2016—2021年海河干流天津市區(qū)段水質(zhì)評價(jià)

王娟娟，張素青，王寶峰，王德興，吳玉凡，王夢玉

（1.天津市農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心，天津 300193；2.天津市食品安全檢測技術(shù)研究院，天津 300380）

近年來，隨著中國城市化進(jìn)程的加快和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，隨之帶來的水域環(huán)境污染問題日益突出，漁業(yè)水域環(huán)境的質(zhì)量劣化和生態(tài)功能衰退已成為制約中國漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要問題。

海河流域是中國七大流域之一，包括海河、灤河、徒駭馬頰河3 個(gè)水系。其中海河水系包括北三河（北運(yùn)河、薊運(yùn)河、潮白河）、永定河、大清河、子牙河、黑龍港、運(yùn)東地區(qū)（南排河、北排河）、漳衛(wèi)河等河系。海河干流起源于天津市三岔口[1]，西起金鋼橋，東至入?？?，橫貫天津市區(qū)、東麗區(qū)以及津南區(qū)，于濱海新區(qū)塘沽匯入渤海，是海河流域最重要行洪排澇入海河道。海河干流全長72 km，河面平均寬度約100 m[2]。海河二道閘建立后，將海河干流水體一分為二，海河二道閘上游水體為淡水，下游水體受潮汐影響，鹽度變化較大，形成了兩種不同的水體環(huán)境。

據(jù)《2020年中國漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》[3]記載，2019年天津市淡水養(yǎng)殖面積23 087 hm2，其中池塘養(yǎng)殖面積22 739 hm2，水庫養(yǎng)殖面積220 hm2，河溝養(yǎng)殖面積23 hm2，其他養(yǎng)殖面積105 hm2。

海河干流是天津市內(nèi)陸?zhàn)B殖用水的重要來源，為探清該水域水質(zhì)狀況，充分發(fā)揮其生態(tài)功能和作用，2016—2021年筆者對該水域天津市區(qū)段高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷、石油類、溶解氧、pH、葉綠素a 等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，以期為海河干流的增殖放流和漁業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 調(diào)查與評價(jià)方法

1.1 調(diào)查時(shí)間與范圍

在海河干流天津市區(qū)段共設(shè)置監(jiān)測站位3 個(gè)（表1），監(jiān)測水域面積330 hm2。每個(gè)站位分別在2016—2021年的5月（枯水期）、7月（豐水期）、9月（平水期）進(jìn)行采樣。

表1 海河干流天津市區(qū)段監(jiān)測站位經(jīng)緯度

1.2 監(jiān)測項(xiàng)目與檢測方法

水質(zhì)監(jiān)測項(xiàng)目：高錳酸鹽指數(shù)、總氮、總磷、石油類、溶解氧、pH、葉綠素a。樣品采集和檢測方法按照《SC/T 9102.3—2007 漁業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測規(guī)范 第3 部分：淡水》的要求執(zhí)行。

1.3 評價(jià)方法

海河干流天津市區(qū)段的水質(zhì)狀況采用熵權(quán)模糊綜合評價(jià)法，遵照最大隸屬度原則進(jìn)行水質(zhì)的模糊綜合評價(jià)及水質(zhì)的分級計(jì)算[4]。熵是系統(tǒng)狀態(tài)的不確定性程度，在評價(jià)系統(tǒng)中，某項(xiàng)指標(biāo)值變異程度越大，信息熵就越小，提供的有效信息就越多，其對應(yīng)的權(quán)重也就越大。反之，某項(xiàng)指標(biāo)值變異程度越小，信息熵就越大，提供的有效信息就越少，其對應(yīng)的權(quán)重也就越小。若在評價(jià)過程中被評價(jià)對象在某項(xiàng)指標(biāo)完全不變時(shí)，信息熵達(dá)到最大，表明該指標(biāo)未提供任何有價(jià)值的信息，可以將其從評價(jià)體系中剔除。因此，熵權(quán)是一種客觀的賦值方法，在對水質(zhì)進(jìn)行模糊評價(jià)中，運(yùn)用各項(xiàng)指標(biāo)的變異程度，通過熵的計(jì)算來確定權(quán)重。

1.3.1 建立評價(jià)因子集 假設(shè)評價(jià)指標(biāo)中，參與評價(jià)的m個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)際測定濃度組成的模糊子集為：

U={x1，x2，x3，…，xi，…，xm}，其中，xi為評價(jià)參數(shù)i的實(shí)測結(jié)果。

1.3.2 模糊評價(jià)集的建立 評價(jià)集為每一個(gè)評價(jià)對象所有會獲得的評價(jià)結(jié)果的集合，水質(zhì)質(zhì)量的評價(jià)集即m個(gè)水質(zhì)指標(biāo)相對應(yīng)的n個(gè)水質(zhì)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級的集合，可表示為：

V={V1，V2，…，Vj，…，Vn}，其中，Vj為評價(jià)參數(shù)xi的n個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級。

依據(jù)《GB 3838-2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，地表水分為5 類，因此確定評價(jià)集為S={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。本研究選取的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值見表2。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值 mg·L-1

1.3.3 建立模糊關(guān)系矩陣 在U 和V 都確定之后，通過對每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，得出每個(gè)指標(biāo)與各個(gè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的模糊關(guān)系，進(jìn)而建立模糊關(guān)系矩陣R：

式中：m為評價(jià)因子數(shù)量，i=1，2，…，m；n為水體的級別，j=1，2，…，n。

若水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)以數(shù)值小為優(yōu)，則其隸屬函數(shù)采用偏小型分布（如CODMn等），一般情況下采用降半梯形分布來描述，而溶解氧則與其相反，以數(shù)值大為優(yōu)，則采用偏大型分布。

對于偏小型分布，各評價(jià)指標(biāo)濃度的隸屬度函數(shù)的建立方法如下：

第Ⅰ級水對應(yīng)的第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)可表示為：

第j級水對應(yīng)的第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)可表示為：

第n級水對應(yīng)的第i項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)可表示為：

rij表示第i種污染物其環(huán)境因子的測定數(shù)值，可以判定為第j級水環(huán)境質(zhì)量的可能性，即第i項(xiàng)指標(biāo)對第j級水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度。

1.3.4 權(quán)重的確定 若評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)對象分別為m和n，則原始矩陣可形成為R′=m×n。

對該矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，可得到：R=（rij）m×n。其中：rij為第j個(gè)評價(jià)對象在某個(gè)評價(jià)指標(biāo)上的標(biāo)準(zhǔn)值，rij∈∈[0,1]。其中：對大為優(yōu)的某指標(biāo)而言，

對小為優(yōu)的某指標(biāo)而言：

1.3.5 熵值的計(jì)算 在評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)對象分別為m 和n 的評價(jià)體系中，對于第i 個(gè)評價(jià)指標(biāo)的熵為：

式中：i=1，2，…，m；，并規(guī)定當(dāng)fij=0 時(shí)，fijlnn=0。

1.3.6 熵權(quán)的計(jì)算 在熵值計(jì)算的基礎(chǔ)上，計(jì)算第i項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)，其公式如下：

式中：0 ≤wi≤1，。

1.4 水質(zhì)富營養(yǎng)化評價(jià)

根據(jù)修正的卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法（TSIM），以Chl-a作為基準(zhǔn)參數(shù)，選擇TN、TP、CODMn、Chl-a4 項(xiàng)主要指標(biāo)作為水體富營養(yǎng)化程度的評價(jià)指數(shù)。其計(jì)算公式如下：

式中：TLI（∑）為評價(jià)水域的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；TLI（j）為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為第j種參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的權(quán)重。

以Chl-a為基準(zhǔn)參數(shù)，第j種參數(shù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)權(quán)重為：

式中：rij為第j種參數(shù)與基準(zhǔn)參數(shù)Chl-a的相關(guān)系數(shù)；m為評價(jià)參數(shù)的數(shù)量。

Chl-a與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系rij和值見表3。

表3 Chl-a 與水質(zhì)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

評價(jià)水域的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TLI 的計(jì)算公式見（12）～（15）。

湖泊營養(yǎng)狀態(tài)的分級采用1 ～100 的連續(xù)數(shù)字表示。在同一營養(yǎng)狀態(tài)級別，指數(shù)值越高，其營養(yǎng)程度越高：

TLI（Σ）＜30 為貧營養(yǎng)（Oligotropher）；

30 ≤TLI（Σ）≤50 為中營養(yǎng)（Mesotropher）；

TLI（Σ）＞50 為富營養(yǎng)（Eutropher）；

50 ＜TLI（Σ）≤60 為輕度富營養(yǎng)（Light eutropher）；

60 ＜TLI（Σ）≤70 為中度富營養(yǎng)（Middle eutropher）；

TLI（Σ）＞70 為重度富營養(yǎng)（Hyper eutropher）。

2 水質(zhì)評價(jià)結(jié)果

2.1 熵權(quán)模糊綜合評價(jià)結(jié)果

模糊關(guān)系矩陣R 表示每個(gè)因子的實(shí)際測定值對每級水體質(zhì)量的隸屬度。由各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)來計(jì)算水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果的隸屬矩陣，如海河干流天津市區(qū)段2016年5月水質(zhì)隸屬矩陣依次為：

依照相同的方法建立其他監(jiān)測時(shí)間的模糊關(guān)系矩陣，在此不一一列出。

模糊關(guān)系矩陣與熵權(quán)進(jìn)行合成運(yùn)算，從而得到各評價(jià)對象的模糊綜合評價(jià)集，定義為：

式（17）中，K為模糊綜合評價(jià)結(jié)果；W為由表4 得到的各評價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)；R為由（16）得到的模糊關(guān)系矩陣。

2016—2021年海河干流天津市區(qū)段水質(zhì)監(jiān)測模糊綜合評價(jià)結(jié)果見表5。由監(jiān)測模糊綜合評價(jià)結(jié)果得出，2016年5月、7月、9月海河干流天津市區(qū)段水質(zhì)始終處于地表水質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)；從2017年開始，海河干流天津市區(qū)段水質(zhì)趨于向好，2017年7月為Ⅳ類水，5月、9月均達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；2018年海河干流天津市區(qū)段水質(zhì)5月、9月均為Ⅲ類水，7月處于Ⅴ類水；2019年海河干流天津市區(qū)段5月、7月為Ⅲ類水，9月達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；2020年5月、7月、9月海河干流天津市區(qū)段均為Ⅲ類水；2021年海河干流天津市區(qū)段5月為Ⅰ類水，7月為Ⅳ類水，9月為Ⅲ類水。根據(jù)《GB 3838—2002 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境功能和保護(hù)目標(biāo)》，Ⅲ類水主要適用于集中式生活飲用水、地表水源地二級保護(hù)區(qū)、魚蝦類越冬場、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū)。2016—2021年水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，海河干流天津市區(qū)段水質(zhì)狀況從2017年開始得到持續(xù)改善，2019年9月和2021年5月更是達(dá)到Ⅰ類水水平，基本滿足魚蝦類越冬場、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域用水要求。水質(zhì)狀況年內(nèi)變化特征為呈季節(jié)性變化，7月（豐水期）水質(zhì)狀況劣于5月（枯水期）和9月（平水期）。

表5 2016—2021年海河干流天津市區(qū)段水質(zhì)監(jiān)測模糊綜合評價(jià)結(jié)果

2.2 水質(zhì)富營養(yǎng)化評價(jià)結(jié)果

采用綜合營養(yǎng)指數(shù)法評價(jià)海河干流天津市區(qū)段水質(zhì)富營養(yǎng)化狀態(tài)。由表6 可以看出，2016—2021年監(jiān)測水域綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為53.20 ～97.08，營養(yǎng)狀態(tài)分級為輕度富營養(yǎng)化—重度富營養(yǎng)化狀態(tài)。2016年監(jiān)測水域呈現(xiàn)中度富營養(yǎng)狀態(tài)—重度富營養(yǎng)狀態(tài)，而后富營養(yǎng)狀態(tài)逐漸好轉(zhuǎn)，到2021年監(jiān)測水域逐步演變?yōu)橹卸雀粻I養(yǎng)狀態(tài)—輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，年際變化明顯，水質(zhì)趨向變好。2021年海河干流天津市區(qū)段水質(zhì)富營養(yǎng)化狀態(tài)比較，富營養(yǎng)化程度為7月＞9月＞5月。

表6 海河干流天津市區(qū)段水質(zhì)富營養(yǎng)化狀態(tài)

本次富營養(yǎng)化狀態(tài)調(diào)查表現(xiàn)為7月（豐水期）較其他月份嚴(yán)重，主要是由于隨著工業(yè)和城市化的發(fā)展，含有大量氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的工業(yè)廢水、農(nóng)田瀝水以及生活污水隨著雨水和污水排入河道，當(dāng)水域中營養(yǎng)物質(zhì)較多時(shí)，藻類等浮游生物大量繁殖，從而造成監(jiān)測水域富營養(yǎng)化加劇、水質(zhì)下降，表現(xiàn)為7月總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)顯著升高。

3 結(jié)論與討論

監(jiān)測表明，2021年海河干流天津市區(qū)段水質(zhì)呈季節(jié)性變化，7月（豐水期）水質(zhì)情況要劣于其他月份，2016—2021年水質(zhì)狀況的年際變化為水質(zhì)總體有變好的趨勢。

海河干流天津市區(qū)段的污染物來源主要包括：作為行洪河道，天津市區(qū)的雨水和污水在汛期一同排入河道，再加上工業(yè)及生活污水非法排入河道，致使河道水質(zhì)下降，同時(shí)污染物沉積到河底，形成污染沉積物，是海河內(nèi)在的污染源；由于天津市水資源非常緊張，向海河補(bǔ)水的沿途河道均為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)田排灌兩用河道，農(nóng)田瀝水和居民生活污水均排入河道，故在海河補(bǔ)水的同時(shí)，水質(zhì)也會受到不同程度的污染；另外，水運(yùn)、旅游、工業(yè)及民用垃圾等也給海河帶來了污染。從監(jiān)測結(jié)果來看，水質(zhì)狀況季節(jié)性變化比較明顯，7月水質(zhì)劣于5月和9月，一方面，夏季氣溫升高，藻類及其他浮游生物迅速繁殖，溶解氧降低，造成水質(zhì)惡化；另一方面，汛期降雨量增大，雨水夾雜著污水一并排入到河道中，引起監(jiān)測水域水質(zhì)下降。

考慮到海河干流天津市區(qū)段水環(huán)境存在的大量模糊性和不確定性等問題，相對于傳統(tǒng)的單因子分析法的一票否決制，本研究進(jìn)行水質(zhì)模糊綜合評價(jià)，結(jié)合富營養(yǎng)化評價(jià)法，評價(jià)結(jié)果更為客觀、全面。