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        ??诿郎岷訃覞竦毓珗@水質(zhì)分析研究

        2020-03-05 09:39:36林華王耀山
        熱帶林業(yè) 2020年4期
        關鍵詞:水質(zhì)評價

        林華,王耀山

        1.??谑屑夹g服務中心,海南???70311;2.海南省農(nóng)業(yè)學校,海南海口571100

        濕地具有強大的生態(tài)功能,不僅能夠調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、維護生物多樣性、涵養(yǎng)水源、蓄水調(diào)洪,而且可以有效緩和保護生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾[1-2]。顧名思義,濕地是以水為載體的重要生態(tài)系統(tǒng)[3],水是人類生存和社會發(fā)展的基石,水體污染造成生態(tài)環(huán)境惡化、制約社會發(fā)展,而建設城市濕地公園有利于改善城市的生態(tài)環(huán)境,發(fā)展生態(tài)文明[4-5]。

        城市濕地公園是近年來研究的新熱點[6],蔣竹榮等調(diào)查了廣東滃江源國家濕地公園,結果顯示該濕地公園的水質(zhì)總體能達到國家Ⅲ類標準,但不同區(qū)域的水質(zhì)有所差異[7];李紅海等分析湖北漢江國家濕地公園2014 年~2018 年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),結果說明研究區(qū)內(nèi)2 個出水口的監(jiān)測斷面整體水質(zhì)處于Ⅱ類標準,COD 優(yōu)于Ⅰ類水質(zhì)標準[8];李楠等以富錦國家濕地公園為研究對象,發(fā)現(xiàn)在2015 年研究區(qū)內(nèi)的水質(zhì)處于中營養(yǎng)或輕度富營養(yǎng)化的狀態(tài)[9]。

        美舍河國家濕地公園處于海南省??谑懈沟匾粠В媾R的人類干擾問題更為嚴重,因此其作用顯得尤為突出。公園自建成以來一直開展長期有效的濕地生態(tài)監(jiān)測工作,深入了解濕地生態(tài)與環(huán)境現(xiàn)狀,準確評估濕地未來的變化趨勢。該研究以??诿郎岷訃覞竦毓珗@的水環(huán)境現(xiàn)狀和水資源動態(tài)變化為研究對象,提出保護與合理利用濕地的對策與建議,為濕地管理部門提供科學的決策依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        ??诿郎岷訃覞竦毓珗@位于海南省??谑旋埲A區(qū),地理坐標:19°56′N~20°02′N、110°17′E~110°21′E,面積468.38hm2,其中濕地面積253.37hm2,起點為玉龍泉沙坡水庫,經(jīng)過羊山水庫、美舍河及河道沿岸部分公共綠地、鳳翔公園,終點白沙一橋,由3 個類型的河流濕地、沼澤濕地和人工濕地組成。屬熱帶海洋性季風氣候,年平均氣溫23.8℃,最高平均氣溫28℃左右,最低平均氣溫2℃左右;年降水量1664mm,平均日降雨量在0.1mm 以上的雨日150d 以上,年平均蒸發(fā)量1834mm,平均相對濕度85%,年日照時數(shù)2250h。

        1.2 水質(zhì)監(jiān)測

        在研究區(qū)內(nèi)分別選擇上游、中游與下游3 個河段建立固定水監(jiān)測取樣點(詳見表1)。數(shù)據(jù)時長為2019 年7 月至2020 年7 月(其中2020 年2 月至4月數(shù)據(jù)由于疫情原因缺失)。主要監(jiān)測的水質(zhì)指標包括水溫、pH、鹽度、化學需氧量(COD)、溶解氧量(DO)、氨氮(NH3-H)、總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素α9 個項目。其中,水溫、pH、鹽度和DO 現(xiàn)場測定,分別采用溫度計法、玻璃電極法、鹽度計法和電化學探頭法;其余指標均在實驗室測定:使用重鉻酸鉀標準法檢測COD,水楊酸分光光度法測定NH3-H,堿性過硫酸鉀消解紫分光光度法檢測TN;鉬酸銨分光光度法和單色分光光度法分別用來測定TP 和葉綠素α。

        表1 上、中、下游設定監(jiān)測取樣點概況Tab.1 The situation of upper,middle and downstream monitoring points

        1.3 水質(zhì)評價方法

        1.3.1 單因子指數(shù)法

        單因子指數(shù)法分別將各項監(jiān)測指標以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)為評價標準劃分所屬類別,評價結果以最差指標所屬的類別來代表整體水質(zhì)類別,該方法較為簡便[10]。

        1.3.2 綜合指數(shù)法

        以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)為評價標準,對各組中的各項監(jiān)測指標單獨劃分所屬的水質(zhì)類別,表2 為各類別對應的評價分值[11]。

        表2 評價取值Tab.2 The evaluation values

        根據(jù)各單項監(jiān)測指標的評分值計算各組的綜合評價分值:

        其中:F表示組內(nèi)各單項監(jiān)測指標評分值Fi的平均值;Fmax表示組內(nèi)各單項監(jiān)測指標評分值Fi中的最大值;n 為項數(shù)。

        根據(jù)最終所得的F 值來評價水質(zhì)等級,表3 為F 值所對應的地表水質(zhì)量級別。

        表3 地表水質(zhì)量級別Tab.3 Surface water quality grade

        1.3.3 模糊綜合評價法

        模糊綜合評價是以模糊數(shù)學為基礎,依據(jù)模糊數(shù)學中的隸屬度原則對受到多因素影響的對象進行定量的綜合評價。評價步驟如下[12]:

        (1)根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)確定各水質(zhì)指標所屬的類別。

        (2)建立隸屬度函數(shù)迷糊矩陣

        根據(jù)各項監(jiān)測指標的實測值和其所對應的j 級水質(zhì)級別標準值為Cij(j=1,2,…m)計算隸屬度,由n項監(jiān)測因子隸屬度構建成的n×m 模糊矩陣R,計算方式如下:

        表4 隸屬度的計算方法Tab.4 The calculate of membership grade

        由此確定模糊矩陣:

        (3)確定權重因子

        各單項的水質(zhì)指標在整體水質(zhì)污染中所占的貢獻率不同,其與實測數(shù)據(jù)大小及不同用途水中各指標所允許的濃度有關,因此在綜合評價中需要對各水質(zhì)指標進行權重計算。公式如下:

        式中:Wki為權重因子;Xki為第k個水樣第i個監(jiān)測指標的實測濃度;Cim為評價標準中水質(zhì)指標對應m級濃度的標準值,Ci為第i個水質(zhì)指標各級水標準值的均值;aki為第k個水樣第i個水質(zhì)指標的權重值。

        由此構成評價因子權重矩陣:

        (4)綜合評價原則

        綜合評價結果為模糊矩陣與的復合運算,采用取大取小型綜合評價計算法。即:

        結果按照最大隸屬度原則確定,即隸屬度最大值所對應的等級,則為監(jiān)測點的水質(zhì)分類等級。

        2 結果分析

        2.1 水質(zhì)單因子動態(tài)變化分析

        美舍河水質(zhì)數(shù)據(jù)分布情況如圖1。(數(shù)據(jù)來源于2019 年海口市林業(yè)局)

        其中:水溫變化與氣溫變化同步,各河段沒有顯著差異。河段pH 范圍在7.12~8.83 之間,從時間序列來看,2019 年10 月~2020 年1 月pH 在各個河段顯著高于其他月份。鹽度在空間上具有顯著差異,下游海甸溪入口處和平橋的鹽度最高,平均值為3.05‰、國興橋為1.73‰、沙坡水庫為0.13‰,由于美舍河下游有海水倒灌的情況,所以下游的鹽度顯著大于上游。COD 變化幅度較大,范圍在12mg/L~56mg/L 之間,從時間序列來看,最大值出現(xiàn)在2020 年1 月,其次為2019 年9 月;從空間分布來看,河流中段的國興橋COD 平均值為32mg/L;其次為下游段的和平橋,平均值為24mg/L;上游沙坡水庫COD 平均值最低,為17mg/L。DO 范圍在3.54mg/L~7.36mg/L 之間,2019 年11 月~2020年1 月沙坡水庫的DO 值顯著高于其他河段和時間段。TP 范圍在0.07mg/L~0.19mg/L 之間,最大值出現(xiàn)在2019 年12 月至2020 年1 月之間。NH3-H 范圍在0.16mg/L~1.96mg/L 之間,從空間分布來看,中游的國興橋和下游的和平橋的數(shù)值顯著高于上游的沙坡水庫,但沙坡水庫的NH3-H 在2019 年8 月~11月期間出現(xiàn)不正常的高峰,這應該與暫時性的污水排放有關。TN 范圍在1.06mg/L~6.29mg/L 之間,上游沙坡水庫在2019 年9 月~12 月出現(xiàn)異常高峰值,因此TN 明顯高于中游的國興橋和下游的和平橋。葉綠素α 范圍變化較大,在0.7ug/L ~27.07ug/L 之間,河流中下游的葉綠素α 值比較低,平均值分別為4.14ug/L 和5.78ug/L,而沙坡水庫葉綠素α 較大,平均值為18.5ug/L。

        根據(jù)監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)分析,美舍河河段的pH、鹽度、COD 和NH3-H 的數(shù)值均表現(xiàn)為中、下游高于上游,但在2019 年8 月~11 月期間位于上游監(jiān)測點的沙坡水庫NH3-H 出現(xiàn)不正常的高峰,分析認為與污水排放有關,因此沙坡水庫的TN 值在2019 年9 月~12 月顯著高于中游和下游的國興橋、和平橋監(jiān)測點。

        2.2 水質(zhì)單因子指數(shù)分析法

        采用單因子評價法,依照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)中的地表水水質(zhì)標準,對各監(jiān)測取樣點的氨氮、化學需氧量、溶解氧、總氮以及總磷含量與地表水水質(zhì)標準進行對比,得到所屬的水質(zhì)類別,最差的指標所屬的水質(zhì)類別,便是最終監(jiān)測取樣點水質(zhì)所屬類別,單因子評價結果見表5。

        圖1 2019 年~2020 年度美舍河水質(zhì)數(shù)據(jù)及分布情況Fig.1 Water quality data and distribution of Meishe River in 2019~2020

        沙坡水庫上游河段2019 年~2020 年度全年綜合水質(zhì)介于Ⅱ類~Ⅴ類之間,在2019 年7 月~2020年6 月期間,TN 超標達到Ⅴ類水質(zhì),超標倍數(shù)最高達6.29。美舍河中游河段2019 年~2020 年度全年水質(zhì)介于Ⅲ類~Ⅴ類水質(zhì)之間,以Ⅴ類水質(zhì)為主,NH3-H、TN 和COD 超過Ⅳ類水標準,達到Ⅴ類,其中TN 的超標倍數(shù)最大,為3.41 倍,美舍河下游河段2019 年~2020 年度全年水質(zhì)為Ⅳ~Ⅴ類,污染物以有機污染物和總氮為主,其中以總氮的超標倍數(shù)最大,為3.05。

        表5 單因子指數(shù)法評價結果Tab.5 The result of single factor index method evaluation

        3 個監(jiān)測點主要的水質(zhì)污染指標均為TN,上游河段周邊分布以農(nóng)田、村莊為主,據(jù)此分析污染源主要來源于農(nóng)業(yè)的非點源污染;中游河段Ⅴ類水質(zhì)的原因為上游攜帶的銨態(tài)氮分解,增加有機氮的含量,好氧微生物分解消耗氧氣,使得COD 數(shù)值增加,同時中游段生活污水進入河道中,增加了NH3-H 和COD值。

        2.3 綜合指數(shù)分析法

        表6 綜合指數(shù)法評價結果Tab.6 The result of composite index method evaluation

        綜合指數(shù)分析法結果見表6,沙坡水庫、國興橋、和平橋3 個監(jiān)測點的水質(zhì)評價結果均為Ⅴ類水質(zhì)等級。

        2.4 模糊綜合分析法

        表7 為模糊綜合分析法中權重因子的計算結果。在沙坡水庫監(jiān)測點,5 項水質(zhì)指標對水質(zhì)污染的權重從大到小依次為:TN>NH3-H>COD=DO>TP;國興橋監(jiān)測點權重由高到低依次為:TN>COD>NH3-H>TP=DO;和平橋監(jiān)測點權重由大到小次為:TN>NH3-H>COD>TP>DO。所有監(jiān)測點中TN 的權重因子是最大的,說明TN 對水質(zhì)污染的貢獻率最高。

        表7 各項水質(zhì)指標的權重Tab.7 The weight of each water quality indicator

        根據(jù)模糊綜合法的最大隸屬度原則,隸屬度最大值所對應的等級,即為監(jiān)測點的水質(zhì)分類等級,由表8 知,沙坡水庫和國興橋監(jiān)測點的水質(zhì)評價均為Ⅴ類水,和平橋監(jiān)測點為Ⅳ類水。

        表8 模糊綜合法評價結果Tab.8 The results of fuzzy comprehensive method evaluation

        3 結論和討論

        3.1 結論

        (1)美舍河中、下游的pH、鹽度、COD 和NH3-H 的數(shù)值高于上游,2019 年8 月~11 月期間位于上游監(jiān)測點的沙坡水庫NH3-H 值出現(xiàn)異常的高峰,分析認為與污水排放有關,因此沙坡水庫的TN 值在2019年9 月~12 月顯著高于中游和下游的國興橋、和平橋監(jiān)測點。

        (2)單因子指數(shù)法和綜合指數(shù)法分析顯示是3個監(jiān)測點均為Ⅴ類水質(zhì),根據(jù)單因子指數(shù)法,3 個監(jiān)測點其主要污染指標為TN。

        (3)模糊綜合法分析表明所有監(jiān)測點中TN 的權重因子是最大的,沙坡水庫和國興橋監(jiān)測點的水質(zhì)評價均為Ⅴ類水,和平橋監(jiān)測點為Ⅳ類水。

        3.2 討論

        運用單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法和模糊綜合法3 種評價法對美舍河國家濕地公園監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行評價分析,3 種方法的評價結果見表9。

        表9 3 種方法評價法對比Tab.9 The compare of three assess methods

        3 種方法對3 個監(jiān)測點的評價結果基本一致,所有監(jiān)測點處于Ⅴ類水質(zhì)標準,模糊綜合法評價和平橋監(jiān)測點為Ⅳ類水,模糊綜合法結合了綜合指數(shù)法對各水質(zhì)指標的統(tǒng)計,同時還對不同指標對水質(zhì)影響的權重進行了歸一化的分析,較前2 種分析方法能夠從整體的角度對水質(zhì)做出評價。

        2019 年9 月~2019 年12 月期間,沙坡水庫的總氮和氨氮含量出現(xiàn)異常,說明在這期間有污染源排放。從具體數(shù)據(jù)分析,總氮的超標明顯高于氨氮,因此污染源主要為農(nóng)業(yè)非點源污染,農(nóng)業(yè)化肥(硝態(tài)氮肥)在未完成反硝化作用或未被植物吸收前,會增加水體中總氮的含量,往往一次降水沖刷帶入的硝態(tài)氮肥會在水體中存留很長時間,直到轉化為有機氮被植物吸收。2019 年8 月~2020 年5 月,美舍河中游主要超標的污染物指標為COD、氨氮和總氮,其主要來源為生活污水,以及上游攜帶的硝態(tài)氮逐漸分解為的有機態(tài)氮。此外,處于河流中段的國興橋水質(zhì)劣于下游的和平橋,說明中游河段存在明顯的生活污水排放問題。而下游由于海水交換量大,導致污染物被海水沖淡,因此各項水質(zhì)指標優(yōu)于中游河段,同時也說明紅樹林種植以及周邊排污口的治理,取得了明顯的效果。

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