溫曉君, 陳 輝, 白軍紅

(1.北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 水環(huán)境模擬國家重點實驗室, 北京100875;2.河北師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實驗室, 石家莊 050024)

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基于模糊矩陣的衡水湖水環(huán)境質(zhì)量評價及分析

溫曉君1, 陳 輝2, 白軍紅1

(1.北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 水環(huán)境模擬國家重點實驗室, 北京100875;2.河北師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實驗室, 石家莊 050024)

運用模糊綜合評價法評價了衡水湖三個主要監(jiān)測站點(洼內(nèi)、小庫和冀縣)在2000—2007年水環(huán)境質(zhì)量的變化過程。研究結(jié)果表明2001—2005年衡水湖整體水環(huán)境質(zhì)量沒有得到明顯的改善，2006年后，衡水湖洼內(nèi)和冀縣監(jiān)測站點水環(huán)境質(zhì)量有了改善，基本滿足Ⅲ類用水標(biāo)準(zhǔn)。三個監(jiān)測站點的主要貢獻污染物也有所差異。2006年洼內(nèi)監(jiān)測站點水環(huán)境主要貢獻污染物為氨氮，貢獻率為0.621。其余年份均為高錳酸鹽指數(shù)，2000—2005年及2007年貢獻率為0.5左右。小庫監(jiān)測站點水環(huán)境的主要貢獻污染物2003年，2004年，2005年，2007年均為總磷。2000年，2001年，2002年，2006年為氨氮且2000年和2006年貢獻率分別達(dá)到0.58，0.838。冀縣監(jiān)測站點水環(huán)境主要貢獻污染物2000年，2001年，2002年，2006年為氨氮，但2001年，2002年貢獻率不到0.4，相較于2000年和2006年較低。2003年為總磷，貢獻率為0.38。2004，2005，2007為高錳酸鹽指數(shù)，貢獻率分別為0.61，0.50，0.38。并在水環(huán)境質(zhì)量分析的基礎(chǔ)上剖析了衡水湖水環(huán)境污染的原因，給出衡水湖今后保護和管理的建議。

環(huán)境科學(xué); 水質(zhì)評價; 模糊矩陣; 主要貢獻污染物; 衡水湖

湖泊的水流速度緩慢，水體更新歷時長，導(dǎo)致湖泊水體的自凈能力受到一定程度的限制。湖泊水環(huán)境質(zhì)量是維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康的重要限制因子[1-2]。當(dāng)前國內(nèi)外對湖泊水環(huán)境質(zhì)量進行評價的主要方法有單因子污染指數(shù)法，綜合污染指數(shù)法，AHP法，模糊綜合評價法等[3]。其中，單因子污染指數(shù)法將評價因子與評價標(biāo)準(zhǔn)作比較，確定各個評價因子的水質(zhì)級別，在所選因子的水質(zhì)級別中將最差的作為水質(zhì)級別[4]；綜合污染指數(shù)法中以內(nèi)梅羅指數(shù)法最具代表性，該方法選取污染最嚴(yán)重的因子與評價標(biāo)準(zhǔn)之間建立一定數(shù)學(xué)關(guān)系，通過計算結(jié)果確定水質(zhì)狀況[5]；AHP法通過相關(guān)性分析，構(gòu)建指標(biāo)體系，確定權(quán)重等手段得出水環(huán)境質(zhì)量的評價等級[3,6]。但是，單因子污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法均忽略了影響湖泊水環(huán)境質(zhì)量的各種因子之間的相互影響，AHP法中通過專家打分來確定權(quán)重具有一定的主觀性。

湖泊水環(huán)境系統(tǒng)受多種因子影響，各因子之間也存在各種復(fù)雜的聯(lián)系，這種聯(lián)系存在模糊性，各種超標(biāo)因子對養(yǎng)殖湖泊水質(zhì)狀況的影響程度也存在模糊性[2,6-8]。模糊綜合評價法將湖泊水環(huán)境系統(tǒng)作為一個部分信息已知的灰色系統(tǒng)[3]，該方法考慮了所有監(jiān)測環(huán)境因子，依據(jù)各自的權(quán)重，綜合分析所有監(jiān)測因子對養(yǎng)殖湖泊環(huán)境的作用，進而評價湖泊水體水環(huán)境質(zhì)量[9]。與傳統(tǒng)評價方法相比，該方法能很好地解決評價過程中出現(xiàn)的模糊的難以量化的問題[10]，是定量評價湖泊水環(huán)境質(zhì)量的有效方法。

衡水湖濕地生物多樣性豐富，具有巨大的生態(tài)服務(wù)功能價值。它既為衡水湖區(qū)域人們的生產(chǎn)生活提供用水來源，也是北溫帶野生動植物聚集地和候鳥南北遷徙不同路線的交匯處[11]。同時，衡水湖是華北平原第二大淡水湖，也是南水北調(diào)中線工程中的重要調(diào)蓄工程[11]，其水環(huán)境質(zhì)量的變化將對南水北調(diào)工程的水質(zhì)有著重要的影響[12]。因此，運用模糊綜合評價法對衡水湖濕地水環(huán)境進行評價，剖析其水環(huán)境質(zhì)量演變規(guī)律可為衡水湖水質(zhì)管理提供科學(xué)依據(jù)，從而保證衡水湖區(qū)域的生態(tài)安全和供水水質(zhì)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

衡水湖濕地為國家級濕地自然保護區(qū)，位于河北省衡水市境內(nèi)，向北與衡水市桃城區(qū)的彭杜鄉(xiāng)的滏陽河相連，向南緊鄰河北省冀州市區(qū)(東經(jīng)115°27′45″—115°42′6″，北緯37°31′39″—37°42′18″)。衡水湖所處氣候區(qū)為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期。年平均氣溫大約為13℃，一般情況下年際變動處在11.5℃到13.7℃；衡水湖地區(qū)年平均降水量為518.9 mm，主要集中在6—8月，年蒸發(fā)量為2 393萬m3[13]。

流經(jīng)衡水湖的河流有滏陽河，滏陽新河以及滏東排河,屬于海河水系的子牙河水系[14]。建國以來，由于大興水利設(shè)施，河網(wǎng)水系的天然水文聯(lián)系被人工溝渠所取代，這就造成了水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不完整和生態(tài)功能的殘缺。因衡水湖地區(qū)年均降水量明顯低于年均蒸發(fā)量，目前人工調(diào)水是維持衡水湖水量的主要方式[13]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人口的增加，工農(nóng)業(yè)和生活用水量增加，導(dǎo)致地表水過量開采，形成大面積地下漏斗。加之工業(yè)廢水，生活污水以及農(nóng)業(yè)污水的排放，使得衡水湖水環(huán)境質(zhì)量不容樂觀。

1.2數(shù)據(jù)來源及處理

選擇衡水湖濕地三個水質(zhì)監(jiān)測站點(洼內(nèi)、小庫、冀縣)在2000—2007年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以溶解氧、氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)為主要評價因子，對衡水湖水環(huán)境質(zhì)量進行模糊綜合評價。對每個監(jiān)測站點各年不同時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行均值化處理代表相應(yīng)年份的水質(zhì)指標(biāo)。

1.3評價方法

1.3.1單項指標(biāo)評價選取溶解氧，氨氮，總磷，高錳酸鹽指數(shù)共四項評價指標(biāo)構(gòu)成評價因素集合，并參照地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—2002，表1)建立所需評價集V，其中Vij表示每個項目對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值，每一行是一個項目分別為溶解氧(DO)、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)[COD(Mn)]。

V={Ⅰ級Ⅱ級Ⅲ級Ⅳ級Ⅴ級}

取U為各單項指標(biāo)集合，U={溶解氮氨氮總磷高錳酸鹽指數(shù)}，對U中的每個單項指標(biāo)進行評價，通過隸屬度函數(shù)求出單項指標(biāo)對于5個級別水的隸屬度。把各監(jiān)測站點的溶解氧、氨氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)的監(jiān)測值和各級濃度標(biāo)準(zhǔn)值帶入隸屬度函數(shù)公式，得到下面的模糊矩陣R：

1.3.2計算權(quán)重每一監(jiān)測單項指標(biāo)都會對特定的水環(huán)境綜合體產(chǎn)生影響，但各單項指標(biāo)對某一水環(huán)境綜合體的水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生影響的貢獻存在差異；即不同的環(huán)境條件對應(yīng)的監(jiān)測因子對其影響程度不同。實際監(jiān)測所得到的各指標(biāo)的濃度值越大，該指標(biāo)超標(biāo)程度越重，對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響也越大。因此，在進行衡水湖水環(huán)境質(zhì)量評價時應(yīng)該對每一單項指標(biāo)賦予權(quán)重。采用能夠反映污染超標(biāo)輕重的加權(quán)法計算權(quán)重，之后對各單項指標(biāo)的權(quán)重進行歸一化處理。通過計算各監(jiān)測點位的各單項指標(biāo)的權(quán)重，可得到如下矩陣B：

表1　地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)中四個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值[15]　mg/L

1.3.3模糊矩陣復(fù)合運算通過對各單項指標(biāo)進行評價和對各單項指標(biāo)賦予權(quán)重后得到相應(yīng)的隸屬度，即模糊矩陣R與權(quán)重模糊矩陣B，將B與R進行復(fù)合運算可得到綜合評價指數(shù)；得出的綜合評價指數(shù)也可以用矩陣B0R表示。

V={Ⅰ級Ⅱ級Ⅲ級Ⅳ級Ⅴ級}

該矩陣得出的指數(shù)即為對應(yīng)于集合V上各單項指標(biāo)的隸屬度。比較矩陣B中b10，b11，b12，b13最大值所對應(yīng)的污染物即對應(yīng)對某監(jiān)測站點的主要貢獻污染物。B0R矩陣中x10，x11，x12，x13，x14最大值對應(yīng)的水質(zhì)級別即為該監(jiān)測站點在某一年的水質(zhì)級別。

2　結(jié)果與分析

2.1評價結(jié)果

以下所列為2000—2007年權(quán)重模糊矩陣B和權(quán)重模糊矩陣B與隸屬度模糊矩陣R復(fù)合運算結(jié)果得到的綜合評價指數(shù)矩陣，矩陣用B0R表示。其中，從權(quán)重模糊矩陣B可看出每年對應(yīng)的站點的主要貢獻污染物。

B2000=0.110.200.170.520.020.580.280.130.050.600.210.14é?êêêêù?úúúúB0R2000=0.110.170.170.000.520.020.000.000.000.130.0130.050.000.000.6é?êêêêù?úúúúB2001=0.170.110.240.480.050.360.220.370.060.380.280.28é?êêêêù?úúúúB0R2001=0.110.240.240.480.250.050.000.000.20.220.060.000.000.060.38é?êêêêù?úúúú

B2002=0.180.300.070.440.050.430.170.350.080.390.200.33é?êêêêù?úúúúB0R2002=0.180.070.300.440.150.050.000.000.170.430.080.100.200.330.33é?êêêêù?úúúúB2003=0.160.290.080.460.160.010.560.270.060.330.380.23é?êêêêù?úúúúB0R2003=0.160.090.290.340.230.0100.000.160.160.560.330.000.060.060.38é?êêêêù?úúúúB2004=0.270.0040.060.660.100.010.460.430.220.020.140.61é?êêêêù?úúúúB0R2004=0.660.250.000.000.000.100.100.000.000.460.220.140.000.440.56é?êêêêù?úúúúB2005=0.240.020.040.700.090.250.380.280.220.160.120.50é?êêêêù?úúúúB0R2005=0.240.240.000.000.700.090.090.000.000.380.000.220.220.010.50é?êêêêù?úúúúB2006=0.3710.6210.0030.0040.1440.8380.0050.0130.3820.5830.030.031é?êêêêù?úúúúB0R2006=0.370.150.620.240.000.140.140.000.000.840.380.080.580.000.00é?êêêêù?úúúú

B2007=0.220.200.130.450.080.340.420.160.160.150.320.38é?êêêêù?úúúúB0R2007=0.220.200.460.460.000.080.080.000.160.420.160.150.380.380.00é?êêêêù?úúúú

從矩陣B0R可得2000—2007年衡水湖水環(huán)境質(zhì)量見表2，洼內(nèi)監(jiān)測站點水質(zhì)除2004年達(dá)到Ⅰ類水外，在2000—2005年期間均為Ⅳ類或Ⅴ類水。冀縣監(jiān)測站點水環(huán)境質(zhì)量變化趨勢與洼內(nèi)站點類似，在2000—2005年期間均為Ⅳ類或Ⅴ類水。2006—2007年，洼內(nèi)監(jiān)測站點和冀縣監(jiān)測站點水質(zhì)均得到明顯改善，達(dá)到了Ⅲ類水。但是在2000—2007年期間，小庫監(jiān)測站點水環(huán)境質(zhì)量沒有得到改善，水環(huán)境質(zhì)量為Ⅳ類或Ⅴ類水。

表2　2000-2007年衡水湖各監(jiān)測站點水環(huán)境級別

矩陣B得到每個站點中，不同污染物對該站點水質(zhì)級別的確定的貢獻率不同(圖1)。貢獻率大的為該站點水質(zhì)污染的主要貢獻污染物。由圖1可知，2006年洼內(nèi)監(jiān)測站點水環(huán)境主要貢獻污染物為氨氮，其余年份均為高錳酸鹽指數(shù)。2003年，2004年，2005年，2007年小庫監(jiān)測站點水環(huán)境的主要貢獻污染物均為總磷，而2000年，2001年，2002年，2006年為氨氮。對于冀縣監(jiān)測站點而言，2000年，2001年，2002年，2006年的水環(huán)境主要貢獻污染物為氨氮，2003年為總磷，2004，2005，2007年為高錳酸鹽指數(shù)。

2.2污染源原因分析

有研究表明，湖泊水環(huán)境質(zhì)量與所在地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)，人口增長關(guān)系密切[16-17]。2000—2005年期間，除2004年洼內(nèi)監(jiān)測站點水質(zhì)達(dá)到I類水外，洼內(nèi)、冀縣、小庫三個監(jiān)測站點的水質(zhì)均為Ⅴ類或Ⅳ類。其原因在于在此期間衡水湖周邊污染型工業(yè)企業(yè)得到發(fā)展，且大部分企業(yè)不具備污水處理能力[18]，超標(biāo)排放的工業(yè)廢水和因大氣沉降作用落入衡水湖內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)排放的煙塵對衡水湖水環(huán)境污染產(chǎn)生巨大影響[19]。同時，衡水湖附近地區(qū)耕地大水漫灌引起化肥、農(nóng)藥隨農(nóng)田瀝水流入衡水湖內(nèi)，粗放的養(yǎng)殖方式和增肥措施也對衡水湖水體帶來污染[11，18]。此外，衡水湖周邊生活區(qū)缺乏生活污水處理和生活垃圾處理的基礎(chǔ)設(shè)施，周邊村民產(chǎn)生的生活污水直接排入衡水湖，生活垃圾直接堆放到衡水湖附近，垃圾滲濾液及雨水的沖蝕及坡地上污水匯流至衡水湖內(nèi)，導(dǎo)致湖水水質(zhì)惡化[11,18-19]。另外，衡水湖的東線引水路線通過衛(wèi)千渠經(jīng)大營、棗強等城鎮(zhèn)，衛(wèi)千渠竣工后即成為沿途大營、棗強縣城關(guān)的排污渠道，且排污口排污超標(biāo)嚴(yán)重[11,20]，這也是造成衡水湖水體污染的原因。

圖1　各站點不同污染物的貢獻率

2004年洼內(nèi)監(jiān)測站點水環(huán)境達(dá)到I類水，這可能是由于在監(jiān)測數(shù)據(jù)中，2004年洼內(nèi)氨氮濃度值低于檢出限值，由此可能對最終的評價結(jié)果產(chǎn)生影響。2004年洼內(nèi)氨氮濃度值偏低可能是由于引黃河水后，黃河流域的蒲草絨絮隨引水進入衡水湖，蒲草大量繁殖，有效地吸收水體中的氮造成[11,21]。2006—2007年，洼內(nèi)和冀縣監(jiān)測站點水環(huán)境有了明顯改善，符合Ⅲ類用水標(biāo)準(zhǔn)，這是因為在2004—2005年期間，衡水湖周邊地區(qū)對污染嚴(yán)重的采暖鑄造業(yè)進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，到2006年，對衡水湖污染產(chǎn)生重大影響的橡膠化工小型企業(yè)也基本搬遷完畢，衡水湖受到的污染大大降低[11]。由此，在今后對衡水湖的管理和治理工作中，要借鑒這些經(jīng)驗，在衡水湖水體質(zhì)和量兩個角度保證衡水湖生態(tài)環(huán)境的良好。

3　結(jié) 論

衡水湖三個監(jiān)測站點洼內(nèi)，冀縣，小庫的水環(huán)境質(zhì)量在2000—2005年均無明顯好轉(zhuǎn)，在2006年后，洼內(nèi)和冀縣的水環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善，達(dá)到Ⅲ類水，且衡水湖水體污染的主要貢獻污染物為氨氮，總磷和高錳酸鹽指數(shù)，主要由外部污染造成，與當(dāng)?shù)夭缓侠淼墓I(yè)排污方式和居民的生活方式有關(guān)。衡水湖水環(huán)境質(zhì)量的良好保持是其生態(tài)系統(tǒng)維持良好平衡的重要基礎(chǔ)，也是衡水市經(jīng)濟社會發(fā)展的重大帶動因素。在今后的發(fā)展過程中，應(yīng)對衡水湖水環(huán)境質(zhì)量做好監(jiān)測預(yù)報，增加設(shè)立監(jiān)測站點，完善測試設(shè)備，儲備專業(yè)人才；嚴(yán)格管控污水排放，積極推進清潔生產(chǎn)，加強污水處理和垃圾處理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；優(yōu)先保證生態(tài)需水，開源與節(jié)流并舉；應(yīng)用生態(tài)補償機制加強跨區(qū)域合作，走生態(tài)發(fā)展道路。

衡水湖是南水北調(diào)東線工程的調(diào)蓄湖泊，對衡水湖水環(huán)境進行保護不僅僅有益于衡水地區(qū)的經(jīng)濟社會的發(fā)展，也可以有效保證其周邊地區(qū)的用水安全。衡水湖上游地區(qū)引水渠道污染問題也應(yīng)該受到重視。就本研究而言，在某一歷史時期闡述了衡水湖水環(huán)境質(zhì)量狀況及其原因，衡水湖作為整個流域系統(tǒng)中的節(jié)點，自身的水環(huán)境質(zhì)量的良好保持可以從其中得到借鑒。湖泊水體的水環(huán)境質(zhì)量與底泥中污染物的含量存在很大關(guān)系，但是由于數(shù)據(jù)來源的限制，無法得知衡水湖底泥受污染狀況，進一步探求底泥對衡水湖水體污染的影響。所以，建議衡水湖保護區(qū)加強監(jiān)測力度，完善監(jiān)測系統(tǒng)，為衡水湖的保護和研究工作提供支持。

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Evaluation and Analysis on Water Environmental Quality of Hengshui Lake Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Method

WEN Xiaojun1, CHEN Hui2, BAI Junhong1

(1.State Key Laboratory of Water Environment Simulation, School of Environment, Beijing NormalUniversity,Beijing100875,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironmentSciences,HebeiNormalUniversity,HebeiKeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandEcologicalConstruction,Shijiazhuang050024,China)

The fuzzy comprehensive evaluation method was applied to evaluate the water environmental quality of three main monitoring sites (i.e., Wanei, Xiaoku and Jixian) of Hengshui Lake during the period from 2000 to 2007. The results showed that water environment quality of Hengshui Lake had not been improved during the period from 2001 to 2005, however, water environment quality of both Wanei and Jixian monitoring sites had been improved after 2006, and basically met class Ⅲ criteria of water quality. The main contribution ratios of these pollutants at three monitoring sites also differed each other. As for Wanei site, the major pollutant in 2006 was ammonia nitrogen with a contribution rate of 0.621 and permanganate index was the major pollutant in the rest years. From 2000 to 2005, the contribution rates were 0.52, 0.48, 0.44, 0.46, 0.66, and 0.70, respectively and it was 0.45 in 2007. At Xiaoku site, the major pollutant in 2003, 2004, 2005, and 2007 was total phosphorus, the respective contribution rate was 0.56,0.46,0.38, and 0.42, respectively, however, the major pollutant was ammonia nitrogen in 2000, 2001, 2002 and 2006, the respective contribution rates were 0.58 (2000), 0.36 (2001), 0.43 (2002), and 0.838 (2006), respectively. In contrast, the major pollutant at Jixian site was ammonia nitrogen with the contribution rates of 0.60 (2000),0.38 (2001),0.39(2002), and 0.583(2006) and it was total phosphorus with contribution rate of 0.38 in 2003, whereas it was permanganate index in 2004, 2005 and 2007 with the respective contribution rate of 0.61,0.50, and 0.38, respectively. On the basis of water environmental quality analysis, the reasons for the water environment pollution of Hengshui Lake were analyzed and some suggestions for the ecological conservation and water quality management of this lake were also put forward.

environmental science; Hengshui Lake; water environmental quality; fuzzy matrix; major contribution of pollutant

2015-03-16

2015-04-16

霍英東項目基金,國家重點基礎(chǔ)研究973計劃課題(2010CB951002)

溫曉君(1992—),女,河北省衡水市人,碩士,研究方向：濕地生態(tài)過程。E-mail:wxjun0405@163.com

白軍紅(1976—),男,河北省石家莊市人,教授,博士, 研究方向：濕地生態(tài)過程。E-mail:junhongbai@163.com

X822; S181.3

A

1005-3409(2016)02-0292-05