曹龍+李衛(wèi)平+陳秋麗

摘要：為準(zhǔn)確客觀地反映濕地水環(huán)境情況，分別運用改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法及模糊數(shù)學(xué)法對昭君島濕地的平水期、枯水期、豐水期水質(zhì)進(jìn)行評價，以2015-2016年昭君島濕地水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取總氮、總磷、氨氮、化學(xué)需氧量（COD）為水質(zhì)影響因子，兩種方法的評價角度不相同但評價結(jié)果基本一致，即平水期及枯水期水質(zhì)優(yōu)于豐水期，各影響因子均有不同程度超標(biāo)現(xiàn)象，濕地水質(zhì)無法滿足Ⅲ類水體功能要求，相關(guān)部門需加強濕地水體污染防治。

關(guān)鍵詞：改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法；模糊數(shù)學(xué)法；濕地水質(zhì)；影響因子；權(quán)重；昭君島濕地

中圖分類號：K928.43；X824 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）22-4278-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.22.017

Abstract： In order to accurately and objectively reflect the water quality of wetlands，the improved Nemerow pollution index method and fuzzy mathematics method was used to evaluate the water quality of Zhaojun island wetland. Based on the monitoring data of Zhaojun island wetland in 2015-2016，the total nitrogen， total phosphorus，ammonia and COD were the influencing factors of water quality. The evaluation angle of the two methods was different，but the evaluation results were basically the same：Water quality in the plain and dry season was better than that in the wet season， and all the influencing factors were over standard in different degrees. Wetland function decline，the water quality could not meet the class Ⅲ water function，and the relevant departments need to strengthen the wetland water pollution control.

Key words： improved Nemerow pollution index method； fuzzy mathematical method； wetland water quality； influence factor； weight coefficient； Zhaojun island wetland

水質(zhì)評價是指依據(jù)水環(huán)境監(jiān)測資料，選擇合適的參考體系及評判方法，對水質(zhì)情況做出定性或定量的評判。目前一些水質(zhì)評價方法都存在一定缺陷，如灰色聚類法，分析及計算簡單，但評價函數(shù)的選擇帶有很大的主觀性[1，2]；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，考慮因子全面，但對數(shù)據(jù)要求極高，可操作性不強[3，4]。改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法充分考慮了不同影響因子對母體的實際效果，兼顧到主次因子對評判結(jié)果的影響，使評價更為客觀簡便，在工程實際中有較多成功應(yīng)用[5，6]。

濕地被譽為“地球之腎”，很大一部分是由于其水生態(tài)強大的自凈作用[7，8]，因此對濕地水環(huán)境進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測和評價對于濕地功能的保養(yǎng)與恢復(fù)尤為重要。濕地生態(tài)群落復(fù)雜，水質(zhì)具有明顯的不確定性[9]。采用國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法[10]對黃河昭君島濕地進(jìn)行水質(zhì)評價及討論分析，為環(huán)保水利部門開展?jié)竦匾?guī)劃管理提供理論參考。

1 評價方法

1.1 改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

1.2 模糊數(shù)學(xué)法

模糊數(shù)學(xué)法對邊界模糊的事物進(jìn)行系統(tǒng)分析，以模糊數(shù)學(xué)變換原理和最大隸屬度原則[15]作為數(shù)據(jù)計算和選擇的依據(jù)，達(dá)到精確性與模糊性相統(tǒng)一的評價目的[16]。在實際評價應(yīng)用中，該法很好地契合了水質(zhì)數(shù)據(jù)的不充分性和水質(zhì)分級概念的模糊性[17]。

1.2.1 建立因子集和評價集 在水質(zhì)評價中，由選定的水質(zhì)污染因子組成因子集U1xn=（u1，u2，…，un），un為第n類因子，n為因子個數(shù)；評價集是指可能做出的各種評價結(jié)果所組成的集合：V1xm=（v1，v2，…，vm），Vm為第m種評價結(jié)果，m為評價結(jié)果個數(shù)。

1.2.2 確定隸屬函數(shù) 目前隸屬函數(shù)有多種表現(xiàn)形式，常見的主要有矩形分布、Γ 分布、正態(tài)分布等7種類型[18]。本研究以模糊分布曲線中的降半梯形模型作為各評價因子的隸屬函數(shù)，由各因子的實測值，可計算出每個因子對于各水質(zhì)等級的隸屬度，即誘導(dǎo)出U1xn與V1xm之間的隸屬度矩陣[15，19]：

根據(jù)最大隸屬度原則，以最大Pm對應(yīng)的水質(zhì)等級作為水質(zhì)評價等級。

2 實例應(yīng)用

包頭昭君島濕地位于黃河流域最北端，屬于典型的嚴(yán)寒高緯度濕地，能量和物質(zhì)流動量高[22]。濕地中動植物資源豐富，水域面積寬廣，對農(nóng)牧業(yè)水量調(diào)蓄、區(qū)域氣候調(diào)節(jié)及碳素循環(huán)有巨大的作用。

黃河溢流水量作為濕地主要補給水源，水量季節(jié)性變化大[23]。昭君島水樣采集按黃河水期進(jìn)行，采樣時間2015-2016年，結(jié)合黃河包頭段多年統(tǒng)計平均流量，以4、6、8月分別代表濕地平水期、枯水期、豐水期。水質(zhì)影響因子的選擇遵循可測性、可比性及靈敏性原則[24]，依據(jù)本地區(qū)實際水質(zhì)情況，以總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、化學(xué)需氧量（COD）作為濕地水質(zhì)的影響因子，各因子的檢測按《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》中規(guī)定的分析方法執(zhí)行[25]，將水質(zhì)結(jié)果分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5個評價等級。現(xiàn)場使用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀記錄水體鹽度、氧化還原電位、溶解性總固體等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，水樣采集需及時做好水體保存和實驗室檢測工作，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。endprint

2.1 改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價

改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對各污染因子的權(quán)重計算見表2。由表2可知，在不同水質(zhì)等級中，總磷的權(quán)數(shù)均大于0.5，對水質(zhì)污染危害最大?？紤]到包頭市“三帶一廊”城市生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)及昭君島濕地的農(nóng)牧業(yè)調(diào)蓄功能，把Ⅲ類水作為昭君島濕地水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，即j=3。改進(jìn)內(nèi)梅羅污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)及水質(zhì)評判結(jié)果見表3。由表3可知，平水期和枯水期的水質(zhì)為Ⅳ類，豐水期水質(zhì)為Ⅴ類。

2.2 模糊數(shù)學(xué)法

2.3 對比分析

對于平水期，TN濃度為1.562 mg/L，介于Ⅳ至Ⅴ類水之間；COD濃度為94.229 mg/L，遠(yuǎn)高于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，這是由于包頭春季多風(fēng)沙，土壤中的有機質(zhì)被攜帶至水體，造成水體受有機污染嚴(yán)重。對于枯水期，氨氮和COD濃度接近Ⅱ類、Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)值，這是因為昭君島濕地位于城市邊緣，較少受到生活和工業(yè)污水污染[23]；TN、TP在Ⅲ至Ⅳ類水之間，這可能是因為包頭地區(qū)大面積種植小麥、馬鈴薯、油菜等小春作物，施肥主要集中在枯水期及豐水期末期[27]，且濕地化肥養(yǎng)魚情況嚴(yán)重，使水體中的氮、磷超標(biāo)；對于豐水期，TN濃度為5.086 mg/L，NH3-N和COD濃度均超過Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，這是因為濕地植物處于生長期，光合作用微弱，水中溶解氧被大量消耗，無法滿足氨氮和亞硝態(tài)氮的硝化作用[23，28]。且該時期，黃河輸沙量集中[29]，沙體攜帶的大量有機質(zhì)在實驗室條件下被氧化，使COD嚴(yán)重超標(biāo)，同時部分動植物殘骸被水體漚解，導(dǎo)致濕地水質(zhì)下降。

整體來看，改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法對濕地水質(zhì)的評價基本相同，即枯水期及平水期水質(zhì)介于Ⅳ至Ⅴ類水之間，豐水期水質(zhì)條件最差，屬于Ⅴ類水。這是由于枯水期及平水期時，外來污染源流入較少，水體擾動小，污染物及雜質(zhì)沉降性能相對較好；豐水期時，河沙有機質(zhì)較多，農(nóng)作物生長迅速，施肥量增加，地表的營養(yǎng)物及沖刷物隨降雨和上游徑流流入濕地，造成水質(zhì)變差，濕地功能價值下降。劉峰等[30]、王亞娟等[31]分別對都是以黃河水為主要補給水源的銀川閱海濕地和黃河口濱河濕地調(diào)查，均發(fā)現(xiàn)TN、TP、NH3-N有不同程度超標(biāo)，水體出現(xiàn)營養(yǎng)化趨勢，多年水質(zhì)等級統(tǒng)計為Ⅲ至Ⅴ類，劉建龍[23]對同屬于包頭黃河濕地的小白河濕地片區(qū)考察，也得出與本研究相似結(jié)論。

3 小結(jié)

1）改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法以一個綜合所有污染因子影響效果的污染指數(shù)值表征水體狀況，適用于評價水質(zhì)整體受污染程度；模糊數(shù)學(xué)法通過隸屬度矩陣及權(quán)重矩陣的建立，直觀地顯示出不同污染因子對水質(zhì)的影響，更有效地反映出水質(zhì)從好到差這一模糊漸變過程。

2）兩種評價方法對昭君島濕地水質(zhì)的評價結(jié)果基本相似，都考慮到了污染因子的檢測濃度和實際毒性對水質(zhì)的影響，結(jié)論相互支持，說明評價方法及結(jié)果科學(xué)合理。

3）昭君島濕地在平水期、枯水期、豐水期的水質(zhì)均在Ⅳ至Ⅴ類水之間，高于設(shè)定的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，TN、TP、NH3-N、COD濃度都出現(xiàn)不同程度超標(biāo)現(xiàn)象，濕地水體無法滿足相關(guān)功能要求，后期可考慮分析不同水期的濕地水質(zhì)與水生物相關(guān)性，以加強濕地水環(huán)境管理和污染防治。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張 萌，倪樂意，謝 平，等.基于聚類和多重評價法的河流質(zhì)量評價研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32（12）：178-185.

[2] 朱永蘭.灰色系統(tǒng)在地表水水質(zhì)評價及預(yù)測中的應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[3] 崔永華，左其亭.基于Hopfield網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)綜合評價及其matlab實現(xiàn)[J].水資源保護(hù)，2007，23（3）：14-16，32.

[4] 周 豐，郭懷成，劉 永，等.基于多元統(tǒng)計分析和RBFNNs的水質(zhì)評價方法[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007，27（5）：846-853.

[5] 李希燦，王 靜，邵曉梅.模糊數(shù)學(xué)方法在中國土地資源評價中的應(yīng)用進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2009，28（3）：409-416.

[6] 邊曉庚.內(nèi)梅羅指數(shù)法與模糊數(shù)學(xué)法在水質(zhì)污染分級中的應(yīng)用比較[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41（3）：129-130.

[7] 楊 旭，王繼富，萬魯河，等.大慶典型區(qū)域濕地水體污染物遷移變化特征研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2013，22（5）：806-809.

[8] 歐維新，高建華，楊桂山.蘆葦濕地對氮磷污染物質(zhì)的凈化效應(yīng)及其價值初步估算——以蘇北鹽城海岸帶蘆葦濕地為例[J].海洋通報，2006，25（5）：90-96.

[9] 侯保燈，李佳蕾，潘 妮，等.基于改進(jìn)熵權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)模型在濕地水質(zhì)綜合評價中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2008，8（6）：80-83.

[10] 楊磊磊，盧文喜，黃 鶴，等.改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和模糊綜合法在水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2012，30（6）：41-44.

[11] 羅小三，周東美，李連禎，等.水、沉積物和土壤中重金屬生物有效性/毒性的生物配體模型研究進(jìn)展[J].土壤學(xué)報，2008，45（3）：535-543.

[12] 柳 軍.模糊綜合評價在水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2003.

[13] 羅 芳，伍國榮，王 沖，等.內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和單因子評價法在水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016（5）：87-89.

[14] 丁雪卿.改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法在集中式飲用水源地環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].四川環(huán)境，2010，29（2）：47-51.

[15] 王鐵良，張 欣，周林林，等.模糊數(shù)學(xué)在河口濕地水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，40（5）：623-626.endprint

[16] 徐建華.現(xiàn)代地理學(xué)中的數(shù)學(xué)方法[M].北京：高等教育出版社，1994.

[17] 王尚濤，張建生.基于模糊數(shù)學(xué)的涼州區(qū)農(nóng)村水質(zhì)評價模型研究[J].水資源與水工程學(xué)報，2012，23（1）：117-123.

[18] 謝季堅.模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.

[19] 王鐵良，陳 曦，蘇芳莉，等.模糊數(shù)學(xué)在雙臺河口濕地水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，42（1）：79-83.

[20] 袁永強，付 佳，程全國.基于組合權(quán)重的模糊數(shù)學(xué)法對水質(zhì)的評價[J].數(shù)學(xué)的實踐與認(rèn)識，2015，45（16）：107-113.

[21] 趙曉亮，齊慶杰，李瑞鋒，等.模糊AHP法在鬧德海水庫水質(zhì)綜合評價中的應(yīng)用[J].地球與環(huán)境，2013，41（1）：71-76.

[22] 李衛(wèi)平，劉建龍，鮑交琦，等.包頭黃河濕地生態(tài)恢復(fù)植物類型的選擇[J].濕地科學(xué)，2015，13（2）：211-216.

[23] 劉建龍.包頭黃河濕地水質(zhì)評價與需水量研究[D].內(nèi)蒙古包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2015.

[24] 盧志娟，裴洪平，汪 勇.西湖生態(tài)系統(tǒng)健康評價初探[J].湖泊科學(xué)，2008，20（6）：802-805.

[25] 國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].第4版.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[26] 申 劍，史淑娟，周 揚，等.基于改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)分析法的丹江口流域地表水環(huán)境質(zhì)量評價[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2014，30（5）：41-46.

[27] 楊 潔.初探某水庫水質(zhì)指標(biāo)在豐水期與枯水期的顯著性差異及主要影響指標(biāo)和成因[J].城鎮(zhèn)供水，2016（4）：18-22.

[28] 陳靜生，于 濤，張 宇，等.黃河水的COD值能夠真實反映其污染狀況嗎？[J].環(huán)境化學(xué)，2003，22（6）：611-614.

[29] 于玲紅，王曉云，李衛(wèi)平，等.包頭市南海濕地水質(zhì)現(xiàn)狀分析與評價[J].環(huán)境化學(xué)，2017，36（2）：390-396.

[30] 劉 峰，李秀啟，董貫倉，等.黃河口濱海濕地水質(zhì)污染物現(xiàn)狀研究[J].中國環(huán)境科學(xué)，2011，31（10）：1705-1710.

[31] 王亞娟，劉小鵬.銀川閱海濕地水質(zhì)模糊綜合評價與分析[J].寧夏大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，29（4）：364-367.endprint