許康，徐煥志，王曉艷，胡建坤，陸阿定

(1.浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316022;2.浙江海洋學(xué)院國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)中心，浙江 舟山 316022;3.浙江省海洋開發(fā)研究院，浙江 舟山 316021)

近年來，隨著沿海地區(qū)海洋經(jīng)濟的發(fā)展和人類海洋活動的不斷增加，海水污染日益嚴重，海洋環(huán)境問題日益突出，導(dǎo)致赤潮等富營養(yǎng)化現(xiàn)象日益頻發(fā)，對沿海的生態(tài)環(huán)境和養(yǎng)殖捕撈等造成了很大影響。目前形勢嚴峻，沿海各國面臨著海水富營養(yǎng)化這一突出問題?，F(xiàn)在，海水富營養(yǎng)化問題也深深困擾著我國，我國海岸線漫長，海域面積廣闊，各海區(qū)水質(zhì)均受到不同程度的海水富營養(yǎng)影響。根據(jù)《2010年中國海洋環(huán)境狀況公報》［1］發(fā)布的數(shù)據(jù)，2010年我國沿海污染面積嚴重，僅劣IV類嚴重污染的海域面積就有約48 000 km2之多。因此，正確評價海水的富營養(yǎng)化程度，對今后的環(huán)境治理尤為緊要。

當前，單項指標法、灰色聚類法、富營養(yǎng)化指數(shù)法、模糊綜合評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等是重要的海水富營養(yǎng)評價方法［2-6］，這些方法各具特點但又存在不足之處。目前為止，有關(guān)海水富營養(yǎng)化評估的方法尚未統(tǒng)一。韋伯-費希納定律(以下簡稱為W-F定律)，最先應(yīng)用在心理學(xué)和聲學(xué)方面，將心理量與刺激量以一種對數(shù)關(guān)系呈現(xiàn)出來［7-9］。近年來，根據(jù)其基本涵義，W-F定律已廣泛應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量評價中［10-13］，并得到了合理的評價結(jié)果。

本研究首次將W-F定律應(yīng)用于海水水質(zhì)富營養(yǎng)化評價中，以中街山列島海域水質(zhì)為例，旨在提供一種客觀、準確評價海水水質(zhì)富營養(yǎng)化程度的方法。

1 評價模型

W-F定律作為心理物理學(xué)公式，將人類感受強度與外界環(huán)境情況刺激強度之間的相關(guān)情況進行了定量描述，從而確定出感覺閾限和測量刺激這一物理量和心理學(xué)的相關(guān)關(guān)系［13］57。

W-F定律基本表達式為

式中:k為人體感受的反應(yīng)量;c作為外界情況的刺激強度;α是韋伯常數(shù)。

將W-F定律應(yīng)用于海水水質(zhì)富營養(yǎng)化評價，基于以下3點假設(shè):①將外界刺激量c定義為海水某一指標的富營養(yǎng)化質(zhì)量濃度。②將人體反應(yīng)量k定義為該指標對人體的影響程度。③α由富營養(yǎng)化指標的性質(zhì)決定的，對于同一指標α為常數(shù);但在環(huán)境質(zhì)量中，往往涉及多個污染指標，α視為各污染指標的權(quán)重［10］37。

基于上述假設(shè)，W-F定律函數(shù)關(guān)系可表示為

式中:kij為i個監(jiān)測點的第j個水質(zhì)富營養(yǎng)化指標對人體的危害影響程度;αij為i個監(jiān)測點的第j個水質(zhì)富營養(yǎng)化指標的權(quán)重;cij為i個監(jiān)測點的第j個水質(zhì)富營養(yǎng)化指標的質(zhì)量濃度標準化值;cij+1的目的是使lg(cij+1)＞0，運用數(shù)學(xué)的方法證明對結(jié)果不存在影響。

1.1 水質(zhì)富營養(yǎng)化指標權(quán)重的確定

通過變異系數(shù)的方法，確定水質(zhì)富營養(yǎng)化指標的權(quán)重值。如果某個指標的變異系數(shù)較高，則該指標的個體狀況差別就會顯而易見，因此可以作為評價的主要根據(jù)［14］。計算公式［12］114為

式中:cij為在第i個監(jiān)測點的第j個水質(zhì)富營養(yǎng)化指標初始測得的水質(zhì)數(shù)據(jù);sj3為第j個水質(zhì)富營養(yǎng)化指標的海水富營養(yǎng)化三級標準值;p為水質(zhì)富營養(yǎng)評價過程所選取的水質(zhì)富營養(yǎng)化指標的個數(shù)。數(shù)據(jù)經(jīng)標準化處理，消除了量綱對結(jié)果的影響。

1.2 綜合影響指數(shù)ki值的確定

構(gòu)造綜合的評價指數(shù)ki，即

式中ki為第i個水質(zhì)監(jiān)測點對人體的綜合影響指數(shù)。ki綜合反映了第i個水質(zhì)監(jiān)測點外界環(huán)境對人體的危害程度，也從側(cè)面反映了環(huán)境的優(yōu)劣［13］58。

基于W-F定律，以水質(zhì)指標質(zhì)量濃度作為外界刺激量，以水質(zhì)富營養(yǎng)化程度作為人體反應(yīng)程度，來構(gòu)造海水水質(zhì)富營養(yǎng)化評價模型，最終確定海水水質(zhì)富營養(yǎng)化的程度。

2 應(yīng)用實例

2.1 案例概況

中街山列島網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)的海域隸屬于舟山漁場分，同時位于中街山列島國家級海洋特別保護區(qū)內(nèi)［15］。近年，隨著人類海上活動的日益頻繁，海水養(yǎng)殖業(yè)和近海岸工業(yè)的崛起，中街山列島海區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境日益惡化，水質(zhì)明顯下降，以劣Ⅳ類水質(zhì)為主［16］。本研究以中街山列島養(yǎng)殖海域11個調(diào)查站點水質(zhì)為例，進行海水水質(zhì)富營養(yǎng)化評價研究。監(jiān)測值、監(jiān)測站點［15］50分別見表1、圖1。

表1 中街山列島養(yǎng)殖海域11個監(jiān)測點的監(jiān)測值 mg·L-1

圖1 中街山海域調(diào)查站位圖

2.2 評價標準的確定

以相關(guān)性、可操作性和科學(xué)性為原則，選取的評價標準有 COD、DIN(總無機氮，NH4-N、NO2-N、NO3-N 之和)、PO4-P、Chl-a、DO。本研究對表層水進行測定，測定方法依據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范》［17］和《海洋監(jiān)測規(guī)范》［18］中的方法進行。參考海水質(zhì)量標準［19］和文獻［20-24］制定的中街山列島海水富營養(yǎng)評價標準，如表2所示。

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)選取 COD、DO、DIN、PO4-P、Chl-a等5個指標。將表2中數(shù)值進行標準化，其中DO為反向指標，取其倒數(shù)進行計算，其標準化的結(jié)果見表3。針對表3的數(shù)值，根據(jù)式(2)～(4)計算ki值，確定海水富營養(yǎng)化等級與ki值得對應(yīng)關(guān)系:ki≤0.189為第Ⅰ類貧營養(yǎng)級;0.189＜ki≤0.256為第Ⅱ類中營養(yǎng)級;0.256＜ki≤0.301為第Ⅲ類富營養(yǎng)級。

表2 海水富營養(yǎng)化評價標準 mg·L-1

表3 海水富營養(yǎng)化標準數(shù)值標準化結(jié)果

2.3 評價結(jié)果

對表1中的檢測數(shù)據(jù)按表3的標準化結(jié)果進行標準化，再按照上述公式，經(jīng)計算得出中街山列島網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域各監(jiān)測站點的綜合影響指數(shù)值，從而根據(jù)海水富營養(yǎng)化等級標準對應(yīng)的ki值分級確定各監(jiān)測點的海水富營養(yǎng)化等級，并與富營養(yǎng)化指數(shù)法［25］的評價結(jié)果進行比較，2種方法的評價結(jié)果及比較見表4。

表4 W-F法和富營養(yǎng)化指數(shù)法的評估結(jié)果對比

表4(續(xù))

3 結(jié)果與討論

由表4可知，本研究應(yīng)用 W-F定律評價2010—2011年中街山列島養(yǎng)殖海域11個站點、3個航次的海水富營養(yǎng)化狀況。比對富營養(yǎng)化指數(shù)法與W-F定律評價法結(jié)果，兩者既存在相同之處，又有差異。通過表4分析可得:監(jiān)測的11個站點的33個樣品中，有17個(51.52%)樣品的分析結(jié)果一致;10個(30.30%)樣品的分析結(jié)果顯示W(wǎng)-F評價的水質(zhì)等級優(yōu)于富營養(yǎng)化指數(shù)法;其余6個(18.18%)的W-F水質(zhì)評價等級劣于富營養(yǎng)化指數(shù)法。

2種評價方法評價結(jié)果都顯示中街山列島養(yǎng)殖海域在2010、2011年海水水質(zhì)富營養(yǎng)化相對嚴重，尤其是st.1和st.4監(jiān)測點海水富營養(yǎng)化最為嚴重;2010、2011年，st.11監(jiān)測點經(jīng)2種評價方法得出的評價等級相同;與2010年相比，2011年8個監(jiān)測點的海水水質(zhì)富營養(yǎng)化更為嚴重。

在W-F法評價等級劣于富營養(yǎng)化指數(shù)法的6個水樣，評價結(jié)果差異最大的是2011年2月、5月的st.5監(jiān)測點，與富營養(yǎng)化指數(shù)法相比，相差2個評價等級，W-F評價等級均顯示為等級Ⅲ，富營養(yǎng)化指數(shù)法均顯示為等級Ⅰ。根據(jù)水質(zhì)指標的質(zhì)量濃度具體分析得出，Chl-a濃度超過海水富營養(yǎng)化標準(見表2)3～4倍，因富營養(yǎng)化指數(shù)法未考慮Chl-a的影響，故W-F法評價該水樣的等級為Ⅲ較合理。

在W-F法評價等級優(yōu)于富營養(yǎng)化指數(shù)法的10個水樣中，評價結(jié)果差異最大的為2010年11月st.2、st.4監(jiān)測點的水樣，W-F評價法均顯示等級為Ⅰ，富營養(yǎng)化指數(shù)法均顯示等級為Ⅲ。針對具體水質(zhì)指標分析，除DIN、PO4-P 2項指標的質(zhì)量濃度超過等級Ⅲ，Chl-a指標質(zhì)量濃度略微超過等級Ⅰ，其余2項指標均符合等級Ⅰ，DIN、PO4-P 2項指標對富營養(yǎng)化指數(shù)法的評價影響比較大。因此綜合分析，W-F法評價的水樣等級為Ⅰ較客觀準確。

經(jīng)過實例應(yīng)用結(jié)果表明，W-F法用于海水富營養(yǎng)化評價是可行的、科學(xué)合理的，能較好地反映中街山列島富營養(yǎng)化的真實水平，可為海水富營養(yǎng)化監(jiān)控提供有效的科學(xué)依據(jù)。

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