基于熵權優化綜合污染評價法的水環境特征研究

摘要：評價沙湖水環境變化趨勢，對湖水環境改善和保護有著積極的指示意義。基于不同年份不同時期的多點位監測，運用單因子法、多因子綜合法和基于熵權法改進的綜合污染指數法等多種方法，對寧夏沙湖水環境特征進行評價。結果發現，沙湖湖水主要的污染因子為TP和TN，其次是CODMn和BOD5；同時，基于熵權法改進的綜合污染評價法算得8月沙湖水質表現為Ⅴ類超標，在8月夏秋季污染程度明顯高于冬春季，特別是監測點L05位置，說明湖水環境受鳥類、魚類等影響顯著；最后，2020年沙湖水環境污染指數值均低于2019年同期監測值，表明湖水水質呈變化向好的趨勢。在單因子和多因子評價的基礎上，利用改進熵權法評價沙湖水環境，對沙湖水環境有了進一步的認識，為今后的沙湖水質凈化和應對措施提供一定參考依據。

關鍵詞：熵權優化；綜合污染指數；質量評價；沙湖

中圖分類號：TV213.3文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）07-0101-10

黃雯.基于熵權優化綜合污染評價法的水環境特征研究［J］.人民珠江，2024，45（7）：101-110.

Study on Water Environmental Characteristics Based on Comprehensive Pollution Assessment Method with Entropy Weight Optimization

HUANG Wen

（Ningxia Highway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Yinchuan 750001，China）

Abstract：Evaluating the trends in the water environmental changes of Sand Lake holds positive significance for the improvement and protection of the lake′s water environment.To assess the characteristics of the water environment in the Sand Lake in Ningxia，various methods are employed，including the single-factor method，the multi-factor synthesis method，and the comprehensive pollution index method that utilizes entropy weight optimization.These methods are applied based on multi-point monitoring data collected at different times and across various years.The results show that the main pollution factors of Sand Lake water are total phosphorus（TP）and total nitrogen（TN），followed by chemical oxygen demand by permanganate（CODMn）and biochemical oxygen demand（BOD5）.At the same time，the comprehensive pollution assessment method，enhanced by entropy weight optimization，indicates that the water quality of Sand Lake in August is classified as category V，exceeding the standard，and the pollution level in summer and autumn in August is significantly higher than that in winter and spring，especially the monitoring point L05，indicating that the lake environment is significantly affected by wildlife such as birds and fish.Finally，the water environmental pollution index values of Sand Lake in 2020 are lower than those monitored in the same period of 2019，suggesting that the water quality of the lake shows an upward trend of change.By using the improved entropy weight optimization method on top of single-factor and multi-factor evaluations，a deeper understanding of the Sand Lake water environment is achieved，providing a reference for future water purification and countermeasuresin Sand Lake.

Keywords：entropy weight optimization;composite pollution index;quality evaluation;sand lake

水環境質量評價是環境管理中較為重要的一環，關乎著水資源的合理利用、生活經濟的需求供水和生態環境的可持續發展［1］。在湖泊濕地水質評價中，由于水源的補徑排是相對開放式的，所以湖泊的水環境是一種多項介質組成的復合體系，涉及較多的污染因子和變量條件，具有一定的復雜性和難度性，一般需借助更多的評價方法，展開對湖泊的水質進行綜合評價［2-4］。

目前，常見的評價有單因子評價方法、綜合指數法、主要成分分析法、尼梅羅綜合污染指數法、熵權綜合指數法和數值模擬預測方法等。如何選取合理的方法，進行科學的水質評價一直備受研究者的關注［5-8］，曾永等［9］采用單因子評價法對黃河某一河段水質進行了分析，得出單因子評價法的適用場合和使用情景。孫藝珂等［10］采用水污染指數法將單因子作為指數，結果只能反映水質總體變化情況，無法判斷水質類別。陳娟等［11］采用3種不同方法進行水質評價研究，發現以單因子指數法為基礎，以綜合水質標識指數法為輔助的方法較為科學合理；殷雪妍等［12］采用研究通江湖泊的不同水質評價方法的適用性，綜合考慮不同評價方法的適用性和準確性。周默［13］運用改進的綜合評價方法，發現熵值賦權法更客觀合理，評價結果更科學。可見，不同方法的運用對水質評價的結果有著決定性的作用，需結合研究實際情況選擇合理評價方法。

沙湖是寧夏濕地保護區的重要組成部分，沙湖淺水地帶生長著茂密的葦叢，棲息著天鵝、野鴨、青莊、魚鷹等數十種鳥類為寧夏最大的水面風景旅游地，2007年5月石嘴山市沙湖旅游景區經國家旅游局正式批準為國家5A級旅游景區，但因深居西北干旱內陸，為封閉型湖泊，降雨少蒸發大，常年通過人工引水補給，同時受旅游區開發和農業影響，生態系統脆弱，沙湖水質較差，特別是湖水一旦被污染，生物多樣性容易被破壞，且恢復治理難度大，花費高［14-15］。因此，研究沙湖的水質變化和水質評價，對區域生態環境和經濟可持續發展都有著重要的指示意義。

在湖泊水質評價過程中，選取的評價方法是否合理是水環境質量評價結果客觀與否的關鍵。本研究依據從各項檢測指標入手，以寧夏沙湖為研究對象，結合單因子評價法、綜合污染評價法的特點，利用熵權法進行優化改進評價方法，對沙湖水環境進行評價分級，突出主要環境問題，為地方生態環境保護和綠色經濟可持續發展提供一定科學支撐。

1研究區概況

寧夏沙湖位于石嘴山市平羅縣境內前進農場范圍內，是寧夏回族自治區內最大的微咸水湖［16］，總占地面積1.09萬畝（1畝約等于667 m2），平均湖水深度為4 m，最大深度可達7 m，湖面呈月牙形，大致走向為東西方向，地理坐標為東經106°19′～106°24′，北緯38°45′～38°49′，見圖1。

沙湖所在區域屬干旱、半干旱大陸性氣候，具有干旱少雨，蒸發強烈，日照充足，風大沙多，溫差大，四季變化明顯等特點。根據石嘴山氣象站多年氣象資料數據分析，多年平均降水量180.94 mm，多集中在7—9月；多年平均蒸發量為1 792.64 mm，蒸發量約是降雨量的10倍，見圖2；平均相對濕度47%；月平均最高氣溫25.18℃，月平均最低氣溫-6.73℃，極端最高氣溫36.8℃，極端最低氣溫-30.6℃。風力冬季較強，夏季較弱，多為西北風。

2研究方法與數據處理

2.1試驗方法

根據沙湖地區水環境和地形特征，選取L01、L02、L03、L04和L05五個位置進行多年長期監測，其中L01、L02為魚類養殖區，L03為補給進水區，L04為湖中心區，L05為鳥類棲息區，見圖3。自2015年開始每年4—8月份進行豐水期和枯水期2次水樣取樣，分析2015—2020年多年序列監測數據。在每次取樣中，進行蠟封取樣，并在24 h內送檢，15 d內完成檢測。每個點取2瓶500 mL水樣，1瓶用于測試水化學離子含量，1瓶用于測試水中營養微量元素，主要測試指標有高錳酸鉀指數（CODMn）、溶解氧（DO）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）和五日生化需氧量（BOD5）等，在試驗樣品測試中，嚴格按照GB 3838—2002《地表水環境質量標準》《水和廢水監測分析方法》（第四版）和《土壤農業化學分析方法》等方法執行。

在數據處理分析方面，使用Excel2016和SPSS 25.0軟件進行數據統計分析，綜合運用ArcGIS desktop 10.5、Origin Pro 2018等軟件進行空間數據分析和圖件的制作完成。

2.2研究方法

2.2.1單因子污染指數法

單因子污染指數法是GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中規定的評價方法，即以水質最差的單項指標所屬類別，進行WPI法定量來確定水體綜合水質類別，見式（1）。WPI法是延續單因子評價法中選取污染最嚴重的水質指標判定水質類別，運用內插法分別計算各樣點TN、TP、DO、COD濃度對應的WPI值，其方法是用水體各監測項目的監測結果對照該項目的分類標準，確定該項目的水質類別，在所有項目的水質類別中選取水質最差類別作為水體的水質類別［17］。單因子污染指數評價標準分級見表1。

Pi=Ci/Bi（1）

式中：Pi為單因子污染指數；Ci為各污染因子實測濃度值；Bi為各污染因子的環境標準值。

2.2.2綜合污染指數法

水體中含有多種重金屬和營養元素，但單因子評價法僅能衡量某一地區某一種指標的污染水平，難以對水體的整體污染水平進行綜合分析。因此，基于單因子污染指數構建的綜合污染指數法被廣泛用于某一區域的水質綜合評價［18］，見式（2）。

Pi（2）

式中：P為綜合污染指數；m為污染物數量；Pi為第i項污染物的單因子污染指數，綜合污染指數評價法標準見表2、3。

2.2.3基于熵權法改進的綜合污染指數法

熵的概念源于熱力學，后在工程技術、經濟社會中得到應用，是1種多目標決策的有效方法［9］。熵是對系統不確定性的一個度量，如果指標的信息熵越小，權重就越大［19］。利用熵權系數法進行評價，就是綜合考慮評價中各因素所提供的信息，根據各評價指標反映的信息熵來確定其權重。熵權系數法是客觀賦權法，可以消除評價方法中權重計算的主觀因素干擾。計算步驟如下［20］。

考慮一個評價指標體系，設其中有m個評價指標，n個被評價對象，則根據實測數據構造評價指標特征值矩陣X：

第j個評價指標的熵值ej見式（3）、（4）。

式中：fij為第j個指標在第i個評價對象中的特征比重；xij為第i個評價對象中第j項指標的觀測數據；xij為第j項指標的所有評價對象觀測數據之和。

i=1

第j個評價指標的熵權wj見式（5）。

由此計算的熵權即為該指標的權重。

熵權法的計算步驟如下：式（3）首先對xij進行歸一化處理，見式（4）；其次進行第j項指標熵值Ej的計算，一般Ej取值在0～1，見式（5）；最后計算信息量系數wj，見式（6）—（9）：

式中：p（xij）為各指標標準化值；Ej為信息熵值；wj為各指標權重。

根據熵權法改進的綜合評價污染指數評價標準，確定了CODMn、DO、TP、TN、NH3-N和BOD5 6項污染，見表4。

綜合所得權重和該指標的單因子評價結果可以得到基于熵權法改進的綜合污染指數，見式（10）。基于熵權法改進的綜合污染指數的評價標準，見表5，依據GB 3838—2002《國家地表水環境質量標準》，在指標標準化時采用Ⅲ類水閾值作為基準值。

Xn=wi pi（10）

式中：Xn為改進的綜合污染指數；m為污染物數量；wi為第i項污染物在評價體系中所占權重；pi為第i項污染物的單因子污染指數。

3結果與分析

3.1單因子法評價結果

在單因子評價法中，采用WPI評價法計算沙湖中水環境的主要污染因子的污染指數情況，結合表2運用WPI值進行內插［7］，分別計算各樣點CODMn、DO、TP、TN、NH3-N和BOD5濃度對應的WPI值，插值算得WPI值見表6。總體而言，只有DO的WPI值沒有超過60（Ⅲ類），其他幾項離子均有不同程度的超標（大于Ⅲ類值）。

從沙湖監測點位來看，監測點位L05的WPI值最高，污染程度最嚴重，特別是CODMn、TP、TN和BOD5均有不同程度的污染，其次L02、L01、L03的WPI值依次降低，污染程度也降低，而監測點L04的WPI值最低，污染程度最輕；從監測時間序列分析，2019年較2020年的WPI值更大，同年8月監測值較4月的WPI值更大，說明污染因子的濃度隨時間呈下降趨勢，同年夏秋季節的湖水監測離子濃度高于春季，沙湖湖水水環境總體呈好轉的變化趨勢；從各監測因子分析，TP的濃度最大，WPI值最高，污染最嚴重，其中監測點L02和L05均在8月出現WPI值大于100（劣V類）的監測值，依次是TN、CODMn和BOD5的WPI值遞減，但均有不同程度的超過Ⅲ類標準值。

3.2綜合法評價結果

綜合污染指數法是通過將所有污染離子統籌考慮，在進行單因子污染指數評價的基礎上，進行進一步的綜合評價，利用式（2）開展綜合污染指數評價工作。

利用綜合污染指數法計算可知，沙湖不同監測點位的綜合污染指數值不盡相同。結合圖4可知，監測點L04總體的綜合污染指數值最低，監測點L05的指數值最高；同時，各監測值點的數值同一年表現為“4月低，8月高”的特點，在監測點L02、L03、L04和L05點的指數值均為2019年綜合污染指數值高于2020年同期監測值，而監測點L01相反；綜合污染指數值最高值點為L05監測點位，出現在2019年8月，最高值為2.258，見表7。

不同湖水監測點位有著不同的水質變化過程，利用表2評價各點湖水環境污染情況，可知監測點L01在2019年4月和2020年4月的綜合污染指數值均小于1，污染環境屬于基本合格狀態，而在2019年8月和2020年8月均出現了超標情況，污染指數值大于1，湖水環境為污染狀態，在監測點L03也有著一致的變化過程；監測點L02在2020年4月已出現超標情況，同樣在該點位在8月份有著更多增幅，環境呈污染狀態；監測點L04僅在2019年8月出現超標污染狀態，而在其他監測時間點均為合格狀態；監測點L05的綜合污染指數值最高，不同時期的綜合污染指數值均為污染狀態，且在2019年8月的綜合污染指數值出現了超過2的“重污染”狀態，具體原因見3.3節分析。

通過綜合法評價可知，沙湖湖水各監測點的綜合污染指數值普遍大于1，沙湖綜合水質長期處于較差狀態，水質標識指數長期大于Ⅲ類，對應綜合水質長期處于Ⅲ類及以下；結合單因子水質標識結果來看，沙湖綜合水質長期較差的原因為沙湖總氮、總磷濃度長期處于Ⅳ類、Ⅴ類及劣Ⅴ狀態，低于沙湖水功能定位對應水質要求，使得沙湖綜合水質狀態長期較差。

3.3基于熵權法改進的評價結果

在進行單因子法和綜合污染指數法基礎上，基于對沙湖水環境的已有認識，考慮到不同污染因子有著不同的污染程度，運用熵權法進行不同占比的權重因素影響，進行不同權重不同污染因子的改進評價分析，具有更為科學合理的評價特點。

利用基于熵權法改進的綜合污染指數法計算可知，沙湖不同監測點位的綜合污染指數值不盡相同。圖5可知，同樣在基于監測點L04的綜合污染指數值為最小值，各段時期均小于其他監測點位，而監測點L05的污染指數值最高；同時，各監測值點的數值同一年表現為“4月低，8月高”的特點，但是2019年綜合污染指數值高于2020年同期監測值，這與綜合污染指數法所得結果有所不同；綜合污染指數值最高值點為L05監測點位，出現在2019年8月，最高值為2.307，見表8。

Kiviat分析圖（蛛網圖）是以從同一點開始的軸上表示的3個或更多個定量變量的二維圖表的形式顯示多變量數據的圖形方法，具有更直觀便捷的展示特點。結合表2，以地表水環境質量標準Ⅲ類為基準值，運用式（1）對各監測因子進行比值分析，再利用2.2.3節熵權法進行權重占比分析，得出不同監測點位污染指數值，通過Kiviat圖分析不同監測點位的高錳酸鉀指數（CODMn）、溶解氧（DO）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）和五日生化需氧量（BOD5）的變化特征。

圖5、6可知，監測因子CODMn的沙湖主要的污染因子，利用熵權法算得權重占比為25.25%，比值隨時間呈減小趨勢，2020年呈變好的趨勢，在2020年4月CODMn占比小于1（Ⅲ類合格），最大值出現在2019年8月，在監測點L05處的比值最大，比值為2.45（Ⅴ類超標）。監測因子DO在各監測點均大于1，湖水呈Ⅲ類合格狀態，在所有污染因子中占比最低，占比僅為3.68%。監測因子TP和TN均為沙湖的主要污染因子，權重占比為18%～19%，其中TP指數最高值出現在L05點的2019年8月監測值，污染指數值大于4，呈Ⅴ類超標狀態，TN污染指數在2019年8月和2020年8月均大于1.5，表明湖水污染狀態呈Ⅳ類。監測因子BOD5在沙湖中污染權重占比為17.03，除了監測點L03的指數值為1左右（Ⅲ類合格），其他各監測點均呈超標狀態，且在2019年污染程度更嚴重，到2020年呈緩和向好變化趨勢。監測因子NH3-N各監測位置均低于1，在2019年8月在點位L05處污染指數值最高，總體湖水中NH3-N呈Ⅲ類合格狀態，為污染程度較輕的因子，可在今后研究中進一步減小該因子的權重占比。

造成該現象的原因可能為沙湖系銀川平原北部灌區水系，大量富含營養物質的灌溉渠系滲漏及灌溉入滲補給入湖內，同時內源氮磷含量長期較高可能會使湖泊生態遭受一定破壞，進一步導致沙湖綜合。水質狀態較差一般在春冬季較冷時期湖水相對穩定，蒸發和流失量較小，水循環水更替較慢，可能污染會加大，而夏季湖水循環、更替較快，湖水水環境水質一般會更好。但是，在進行多種方法的分析，發現沙湖的水環境污染進入夏季、秋季時就會變得逐漸污染加重，而在春冬時期水環境較好。分析其原因，主要是夏季、秋季有大量外源水涌入，主要為引黃河水，引水水源受到夏季農田施肥灌溉影響，會對引水水質有一定影響，同時夏秋季為沙湖魚類、鳥類繁殖繁榮期，大量的鳥類、魚類等動物活動對湖水水環境有一定影響，特別是在監測點L05處為鳥類的主要繁衍地，污染程度更大，綜合污染指數平均值為1.59，各點改進綜合污染指數值見表8；另外在夏秋季為沙湖旅游旺季，較多的游客活動對湖水環境也會產生一定影響，加劇湖水污染程度。

據此，建議針對沙湖水環境污染現狀和特點，制定沙湖流域水生態修復與水質改善的總體規劃，同時加快對沙湖水體和自然植被的保護、恢復，明確提出生態保護任務和開發利用的界限，特殊情況下限定旅游人數和開發強度，保證沙湖的自凈能力得到最大發揮，持續改進沙湖水環境，提升湖水水質。

3.4方法對比與水質類別分析

對比各種分析方法，發現單因子方法較為直接精準反映某一個或是某一類污染因子的污染指數，卻無法綜合反映多種因子的污染特征；而綜合分析方法可以有效地利用所有監測因子數值，并且算得綜合污染指數，能夠反映某一水域的水環境現狀情況，但是無法突出或是評價水域中的重點污染因子污染程度或是污染占比含量。基于此，進行基于熵權法改進的綜合污染指數法，能夠很好地結合“單因子+綜合污染指數法”，利用單因子測得的主要污染因子，再進行熵權算法增加污染權重占比，利用綜合污染指數法算得該水域的污染指數值。在進行熵權改進的綜合對比分析中，進行了進一步的權重修正，得到更為合理、突出了重點的監測因子。結合圖7可知，將綜合污染指數法和改進的綜合污染指數法進行對比發現，改進后的污染指數法算得結果較高，普遍高于綜合污染指數法，這主要是由重點污染因子增加權重后的計算結果導致，這樣算得的結果污染指數值更大，污染程度更嚴重，這對地方水環境評價和治理得要求更高，也更為科學，有助于水環境的質量提高和保護。

4結論

a）利用多種方法對沙湖的污染因子研究，發現沙湖最突出的污染因子為總磷（TP）和總氮（TN），特別是在夏秋之季湖水超標嚴重，水環境表現為Ⅴ類水質，其次是CODMn和BOD5指數值超標，也不同程度地超過了Ⅲ類水標準，而溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）均未超標，綜合污染指數值低于湖水Ⅲ類標準。

b）利用基于熵權法改進綜合污染指數法，結合Kiviat圖和箱型點位圖，直觀地反映了沙湖水環境特征，在2019年8月得到的綜合污染指數值最高，特別是受魚類、鳥類活動和人類活動影響的區域，污染程度更嚴重；同時，在2020年的湖水污染因子較2019年同期監測值有所降低，湖水環境呈現出改善向好的趨勢。

c）對比多種研究方法，發現基于熵權法改進的綜合污染指數法具有突出主要污染因子占比權重的特點，能夠彌補單因子評價單一和綜合污染指數法評價未能突顯主要污染因子的不足，得到的綜合污染指數值更為科學、合理。

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（責任編輯：李燕珊）