董春燕，周運(yùn)濤，李君軼，楊海樂，喻亞麗，沈 麗，吳金明

(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院長(zhǎng)江水產(chǎn)研究所，武漢 430223；2.貴州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，貴陽 550025)

長(zhǎng)江為我國(guó)最大的河流，長(zhǎng)江干流穿越12個(gè)省(自治區(qū)/直轄市)，最終匯入東海；長(zhǎng)江中游江段從湖北宜昌至江西湖口，江段全長(zhǎng)900多千米，魚類資源豐富，經(jīng)濟(jì)種類多，是青魚、草魚、鰱、鳙“四大家魚”及其他主要經(jīng)濟(jì)魚類的繁殖地和棲息地[1-4]。近年來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及人類活動(dòng)的加劇使長(zhǎng)江中游水體承受巨大環(huán)境壓力。長(zhǎng)江的水質(zhì)主要受水文、氣象、底質(zhì)等自然因素和廢水排放、水利設(shè)施等人類活動(dòng)兩方面的影響[5-6]。2018年4月在推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展座談會(huì)上習(xí)近平強(qiáng)調(diào)堅(jiān)持共抓長(zhǎng)江保護(hù)，不搞大開發(fā)，湖北省也提出九大行動(dòng)助力長(zhǎng)江大保護(hù)，長(zhǎng)江水質(zhì)狀況受到國(guó)家和地方的重視。

地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要有綜合污染指數(shù)法、灰色聚類分析[7-8]、單因素評(píng)價(jià)法密切值法、加權(quán)或算術(shù)平均法、模糊綜合評(píng)價(jià)法[9-11]等，其中模糊綜合評(píng)價(jià)法能夠客觀地反映水質(zhì)的實(shí)際狀況，解決水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中的污染程度、水質(zhì)類別等一些客觀存在的模糊概念和模糊現(xiàn)象。目前，模糊綜合評(píng)判法已成為水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的一種常見方法，是定量研究水質(zhì)的一種有效手段。本研究利用模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)長(zhǎng)江中游干流地表水水質(zhì)狀況進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，得出水質(zhì)狀況，以期為推動(dòng)長(zhǎng)江水質(zhì)保護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料方法

1.1 采樣點(diǎn)

采樣點(diǎn)確定的原則是在水面寬度≤50 m時(shí)設(shè)置中泓一個(gè)采樣點(diǎn)，水面寬度50～100 m時(shí)設(shè)置近左右岸有明顯水流處的兩個(gè)采樣點(diǎn)，當(dāng)水面>100 m時(shí)設(shè)置左中右三個(gè)采樣點(diǎn)。以此確定長(zhǎng)江中游江段的宜昌市江段、石首市江段、洪湖市江段、武漢陽邏江段、湖口縣江段等5個(gè)斷面15采樣點(diǎn)。并于2018年1、4、7、10月分別開展相應(yīng)的野外調(diào)查采樣工作(圖1)。

1.2 樣品采集

圖1 采樣位點(diǎn)示意圖Fig.1 Location of the sampling stations in the surveyed river section

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 采用SPSS18.0 進(jìn)行方差分析、使用GraphPad Prism5軟件作圖。

1.3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)方法

模糊綜合評(píng)價(jià)方法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，其基本原理可表述如下：設(shè)有n件事物的某一特征等待評(píng)價(jià)，這n件事物構(gòu)成對(duì)象集X={x1,x2,…,xn}，又知因素集U={u1,u2,…,un}和評(píng)價(jià)集V={v1,v2,…,vm}。設(shè)對(duì)因素的權(quán)重分配為V上的模糊子集A，計(jì)為：A={a1,a2,…,an}。式中，ai為第i個(gè)因素ui所對(duì)應(yīng)的權(quán)，其一般均規(guī)定為：

對(duì)第i個(gè)因素的單因素模糊評(píng)價(jià)為V上的模糊子集Ri={ri1,ri2,…,rim}，于是單因素評(píng)價(jià)矩陣R為：

R=r11r12…r1m

r21r22…r2m

rn1rn2…rnm

則對(duì)該評(píng)價(jià)對(duì)象的模糊綜合評(píng)價(jià)B是V上的模糊子集：

B=AΘR

(1)

式中，“Θ”為算子符，再根據(jù)最大隸屬度原則便可確定被評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)等級(jí)。

1.3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)因子的選擇

采用GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并選擇在水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果中主要的污染指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子[13-15](表1)，建立因子集，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)劃分的水質(zhì)級(jí)別確定評(píng)價(jià)集。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值Tab.1 Environmental quality standard and ranking for surface water mg/L

在本評(píng)價(jià)中，具體選擇了長(zhǎng)江中游5個(gè)斷面地表水監(jiān)測(cè)斷面的5 個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)：DO、CODMn、NH3-N、TP、TN作為評(píng)價(jià)因子，各監(jiān)測(cè)斷面的各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值見表2，這些監(jiān)測(cè)值取自各監(jiān)測(cè)斷面2018年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)年均值。通過這些數(shù)據(jù)，我們建立了因子集U={DO、CODMn、NH3-N、TP、TN}；確定評(píng)價(jià)集V ={ I、II、III、IV、V}，把河段的水質(zhì)劃分I、II、III、IV、V五類；污染程度相應(yīng)為清潔、未污染、輕污染、中污染和重污染。

1.3.3 建立隸屬度函數(shù)及隸屬度矩陣

對(duì)各級(jí)水質(zhì)的隸屬程度樣本是用隸屬度來刻化的，隸屬度用隸屬函數(shù)u(x)表示，其只能在[0,1]區(qū)間連續(xù)取值，即0≤u(x)≤1。按各指標(biāo)隸屬各水質(zhì)等級(jí)，確定出不同的隸屬函數(shù)如下：第j個(gè)指標(biāo)對(duì)第Ⅰ類水，對(duì)指數(shù)越大污染越重的指標(biāo)：

1x∈[ 0 ，aj，1 ]

(a)uj1(x)=(aj，2-x)/(aj，2-aj，1 )x∈(aj，1，aj，2 )

(2)

0x∈[aj，2 ，∞ ]

對(duì)數(shù)值大污染越輕的指標(biāo)：

1x∈[ 0 ，aj，2 ]

(a)uj1(x)=(x-aj，2 )/(aj，1-aj，2)x∈(aj，2，aj，1)

(3)

0x∈[aj，1，∞]

第j個(gè)指標(biāo)對(duì)第k類水(k=2，3，…，k-1)，對(duì)數(shù)值越大污染越重的指標(biāo)：

(x-aj，k-1)/(aj，k-aj，k-1)/x∈[aj，k-1，aj，k]

(a)ujk(x)=[aj，k+1-x)/(aj，k+1-aj，k)x∈(aj，k，aj，k+1]

(4)

0x?[aj，k-1，aj，k+1]

對(duì)數(shù)值越大污染越輕的指標(biāo)：

(x-aj，k+1)/(aj，k-aj，k+1)/x∈[aj，k+1，aj，k]

(a)ujk(x)=[aj，k-1-x)/(aj，k-1-aj，k)x∈(aj，k，aj，k-1]

(5)

0x?aj，k+1，aj，k-1]

第j個(gè)指標(biāo)對(duì)第V類水，對(duì)指數(shù)越大污染越重的指標(biāo)：

1x∈[ 0 ，aj，4 ]

(a)uj5(x)=(x-aj，4)/(aj，5-aj，4)x∈(aj，4，aj，5)

(6)

0x∈[aj，5，∞]

對(duì)數(shù)值越大污染越輕的指標(biāo)：

1x∈[0，aj，5]

(a)uj5(x)=(aj，4-x)/(aj，4-aj，5)x∈(aj，5，aj，4)

(7)

0x∈[aj，4，∞]

以上各式中，x表示某一監(jiān)測(cè)斷面第j項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值，aj、k表示第j項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)第k類水的標(biāo)準(zhǔn)限值。按照上列公式分別建立各因子的隸屬函數(shù)，然后將相應(yīng)的實(shí)測(cè)值代入，即可得到各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的隸屬度矩陣。以李碼頭監(jiān)測(cè)斷面為例，得到其隸屬度矩陣為：

1.3.4 確立各監(jiān)測(cè)指標(biāo)權(quán)重及計(jì)算模糊綜合評(píng)價(jià)

在進(jìn)行地表水水質(zhì)的模糊綜合評(píng)價(jià)時(shí)，水質(zhì)的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的重要性可能相同，也可能不同，因此，需要考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重W，對(duì)數(shù)值越大污染越重的指標(biāo)，第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重為：

Wi=ci/Si

(8)

對(duì)于數(shù)值越大污染越輕的指標(biāo)，其權(quán)重為為：

Wi=cSi/ci

(9)

式中，ci為第i項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值，Si為第i項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值。使用公式(8) 、(9) 計(jì)算出來的權(quán)重值可能大于1 ，因此需要使用下式對(duì)各單項(xiàng)權(quán)重進(jìn)行歸一化處理：

(10)

式中，Ai為第i項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的歸一化后的權(quán)重值，n為評(píng)價(jià)中所采用的監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)。經(jīng)過歸一化處理后的權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重Tab.2 Weights of each evaluation parameters

續(xù)表2

最后，利用公式(1)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)的計(jì)算，得到長(zhǎng)江中游各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的模糊綜合評(píng)價(jià)集，仍以宜昌廟嘴監(jiān)測(cè)斷面為例：

=[0.746 9 0 0.293 6 0.472 7 0.297 0]

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

采樣期間,長(zhǎng)江中游干流水體環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果(表3)，綜合長(zhǎng)江中游的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，水質(zhì)理化指標(biāo)反映河流水質(zhì)的瞬時(shí)狀態(tài)，對(duì)長(zhǎng)江中游干流的水質(zhì)理化指標(biāo)進(jìn)行分析，水溫季節(jié)性變化明顯，7月、10月要高于1月和4月。DO含量范圍為6.76～10.46 mg/L，達(dá)到漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo)中，各采樣點(diǎn)TN含量均高于1.0 mg/L，最大值達(dá)到2.93 mg/L。不同月份水體TP含量均值表現(xiàn)為1月(0.29 mg/L)>7月(0.22 mg/L)>10月(0.16 mg/L)>4月(0.15 mg/L)的變化趨勢(shì)，其中洪湖和陽邏樣點(diǎn)年均TP含量較高，在0.20 mg/L 左右；測(cè)得NH3-N也在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，長(zhǎng)江中游的水質(zhì)狀況呈現(xiàn)為良好狀態(tài)(圖2)。

表3 長(zhǎng)江中游水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.3 Water quality monitoring results in the middle reaches of the Yangtze River

2.2 方差分析結(jié)果

經(jīng)過分析，在相同斷面不同季節(jié)和相同季節(jié)不同斷面溶解氧都著存在著顯著性的差異(P<0.05)(圖2)，而總氮與總磷不管是在相同斷面不同季節(jié)還是相同季節(jié)不同斷面都表現(xiàn)為差異不顯著(P>0.05)(圖2)，根據(jù)以下圖表及數(shù)據(jù)可得，溶解氧受季節(jié)變化較大，冬季含量較高；總氮、總磷在長(zhǎng)江中游沒有明顯的斷面和季節(jié)差異說明長(zhǎng)江中游富營(yíng)養(yǎng)化程度在此江段沒有明顯的升高和降低趨勢(shì)，長(zhǎng)江中游江段受到的氮磷污染相對(duì)偏低。

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

經(jīng)過一系列的計(jì)算，得出各監(jiān)測(cè)斷面的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(表4)。在確定斷面的最終水質(zhì)類別時(shí)，采用最大隸屬度原則，即隸屬度最大值所在的級(jí)別為該斷面最終的水質(zhì)類別，也是該斷面模糊綜合評(píng)價(jià)的最終結(jié)果。當(dāng)出現(xiàn)2 個(gè)或2 個(gè)以上的隸屬度最大值時(shí)，選擇貼近次大值的隸屬度所在的水質(zhì)級(jí)別為該斷面的最終水質(zhì)類別。在宜昌廟嘴的水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果中，其最大的隸屬度為0.746 9，則宜昌的最終水質(zhì)類別為I級(jí)，污染程度為清潔。同理，可得到其它斷面的水質(zhì)類別評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

上述各斷面的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，在長(zhǎng)江中游五個(gè)斷面的各個(gè)江段地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面中，基本處于清潔狀態(tài)，只有洪湖7月份的監(jiān)測(cè)中屬于輕污染。造成湖長(zhǎng)江江段水質(zhì)相對(duì)較差的原因可能是城鎮(zhèn)生活源和工業(yè)來源。

表4 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Evaluation results of the fuzzy synthetic evaluation

3 結(jié)論

水質(zhì)理化指標(biāo)是以單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)河流進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)它具有結(jié)果清晰，系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。綜合分析水質(zhì)理化指標(biāo)，溶解氧、總磷和氨氮的范圍都符合地表水質(zhì)I類水的標(biāo)準(zhǔn)，高錳酸鹽指數(shù)在II水的范圍內(nèi)，而總氮III～I(xiàn)V類水的范圍內(nèi)，通過方差分析得到總磷、總氮并不表現(xiàn)為顯著性差異；且本文通過確立具有代表性的評(píng)價(jià)因子，建立評(píng)價(jià)因子矩陣，建立合適的隸屬度函數(shù)，對(duì)研究區(qū)的地表水水質(zhì)進(jìn)行了模糊綜合評(píng)價(jià)客觀地反映了長(zhǎng)江中游水質(zhì)狀況；得以下結(jié)論：(1)長(zhǎng)江中游水質(zhì)處于良好的狀態(tài)，長(zhǎng)江中游五個(gè)斷面的各個(gè)江段地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面中，基本處于清潔狀態(tài)，只有洪湖7月份的監(jiān)測(cè)中屬于輕污染；(2)長(zhǎng)江中游富營(yíng)養(yǎng)化程度在此江段沒有明顯的升高和降低趨勢(shì)，長(zhǎng)江中游江段受到的氮磷污染相對(duì)偏低；(3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的限制，只選擇了長(zhǎng)江中游5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面作為評(píng)價(jià)對(duì)象，同時(shí)只選擇了23個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)中的5個(gè)作為評(píng)價(jià)因子，如果加入更多的監(jiān)測(cè)斷面和更多的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，可能會(huì)更好地反映長(zhǎng)江中游地表水水質(zhì)的綜合狀況。根據(jù)此次調(diào)查所得數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與楊朋等[10]、宋述軍等[11]、李紫煜[16]的結(jié)論相比，長(zhǎng)江中游水環(huán)境狀況總體良好。

長(zhǎng)江作為中華民族的母親河，支撐著我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化等各項(xiàng)事業(yè)的發(fā)展[17-18]。2018 年4 月，習(xí)近平總書記提出“共抓大保護(hù)，不搞大開發(fā)”，為長(zhǎng)江流域的生態(tài)保護(hù)事業(yè)提出了明確要求。長(zhǎng)江大保護(hù)是一個(gè)超級(jí)巨系統(tǒng)，涉及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的各個(gè)方面[19]。在國(guó)家和地方政府的監(jiān)督治理下，長(zhǎng)江中游水質(zhì)已經(jīng)得到很大的改善，長(zhǎng)江中游流域的水環(huán)境狀況總體良好，但不可忽視的是，流域中仍然存在少量的黑臭水體，從而影響到全局的水環(huán)境。為了促進(jìn)長(zhǎng)江流域水質(zhì)量的全局改善，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注城鎮(zhèn)生活污水達(dá)標(biāo)排放、農(nóng)藥化肥施用量控制，農(nóng)村和農(nóng)業(yè)面源污染治理等方面措施的落實(shí)。