大陳海域海水水質(zhì)綜合評價

王 潔，鐘軼群，馬 駿

（1.臺州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，浙江 臨海 317000；2.常山縣城南中學(xué)，浙江 常山 324200；3.臺州市海洋環(huán)境監(jiān)測中心，浙江 臺州 318000）

0 引言

2016年，中共臺州市委黨校發(fā)布的《臺州海洋生態(tài)文明建設(shè)淺析》報告指出，要堅持不懈地加強海洋生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護，處理好海洋環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系[1]。《浙江省海洋生態(tài)環(huán)境保護“十三五”規(guī)劃（2016—2020）》也明確指出，要加強建設(shè)海洋生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)工程，到2020年，浙江海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體保持穩(wěn)定，海洋生態(tài)環(huán)境保護工作機制得到完善。

為了更好地保護大陳海域水質(zhì)環(huán)境，查清大陳海域環(huán)境現(xiàn)狀，建設(shè)生態(tài)大陳，需要對大陳海域進行海水質(zhì)量評價。有關(guān)水環(huán)境質(zhì)量評價方法的研究一直是我國水質(zhì)評價研究領(lǐng)域的熱門話題，從事該類研究的學(xué)者認為水體是個充滿不確定性因素且變化復(fù)雜的環(huán)境，進入水體后的污染物其成分和數(shù)量會隨時間和空間變化，從而變?yōu)椴淮_定量。因此，水質(zhì)級別和分類標準其實都存在著一定的模糊性[2]。

國內(nèi)外評價海水質(zhì)量的方法有很多，常用方法有：單因子評價法、“蘭德”模型[3]和模糊綜合評價法[4]等，其中模糊綜合評價法利用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素影響的對象做出綜合評價，把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價。模糊綜合評價法對各個因素進行分析，確定評價因子，綜合考慮各個評價因子在評價過程中的權(quán)重；利用模糊評價矩陣進行運算，得到評價向量進行綜合評價，實際應(yīng)用效果良好[5]。

本文以2020年大陳海域生態(tài)浮標在線監(jiān)測系統(tǒng)[6]浮標TZ01采集得到的水質(zhì)資料為基礎(chǔ)，對溶解氧、無機氮（氨氮、硝酸氮、亞硝酸氮之和）、磷酸鹽等數(shù)據(jù)進行處理，利用模糊綜合評價法進行分析評價，確定評價因子的權(quán)重，以此來了解大陳海域水質(zhì)狀況。

1 大陳水質(zhì)現(xiàn)狀

大陳海域位于浙江省臺州市椒江區(qū)東南52千米的東海海上，包括大陳海洋生態(tài)特別保護區(qū)以及大陳附近海域[7]，如圖1所示。大陳海域于2012年起利用生態(tài)浮標在線監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，通過浮標上搭載的水質(zhì)、營養(yǎng)鹽、氣象等傳感器，可連續(xù)、實時地測量水環(huán)境的變化，將測量所得的數(shù)據(jù)傳至相關(guān)部門，為他們制定相關(guān)保護措施提供準確的信息。目前該系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于海洋、湖泊、水庫以及河流的水環(huán)境監(jiān)測中。

圖1 大陳地理位置示意圖

1.1 溶解氧

溶解氧（DO），是指溶解于水中的分子態(tài)氧，主要由空氣里氧氣的溶入以及水中植物的光合作用得到不斷的補充。若水體受到有機物污染，耗氧嚴重，溶解氧得不到及時補充，則水體中的厭氧菌將會得到快速繁殖，有機物腐敗而使水體發(fā)黑發(fā)臭。因此，水中溶解氧的多少是衡量水體自凈能力的一個指標。若水中的溶解氧被消耗或恢復(fù)到初始狀態(tài)的所需時間短，則說明該水體的自凈能力強或水體污染不嚴重。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)中可以看出，大陳海域的溶解氧月平均濃度在4～9 mg/L之間。9個月份的水體中溶解氧濃度符合I類海水水質(zhì)標準（濃度＞6 mg/L），2個月份的水體中溶解氧濃度符合Ⅱ類海水水質(zhì)標準（濃度＞5 mg/L），1個月份的水體中溶解氧濃度符合Ⅲ類海水水質(zhì)標準（濃度＞4 mg/L），溶解氧濃度變化如圖2所示。

圖2 2020年溶解氧濃度變化示意圖

1.2 無機氮、磷酸鹽

國內(nèi)外眾多監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，無機氮和磷酸鹽是目前中國沿海地區(qū)最主要的污染物。它們作為近岸海域內(nèi)浮游植物生長的必要元素，能被植物、細菌以及藻類所利用，已被認定為海洋、湖泊等水體中的限制性營養(yǎng)鹽[8]。

在所監(jiān)測的12個月份中，無機氮月平均濃度在0.07～0.35 mg/L之間。5個月份的水體中無機氮濃度符合I類海水水質(zhì)標準（濃度≤0.2 mg/L），5個月份的水體中無機氮濃度符合Ⅱ類海水水質(zhì)標準（濃度≤0.3 mg/L），2個月份的水體中無機氮濃度符合Ⅲ類海水水質(zhì)標準（濃度≤0.4 mg/L），無機氮濃度變化如圖3所示。

圖3 2020年無機氮濃度變化示意圖

磷酸鹽月平均濃度在0.02～0.06 mg/L之間，5個月份的水體中磷酸鹽濃度符合Ⅱ、Ⅲ類海水水質(zhì)（濃度≤0.03 mg/L），3個月份的水體中磷酸鹽濃度符合Ⅳ類海水水質(zhì)（濃度≤0.045 mg/L），4個月份的水體中磷酸鹽濃度大于0.045 mg/L，磷酸鹽濃度變化如圖4所示。

圖4 2020年磷酸鹽濃度變化示意圖

2 模糊綜合評價大陳海域水質(zhì)

模糊綜合評價是對受到多種因素影響的對象做出綜合評價，評價過程如下。

2.1 建立影響大陳海域海水水質(zhì)因素集

海水水質(zhì)因素集就是參與評價海水水質(zhì)的評價因子所組成的集合。根據(jù)《海水水質(zhì)標準》（GB3097-1997）[9]和監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立影響大陳海域海水水質(zhì)的因素集u={u1,u2,u3}={溶解氧、無機氮、磷酸鹽}，得到大陳海域海水評價因子的水質(zhì)等級標準，見表1。然后對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，除去異常數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等不可用數(shù)據(jù)，得到溶解氧、無機氮、磷酸鹽的年平均濃度，見表2。

表1 大陳海域海水評價因子的水質(zhì)等級標準

表2 2020年溶解氧、無機氮、磷酸鹽的年平均濃度

2.2 建立模糊綜合評價集

模糊綜合評價集是評價等級的集合，是對被評價對象變化區(qū)間的一個劃分。根據(jù)表1將海水水質(zhì)分為四個等級，得到綜合評價集為V={I,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}。

2.3 建立模糊綜合評價隸屬度函數(shù)

由于影響大陳海域海水水質(zhì)因素集有三個評價因子，若直接利用它們所屬等級求水質(zhì)等級，容易產(chǎn)生不相容性，為此引入模糊隸屬度函數(shù)確定大陳海域海水水質(zhì)的綜合等級。隸屬度函數(shù)大致有六種分布：降半梯形分布、降半矩形分布、降半Γ型分布、降半正態(tài)分布、降半凹（凸）型分布和降半哥西分布[10]。本文采用最常用的降半梯形分布函數(shù)，具體函數(shù)如下：

其中，i=1、2、3，xi為評價因子ui的實際檢測濃度，yi,j(j=1、2、3、4)為評價因子ui的分級標準，ui j為評價因子ui對j級水質(zhì)的隸屬程度。

以無機氮為例，無機氮隸屬I、Ⅱ類水的隸屬度函數(shù)分別為：

無機氮隸屬Ⅲ、Ⅳ類水的隸屬度函數(shù)分別為：

2.4 建立模糊關(guān)系矩陣

將表2中每個評價因子的年平均濃度代入相應(yīng)的隸屬度函數(shù)內(nèi)，求出與其相對應(yīng)的四個級別的隸屬度uij，由此得到2020年評價因子關(guān)系矩陣U，

2.5 建立模糊綜合評價指標權(quán)重集

在評價過程中，因為各個評價因子對評價等級的作用不同，所以需要對它們賦予不同的權(quán)重。依據(jù)污染物超標越嚴重，評價因子在評價過程中權(quán)重越大的原則，利用超標比方法得到權(quán)重[3]Wi(i=1、2、3)：

式（1）中si為表1中第i種評價因子對應(yīng)水質(zhì)等級標準的算術(shù)平均值。由于溶解氧（DO）的濃度在等于或小于飽和濃度情況下的值越大越好，故將溶解氧的權(quán)重值取倒數(shù)[11]，公式為：

對于單項評價因子的權(quán)重需要進行歸一化處理，歸一化后的權(quán)重計算公式為：

表3 2020年大陳海域海水評價因子的歸一化權(quán)重

2.6 模糊評價運算

為綜合體現(xiàn)各評價因子在總體評價中的影響程度，將權(quán)重集中向量W'與評價因子關(guān)系矩陣U進行矩陣相乘，得到大陳海域的模糊綜合評價向量B，即：

向量B體現(xiàn)了因素集u中三個評價因子對評價集V中四個等級的隸屬度程度，綜合考慮了這三個評價因子的影響。根據(jù)最大隸屬度原則[3]，B中最大值在第1個分量中得到，此值正好對應(yīng)評價集V中第1個元素，故得出2020年大陳海域海水水質(zhì)等級為I類。

3 結(jié)語

本文通過分析大陳海域水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出無機氮和磷酸鹽是主要污染物。文中以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，利用降半梯形分布函數(shù)作為隸屬度函數(shù)，將定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，得到模糊關(guān)系矩陣；并運用計算超標比方法來確定權(quán)重，體現(xiàn)各個評價因子在評價過程中的相對作用，說明各評價因子在評價中的貢獻度。最終經(jīng)過綜合評價，2020年大陳海域的海水質(zhì)量等級為I類。I類水質(zhì)適用于海洋漁業(yè)水域和海上自然保護區(qū)，此評價結(jié)果能真實地反映大陳海域的水質(zhì)現(xiàn)狀。