海口市五源河水質分析與評價

鄧少雄 雷湘齡 王小燕 林之盼 宿少鋒 薛楊

(1 海口市龍華區龍橋鎮農業服務中心 海南海口 571155;2 海南省林業科學研究院 海南海口 571100)

對水體進行綜合性評價不僅能反映出水體的質量和污染狀況，而且能從全局角度管控水質，為合理利用、管理水資源提供基礎依據［1-2］。目前已有二三十種水質評價方法在國內外被大量使用，如人工神經網絡法、灰色評價法、水質標識指數法、模糊評級法、單因子評價法和水質指數法等［3］。

我國從20 世紀70 年代開始進行水質評價工作［4］，如今已取得了一定的進展。陳仁杰等［5］運用改良的綜合指數法發現，上海市飲用水源已經出現了一定程度的有機污染；孫濤等［6］對錦溪進行水質評價，單項污染指數法的評價結果顯示，在春、夏、冬季和全年的主要污染物指標為TN，對應分析法和綜合污染指數法表明，該河段春季污染最嚴重；富天乙等［7］基于多元統計和水質標識指數法分析太子河遼陽段的水質狀況，研究結果表明，該河段的水質大部分處于Ⅲ級以上；譚渝峰等［8］采用因子分析法評價淀山湖的水質，結果顯示，研究區全年綜合水質屬于Ⅳ類水標準。

研究以《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）為評價標準，分別使用單因子指數法、綜合指數法、模糊綜合法對海口市五源河的水環境監測數據進行分析，并結合3 種方法的評價結果，討論彼此間存在的差異，以期為海口市五源河更好地規劃和綜合治理水環境提供合理的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

五源河位于110°11′51〞～110°16′02〞E，19°57′06〞～20°04′59〞N，地處海南省海口市的西北部，是海口市最重要的流域之一；發源于羊山濕地，干流河長27.29 km。

1.2 方法

1.2.1 單因子指數法

單因子指數法分別將各項監測指標以《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）為評價標準劃分所屬類別，評價結果以最差指標所屬的類別來代表整體水質類別，該方法較為簡便［9］。

1.2.2 綜合指數法

以《地表水環境質量標準》為評價標準，對各組中的各項監測指標單獨劃分所屬的水質類別，當為類別Ⅰ時，評價分值Fi取0；類別Ⅱ時，Fi取1；類別Ⅲ時，Fi取3；類別Ⅳ時，Fi取6；類別Ⅴ時，Fi取10［3］。

根據各單項監測指標的評分值Fi計算各組的綜合評價分值F：

根據最終所得的F 值來評價水質等級，當F＜0.80，級別為Ⅰ，即水質優良；當0.80＜F＜2.50，級別為Ⅱ，即水質良好；當2.50＜F＜4.25，級別為Ⅲ，即水質良好；當4.25＜F＜7.20，級別為Ⅳ，即水質較差；F＞7.20，當級別為Ⅴ，即水質極差。

1.2.3 模糊綜合評價法

模糊綜合評價是以模糊數學為基礎，依據模糊數學中的隸屬度原則對受到多因素影響的對象進行定量的綜合評價。評價步驟如下［10］：

（1）根據《地表水環境質量標準》確定各水質指標所屬的類別。

（2）建立隸屬度函數迷糊矩陣

根據各項監測指標的實測值Xki和其所對應的j級水質級別標準值為Cij（j=1，2，…m）計算隸屬度，由n項監測因子隸屬度構建成的n×m模糊矩陣R，計算方式如表1。

由此確定模糊矩陣：

表1 隸屬度的計算方法

（3）確定權重因子

各單項的水質指標在整體水質污染中所占的貢獻率不同，其與實測數據大小及不同用途水中各指標所允許的濃度有關，因此在綜合評價中需要對各水質指標進行權重計算。公式如下：

對做Wi歸一化處理：

式中：Wki為權重因子；Xki為第k個水樣第i個監測指標的實測濃度；Cim為評價標準中水質指標對應m級濃度的標準值，Ci為第i個水質指標各級水標準值的均值；aki為第k個水樣第i個水質指標的權重值。

由此構成評價因子權重矩陣：

（4）綜合評價原則

綜合評價結果為模糊矩陣A與R的復合運算，采用取大取小( ∨，∧)型綜合評價計算法。即：

結果按照最大隸屬度原則確定，即隸屬度最大值所對應的等級，則為監測點的水質分類等級。

1.2.4 數據來源

數據來源于五源河國家濕地公園的水質監測數據，其中3 個監測點（圖1）分別位于為永莊水庫（永1）、海秀快速路（海2）、長東村（長3）；水質監測指標為pH、氨氮（NH3-H）、化學需氧量（CODCr）、溶解氧（DO）、總磷 （TP）、總氮（TN），數據時長為2018年7月至2019年6月。

2 結果與分析

2.1 水質分析

圖1 水質監測點分布圖

五源河水質測評結果見表2。從監測數據看，海秀快速路（海2）和長東村（長3）監測點水質指標數值均高于永莊水庫（永1）。3個監測位點PH值的在6.07～8.41，符合國家地表水環境質量標準規定的6～9；在6 個指標中，3 個監測點均是CODCr的標準偏差最大，說明其數值波動幅度最大；永莊水庫監測點的CODCr和長東村的NH3-H 變異程度屬于強變異（RSD≤0.1 為弱變異，0.1＜RSD≤1為中等變異，RSD＞1 為強變異［11］），其余水質指標的變異程度大部分屬于中等變異。

表2 水質測評結果 單位：mg/L

2.2 單因子指數分析法

表3 為單因子指數法的評價結果。在6 個水質指標中，以最差指標所屬的等級代表整體水質的級別。永莊水庫監測點的水質在春、夏、秋、冬均屬于Ⅳ類水；海秀快速路監測點的水質在春、夏、秋、冬均屬于Ⅴ類水；長東村春、夏、冬季的水質屬于Ⅴ類水，秋季水質屬于Ⅳ類水。3 個監測點四季的主要水質污染指標為TN 和TP，其中TN占比25%，TP占比75%。

2.3 綜合指數分析法

五源河水質綜合指數分析法結果見表4，永莊水庫監測點的水質極差（4.25＜F≤7.20），為Ⅴ類；海秀快速路和長東村監測點的水質較差（F＞7.20），均為Ⅳ類。

表3 單因子指數法評價結果

表4 綜合指數法評價結果

2.4 模糊綜合分析法

表5 為模糊綜合分析法中權重因子的計算結果。在永莊水庫監測點，5 項水質指標對水質污染的權重依次為TN＞CODCr＞DO＞TP＝NH3-H；海秀快速路監測點權重依次為TN＞CODCr＞TP＞NH3-H＞DO；長東村監測點依次為TP＞TN＞CODCr＞NH3-H＞DO。各監測點水質指標對水污染的貢獻率不盡相同，但TP或TN在水質污染中權重總是最大的。

表5 各項水質指標的權重

根據模糊綜合法的最大隸屬度原則，隸屬度最大值所對應的等級，即為監測點的水質分類等級，由表6知，永莊水庫監測點的水質評價為Ⅳ類水，海秀快速路和長東村監測點均為Ⅴ類水。

運用單因子指數法、綜合指數法和模糊綜合法3種評價法對五源河監測的水質數據進行評價分析，對比3 種方法的評價結果，見表7。3 種方法對3個監測點的評價結果一致，永莊水庫監測點為Ⅳ類水質，海秀快速路和長東村監測點為Ⅴ類水質。

表6 模糊綜合法評價結果

表7 三種方法評價法對比表

3 討論

3 種分析方法對五源河水質評價結果一致，但評價過程的側重點不同。單因子指數法計算簡便易懂，但在評價過程中考慮的影響因素較為單一，僅以最差的評價指標所屬的類別來代表整體水質類別，沒有考慮綜合因素對整體水質的影響，忽略了其他指標對水質污染的貢獻；綜合指數法在評價過程中統計了各水質指標所達到的水質類別，但并未涉及各指標對水質污染造成影響的大小；模糊綜合法結合了綜合指數法對各水質指標的統計，同時還對不同指標對水質影響的權重進行了歸一化的分析，較前兩種分析方法，更能從整體的角度對水質做出評價。

在本次研究中，單因子指數法分析結果顯示，TN 和TP 主要的水質污染指標，其超標倍數在監測項目中是最高的；綜合指數評價法對永莊水庫監測點的評價值為5.52，屬于Ⅳ類—較差，海秀快速路和長東村的評價值為9.61，屬于Ⅴ類—極差；模糊綜合法中，TN 和TP 的權重值最大，即其對水質污染的貢獻率最大，其次為CODCr，CODCr值偏高說明水體受到了有機物的污染［12-15］。聶瑞等［16］的研究表明，TP、TN、CODCr和氨氮是五源河的主要污染因子，與本次研究結果基本一致。聶瑞等［16］的研究還表明，五源河上游的污染主要是由農業廢水和生活污水造成的，而造成中下游污染的主要原因是生活污水［16］。3個監測點的水質分析結果分別為Ⅳ類—較差和Ⅴ類—極差類別，根據監測點的分布位置分析，永莊水庫監測點位于五源河規劃的河源段，其周邊分布以農田和零散鄉村居民為主，TN 和TP 超標的主要來源于農田施用化肥所造成的農業非點源污染；海秀快速路監測點位于下游段，下游河道周邊的零散排污口較多，河道中水生植被少，污染源主要來源于生活污水的排放；長東村監測點位于河口段，其污染主要來源于城市非點源污染。

水是人類社會發展進程中不可或缺的資源，本研究結果能為相關部門加強對五源河水環境規劃及管控和治理提供合理的參考依據。