基于層次分析法改進(jìn)的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)閱海湖富營(yíng)養(yǎng)化

林海成，司 旭，徐佳強(qiáng)

（中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)寧夏工程有限公司，銀川 750002）

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化是湖泊中營(yíng)養(yǎng)鹽（主要是氮、磷等）含量在自然因素或人為活動(dòng)等作用下急劇增大，使生產(chǎn)力低下的貧營(yíng)養(yǎng)湖泊逐漸轉(zhuǎn)向高生產(chǎn)力的富營(yíng)養(yǎng)湖泊。閱海湖濕地是銀川市面積最大的一塊生態(tài)濕地，對(duì)銀川市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境的改善起到重要作用，其位于寧夏回族自治區(qū)銀川市金鳳區(qū)西北部5 km，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 106°19′—106°30′，北緯 38°50′—38°59′，南起典農(nóng)河北京路碼頭，北通銀川市繞城高速，南北長(zhǎng)10 km，東西平均寬2.7 km，呈南窄北寬的倒梯形，總面積16.44 km2，其中湖泊面積8 km2，湖泊水深 2.5～3.0 m［1］。本研究采用綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法和基于層次分析法改進(jìn)的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)對(duì)閱海湖四季的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，旨在為閱海湖的水生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源合理開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)布設(shè)與采樣時(shí)間

根據(jù)閱海湖地理位置及實(shí)際水文特征，布設(shè)以下采樣點(diǎn)，其中S1 位于進(jìn)水口附近，S2 和S5 位于深水區(qū)，S3 位于滑雪場(chǎng)和游樂(lè)園附近，S4 位于淺水區(qū)，S6 位于出水口附近，能夠代表閱海湖不同水文條件及人類活動(dòng)對(duì)水環(huán)境的影響。采樣時(shí)間為2020 年1月（冬季）、4 月（春季）、7 月（夏季）、10 月（秋季），具體采樣點(diǎn)位置如圖1 所示。

1.2 樣品的采集和測(cè)定

水樣采集按照采樣技術(shù)指導(dǎo)（HJ494—2009）、采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)（HJ495—2009）和水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)（HJ493—2009）要求進(jìn)行。水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及規(guī)范包括水溫（WT）、pH、溶解氧（DO），透明度（SD）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，氨氮（NH3-N，《HJ535—2009》）、總磷（TP，《GB/T11893—1989》）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn，《GB/T11892—92》）、總 氮（TN，《HJ636-2012》）、葉綠素 a（Chl-a，《SL 88—2012》）等指標(biāo)帶回測(cè)定。

1.3 綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

選取Chl-a、TP、TN、SD和CODMn作為評(píng)價(jià)因子［2］。

1.4 基于層次分析法確定權(quán)重的綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

1.4.1 層次分析法確定權(quán)重 采用改進(jìn)的層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，先由專家對(duì)各指標(biāo)之間的相對(duì)重要性進(jìn)行評(píng)判打分，構(gòu)造判斷矩陣，得出各指標(biāo)的權(quán)重［3］。

1.4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取和得分 在確定各項(xiàng)指標(biāo)閾值和標(biāo)準(zhǔn)中，各指標(biāo)以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838—2002）》確定級(jí)別，并對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦分，一類為100 分，二類為90 分，三類為80 分，四類為70分，五類為 60 分。WT、pH、SD 這 3 個(gè)指標(biāo)均按 60 分計(jì)［4］。

1.4.3 富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)分級(jí) 采用綜合指數(shù)法對(duì)閱海湖富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行評(píng)價(jià)［5］。綜合評(píng)價(jià)值的表達(dá)式如下。

式中，P總為富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)得分，Wi為指標(biāo)權(quán)重值，Li為指標(biāo)得分，i為評(píng)價(jià)指標(biāo)總個(gè)數(shù)。富營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為80≤P總為貧營(yíng)養(yǎng)，70≤P總＜80 為中營(yíng)養(yǎng)，60≤P總＜70 為富營(yíng)養(yǎng)，P總≤60 為高富營(yíng)養(yǎng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 閱海湖水體指標(biāo)分析

2.1.1 閱海湖水體物理指標(biāo)分析 由表1 可知，WT在四季中波動(dòng)幅度較大，秋季W(wǎng)T 最高，冬季W(wǎng)T 最低。pH 四季變化幅度不大，冬季較高，呈弱堿性。DO 季節(jié)變化幅度較大，冬季最高，DO 隨WT 升高而降低。SD 四季變化幅度不大。

表1 閱海湖水體物理指標(biāo)

2.1.2 閱海湖水體化學(xué)指標(biāo)分析 由圖2 可知，閱海湖水體夏季Chl-a 最低，春季最高，由大到小依次為春季＞秋季＞冬季＞夏季，季節(jié)分布特征明顯。各點(diǎn)位間 Chl-a 值由大到小依次為 S5＞S4＞S6＞S3＞S2＞S1，各點(diǎn)位間差異較大。在NH3-N 方面，春、秋季的含量大于夏、冬季；春季S4 和S6 點(diǎn)位，夏季S2 點(diǎn)位，秋季S1 點(diǎn)位的NH3-N 含量明顯高于其他季節(jié)。各季節(jié)TN 含量由大到小依次為秋季＞夏季＞冬季＞春季，各點(diǎn)位間差異較為明顯，其中S2、S5、S6 點(diǎn)位TN含量相對(duì)較高。秋季TP 含量最高，遠(yuǎn)大于其他季節(jié)，春、夏、冬季含量變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定。S3、S5、S6含量遠(yuǎn)大于其他點(diǎn)位。夏季CODMn含量遠(yuǎn)大于其他季節(jié)，各點(diǎn)位間CODMn含量差異不大。

圖2 閱海湖水體化學(xué)指標(biāo)

2.2 綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

由表2 可知，閱海湖整體富營(yíng)養(yǎng)化水平為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，秋季整體營(yíng)養(yǎng)化水平高于其他季節(jié)。其中，S1 點(diǎn)位春、秋季呈輕度富營(yíng)養(yǎng)化，夏、冬季為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；S2 點(diǎn)位春、冬季呈中營(yíng)養(yǎng)化，夏、秋季為輕度富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；S3 點(diǎn)位秋季情況較差，呈現(xiàn)為中度富營(yíng)養(yǎng)化；春、夏和冬季呈現(xiàn)輕度富營(yíng)養(yǎng)化；S4點(diǎn)位春、夏和秋季呈現(xiàn)輕度富營(yíng)養(yǎng)化，冬季為中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)；S5 點(diǎn)位夏、冬季呈輕度富營(yíng)養(yǎng)化，春季呈中營(yíng)養(yǎng)化，秋季情況差，為中度富營(yíng)養(yǎng)化；S6 點(diǎn)位秋季情況較差，為中度富營(yíng)養(yǎng)化，春、夏季呈輕度富營(yíng)養(yǎng)化，冬季呈中營(yíng)養(yǎng)化。秋季營(yíng)養(yǎng)級(jí)別高，主要是TN、TP營(yíng)養(yǎng)鹽在秋季含量高，說(shuō)明TN、TP 是水體營(yíng)養(yǎng)化的主要影響因子。

表2 基于綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)法的營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

2.3 基于層次分析法改進(jìn)的綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)只包含了 Chl-a、TP、TN、SD 和CODMn幾種指標(biāo)，而影響富營(yíng)養(yǎng)化的指標(biāo)遠(yuǎn)不止這些指標(biāo)，導(dǎo)致分析結(jié)果不全面。層次分析法可以將更多的指標(biāo)納入評(píng)價(jià)體系中，使評(píng)價(jià)結(jié)果更為合理。

2.3.1 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重及指標(biāo)得分 根據(jù)閱海湖的水文特征和水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果，建立閱海湖水域富營(yíng)養(yǎng)狀況的遞階層次結(jié)構(gòu)（圖3）。

圖3 閱海湖水域富營(yíng)養(yǎng)狀況遞階層次結(jié)構(gòu)

1）綜合營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)（標(biāo)度，權(quán)重值）。構(gòu)造矩陣A-B，得到成對(duì)比較矩陣（表3）。得到歸一化特征向量w=（0.75，0.25）T。

表3 A-B 層矩陣

2）營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)（標(biāo)度，權(quán)重值）。構(gòu)造矩陣B1-C，得到對(duì)比較矩陣（表4）。歸一化特征向量w=（0.514 0，0.210 0，0.061 4，0.079 3，0.135 3）T。

表4 B1-C 層矩陣

3）耗氧物指標(biāo)（標(biāo)度，權(quán)重值）。構(gòu)造矩陣B2-C，得到成對(duì)比較矩陣（表5）。

表5 B2-C

得歸一化特征向量w=（0.48，0.24，0.21，0.07）T。

各指標(biāo)歸一化權(quán)重值見(jiàn)表6，根據(jù)權(quán)重計(jì)算各采樣點(diǎn)位的指標(biāo)得分。

表6 各指標(biāo)歸一化權(quán)重值

2.3.2 富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)分級(jí) 閱海湖的營(yíng)養(yǎng)化分級(jí)結(jié)果見(jiàn)圖4。閱海湖整體為貧-中營(yíng)養(yǎng)化，全年秋季營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)低，即營(yíng)養(yǎng)化級(jí)別高。其中，S1 點(diǎn)位春、秋季呈現(xiàn)中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，夏、冬季呈現(xiàn)貧營(yíng)養(yǎng)化；S2 點(diǎn)位夏、冬季呈現(xiàn)貧營(yíng)養(yǎng)化，春、秋季呈現(xiàn)中營(yíng)養(yǎng)化；S3點(diǎn)位夏、冬季呈現(xiàn)貧營(yíng)養(yǎng)化，春季呈現(xiàn)中營(yíng)養(yǎng)化，秋季呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)；S4 點(diǎn)位夏季呈現(xiàn)貧營(yíng)養(yǎng)化，春、秋、冬季呈現(xiàn)中營(yíng)養(yǎng)化；S5 點(diǎn)位春季呈現(xiàn)中營(yíng)養(yǎng)化，夏、冬季為貧營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，秋季呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化；S6點(diǎn)位夏、冬季呈現(xiàn)貧營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，春、秋季為富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

圖4 基于層次分析法富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)

對(duì)2 種方法評(píng)價(jià)富營(yíng)養(yǎng)化的結(jié)果進(jìn)行比較，均為秋季營(yíng)養(yǎng)級(jí)別明顯高于其他季節(jié)，造成營(yíng)養(yǎng)等級(jí)高的因子是TN 和TP。綜合營(yíng)養(yǎng)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，閱海湖整體呈輕度富營(yíng)養(yǎng)化，其中點(diǎn)位S3、S5、S6 在秋季呈現(xiàn)中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，用層次評(píng)價(jià)法改進(jìn)的指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示閱海湖整體呈現(xiàn)貧-中營(yíng)養(yǎng)化，其中點(diǎn)位 S3、S5、S6 在秋季為富營(yíng)養(yǎng)化，S6 的春季也為富營(yíng)養(yǎng)化。層次分析法確定權(quán)重的指數(shù)進(jìn)行富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)時(shí)指標(biāo)更為全面，因此營(yíng)養(yǎng)化程度也相對(duì)較高，更能客觀反映閱海湖的富營(yíng)養(yǎng)化程度。

2.4 富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)與水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性

由 表 7 可 知 ，2020 年 閱 海 湖TLI值 與 Chl-a、NH3-N、TN、TP、WT 指標(biāo)呈顯著正相關(guān)，秋季的富營(yíng)化程度最高，TN、TP 秋季含量明顯高于其他季節(jié)，相關(guān)研究表明，N、P 營(yíng)養(yǎng)鹽是藻類生長(zhǎng)所必需的元素，決定了藻類的生長(zhǎng)，因此N、P 營(yíng)養(yǎng)鹽是影響水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因子。Chl-a 的含量在一定程度上能代表富營(yíng)養(yǎng)化程度，Chl-a 與 NH3-N、TP、TN 呈正相關(guān)，進(jìn)一步確定了造成富營(yíng)養(yǎng)的因素主要是N、P 營(yíng)養(yǎng)鹽。N、P 污染可能來(lái)源于農(nóng)田灌溉退水，閱海湖的補(bǔ)水源主要為典農(nóng)河，雖沒(méi)有工業(yè)和生活污染源直接排入典農(nóng)河，但良渠溝與典農(nóng)河間接相連，良渠溝屬于接納生活、工業(yè)廢水、農(nóng)田退排水的排污溝，由于良渠溝與典農(nóng)河交叉口虹吸管道設(shè)計(jì)通過(guò)流量偏小，當(dāng)良渠溝水量大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致良渠溝上游農(nóng)田受淹，上游農(nóng)民會(huì)打開(kāi)良渠溝設(shè)置應(yīng)急排放閘口，將水向典農(nóng)河排放，導(dǎo)致典農(nóng)河水體受污染，致使農(nóng)田灌溉退水中的N、P 營(yíng)養(yǎng)鹽沿著典農(nóng)河流入閱海湖，致使閱海湖富營(yíng)養(yǎng)化。除農(nóng)田退排水中的N、P 影響外，補(bǔ)水不足，排水不暢，水體循環(huán)受限，也可能會(huì)造成典農(nóng)河水體污染和富營(yíng)養(yǎng)化繼而影響閱海湖，最終導(dǎo)致閱海湖水體富營(yíng)養(yǎng)化。

表7 閱海湖富營(yíng)養(yǎng)化與水質(zhì)指標(biāo)person 相關(guān)性

pH、SD、DO 與Chl-a 均呈負(fù)相關(guān)，pH、SD、DO 與水體富營(yíng)養(yǎng)化也存在一定聯(lián)系。秋季的富營(yíng)化程度最高，同時(shí)WT 也是最高的，即WT 會(huì)影響富營(yíng)養(yǎng)化。pH、DO、CODMn與TLI呈負(fù)相關(guān)，研究顯示當(dāng)富營(yíng)養(yǎng)化過(guò)高時(shí)，會(huì)負(fù)反饋于藻類使溶解氧下降，因此pH、DO、CODMn可能是富營(yíng)養(yǎng)化的表現(xiàn)因子［6］。SD 與TN呈正相關(guān)，而SD 的濃度主要與湖泊的懸浮物和藻類生長(zhǎng)繁殖的數(shù)量有關(guān)，受N 源影響較大，因此SD 也可能是富營(yíng)養(yǎng)化的表現(xiàn)因子［7］。

3 小結(jié)

1）閱海湖富營(yíng)養(yǎng)化水平具有較強(qiáng)的季節(jié)性變化。春、秋季營(yíng)養(yǎng)化程度高，夏、冬季營(yíng)養(yǎng)化程度低。

2）層次分析法評(píng)價(jià)時(shí)指標(biāo)更為全面，評(píng)價(jià)值相對(duì)較高，更能客觀反映閱海湖的富營(yíng)養(yǎng)化程度。

3）影響閱海湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素是N、P營(yíng)養(yǎng)鹽，富營(yíng)養(yǎng)化程度的季節(jié)差異主要?dú)w因于WT，建議控制N、P 的含量。