朱春燕, 梁新強, 周柯錦, 郭 茹, 苑俊麗, 金 熠, 茹秋凱

(1.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院環(huán)境保護研究所, 浙江 杭州 310058; 2.浙江省環(huán)境監(jiān)測中心， 浙江 杭州 310015)

使用熵權(quán)法劃分污染重點區(qū)域及識別主要污染因子

朱春燕1, 梁新強1, 周柯錦2, 郭 茹1, 苑俊麗1, 金 熠1, 茹秋凱1

(1.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院環(huán)境保護研究所, 浙江 杭州 310058; 2.浙江省環(huán)境監(jiān)測中心， 浙江 杭州 310015)

摘要：[目的] 對嘉興市污染重點區(qū)域進行劃分，并探明該區(qū)域主要污染因子。[方法] 在嘉興市及周邊地區(qū)的主要河道上設(shè)置29個監(jiān)測斷面，監(jiān)測指標包括CODCr，大腸桿菌總數(shù)，—N和TP。再利用熵權(quán)法將多個水質(zhì)參數(shù)轉(zhuǎn)化為一個綜合指數(shù)，通過對綜合指數(shù)進行分析。[結(jié)果] 嘉興市TN，TP超標嚴重，濃度范圍分別為2.60～10.52 mg/L，0.60～5.68 mg/L，均超過地表水水質(zhì)標準(GB3838—2002)中的Ⅴ類標準。29個監(jiān)測點的水質(zhì)綜合指數(shù)范圍為1.61～8.69。嘉興市的海鹽縣、平湖市交界處以及秀洲區(qū)中部綜合污染最嚴重，以此為中心向外污染程度逐漸降低，桐鄉(xiāng)、海寧西部及嘉善縣北部相對污染最輕。研究區(qū)中TP為主要污染因子，CODCr，大腸桿菌總數(shù)次之。[結(jié)論] 在污染總體較嚴重的地區(qū)，水質(zhì)綜合指數(shù)法可以較好地體現(xiàn)區(qū)域間污染程度的差異，通過比較同一監(jiān)測點不同水質(zhì)參數(shù)對綜合指數(shù)的貢獻還可獲得區(qū)域主要污染因子。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)綜合評價; 熵權(quán)法; 水質(zhì)分布; 重點污染因子

1材料與方法

1.1　評價區(qū)域概況

嘉興市位于浙江省東北部，是杭嘉湖平原的重要組成部分。近幾年，政府對污染控制的投入不斷加強，而水質(zhì)依舊有惡化趨勢[14]。一方面，由于嘉興地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展迅速，人口密度及工農(nóng)業(yè)密度均有一定程度的上升，污染負荷也呈增長趨勢；另一方面，嘉興市處于太湖流域末端，該地水體還受上游來水水質(zhì)的影響。2005年嘉興市117個水功能區(qū)中僅有2個水質(zhì)達標，整個區(qū)域污染嚴重。有研究[15]表明，當(dāng)?shù)厮w污染主要屬于富營養(yǎng)化物質(zhì)污染，主要污染因子包括COD及營養(yǎng)鹽，主要污染源為農(nóng)田過量施肥、畜禽糞水排放[16-19]。

1.2　參評指標選擇及分析

(2) 樣品2。使用無菌玻璃瓶儲存，加入10%的硫代硫酸鈉(Na2S2O3)及15%乙二胺四乙酸二鈉鹽(EDTA-Na2)，去除余氯及金屬離子，防止微生物活性受抑制，用以測定E.coli。

1.3　熵權(quán)法

熵權(quán)法計算水質(zhì)指數(shù)的過程與其它各類綜合指數(shù)法類似，可概括為：水質(zhì)監(jiān)測→分指數(shù)計算→確定權(quán)重→綜合指數(shù)計算。具體運算過程見公式(1—6)。

(1) 分指數(shù)計算。該步驟的目的在于統(tǒng)一各指標的監(jiān)測數(shù)值，使處于不同數(shù)量級別的數(shù)值轉(zhuǎn)換為同一水平，便于多因子加和計算。此處采用的超標倍數(shù)法是以地表水水質(zhì)標準為基準，將各監(jiān)測值轉(zhuǎn)換為標準值的倍數(shù)[3,20](公式1)。

Pij=Cij/Si

(1)

式中：Pij——i項指標第j個監(jiān)測點的分指數(shù)；Cij——i項指標第j個監(jiān)測點的實測值；Si——i指標Ⅲ類水標準標準值。

(2)i指標的權(quán)重ωi。這是綜合評價法中另一個重要概念，權(quán)重體現(xiàn)的是各個指標在評價體系中對評價結(jié)果的影響力，同樣超標倍數(shù)的指標值，權(quán)重越大在綜合指數(shù)中所占比例越大。熵權(quán)法中權(quán)重值與監(jiān)測指標數(shù)目n、監(jiān)測點數(shù)m都相關(guān)。首先利用熵值概念將各指標監(jiān)測值進行標準化(公式2)并求得熵值ei(公式3)，再計算得到初始權(quán)重，經(jīng)歸一化得到各指標的權(quán)重(公式4—5)。

Qij=Cij/(Ci1+Ci2+…+Cim)

(2)

(3)

ωi′=1-ei

(4)

(5)

式中：Qij——監(jiān)測值標準化結(jié)果； ei——i指標的熵值； m——監(jiān)測點數(shù)量，即樣本量[19]； ωi′——i指標初始權(quán)重； ωi——i指標歸一化后的權(quán)重。

(3) 綜合指數(shù)P。與其他加權(quán)法相同，為各指標權(quán)重與分指數(shù)乘積的和(公式6)。

(6)

式中：Pi——第j個監(jiān)測點綜合指數(shù)值；n——監(jiān)測指標數(shù)目。

2結(jié)果與分析

2.1　嘉興地區(qū)水系水質(zhì)概況

表1　嘉興市水系水質(zhì)基本情況

呂升等人[14]的研究也顯示嘉興地區(qū)水質(zhì)情況較差且有惡化趨勢。雖然相關(guān)部門對工業(yè)畜禽等點源的控制力度不斷加大，但由于農(nóng)村生活污水，農(nóng)田徑流、側(cè)滲等非點源難以監(jiān)控管理，同時因養(yǎng)殖密度、農(nóng)田施肥量較高[21]，N，P流失問題仍相當(dāng)嚴重。

監(jiān)測結(jié)果同時表明，在使用傳統(tǒng)的最差因子評價法時所有監(jiān)測點均處于劣Ⅴ類，無法進一步區(qū)分各點水質(zhì)污染等級，綜合指數(shù)法在當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)評價中確有其必要性。

2.2　嘉興市重點污染區(qū)域劃分

表2　參評指標的權(quán)重值

熵權(quán)法計算所得綜合指數(shù)分布在1.61～8.69之間(表3)。污染最嚴重區(qū)域在秀洲區(qū)，為監(jiān)測點7(紅旗橋)，該點超標情況最嚴重的是E.coli，監(jiān)測值為168 333個/L，超標倍數(shù)高達16.8，而E.coli在該點綜合指數(shù)中所占的比例也最大，為52.94%，使其成為該點首要污染因子。監(jiān)測點4(東塘橋)、19(青陽匯)、6(龍鳳大橋)、17(紅旗塘大壩)的污染也相對較嚴重，綜合指數(shù)均都超過6.0，分別為7.47，6.70，6.63，6.45。這4個點中，龍鳳大橋與紅旗橋地理位置較近，首要污染因子亦是E.coli，其余3個點主要污染因子則都是TP。整個區(qū)域最小綜合指數(shù)出現(xiàn)在嘉興西北邊部，最小值出現(xiàn)在監(jiān)測點26(南潯)，綜合指數(shù)為1.61，其次是監(jiān)測點25(烏鎮(zhèn)北)及監(jiān)測點28(大麻渡口)，兩者綜合指數(shù)均小于2，分別為1.74及1.85。

考慮到嘉興水系呈網(wǎng)狀分布且十分密集，本研究使用IDW插值法對綜合指數(shù)進行插值(圖1)。區(qū)域內(nèi)每個插值點的數(shù)值由距它最近的4個監(jiān)測點確定，插值點周邊監(jiān)測點的數(shù)值越大，兩者距離越近，插值點上的數(shù)值就越大。最終得到的結(jié)果分了8個等級，數(shù)值范圍在1.5～8.7之間。分析結(jié)果顯示，平湖市、海鹽縣交界區(qū)域及秀洲區(qū)部分區(qū)域所處污染等級最高，成為當(dāng)?shù)匚廴緡乐貐^(qū)域，需重點監(jiān)管。以這幾個區(qū)域為中心，向外延伸污染逐漸減輕。桐鄉(xiāng)、海寧西部及嘉善縣北部相對污染最輕。

圖1　嘉興市綜合水質(zhì)分布情況

2.3　主要污染因子識別

獲得區(qū)域主要污染因子后便可從該指標著手，逐步實現(xiàn)水環(huán)境的改善。本研究中的主要污染因子包含著兩個信息：一是該指標超標嚴重，亟需進行控制管理；二是該指標地區(qū)之間存在較大差異，高污染區(qū)域中的污染源控制管理及水質(zhì)提升均存在較大潛能。

以農(nóng)田P流失為例，對嘉興地區(qū)農(nóng)業(yè)調(diào)查結(jié)果顯示，即使是同一地區(qū)的農(nóng)田，P施肥量差異仍很大，施肥量(P)在0～50 kg/hm2不等，磷肥施用由農(nóng)戶的施肥習(xí)慣決定(氮肥施用量及農(nóng)藥的使用農(nóng)戶間差異不大)。這也許是導(dǎo)致嘉興水系中TP含量分布不均的原因之一，適當(dāng)減少高施肥負荷農(nóng)田磷肥施用量，可以實現(xiàn)在TP污染負荷減排，提升區(qū)域水質(zhì)。

表3　綜合指數(shù)Pj及各個指標所占比重

3結(jié) 論

(2) 參評的5個指標中NH4+—N熵權(quán)最大，為0.31，其他指標依次為E.coli(0.27)，CODCr(0.21)，TP(0.14)及TN(0.07)。表明這些指標的分布均勻程度依次升高，在重點污染區(qū)域劃分過程中發(fā)揮的作用則依次降低。

(3) 嘉興地區(qū)污染重點區(qū)域為海鹽縣、平湖市交界處及秀洲部分區(qū)域，污染程度以這兩個區(qū)域為中心向外逐漸降低，桐鄉(xiāng)、海寧西部及嘉善縣北部相對污染最輕。

(4) 本評價體系中嘉興地區(qū)TP為主要污染因子，一方面其超標嚴重亟需控制，另一方面它的濃度分布不均勻，高污染區(qū)域具有較大減排潛能。CODCr，E.coli在綜合指數(shù)中占的比重僅次于TP?？蓛?yōu)先從重點污染因子入手，開展減排控污工作，逐步改善全區(qū)水質(zhì)。而對于整體超標嚴重而地區(qū)差異不明顯的指標，如TN，則需要整體規(guī)劃，設(shè)定全局性的污染控制方案。

[參考文獻]

[1]郭樹宏,張江山.基于熵權(quán)的改進密切值法在地面水水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2008,7(3):75-77.

[2]張先起,梁川.基于熵權(quán)的模糊物元模型在水質(zhì)綜合評價中的應(yīng)用[J].水利學(xué)報,2005,36(9):1057-1061.

[3]葛仁英,韓正玉.海陽港附近海域污染現(xiàn)狀評價[J].海洋環(huán)境科學(xué),1997,16(4):26-31.

[4]王順久,張欣莉.環(huán)境質(zhì)量評價中關(guān)鍵因子識別的方法研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2002,18(5):43-47.

[5]葉招蓮.河流水環(huán)境綜合評價方法改進及研究[J].水科學(xué)與工程技術(shù),2008(4):37-39.

[6]姚延娟,吳傳慶,王雪蕾,等.地表飲用水源地安全指數(shù)及快速評價方法[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2012,35(1):186-190.

[7]梁德華,蔣火華.河流水質(zhì)綜合評價方法的統(tǒng)一和改進[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2002,18(2):63-66.

[8]寇文杰,林健,陳忠榮,等.內(nèi)梅羅指數(shù)法在水質(zhì)評價中存在問題及修正[J].南水北調(diào)與水利科技,2012,10(4):39-41.

[9]薛巧英,劉建明.水污染綜合指數(shù)評價方法與應(yīng)用分析[J].環(huán)境工程,2004,22(1):64-66.

[10]鄒志紅,孫靖南,任廣平.模糊評價因子的熵權(quán)法賦權(quán)及其在水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2005,25(4):552-556.

[11]周榮喜,單欣濤,楊杰,等.基于熵權(quán)的區(qū)間型多屬性決策方法在湖泊水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013,33(3):910-917.

[12]陳強,楊曉華.基于熵權(quán)的TOPSIS法及其在水環(huán)境質(zhì)量綜合評價中的應(yīng)用[J].環(huán)境工程,2007,25(4):75-77.

[13]張先起,梁川,劉慧卿.基于熵權(quán)的屬性識別模型在地下水水質(zhì)綜合評價中的應(yīng)用[J].四川大學(xué)學(xué)報:工程科學(xué)版,2005,37(3):28-31.

[14]呂升,陳吉,蘇營營.嘉興市地表水質(zhì)主要影響因素及治理對策分析[J].綠色科技,2012(12):158-162.

[15]夏立忠,楊林章.太湖流域非點源污染研究與控制[J].長江流域資源與環(huán)境,2003,12(1):45-49.

[16]張紅舉,陳方.太湖流域面源污染現(xiàn)狀及控制途徑[J].水資源保護,2010,26(3):87-90.

[17]劉莊,李維新,張毅敏,等.太湖流域非點源污染負荷估算[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報,2010,26(S1):45-48.

[18]浙江省水利廳,浙江省環(huán)境保護局.浙江省水功能區(qū)、水環(huán)境功能區(qū)劃分方案[R].浙江 杭州:浙江省環(huán)境保護局,2005.

[19]王靖,張金鎖.綜合評價中確定權(quán)重微量的幾種方法比較[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2001,30(2):52-57.

[20]何雪琴,溫偉英.海南三亞灣海域水質(zhì)狀況評價[J].臺灣海峽,2001,20(2):165-170.

[21]Ye Yushi, Liang Xinqiang, Chen Yingxu, et al. Alternate wetting and drying irrigation and controlled-release nitrogen fertilizer in late-season rice. Effects on dry matter accumulation, yield, water and nitrogen use[J]. Field Crops Research, 2013,144:212-224.

Key Polluted Area Division and Main Pollution Factors Identification Using Entropy Method

ZHU Chunyan1, LIANG Xinqiang1, ZHOU Kejin2, GUO Ru1, YUAN Junli1, JIN Yi1, RU Qinkai1

(1.InstituteofEnvironmentalScienceandTechnology,CollegeofEnvironmentalandResourceSciences,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310058,China;2.ZhejiangProvinceEnvironmentalMonitoringStation,Hangzhou,Zhejiang310015,China)

Abstract：[Objective] To find out the key polluted area and identify the main pollution factors of Jiaxing City. [Methods] We set up 29 monitoring sections in the main river in Jiaxing City and the surrounding area and indicators of CODCr, E.coli, TN, TP and —N were monitored. These multiple water quality parameters were combined into a comprehensive index using entropy weight method. [Results] TN, TP of Jiaxing City outranged seriously of the quality standards(GB3838—2002) in Ⅴ class standard. The concentrations ranged 2.60~10.52 mg/L, 0.60~5.68 mg/L. Comprehensive index of water quality of the 29 monitoring points ranged as 1.61~8.69. The most serious pollution of the region is at the junction of Haiyan County and Pinghu City, and Central Xiuzhou District. Other districts around the key polluted region had a decreased pollution. Tongxiang, Western Haining and the northern part of Jiashan County is relatively less polluted. TP was identified as the main pollution factors, CODCr, E.coli followed.[Conclusion] In more serious polluted areas, water quality index method can better describe the pollution differences among different areas. The contribution of different water quality parameters to the comprehensive index can identify the main pollution factors.

Keywords:comprehensive water quality evaluation; entropy method; water quality distribution; main pollution factors

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)02-0213-06

中圖分類號：X824

通信作者：梁新強(1979—)，男(漢族)，浙江省杭州市人，博士，副教授，主要從事流域生源要素控制工程與水質(zhì)安全方面的研究。E-mail:liang410@zju.edu.cn。

收稿日期：2014-02-27修回日期：2014-04-08
資助項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項“太湖流域(浙江片區(qū))累積源強風(fēng)險過程及機制研究”(2012ZX07506-006-03)； 國家自然科學(xué)基金項目 (41271314)
第一作者：朱春燕(1989—)，女(漢族)，浙江省嘉興市人，碩士研究生，研究方向為非點源污染評價。E-mail:21114058@zju.edu.cn。