林志裕

（廈門(mén)市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，福建廈門(mén) 361021）

1 引言

海洋環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是海洋環(huán)境污染防治的前提，是改善海洋環(huán)境質(zhì)量急需解決的問(wèn)題。目前應(yīng)用比較廣泛的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法大致包括以下幾類(lèi)：指數(shù)評(píng)價(jià)法、模糊評(píng)價(jià)法、灰色評(píng)價(jià)法、物元分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用［1］?！端Y源保護(hù)規(guī)劃技術(shù)大綱》中推薦應(yīng)用單因子評(píng)價(jià)方法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，該方法是利用水質(zhì)中最差的評(píng)價(jià)因子來(lái)評(píng)價(jià)水體水質(zhì)類(lèi)別［2］。

灰色評(píng)價(jià)法是用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的方法。通過(guò)監(jiān)測(cè)所獲取的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總是特定的不連續(xù)的時(shí)間和空間內(nèi)對(duì)應(yīng)的海洋環(huán)境信息，是不完全的信息，因此可以用灰色系統(tǒng)理論對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)［1］。應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論對(duì)海洋環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法包括灰色關(guān)聯(lián)法、灰色聚類(lèi)法、灰色貼近度分析法、灰色決策法等［2］?；疑P(guān)聯(lián)法進(jìn)行海洋環(huán)境綜合評(píng)價(jià)的基本思路是計(jì)算各評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)值與海水水質(zhì)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)聯(lián)度，然后根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小來(lái)判定各監(jiān)測(cè)站位的海水水質(zhì)類(lèi)別［2］。灰色關(guān)聯(lián)法是鄧聚龍于1984 年創(chuàng)立的灰色系統(tǒng)理論的一個(gè)重要組成部分［3］。近年來(lái)，有很多學(xué)者將灰色關(guān)聯(lián)法應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)并進(jìn)行了改進(jìn)和完善。本文基于2017 年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)法和單因子評(píng)價(jià)法對(duì)廈門(mén)海域的海洋環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，為廈門(mén)海域海洋環(huán)境質(zhì)量改善提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

廈門(mén)海域位于中國(guó)東南沿海，地處亞熱帶區(qū)域，是一個(gè)半封閉型港灣。海域總面積約為355 km2，根據(jù)地理環(huán)境特征分為灣內(nèi)和灣外兩部分，灣內(nèi)包括同安灣、西海域和九龍江河口，灣外包括南部海域、東部海域與大嶝海域。潮汐形態(tài)屬于正規(guī)半日潮，平均潮差約3.99 m，潮流屬往復(fù)流，漲潮時(shí)流向?yàn)硟?nèi)，退潮時(shí)流向?yàn)惩?。本文?shù)據(jù)來(lái)源于廈門(mén)海域2017 年5 月、9 月和10 月3 個(gè)月的17 個(gè)站位人工水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，除XM02 站位（因水深較淺，僅采集表層水樣）外，其余16 個(gè)站位均同時(shí)采集表層、底層水樣。

3 灰色關(guān)聯(lián)法

3.1 分析評(píng)價(jià)步驟

灰色關(guān)聯(lián)分析是通過(guò)關(guān)聯(lián)度來(lái)評(píng)價(jià)兩者之間關(guān)聯(lián)程度的方法，關(guān)聯(lián)度越大，參考數(shù)列與比較數(shù)列的空間幾何曲線越接近，相互間的關(guān)聯(lián)程度越加緊密［4-5］。

灰色關(guān)聯(lián)法計(jì)算關(guān)聯(lián)度步驟如下：一是確定參考數(shù)列和比較數(shù)列，參考數(shù)列通常為各評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)值，比較數(shù)列通常為海水水質(zhì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；二是將參考數(shù)列和比較數(shù)列分別進(jìn)行無(wú)量綱化處理；三是計(jì)算關(guān)聯(lián)度。無(wú)量綱化處理方法主要包括均標(biāo)準(zhǔn)化法、均值化法以及極值化法等［6］。本文結(jié)合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用分段式的極值化法對(duì)參考數(shù)列和比較數(shù)列進(jìn)行無(wú)量綱化處理。對(duì)參考數(shù)列采用公式如下：

式中，x'i（k）為無(wú)量綱處理后的參考數(shù)列；xi（k）為第k類(lèi)評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)值；C（k）為第k 類(lèi)評(píng)價(jià)因子對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的一類(lèi)、二類(lèi)、三類(lèi)、四類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值。

公式中，當(dāng)評(píng)價(jià)因子實(shí)測(cè)值小于一類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和大于四類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，分別取值為0 和1；當(dāng)評(píng)價(jià)因子實(shí)測(cè)值位于一類(lèi)和四類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)之間時(shí)，通過(guò)公式計(jì)算進(jìn)行無(wú)量綱化處理。此公式適用于污染程度與數(shù)值成正比的評(píng)價(jià)因子，如無(wú)機(jī)氮（DIN）、活性磷酸鹽（DIP）等評(píng)價(jià)因子，而對(duì)于溶解氧（DO）等污染程度與數(shù)值成反比的評(píng)價(jià)因子，該公式只需相應(yīng)轉(zhuǎn)換即可。

對(duì)比較數(shù)列采用公式如下：

式中，y'j（k）為無(wú)量綱處理后的比較數(shù)列；yj（k）為第k類(lèi)評(píng)價(jià)因子的各類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)值。

無(wú)量綱化處理之后，參考數(shù)列和比較數(shù)列分別構(gòu)成以下矩陣：

式中，i 為參考數(shù)列的第i 個(gè)站位，i＝1，2，…，m；m 為監(jiān)測(cè)站位個(gè)數(shù)；j 為比較數(shù)列第j 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，j＝1，2，…，t；t 為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的分類(lèi)數(shù)；n 為評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù)。

逐行分別計(jì)算每個(gè)參考數(shù)列與比較數(shù)列對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)因子的絕對(duì)差值，即，同時(shí)得出兩級(jí)最大差和兩級(jí)最小差，分別為：。

最后計(jì)算參考數(shù)列對(duì)比較數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)ζ，公式如下：

式中，ρ 為分辨系數(shù)，取值范圍介于0 與1 之間，ρ 越大，二者關(guān)聯(lián)系數(shù)越大，通常取值ρ＝0.5。

3.2 計(jì)算各評(píng)價(jià)因子權(quán)重

在一些應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)中，通過(guò)將各評(píng)價(jià)因子的關(guān)聯(lián)系數(shù)取平均值得到關(guān)聯(lián)度，這種方法沒(méi)有考慮到各評(píng)價(jià)因子對(duì)環(huán)境污染的貢獻(xiàn)程度不同。然而各評(píng)價(jià)因子對(duì)環(huán)境污染的貢獻(xiàn)程度不同，有的甚至有較大差異，因此將權(quán)重納入考慮可以更加科學(xué)地反映海洋環(huán)境實(shí)際的污染狀況。

目前計(jì)算各評(píng)價(jià)因子權(quán)重的方法主要包括熵值法、主成分分析法、層次分析法、專(zhuān)家評(píng)分法、賦權(quán)法等［7-10］。本文選取一種應(yīng)用較多的方法來(lái)計(jì)算各評(píng)價(jià)因子權(quán)重，該方法將實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值均考慮之內(nèi)，通過(guò)污染貢獻(xiàn)率來(lái)確定權(quán)重，公式如下：

最后通過(guò)各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值和關(guān)聯(lián)系數(shù)得出評(píng)價(jià)對(duì)象與各水質(zhì)類(lèi)別的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度最大的類(lèi)別即為評(píng)價(jià)對(duì)象的海水水質(zhì)類(lèi)別。公式如下：

式中，rj為評(píng)價(jià)對(duì)象與j 類(lèi)水質(zhì)類(lèi)別的關(guān)聯(lián)度；ζj（k）為第k 項(xiàng)評(píng)價(jià)因子與j 類(lèi)水質(zhì)類(lèi)別的關(guān)聯(lián)系數(shù)；n 為評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù)。

3.3 確定評(píng)價(jià)因子與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

本文選取DIN（包含NH3-N，NO2-N，NO3-N）、DIP、DO、化學(xué)需氧量（CODMn）、葉綠素a（Chl-a）5 個(gè)評(píng)價(jià)因子，依據(jù)GB 3097—1997《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》［11］和一些文獻(xiàn)中對(duì)葉綠素a 的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，各評(píng)價(jià)因子的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1［10-11］。本文數(shù)據(jù)來(lái)源于廈門(mén)海域2017 年5 月、9 月和10 月3 個(gè)月的17 個(gè)站位的實(shí)測(cè)值，取3 個(gè)月份表層、底層實(shí)測(cè)值的平均值進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

表1 各評(píng)價(jià)因子的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) mg/L

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

4.1 灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)參考數(shù)列和比較數(shù)列進(jìn)行無(wú)量綱化處理后，得到參考數(shù)列無(wú)量綱化處理結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 參考數(shù)列無(wú)量綱化處理結(jié)果

比較數(shù)列無(wú)量綱化處理結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 比較數(shù)列無(wú)量綱化處理結(jié)果

通過(guò)上述步驟逐步進(jìn)行計(jì)算，得出CODMn，DIN，DIP，DO，Chl-a 5 個(gè) 評(píng) 價(jià) 因 子 的 權(quán) 重 分 別 為0.052，0.285，0.299，0.269，0.094，最終得出的關(guān)聯(lián)度見(jiàn)表4。

表4 灰色關(guān)聯(lián)法評(píng)價(jià)結(jié)果

從表4 可以看出，廈門(mén)海域中不同區(qū)域的水質(zhì)狀況不同。在17 個(gè)監(jiān)測(cè)站位中，有4 個(gè)站位的水質(zhì)狀況為一類(lèi)水質(zhì)，5 個(gè)站位的水質(zhì)狀況為二類(lèi)水質(zhì)，8 個(gè)站位的水質(zhì)狀況為四類(lèi)水質(zhì)，一、二類(lèi)優(yōu)良水質(zhì)站位比例為52.9%，四類(lèi)水質(zhì)站位比例為47.1%。根據(jù)HJ 442.10—2020《近岸海域環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，廈門(mén)海域總體水質(zhì)狀況差，其中，同安灣、西部海域和九龍江河口區(qū)水質(zhì)狀況差，南部海域、東部海域和大嶝海域水質(zhì)優(yōu)良。

XM01～XM04 和XM17 等5 個(gè)站位位于廈門(mén)西部海域，XM06 位于九龍江河口，XM12 和XM13 2 個(gè)站位位于同安灣內(nèi)，均為四類(lèi)。西部海域和同安灣位于灣內(nèi)，水動(dòng)力不足，與外海水體交換能力較差，污染物不易擴(kuò)散，從而造成其水質(zhì)狀況差。除了客觀自然環(huán)境因素外，集美區(qū)、海滄區(qū)、同安區(qū)的污水處理廠入海排污口及其他入海排放口和入海溪流輸入到同安灣、西部海域的陸源入海污染物也是海水水質(zhì)變差的重要原因。

九龍江是龍巖、漳州、廈門(mén)的飲用水水源地，同時(shí)也是沿岸眾多工業(yè)企業(yè)的供水來(lái)源。目前九龍江水資源已處于過(guò)度開(kāi)發(fā)利用的狀態(tài)，受沿岸工業(yè)、畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)等多種污染的影響，水質(zhì)惡化嚴(yán)重［12-13］。本文中XM06 位于九龍江河口區(qū)，水質(zhì)為四類(lèi)，九龍江輸入的陸源入海污染物直接導(dǎo)致河口區(qū)海水水質(zhì)狀況變差。

XM07 和XM08 2 個(gè)站位位于南部海域，XM09，XM10 和XM11 3 個(gè)站位位于東部海域，XM14，XM15 和XM16 3 個(gè)站位位于大嶝海域，這3 個(gè)海域位于灣外，水交換能力強(qiáng)，污染物容易擴(kuò)散到外海。同時(shí)這3 個(gè)海域受到人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)的影響相對(duì)較小，因此水質(zhì)狀況良好。本文的評(píng)價(jià)結(jié)果與蔣榮根［14］的結(jié)論一致。

在5 項(xiàng)評(píng)價(jià)因子中，所有站位的DO 均達(dá)到一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，94%站位的CODMn達(dá)到一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，94%站位的葉綠素a 達(dá)到一類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，65%站位的DIP 超過(guò)二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，82%站位的DIN 超過(guò)二類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。因此，DIP和DIN 是導(dǎo)致廈門(mén)海域海水水質(zhì)下降的主要污染物。

4.2 灰色關(guān)聯(lián)法與單因子評(píng)價(jià)法的比較

將灰色關(guān)聯(lián)法與單因子評(píng)價(jià)法得出的結(jié)果進(jìn)行比較，見(jiàn)表5。從表5 可以看出，灰色關(guān)聯(lián)法得出的評(píng)價(jià)結(jié)果中水質(zhì)類(lèi)別最差為四類(lèi)，而單因子評(píng)價(jià)法得出的評(píng)價(jià)結(jié)果中水質(zhì)類(lèi)別最差為劣四類(lèi)，另外，灰色關(guān)聯(lián)法的評(píng)價(jià)結(jié)果總體上比單因子評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)一個(gè)水質(zhì)類(lèi)別，而兩種方法得出的廈門(mén)海域海洋環(huán)境質(zhì)量的變化趨勢(shì)大致相同。

表5 兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果比較

相比之下，單因子評(píng)價(jià)法雖然能夠直觀地體現(xiàn)海洋環(huán)境質(zhì)量與海水水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，但由于其過(guò)于嚴(yán)苛的要求使得評(píng)價(jià)結(jié)果總體上差一個(gè)水質(zhì)類(lèi)別，而且不能體現(xiàn)各評(píng)價(jià)因子對(duì)海洋環(huán)境質(zhì)量的影響，從而無(wú)法全面地反映海洋環(huán)境污染的客觀情況，而灰色關(guān)聯(lián)法能夠綜合地反映各評(píng)價(jià)因子對(duì)海洋環(huán)境質(zhì)量的污染狀況。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)法和單因子評(píng)價(jià)法對(duì)2017年廈門(mén)海域海水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。依據(jù)HJ 442.10—2020《近岸海域環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范 第十部分評(píng)價(jià)及報(bào)告》，兩種方法得出的結(jié)果均顯示，2017 年廈門(mén)海域海水水質(zhì)狀況差。西部海域和同安灣位于灣內(nèi)，與外海水體交換能力較差，另外，沿岸輸入的陸源入海污染物也是海水水質(zhì)變差的重要原因。而九龍江河口的四類(lèi)水質(zhì)則與九龍江輸入的陸源污染物密切相關(guān)。東部海域和大嶝海域位于灣外，與外海水體交換充分，污染物擴(kuò)散能力較強(qiáng)，同時(shí)人類(lèi)活動(dòng)影響較小，故水質(zhì)狀況優(yōu)良。CODMn、DO 和葉綠素a 這3 項(xiàng)評(píng)價(jià)因子對(duì)海水水質(zhì)的影響較小，而DIP 和DIN 是導(dǎo)致廈門(mén)海域海水水質(zhì)下降的主要污染物。

兩種評(píng)價(jià)方法中，單因子評(píng)價(jià)法會(huì)使得評(píng)價(jià)結(jié)果總體上差一個(gè)水質(zhì)類(lèi)別，不能體現(xiàn)各評(píng)價(jià)因子對(duì)海洋環(huán)境質(zhì)量的影響，從而無(wú)法全面地反映海洋環(huán)境污染的客觀情況，而灰色關(guān)聯(lián)法能夠綜合地反映各評(píng)價(jià)因子對(duì)海洋環(huán)境質(zhì)量的污染狀況。