XM11、XM12、XM13位于同安灣，XM14、XM15、XM16位于大嶝海域。根據(jù)《廈門市海洋功能區(qū)劃（2013-2020年）》[24]提出的分區(qū)結(jié)果與水質(zhì)控制要求，各監(jiān)測站位執(zhí)行不同海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[25]（表1）。

2 結(jié)果與討論

2.1 各監(jiān)測站位評價結(jié)果

各監(jiān)測站位不同評價因子的計算均值如表2所示。

本研究通過篩選指標(biāo)并構(gòu)建評價因子，利用隸屬度的計算公式得到各監(jiān)測站位各評價指標(biāo)對不同水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度，并構(gòu)建評價矩陣。利用污染因子貢獻(xiàn)率法得到關(guān)于各個評價指標(biāo)的權(quán)重向量，最終通過權(quán)重與評價矩陣的復(fù)合運(yùn)算判斷各監(jiān)測站位的水質(zhì)類別。以站位XM01為例，得到的評價矩陣為：

通過計算，DO、COD、DIP、DIN、石油類、硫化物6 項指標(biāo)的權(quán)重分別為0.202、0.134、0.285、0.353、0.023、0.004。通過與矩陣R 進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，最終得到的結(jié)果為B = {0.419，0.095，0.000，0.486}。依據(jù)最大隸屬度原則，XM01的水質(zhì)類別為Ⅳ類。

對每個監(jiān)測站位進(jìn)行上述計算，得到各區(qū)域的評價結(jié)果如表3所示。

從模糊評價的結(jié)果來看，2018年廈門灣海域水質(zhì)狀況總體較差。17個監(jiān)測站位中有9個監(jiān)測站位（XM01、XM02、XM03、XM04、XM05、XM06、XM012、XM13和XM17）的水質(zhì)狀況未達(dá)到功能區(qū)劃的要求，占比52.9%。其中，8個監(jiān)測站位的水質(zhì)狀況為Ⅳ類水，占比47.1%;1個監(jiān)測站位的水質(zhì)為Ⅲ類水，占比5.9%。此外，1個監(jiān)測站位的水質(zhì)為Ⅱ類水，占比5.9%;7個監(jiān)測站位的水質(zhì)為Ⅰ類水，占比41.2%。污染最為嚴(yán)重的區(qū)域為廈門西部海域、九龍江河口區(qū)和同安灣，除位于同安灣口的XM11站位的水質(zhì)為Ⅰ類水外，其他站位均未達(dá)到相應(yīng)功能區(qū)劃的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，該評價結(jié)果也與Tao[31]對廈門灣海域2001-2007年的整體評價結(jié)果相似。蔣榮根等[32]在評價廈門海域水體富營養(yǎng)化狀況時也指出，西部海域、九龍江口和同安灣的水體營養(yǎng)鹽壓力較大，水質(zhì)狀況較差。相比之下，南部海域、東部海域和大嶝海域污染程度較輕，均達(dá)到相應(yīng)功能區(qū)劃的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 廈門灣綜合水質(zhì)評價結(jié)果

經(jīng)計算，整個廈門灣海域各評價因子的濃度向量為L=（6.843，2.207，0.027，0.358，0.017，0.003）。

根據(jù)隸屬函數(shù)計算隸屬度，得到的評價矩陣為：

根據(jù)復(fù)合運(yùn)算，得到評價因子關(guān)于各類水的隸屬度為B=（0.391，0.404，0.433，0）。根據(jù)最大隸屬度原則，整個廈門灣水質(zhì)綜合評價結(jié)果為Ⅲ類，有待進(jìn)一步提升。

2.3 主要污染物超標(biāo)情況

在6項評價指標(biāo)中，DIP和DIN 是兩大主要污染物。DIN 對整體評價結(jié)果的影響是6項指標(biāo)中最大的，DIN 濃度超標(biāo)的站位占總監(jiān)測站位的76.5%，其中廈門西海域與同安灣是DIN 濃度最高的2個海區(qū)。此外，DIP對水質(zhì)影響也較大，超標(biāo)站位的占比為47.1%，且其中XM02、XM12 站位的DIP濃度劣于Ⅳ 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。COD 除XM01 和XM092個站位外，其他站位的含量均處于較低水平。DO、硫化物和石油類3項評價指標(biāo)的評價結(jié)果令人滿意，在各監(jiān)測站位的濃度均達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對水質(zhì)污染的貢獻(xiàn)程度最低。

對鹽度與DIN、DIP、COD分別進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果表明DIN、DIP和COD 的含量與鹽度大致呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為-0.838、-0.204、-0.122），此結(jié)果與歐陽玉蓉等[33]的研究結(jié)果相一致，說明研究海域DIN、DIP和COD 的污染來源主要為人類活動。

運(yùn)用SPSS16.0軟件對不同月份（5月、8月、10月）的17個監(jiān)測站位的污染物濃度進(jìn)行顯著性方差分析，結(jié)果表明在不同季節(jié)條件下，只有DO 隨季節(jié)變化表現(xiàn)出顯著性差異（P <0.05），而DIN、DIP、COD、石油類和硫化物表現(xiàn)為差異不顯著（P >0.05）。這表明廈門灣地區(qū)DIN、DIP、COD、石油類和硫化物的污染物濃度并沒有因為季節(jié)變化而呈現(xiàn)出明顯的差異;DO 濃度變化隨季節(jié)的變化較大，8月的濃度顯著低于5月和10月。

2.4 污染原因

從隸屬度看，廈門西部海域與同安灣為2個污染最為嚴(yán)重的地區(qū)，其中XM02和XM12站位與Ⅳ類水的隸屬度最高，這2個地區(qū)同時是近年來福建閩三角赤潮災(zāi)害最多的2個區(qū)域[34]。Chen等[35]在研究1986—2017年廈門灣有害藻華數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，西部海域和同安灣發(fā)生赤潮事件最多，共占比87.3%，這與本研究中氮磷濃度最高的地區(qū)相同，說明高濃度氮磷污染物很可能是引發(fā)赤潮災(zāi)害的關(guān)鍵因素。在地理位置上，廈門西部海域和同安灣屬于半封閉海域，水動力交換較差，污染物難以擴(kuò)散;人口分布相對密集，生活污水的排放帶來巨大的環(huán)境壓力，筼筜、海滄、集美等大型污水處理廠的污水年排放量達(dá)數(shù)千萬噸。

除此之外，農(nóng)業(yè)和工業(yè)的發(fā)展伴隨的污染也十分嚴(yán)重。根據(jù)《廈門市第三次全國農(nóng)業(yè)普查主要數(shù)據(jù)公報》[36]和《2018年福建省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》[37]的數(shù)據(jù)，集美區(qū)、同安區(qū)和翔安區(qū)的農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體數(shù)量占廈門市總體的93.16%，湖里區(qū)、海滄區(qū)和翔安區(qū)的工業(yè)產(chǎn)值位居前三。潘燦民等[38]在研究廈門灣西海域和同安灣的入海污染負(fù)荷時指出，陸源污染是上述2個地區(qū)入海污染物的主要來源，貢獻(xiàn)比率高達(dá)75%，其研究結(jié)果與本研究結(jié)果相似。九龍江作為生活用水和工業(yè)用水的重要來源，河口處受上游超負(fù)荷營養(yǎng)鹽徑流的影響;龍巖市作為九龍江的源頭，也是福建省生豬養(yǎng)殖的重要基地，畜禽養(yǎng)殖飼料的過度使用及養(yǎng)殖廢水的未合理處置帶來嚴(yán)重的水體污染問題[39]，這些都是導(dǎo)致九龍江河口區(qū)氮磷超標(biāo)的重要原因。南部海域、東部海域和大嶝海域?qū)儆跒惩夂Ｓ?，水交換能力強(qiáng)，同時人口密度較低，因此水質(zhì)狀況較為良好。

3 結(jié)論

本研究采用模糊評價方法對廈門灣海域的水質(zhì)狀況進(jìn)行綜合評價。評價結(jié)果表明：2018年廈門灣總體水質(zhì)狀況較差，功能區(qū)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率僅為52.9%。結(jié)合采用面積比法的模糊綜合評價結(jié)果顯示：2018年廈門灣總體水質(zhì)等級為Ⅲ類，有待進(jìn)一步提升。

DIN和DIP是廈門灣海域的主要污染因子，其中DIN 在各監(jiān)測站位的超標(biāo)率達(dá)到76.5%，DIP的超標(biāo)站位占比為47.1%，其中濃度達(dá)Ⅳ類和劣于Ⅳ類的站位占比為35.3%;相比之下，DO、硫化物和石油類在所有監(jiān)測站位均為Ⅰ類，說明其對水環(huán)境污染的貢獻(xiàn)程度較低。方差分析的結(jié)果表明：DO 的濃度在不同的季節(jié)表現(xiàn)出顯著性差異，DIN、DIP、COD、硫化物和石油類的濃度沒有隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出顯著性差異。

不同海域的水質(zhì)狀況差別較大。西部海域、九龍江河口區(qū)和同安灣是水質(zhì)狀況最差的區(qū)域，其中西部海域站位的超標(biāo)率達(dá)100%，九龍江河口區(qū)站位的超標(biāo)率達(dá)100%，同安灣站位的超標(biāo)率達(dá)66.7%，灣內(nèi)水質(zhì)污染嚴(yán)重。南部海域、東部海域和大嶝海域水質(zhì)狀況較為良好，其中東部海域和大嶝海域站位的水質(zhì)均為Ⅰ類，南部海域水質(zhì)為Ⅱ類，均達(dá)到相應(yīng)功能區(qū)劃的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。水動力條件與陸域污染源分布的空間差異是引起不同海域水質(zhì)狀況顯著差別的主要原因，污染物濃度并沒有隨季節(jié)的變化產(chǎn)生較大差異。