陳慧文 陳錦輝

摘 要：長江口是長江入海口和上海市重要的水源供應(yīng)地。該研究根據(jù)長江口2021年4月份的水文水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用灰色聚類分析法對調(diào)查的長江口南、北支和東灘濕地12個站位漲落潮時的水環(huán)境狀況進行評價，以期了解上海市長江口水域的水環(huán)境質(zhì)量。結(jié)果表明：（1）漲潮期間，Z1、Z3、Z5、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z18、Z19等11個站位點的海水水質(zhì)質(zhì)量等級為Ⅲ類，東灘的Z17站點為Ⅱ類海水;（2）落潮期間，Z1、Z3、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z17、Z18、Z19等11個站點海水水質(zhì)質(zhì)量等級為Ⅲ類，北支Z5站點為Ⅱ類海水。通過利用灰色白化權(quán)函數(shù)對長江口各站點水質(zhì)進行分析，長江口屬于第Ⅲ類海水，污染情況仍處于比較嚴(yán)重水平。

關(guān)鍵詞：長江口;灰色聚類法;水質(zhì)評價

中圖分類號 X824 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）10-0130-06

Evaluation of Seawater Quality in the Yangtze River Estuary Based on Grey Clustering Method

CHEN Huiwen1? ?CHEN Jinhui1，2

（1Shanghai Aquatic Wildlife Conservation Research Center， Shanghai 202150， China; 2Joint Laboratory for Monitoring and Conservation of Aquatic Living Resources in the Yangtze Estuary， Shanghai 202150， China）

Abstract： The Yangtze Estuary is an important water source for Shanghai. Based on the hydrological and water quality monitoring data of the Yangtze Estuary in April 2021， this study evaluated the water environment status of 12 stations selected from the investigation on the north， south branches and Dongtan of the Yangtze Estuary by using grey cluster analysis method， so as to analyze the water environment quality of the Waters of the Yangtze Estuary in Shanghai. The results show that the sea water quality at Z1， Z3， Z5， Z6， Z7， Z9， Z13， Z14， Z16， Z18 and Z19 stations is class ⅲ， and that at Z17 station is class ⅱ. The sea water quality of Z1， Z3， Z6， Z7， Z9， Z13， Z14， Z16， Z17， Z18 and Z19 stations is class ⅲ， and that of Z5 station is class ⅱ. It can be seen from the water quality analysis results of the above stations that the water quality of the Yangtze River estuary mostly belongs to class ⅲ seawater， and the water quality is still at a poor level.

Key words： Yangtze estuary; Grey clustering method; Water quality assessment

長江口是我國最大的河口生態(tài)系統(tǒng)[1]，是河流入海過渡的區(qū)域帶。長江口受到沿岸流、潮流和徑流等的影響，生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，溫、鹽度變化劇烈[2]。作為一個復(fù)雜而又特殊的自然綜合體，長江口對流域自然變化和人為作用的響應(yīng)最為敏感。長江口周邊地區(qū)是工業(yè)發(fā)達(dá)、人口眾多的都市[3]，頻繁的人類活動，如污水的排放、灘涂的圍墾與水利工程的建設(shè)等，使河口遭受了巨大的環(huán)境壓力[4-5]。陳吉余等[6]指出河口攔門沙附近水質(zhì)呈顯著的惡化趨勢，硝酸鹽氮含量近20年增加近4倍，無機氮和活性磷酸鹽年增長率約為5%。翁立達(dá)等[7]研究表明，從20世紀(jì)60年度至今，長江口及鄰近海域的營養(yǎng)鹽水平已經(jīng)增加了7～8倍，近年來海域出現(xiàn)赤潮的時間提前，次數(shù)增多，且面積呈擴大趨勢。長江口作為長江的入?？冢从持L江的生態(tài)環(huán)境保護修復(fù)整體效果，且長江口也是上海重要的水源供應(yīng)地，要保障青草沙水庫、陳行水庫和東風(fēng)西沙水庫的供水。水質(zhì)狀況的優(yōu)劣不僅會影響水域內(nèi)漁業(yè)資源的恢復(fù)，也會對上海市民的生產(chǎn)生活帶來不利影響。因此，有必要開展監(jiān)測和評價長江口水域的水質(zhì)狀況，為水域生態(tài)修復(fù)提供第一手資料。

目前，用于水質(zhì)評價的主要方法有指數(shù)評價法[8]，模糊綜合評價法[9]以及灰色聚類法等[10]?；疑垲惙治鍪且环N以灰色系統(tǒng)理論[18]為基礎(chǔ)的加權(quán)灰色聚類分析方法[11]，分為灰色星座聚類、灰色關(guān)聯(lián)聚類以及灰色白化權(quán)函數(shù)聚類3類。其中，灰色白化權(quán)函數(shù)聚類是聚類分析法中引進白化函數(shù)形成的新聚類分析方法，通過數(shù)學(xué)方法將環(huán)境質(zhì)量因子綜合歸納，通過等級量化評價質(zhì)量[12-15]。相比傳統(tǒng)的其他水質(zhì)評價法，利用灰色聚類分析可以使得分析結(jié)果更加全面客觀[19]，當(dāng)前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海水和淡水的水質(zhì)評價中[12，16]。為此，本研究基于灰色聚類法客觀分析和評價長江口南、北支和東灘附近水域漲落潮時期水質(zhì)現(xiàn)狀，為長江大保護背景下水域生態(tài)環(huán)境修復(fù)及生態(tài)災(zāi)害預(yù)警等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源 數(shù)據(jù)來源于2021年4月在長江口水域開展的漁業(yè)資源常規(guī)監(jiān)測，監(jiān)測調(diào)查船為“滬交測002號”，監(jiān)測內(nèi)容包括水文物理環(huán)境（水溫、鹽度、懸浮物等）和水化學(xué)環(huán)境（營養(yǎng)鹽、DO、pH、COD、揮發(fā)酚、總磷、總氮、石油類、水體中重金屬含量等）。在長江口水域共設(shè)置12個監(jiān)測站點（圖1），按照地理位置劃分為3個區(qū)域：北支（Z5、Z7、Z13）、南支北港（Z1、Z3、Z6、Z9、Z14、Z16、Z19）和東灘（Z17、Z18）。

所有水環(huán)境監(jiān)測站點在漲、落潮期各采集2次水樣，用于平行樣。水樣取樣方法參照《海洋監(jiān)測規(guī)范》第3部分（GB17378.3-2007）。取樣層次按《海洋監(jiān)測規(guī)范》第4部分（GB17378.4-2007）的要求確定，當(dāng)水深小于10m，只取表層水樣;當(dāng)水深大于10m，分表、底層取樣，其中油類采集表層下0.5m的水樣500mL，加入0.1N鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH至4.0以下，避光4℃保存至分析。氣溫、鹽度、水深、透明度、pH、溶解氧等，使用儀器現(xiàn)場測量;懸浮物、硝酸鹽、重金屬等，采集水樣后于實驗室進行分析檢測。

1.2 灰色聚類法評價指標(biāo)體系 本研究選用灰色白化權(quán)函數(shù)聚類，對長江口水環(huán)境質(zhì)量進行評價?；疑谆瘮?shù)聚類分析的步驟包括確定評價指標(biāo)、水質(zhì)數(shù)據(jù)的無量綱化處理、建立灰色白化權(quán)函數(shù)、確定聚類權(quán)以及確定聚類系數(shù)。

1.2.1 評價指標(biāo)確定 選取化學(xué)需氧量（COD）、揮發(fā)酚、溶解氧（DO）、石油類、Zn、Hg、Pb、Cu、Cd、Cr、As等11項污染因子作為評價長江口水域水質(zhì)狀況的聚類指標(biāo)。參照GB 3097-1997《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》對長江口水質(zhì)進行評價，海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.2.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)無量綱化處理 在區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量評價中，各聚類指標(biāo)的量綱不同、意義不同，各聚類等級劃分的區(qū)間也存在差異[12]，要先對各聚類指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即數(shù)據(jù)的無量綱化處理。通過簡單的數(shù)學(xué)變換來消除各指標(biāo)量綱的影響，無量綱化處理后才能對數(shù)據(jù)進行有效合理地綜合運算分析，使得聚類結(jié)果具有可比性[5]。

對第[i]個采樣點，第[j]個評價參數(shù)，其檢測值[cij]的無量綱化處理公式如下：

[xij=cij/1ni=1ncij] （1）

對第[k]個灰類，第[j]個評價參數(shù)，其評價參數(shù)的無量綱化計算公式為：

[ykj=gkj/1ni=1kgkj] （2）

對11項水質(zhì)因子的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進行無量綱化處理，其結(jié)果見表2。

1.2.3 建立灰色白化權(quán)函數(shù) 污染因子的隸屬度可以用線性公式來計算[17]。

當(dāng)k=1，隸屬度函數(shù)如下：

[fi1=1，0≤xij≤yijy2j-xijy2j-y1j，y1j<xij<y2j0，xij≥y2j] （3）

當(dāng)k=2/3時，隸屬度函數(shù)如下：

[fik=0，xij≤yk-1j或xij≥yk+1jxij-yk-1jykj-yk-1j，yk-1j<xij<ykjyk+1j-xijyk+1j-ykj，ykj<xij<yk+1j] （4）

當(dāng)k=4，其隸屬度函數(shù)如下公式五：

[fi4=0，xij≤y3jxij-y3jy4j-y3j，y3j≤xij≤y4j1，xij≥y4j] （5）

溶解氧（DO）與其他污染物COD、揮發(fā)酚、石油類、Zn、Hg、Pb、Cu、Cd、Cr、As的作用不同，DO值越大表明水域的水質(zhì)越好，所以其隸屬公式與以上污染物的隸屬公式不同，其隸屬公式如下[20]：

[fi1=1，xij≥yijyi2-xijyi2-yi1，yi1>xij>yi20，xij≤yi2] （6）

當(dāng)k=2/3/4時的灰類級別公式按照以上公式類推。

以上公式中，[xij]為長江口各站點檢測值的無量綱化處理，[yij]為各灰類值的無量綱化處理值。

1.2.4 確定聚類權(quán)和聚類系數(shù) 聚類權(quán)重是衡量各個參數(shù)同一灰類的權(quán)值。水質(zhì)指標(biāo)閾值越大，對水質(zhì)的影響越小，其相對權(quán)重就越小，因此采用倒數(shù)法，計算公式如下：

[ηkj=1ykj/j=1n1ykj] （7）

聚類系數(shù)的計算公式如下：

[σkj=j=1nf（xij）*ηkj] （8）

式中：[δkj]為第i個樣本關(guān)于第k個灰類的聚類系數(shù)，反映聚類樣本對灰類的關(guān)聯(lián)程度。

各水質(zhì)因子的聚類權(quán)重計算結(jié)果見表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 長江口水質(zhì)因子含量 表4和表5為長江口漲落潮時11種水質(zhì)因子濃度，從單因子質(zhì)量來看，長江口水域漲落潮時的COD濃度在海水水質(zhì)III～I(xiàn)V類標(biāo)準(zhǔn)，個別站點超過海水水質(zhì)IV標(biāo)準(zhǔn);各調(diào)查站點揮發(fā)酚和DO濃度均超過海水水質(zhì)I類標(biāo)準(zhǔn);各站點石油類的濃度達(dá)到海水IV標(biāo)準(zhǔn)及以上;各站點水質(zhì)重金屬指標(biāo)Zn、Hg濃度在海水水質(zhì)II類標(biāo)準(zhǔn)，Pb位于III類海水標(biāo)準(zhǔn)，Cu、Cr和As濃度較小，符合I類海水標(biāo)準(zhǔn)，而Cd濃度較高，超過海水IV標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 水質(zhì)數(shù)據(jù)的無量綱化處理 根據(jù)公式1和公式2對長江口漲潮和落潮水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，處理結(jié)果如表6和7所示。

2.3 長江口水質(zhì)灰色聚類評價等級 按照聚類系數(shù)最大歸類原則，水環(huán)境質(zhì)量等級按照站點對應(yīng)各灰類值計算出的最大值來確定此站點所隸屬的灰類。通過利用灰色白化權(quán)函數(shù)法對長江口12個站點的水質(zhì)進行分析并劃分等級，水質(zhì)質(zhì)量等級如表8和表9所示。由表8、表9可知，在漲潮階段Z17的水質(zhì)最好，Z17站位點所對應(yīng)的4個聚類系數(shù)中，對Ⅱ類灰類的聚類系數(shù)最大，因此Z17站點的水質(zhì)質(zhì)量等級為Ⅱ類，Z1、Z3、Z5、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z18、Z19等11個站位點所對應(yīng)的4個聚類系數(shù)中，分別對第Ⅲ類灰類的聚類系數(shù)最大，即以上11個站點的海水水質(zhì)質(zhì)量等級為Ⅲ類。當(dāng)落潮時Z1、Z3、Z6、Z7、Z9、Z13、Z14、Z16、Z17、Z18、Z19等11個站位點所對應(yīng)的4個聚類系數(shù)中，分別對第Ⅲ類灰類的聚類系數(shù)最大，即以上11個站點的海水水質(zhì)質(zhì)量等級Ⅲ類，Z5站位點所對應(yīng)的4個聚類系數(shù)中，對Ⅱ類灰類的聚類系數(shù)最大，因此Z5站點的水質(zhì)質(zhì)量等級為Ⅱ類。漲潮階段Z17站點和落潮階段Z5站點所對應(yīng)的Ⅱ類海水能夠適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)、海水浴場、人體直接接觸海水的海上運動或娛樂區(qū)，以及與人類食用直接有關(guān)的工業(yè)用水區(qū);其他站點所對應(yīng)的Ⅲ類海水能夠適用于一般工業(yè)用水區(qū)以及濱海風(fēng)景旅游區(qū)。綜合長江口漲潮、落潮的12個采樣點站點的水質(zhì)等級，長江口海水水質(zhì)屬于第III類海水。

3 結(jié)論與討論

灰色聚類分析在長江口水質(zhì)質(zhì)量評價中的結(jié)果能夠很好地反應(yīng)當(dāng)前長江口的水質(zhì)現(xiàn)狀。此方法利用數(shù)學(xué)統(tǒng)計引進白化函數(shù)，不僅計算監(jiān)測水質(zhì)的不同污染物的隸屬程度，而且通過計算水域的聚類系數(shù)，按照灰色系數(shù)最大歸類原則將水質(zhì)進行劃分，綜合評價水域水質(zhì)的狀況，以此來客觀劃分海水水質(zhì)的質(zhì)量類別，利用污染因子的權(quán)重來對數(shù)據(jù)進行計算，保證了評價結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性。

本研究中發(fā)現(xiàn)，Z17站點、Z5站點在漲潮和落潮階段海水水質(zhì)等級發(fā)生了一些變化，這2個站點分別位于東灘淡水水域和北支咸水水域，這種變化產(chǎn)生的原因可能是：（1）在落潮時海水將沿岸的營養(yǎng)鹽帶入海中，使得水中的一些污染因子含量升高;（2）在漲潮時大量海水涌入，長江口水量上升，使得水中一些富營養(yǎng)鹽含量相對降低。研究中長江口灰色綜合水質(zhì)結(jié)果可以看出，長江口水質(zhì)狀況大多屬于第Ⅲ類海水等級，與平仙隱等[16]研究得出的長江口水質(zhì)為第Ⅲ類海水的結(jié)果相一致。當(dāng)前長江口水域污染仍處于嚴(yán)重水平，近些年未得到有效改善，究其原因是長江口周圍工業(yè)和居民生活廢水的排放以及航道工程等對水質(zhì)會產(chǎn)生了一定的影響。另外，河口水域營養(yǎng)鹽豐富，浮游藻類等易出現(xiàn)富營養(yǎng)化，從而對水質(zhì)質(zhì)量都會產(chǎn)生影響。因此，在共抓大保護、不搞大開發(fā)的長江大保護的背景下，還應(yīng)繼續(xù)貫徹落實長江大保護相關(guān)的保護措施，保護長江口水域生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

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（責(zé)編：張宏民）