基于模糊評價和緩沖區梯度帶的東寨港紅樹林水質分析

曹 瑞，邱彭華，謝跟蹤

(海南師范大學地理與環境科學學院，?？?571158)

被譽為“地球之腎”的濕地，是地球上一種具有多種功能和效益的獨特生態系統，在自然界和人類社會中都有著極為重要且無可替代的作用[1]。紅樹林濕地是以生長在熱帶、亞熱帶海岸潮間帶的紅樹科植物為主體的特殊海岸濕地類型[2]。 水是濕地生態系統的三大重要組成部分之一，水質對濕地植物的生長以至整個濕地生態系統的穩定至關重要[3]。許多學者對紅樹林濕地的水環境做過一些有益探討。劉亞云[4]按照紅樹群落的結構特征布設五個監測站位，運用水質質量單項標準指數法、綜合指數WQI法、有機污染指數法和富營養化評價法等方法對特呈島紅樹林自然保護區的水環境質量進行過評價；李存煥[5]共采集了紅樹林保護區河口、魚塘等五個區域的120個樣點，對深圳紅樹林保護區水質重金屬含量進行過分析；李鵬山[6]根據2004-2008年東寨港紅樹林自然保護區海水水質監測數據，采用單因子質量指數評價法、有機污染指數法、富營養化水平相結合的方法對東寨港紅樹林自然保護區水質進行了評價，并分析了5年水質變化情況。但從定點監測站的分布看，文獻[6]的水質監測點全部位于紅樹林分布區外側空曠的海灣面上，既無位于紅樹林內部的監測點，也無保護區周邊陸域水體的對照監測點，因此該文獻實質上僅僅是東寨港海水的水質分析而已。關于水質評價，目前常用的方法有單因子指標法[7]、綜合污染指數法[8]、基于多元統計技術的水質評價方法[9-11]和基于數學模型的水質評價方法[12-14]。薛巧英[15]對當前水環境質量評價中的方法進行了綜合評述，評述了各種評價方法的優點和不足，并且指出模糊評價法因體現了水環境中客觀存在的模糊性和不確定性，更加客觀，被廣泛用于在水質綜合評價。

文章基于整體性視野，將東寨港紅樹林自然保護區及周邊毗鄰水域納入統一的監測對象，對鄰近陸域養殖塘、保護區碼頭水域、紅樹林內、紅樹林溝渠、紅樹林外側海域分別設定水樣監測點，進行雨、旱兩季水質分析，并運用基于層次分析法的水質模糊評價模型和緩沖區梯度帶空間分析法對東寨港紅樹林自然保護區及周邊鄰近水域進行了綜合評價，以期了解不同時空背景下的水環境污染狀況及其分布特征，進而探討保護區水體污染原因，為增強紅樹林保護與管理的精準性提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 自然條件概況

海南省東寨港紅樹林自然保護區位于海口市東北角與文昌市交界處的濱海瀉湖內，地理坐標為東經110°32′～110°37′，北緯19°51′～20°1′，包括演豐、三江兩鎮的濱海區域(圖1)，面積約3 337.6 hm2，1986年成為國家級濕地自然保護區，1992年被列入國際重要濕地名錄。該保護區屬于海洋性季風氣候，年平均氣溫為23.8 ℃，年均降雨量約1 700 mm，海水最高溫度32.6 ℃，最低溫度14.6 ℃，平均水溫24.5 ℃，土壤為典型的酸性硫酸鹽土。研究區擁有我國成片面積最大的紅樹林(2 180 hm2)，有紅樹植物16科52種，占世界已知紅樹植物種數的39.5%。

1.2 社會經濟狀況

與東寨港紅樹林自然保護區毗鄰的海口市相關鄉鎮主要為演豐鎮和三江鎮，其中演豐鎮共有208個自然村，2015年總人口25 902人；三江鎮(含三江農場)有108個自然村，2015年總人口24 717人。兩鎮的濱海區既是紅樹林分布的集中區，也是水產養殖比較密集的區域，在紅樹林周邊分布著大量養殖塘。兩鎮濱海區也有些居民從事海捕和農業種植活動[16]。隨著現代水產養殖業的快速發展，產生的大量養殖動物排泄物及殘餌不僅影響了水產品的質量與產量，也加重了東寨港瀉湖的富營養化程度。演豐鎮濱海區除了水產養殖和種植業外，當前觀光旅游業亦有了較大發展，這給紅樹林的保護帶來了又一壓力。

2 研究方法

2.1 水質測試方法

在自然保護區紅樹林外側海域、紅樹林內、紅樹林溝渠、碼頭水域、周邊養殖塘等區域設置42個監測點(圖1)，分旱、雨兩季(5-11月為雨季，12月-次年4月為旱季)進行水樣采樣，采樣時間分別為2014年12月和2015年8月，監測點分布情況列于表1。每個監測點測試化學需氧量(COD)、溶解氧(DO)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)5個指標，其中鹽度≥1.3%的水樣，COD用堿性高錳酸鉀法測定、DO用碘量法測定、BOD5用五日培養法測定、NH3-N用次溴酸鹽氧化法測定、TP用過硫酸鉀氧化法測定；鹽度<1.3%的水樣，COD用重鉻酸鉀法測定、DO用用碘量法測定、BOD5用稀釋與接種法測定、NH3-N用納氏試劑比色法測定、TP用鉬酸銨分光光度法測定。

圖1 東寨港紅樹林水樣監測點分布圖Fig.1 Sampling point distribution of mangrove water quality in Dongzhai Habrbor

采樣區域樣點編號紅樹林外側海域 S01、S33紅樹林內 S02、S07、S08、S11、S13、S20、S21、S24、S27、S28、S30、S31、S32、S34、S35、S36、S39、S40、S42紅樹林溝渠 S10、S12、S15、S18、S22、S29、S38碼頭水域 S06、S26養殖塘 S03、S04、S05、S09、S14、S16、S17、S19、S23、S25、S37、S41

水樣監測點采用高分辨率遙感圖并結合GPS技術進行定位確定，數據和圖像處理采用ArcGIS、MATLAB2010a和Origin9.0進行。

2.2 水質評價層次模型

根據監測數據，選取COD、DO、BOD5、NH3-N、TP共5個水質指標，構建環境因子子集U，U={COD 、DO 、BOD5、NH3-N 、TP }。因本次陸域養殖塘水樣監測點的最小鹽度值為0.5%(僅1個)，最大鹽度值為3%，平均鹽度值為1.783%，這與保護區碼頭、紅樹林溝渠及外側海域的水樣鹽度值相近，故水質評價標準統一采用《海水水質標準》(GB3097-1997)[17]，其等級集合設為S={Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ}，評價因子集和標準集見表2。

表2 研究區水樣點污染因子及其等級標準 mg/L

層次分析法可以將問題條理化、層次化，構造出一個有層次的結構模型[18-20]。本文利用層次分析法構建研究區水質評價結構模型如圖2所示。

圖2 研究區水環境質量評價層次結構Fig.2 Hierarchical structure model of water quality of Dongzhai mangrove forest

2.3 水質模糊評價

對于任何具體的生態環境既非絕對脆弱，也非絕對穩定，表現出模糊性[21]。水體環境本身存在大量不確定因素，優劣程度也具有相對模糊性[22，23]，其隸屬度矩陣由評價指標代入隸屬函數構成，隸屬函數一般采用“降半梯形”的函數[24]。

選取COD、DO、BOD5、NH3-N、TP水質因子構建模糊評價矩陣R，其中濃度越小污染越輕的指標有COD、BOD5、NH3-N、TP，其隸屬度函數的表達式如下：

(1)第1級(首級)，即j=1時，其隸屬度函數為：

(1)

(2)第2～(m-1)級(中間級)，即j=2,3,4,…,(m-1)時，其隸屬度函數為：

(2)

(3)第m(末級)，即j=m時，其隸屬度函數為：

(3)

式中：x表示實測濃度值；sij表示第i(i= 1,2,3,4,…,n)項評價因子對應的第j(j=1,2,3,4,…,m)級水質標準值。對于濃度越大污染越輕的DO表達式需改變條件中符號的方向，其他基本一致，最后根據實測濃度建立每個樣點的模糊評價矩陣R。

(4)

2.4 AHP法確權法

現狀水質是當前多個環境因子共同作用的結果[25]，但每個因子對水質的貢獻率即權重不同。本文采用層次分析法確定權重，確權過程中用單項污染指數作為標度，并進行兩兩比較，構建判斷矩陣。然后，運用MATLAB軟件對矩陣進行數據處理，得到最大特征值和對應特征向量，并完成一致性檢驗。獲得評價環境因子的權重矩陣W={w1、w2、w3…wi…wn}，結果見表3。

表3 研究區水質指標權重值和一致性檢驗Tab.3 Test of weight value and consistency of each index in the two water periods

表3顯示，各水質指標權重表現為：COD>TP>BOD5>NH3-N>DO，化學需氧量在研究區水質變化中起到主要作用，是主要污染物，其次是總磷。

2.5 水質綜合評價

利用模糊評價矩陣R與權重矩陣W復合運算進行水質綜合評價，以直觀反映各評價因子的優劣情況。目前常見的復合運算方法有主因素決定型、主因素突出型和加權平均型[26]，其中主因素決定型和主因素突出型都過于強調超標最大因子而忽略其他因子的作用，具有局限性[27]；加權平均型將等級看作一種相對位置，使其連續化[28]，注重保留各因子評價結果，故更為直觀。本文選用加權平均型方法進行水質綜合評價，其計算式如下：

BT=(∑mj=ibβjj)/(∑mj=ibβj)

(5)

式中：bj表示評價對象對第j級水質標準的隸屬度；β為待定系數，bj為了控制較大所起的作用，本文取β=2。

2.6 緩沖區梯度帶空間分析法

以某一邊界或中心點按照固定間距緩沖建立梯度帶作為子研究區，分析這一帶狀空間里的水質變化狀況。梯度帶法可以將水質變化空間序列化，探討水質情況沿梯度空間帶的空間變化特征。本文依據水樣監測點的分布情況以紅樹林自然保護區陸岸線為邊界，向陸、海兩側方向以50 m間距設立若干緩沖區梯度帶，使之覆蓋所有監測點，然后分別統計出各個梯度帶內監測點的平均水質污染程度指數，進而探討出水質自陸域至紅樹林水域的空間變化規律。

3 評價結果分析

3.1 單因子污染分析

根據旱、雨兩季水質指標的實測值(表4)可知：旱季DO、BOD5、TP三個指標均達到Ⅰ級水質標準，COD和NH3-N滿足Ⅱ級水質標準，水質狀況良好；雨季僅DO滿足Ⅱ級水質標準，其余指標均為Ⅳ級水質標準，污染變重。從旱季到雨季，COD和NH3-N由Ⅱ級降為Ⅳ級，DO由Ⅰ級降為Ⅱ級，TP和BOD5由Ⅰ級直接降變為Ⅳ級，水質變幅最大。從單因子污染分析來看，研究區的旱季水質優于雨季水質，尤其是BOD5和TP表現得最為突出。

表4 研究區旱雨兩季各水質指標變化值 mg/L

3.2 不同區域旱、雨季綜合水質比較

根據研究區不同采樣區域的水質指標監測值，可獲得其平均濃度變化折線圖，如圖3所示。

圖3 研究區不同采樣區各指標濃度變化折線圖Fig.3 The different regions of each index concentration line chart

由圖3可知：COD平均濃度值雨季遠高于旱季，雨季中以養殖塘水域最高，旱季各區域的濃度基本持平；DO平均濃度最低值為雨季的碼頭水域，最高值為旱季的紅樹林內水域；BOD5濃度雨季普遍高于旱季，最高值出現在雨季的養殖塘，旱季濃度接近于0；雨季NH3-N濃度從紅樹林外側海域到碼頭水域逐漸升高，養殖塘水域僅次于碼頭水域，旱季NH3-N濃度在紅樹林溝渠出現小高峰值；TP濃度也表現出雨季高于旱季，雨季中養殖塘和碼頭水域的TP值幾乎同時達到最大值，旱季各區域的TP濃度趨于0。綜合來看，各區域水體雨季污染程度高于旱季，其中養殖塘是水體污染最嚴重的區域，其次為碼頭水域和紅樹林溝渠。

依據水質綜合評價模型，計算出全部監測點在旱、雨季的水質綜合評價指數BT，結果如表5所示。

表5 研究區兩季水質綜合評價Tab.5 Two comprehensive evaluation of water quality in water

由表5可知，旱季BT值為1.4，雨季BT值為3，分別隸屬Ⅰ、Ⅲ級水質，這表明旱季綜合水質也明顯優于雨季。這一結論與河湖的一般水質變化規律完全相反，這是什么原因呢？為此，對研究區進行了詳細調研。實地調研了解到東寨港紅樹林周邊的養殖塘(以養殖對蝦為主)一年2～3造(以兩造居多)，一般清明節前后放苗，養殖周期100 d左右，即在7月中旬一般可完成第一造，接著進入下一造養殖周期。這表明雨季正是東寨港紅樹林保護區周邊水產養殖的高峰期，養殖廢水排放量大，而且高溫天氣使養殖塘中的殘餌、糞便變質，提高了養殖廢水的濃度。這是導致研究區雨季水質明顯劣于旱季的最主要原因。

3.3 不同緩沖區梯度的水質比較

以東寨港紅樹林自然保護區陸岸線為邊界，利用ArcGIS軟件設置了由海岸線向陸單側緩沖50 m，由海岸線向海單側緩沖50、100和150 m，形成覆蓋所有采樣點的4個緩沖帶，各緩沖帶水樣監測點分布情況如圖4所示。

圖4 研究區緩沖區梯度帶劃分Fig.4 Division of the gradient buffer zone

經統計，海岸線向陸0～50 m緩沖帶內共16個監測點，其中養殖塘監測點12個，紅樹林內和紅樹林溝渠監測點各2個；海岸線向海0～50 m緩沖區內共20個監測點，其中紅樹林內監測點13個，碼頭監測點2個紅樹林溝渠監測點5個；海岸線向海50～100、100～150 m緩沖區內監測點分別為4個和2個，均分布于紅樹林內。將不同緩沖區梯度帶內的各水質指標的監測值取平均值，然后做折線圖，如圖5所示。

圖5 研究區緩沖區梯度帶各水質指標變化折線圖Fig.5 The different buffer zone of each index concentration line chart 注：緩沖區梯度帶編號：1-海岸線向陸0～50 m緩沖帶；2-海岸線向海0～150 m緩沖帶；3-海岸線50～100 m緩沖帶；4-海岸線向海100～150 m緩沖帶，下同。

圖5顯示，COD濃度在旱、雨兩季中均是在海岸線向陸和向海0～50 m的緩沖帶內明顯偏大；DO濃度值在旱季和雨季均表現出海岸線向海0～50 m緩沖帶內最?。挥昙綛OD5濃度值在海岸線向海0～50 m緩沖帶最大，其次是在海岸線向陸0～50 m緩沖帶。旱季各緩沖區梯度帶內的BOD5濃度均趨近于0；TP和NH3-N的濃度值雨季中表現出從海岸線向陸0～50 m緩沖帶到海岸線向海100～150 m緩沖帶呈逐漸減小的趨勢，旱季TP濃度趨近于零。

為比較各個梯度帶的水質狀況并揭示水質從陸地到紅樹林水域的變化規律，取各緩沖帶內樣點 值的平均值進行探討，統計結果見圖6所示。

圖6 東寨港紅樹林各緩沖區梯度帶綜合水質等級分布圖Fig.6 The buffer water period distribution in Dongzhai Harbor

圖6顯示，研究區的綜合水質具有以下分布特征：①從陸向海，隨著空間距離的增加，水體污染程度總體上趨于下降態勢，尤其是旱季更為明顯。這表明陸源污染物是東寨港紅樹林自然保護區水體惡化的首要原因；②同一緩沖區內梯度帶，旱季水體的污染程度明顯低于雨季，而且旱季水體的平均污染指數僅相當于雨季的一半，這在遠離岸線的紅樹林水域表現得更為突出。據前文分析，雨季是水產養殖活動的活躍期，這表明水產養殖水是東寨港紅樹林保護區水體污染的首要貢獻者；③綜合水質指數顯示海岸線向陸0～50 m緩沖區梯度帶內75%的樣點(12個)是養殖塘，僅有2個水溝和2個紅樹林內樣點。這表明養殖塘是東寨港紅樹林自然保護區水體最主要的污染源；④雨季綜合水質緩沖區梯度變化曲線在海岸線向海50～100 m緩沖區梯度帶內呈現小高峰值，但仍小于海岸線向陸0～50 m緩沖區梯度帶的綜合水質指數值。根據實地調查了解，距離海岸線50～100 m的緩沖區梯度帶是當地居民進行近海捕撈作業的最主要場所。因此，可以認為，雨季活躍的近海漁船排污和漁業活動對水體攪渾作用是其水體污染指數偏高的重要原因。

4 結論與討論

4.1 結 論

(1)從單因子污染值來看，研究區旱季水質優于雨季，尤以BOD5和TP表現得最為最突出；從區域空間來看，養殖塘是水體污染最嚴重的區域，其次為碼頭水域和紅樹林溝渠。

(2)水質模糊評價結果也顯示旱季水質清潔度高于雨季，而且養殖塘是所有監測水體污染最嚴重的區域。因雨季是東寨港紅樹林保護區周邊水產養殖的活躍期，養殖廢水排放多，而高溫天氣又使養殖殘餌、魚蝦糞便加速變質，使所養殖廢水濃度遠高于旱季，進而影響到其他監測水體的水質。

(3)無論是雨季還是旱季，自陸向海隨著空間距離的增加，水體污染程度總體上趨于下降態勢；同一緩沖區梯度帶內，旱季水體的污染程度明顯低于雨季。研究證實，養殖塘是東寨港紅樹林自然保護區水體最主要的污染源，而居民近海捕撈作業具有攪渾效應，也能影響水質狀況。

4.2 討 論

(1)水質客觀存在模糊性和不確定性，以往的評價方法無法精確定量的描述水環境系統地信息和規律。模糊評價法引入隸屬度概念，并且在加權平均原則的基礎上運用權重矩陣與隸屬矩陣復合運算，更直觀地保留各因子評價結果。層次分析法是可以將問題條理化、層次化，構造出一個有層次的結構模型，與模糊評價法結合使水質評價更具有科學性。

(2)緩沖區梯度帶空間分析法在水質空間分布規律探討方面具有很強的直觀性，但是其運用須注意幾個條件：一是所采用的水質標準要統一。海水水質標準與地表水水質標準無論在等級還是指標取值方面均存在較大的差異，若分析中存在多種水質標準就會產生不可比性，進而影響結果的科學性；二是所分析的水體具有較高的連通性。如果所分析的水體均表現出孤立的特點，比如養殖塘與養殖塘之間，用緩沖區梯度帶空間分析法無法體現出污染物在水體中的擴散效應(除非是對同一養殖塘進行研究)，其空間分布規律表現不出來或比較牽強，結果的科學性也大打折扣。一般地，水體連通性越高，運用此方法的結論越可靠，效果越好。

(3)區域水體污染分析，應具有更為廣泛的整體性思維，不僅僅要重視研究目標區的水體環境，還要考慮與目標區相關聯的周邊區域環境。本研究將紅樹林保護區及周邊水域納入統一的監測對象，采用多方法相結合的手段，可兼具空間和時間上水質變化規律的探討，直觀地揭示東寨港紅樹林及附近水域的水質狀況。

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