基于综合指数法的长江口及其邻近海域水质环境综合评价

海󰀁󰀁洋󰀁󰀁学󰀁󰀁研󰀁󰀁究

JOURNALOFMARINESCIENCESVol.29󰀁No.3Sept.,2011

文章编号:1001-909X(2011)03-0169-07

基于综合指数法的长江口及其邻近海域

水质环境综合评价

范海梅,李丙瑞,徐󰀁韧,李亿红,叶属峰

1

2

1

1

1

(1.国家海洋局东海环境监测中心,上海󰀁200137;2.中国极地研究中心,上海󰀁200136)

摘󰀁要:根据1998󰀁2006年在长江口及邻近海域监测得到的水质要素数据,利用层次分析法(AHPM)和主成分分析法(PCAM),建立了该海域水质环境综合评价指标体系,并计算得到2006年长江口及邻近海域水质环境综合指数及其分布状况,分析了不同分区水质环境综合指数的变化趋势。结果表明:(1)与等指标权重相比,通过监测数据赋予各个水质要素不同的指标权重,更能客观评价调查海域水质环境综合状况。(2)2006年调查海域大部分区域水质环境综合状况为三等和四等,其中杭州湾内和口门附近的横沙浅滩及九段沙区域为四等水质环境区域,口门内、口门部分区域及口门外(近岸)区域为二等和三等水质环境区域,口门外(外海)区域为一等水质环境区域。(3)根据不同指标权重得到的1998󰀁2006年调查海域各分区的水质环境综合指数变化趋势发现,1998󰀁2000年综合指数明显下降,2000󰀁2006年变化趋势不明显。由相同指标权重得到的2000󰀁2006年的综合指数变化趋势也不明显。关键词:水质环境综合指数;指标体系;层次分析法;主成分分析法;长江口中图分类号:X834󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

洋环境保护协调发展提供科学参考。

海域水质评价方法以单因子指数评价法[2]和综合污染指数法[3]最为常见,是简单易行的有效方法。正确合理分析水质环境历史监测数据,从中提取丰富信息,是科学有效的监测水质环境的基础,并可为控制污染物排放总量、治理及修复水质环境提供科学依据。近年来海域水质环境综合评价方法研究发展比较快,如河口营养状况评价法、模糊综合方法、指示物种法、综合指标体系法及DPSIR模型法等[3-6]。环境综合评价是判断环境承载力及其可持续发展的重要步骤之一[3],也是管理层决策治理的重要依据之一。综合评价长江口及邻近海域的水质环境现状及其变化趋势是当前水质环境综合评价的热点与难点。本文通过建立该海域水质环境的综合指标体系,采用主成分分析法(PCAM)和层次分析法(AHPM),利用客观监测数据得到各个指标的权重,计算出不同年份各站位的

[3,7]

[3-4]

0󰀁引言

长江口及其邻近海域处于长江冲淡水、暖流、黄海冷水团、东海沿岸流等水系综合影响的区域,

长江携带着富含各种陆源物质的淡水与海水混合,在河口地区形成了独特的自然地理环境。长江口为径流和潮流相互作用非常明显的沙岛型中等潮汐河口,河口平面外形呈󰀁三级分汊、四口分流󰀁格局,口门南北宽约90km,常年接纳来自东海、黄海的巨大潮量。由于长江径流量以及各物质输送通量巨大,再加上海洋养殖、海上疏浚倾废、海洋运输及大型海洋工程等的影响,致使长江口及邻近海域成为我国近岸海域污染最为严重的地区之一。为了保护长江口自然环境,建设生态上海,需要对该海域水环境进行全面的调查与评估,以查清污染现状和主要污染源,为海域环境监测提供科学依据,为海洋资源开发利用与海

收稿日期:2010-07-20󰀁󰀁󰀁󰀁修回日期:2011-07-26

[1]

基金项目:国家海洋公益性行业科研专项经费重点资助项目(20080508);󰀁863󰀁计划资助项目(2007AA12Z182);国家海洋局东海环境监测中

心青年科技基金资助项目(200802)

作者简介:范海梅(1976-),女,山东武城市人,高级工程师,博士,主要从事海洋环境及水动力学研究。E-mail:fhm-dawn@yahoo.com.cn

󰀁170󰀁

海󰀁洋󰀁学󰀁研󰀁究29卷3期

水质环境综合指数,从而对2006年长江口及其邻近海域水质环境进行综合评价,并分析了1998󰀁2006年该海域综合水质环境变化趋势。

行插值[9-10],图1中站位基本代表了文中数据的监测点。由于不考虑年内变化,因此所有指标都是进行了年内平均,最终得到每个站位在不同年份的水质监测数据。

1󰀁研究区域和资料

1.1󰀁研究区域和监测时序

研究区域位于长江口及其邻近海域(30.5󰀁~32󰀁N、121󰀁~123󰀁E),共设置43个监测站位,如图1所示。本文采用的监测数据时序为1998󰀁2006年,监测数据来源于国家海洋局东海环境监测中心。

2󰀁研究方法

本文运用综合指标评价体系对调查海域进行水

质环境综合评价。首先建立该海域水质环境综合指标体系,其次对各指标数据进行标准化,然后确定各个指标的权重,最后计算水质环境综合指数。2.1󰀁指标体系及其标准化

将水质监测要素中的NH4-N、NO2-N和NO3-N求和,合并为1个指标,记作N;PO4-P要素记作P;其它监测要素代表各自的指标,建立了如表1所示的水质环境综合指标体系。该指标体系分为3层,第1层为目标层(A),第2层为分目标层(B),第3层为指标层(C)。

表1󰀁调查海域水质环境综合指标体系

Tab.1󰀁Comprehensiveindexsystemofwaterenvironment

inChangjiangRiverEstuaryanditsadjacentarea

目标层(A)

分目标层(B)水质要素(B1)

指标层(C)

DOCODMn

NPCdCuHgOilPbTS

图1󰀁监测站位及分区(A1~A4)

Fig.1󰀁Samplingsitesandthefoursubareas(A1~A4)

根据研究海域不同区域的水质要素权重,将该海域划分为4个区,分别为长江口内(A1区)、口门(A2区)、口外(A3区)和杭州湾(A4区)。1.2󰀁水质监测要素及数据预处理

水质监测要素为:溶解氧(DO)、化学耗氧量(CODMn)、氨氮(NH4-N)、亚盐氮(NO2-N)、盐氮(NO3-N)、活性磷酸盐(PO4-P)、镉(Cd)、铜(Cu)、总汞(Hg)、油类(Oil)、铅(Pb)、温度(T)和盐度(S),海水水质分析按照《海洋监测规范》中所规定的方法进行。

每个水质要素监测值都相对应于1个精确到分的监测时间和精确到秒的经纬度的监测地点,大体上,每年进行春(5月)、夏(8月)、秋(11月)和冬(2月)4个季节的监测。由于天气等各种因素,每年的监测日期不完全相同,并且由于风浪、水深等条件的影响,同一站位在不同年份的监测位置也不能保证完全一致,因此需对原始数据进行预处理分析,以统一监测位置。每个监测值看作由时间、经度和纬度组成的三维空间中的一个已知点,通过对三维空间进行无量纲化,利用最邻近插值方法,即用已知点的监测值对如图1所示的站位进[8]

水

质环境综合状况

底质要素(B2)

水文要素(B3)

由于陆地水与海洋水没有统一的水质分类标准,因此本文没有利用标准值对各指标数据进行标准化,而是采用最大最小值方法。正指标(发展类指标)和逆指标(类指标)分别采用(1)式和(2)式进行处理。

CiR=(XiR-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

CiI=(Xmax-XiI)/(Xmax-Xmin)(2)

式中:CiR和CiI分别为正、逆指标的标准化值;XiR和XiI分别为正、逆指标的原始监测值;Xmax、Xmin分别为选定集合中正(逆)指标的最大值和最小值。本文在对水质环境综合评价时没有考虑T和S指标的作用,因此,正指标为DO,逆指标为CODMn、N、P、Cd、Cu、Hg、Oil和Pb。2.2󰀁权重的确定

首先根据层次分析法确定分目标层(B)对目标层(A)的权重,记作WBA。在表1所示的层次结构基础上,对水质要素(B1)、底质要素(B2)和水文要素(B3)[3]

范海梅等:基于综合指数法的长江口及其邻近海域水质环境综合评价

󰀁171󰀁

进行两两比较,构造出判断矩阵B(表2),从而判断各子目标在影响水质环境综合评价结果方面的重要程度。利用MATLAB程序计算判断矩阵B的本征值和本征向量,得到的最大特征根󰀁max=3.04,对应特征向量M=(0.8527,0.5165,0.0782)。检验系数CR=0.032<0.1,说明判断矩阵B具有满意的一致性。分目标层对水质环境综合状况权重的计算公式为

WBA=M/

同指标权重对调查海域环境的评价结果是否具有客观性,本文引入了等权重法,即假设各个指标对总目标的权重值(W󰀁)都为0.1111。

表3󰀁指标层(C)对分目标层(B)的权重(WCB)Tab.3󰀁Weightofindexlayer(C)tosub-objectlayer(B)

CDOCODMnNPCdCuHgOilPb

A1区

0.23980.25320.24490.26210.21350.18350.20940.18570.2078

A2区0.20960.25430.270.25720.22080.19030.22110.19650.1713

A3区0.25330.24390.25110.25170.23250.19610.21910.19880.1536

A4区0.17690.27270.28290.26760.20980.16280.19430.21430.2188

󰀁M

(3)

由(3)式计算可知,WB1A=0.51,WB2A=0.35,WB3A=0.0540,其中WB3A较小,说明水文要素对水质环境综合评价结果的影响不大。因此,本文在综合评价调查海域水质环境时,未考虑水文要素,而将WB1A、WB2A分别设为0.6和0.4。

表2󰀁判断矩阵BTab.2󰀁comparisonmatrixB

子目标

B1B2B3

B111/21/9

[3,7]

表4󰀁各指标对总目标的权重(W)

Tab.4󰀁Weightofeveryindicatorstogeneralobject

B3981

CDOCODMnNPCdCuHgOilPb

W

A1区0.14390.15190.14690.15730.08540.07340.08380.07430.0831

A2区0.12580.15260.16730.15430.08830.07610.08840.07860.0685

A3区0.15200.14630.15070.15100.09300.07840.08760.07950.0614

A4区0.10610.16360.16970.16060.08390.06510.07770.08570.0875

W󰀁0.11110.11110.11110.11110.11110.11110.11110.11110.1111

B2211/8

其次利用主成分分析方法计算指标层(C)对

分目标层(B)的权重,记作WCB。具体步骤为:计算标准化后的指标相关系数矩阵;计算相关系数矩阵的特征根󰀁1󰀁󰀁2󰀁󰀂󰀂󰀁󰀁n,以及对应的特征向量u1,u2,󰀁󰀁,un;计算累计贡献率,并选取累计贡献率大于80%的前m个主成分量(yi)进行分析

yi=

j=1

󰀁u

n

ij

xj(4)

3󰀁结果与分析

3.1󰀁2006年水质环境综合评价

利用表4中的指标权重和无量纲化后的指标值,通过加权求和,得到水质环境综合指数(Aj),计算公式为[3]

Aj=

i=1

式中:uij为特征向量ui的第j个分量,i=1,2󰀁󰀁m,j=1,2󰀁󰀁n;xj为标准化后的指标值;计算各主成分量方差贡献率(gi),计算公式如下

gi=󰀁i

i=1

󰀁󰀁

i

m

(5)

󰀁WC

i

9

ij

(8)

式中:gi为第i个主成分的方差贡献率;󰀁i为第i个主成分量对应的特征根。以上步骤通过MATLAB编程软件得以实现,得到指标层对分目标层的权重为

(WCB)j=

据计算得到的。

最后确定指标层(C)对目标层(A)的权重(W)为W=WBA󰀁WCB(7)表3为各指标对分目标层的权重,表4为各指标对总目标的权重。由表4可见,通过监测数据计算得

出各指标对总目标的权重各不相同。为检验采用不i=1

式中:Wi为各指标对总目标的权重,i=1,2󰀁󰀁9;Cij为对应j站位上i指标的标准化值,j=1,2󰀁󰀁43。根据该指数设计出调查海域水质环境综合评价标准:A󰀁0.8为一等水质环境,0.6󰀁A<0.8为二等水质环境,0.4󰀁A<0.6为三等水质环境,0.2󰀁A<0.4为四等水质环境。

图2为根据不同指标权重得到的2006年水质环境综合指数分布,该评价结果与潘怡等的模糊综合评价结果大体一致。由图2可见,位于口门区(A2区)的最大混浊带,横沙浅滩、九段沙区域及杭州湾(A4区)湾内区域的水质环境综合指数最低,按上述评价标准可定义为四等水质环境区域。最大混浊带[2]

󰀁giuij,j=1,2,󰀁󰀁n

m

(6)

指标层对分目标层的权重是基于2006年水质监测数

󰀁172󰀁

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位于长江口径流和外海潮流交汇处,是盐、淡水交锋区域,该区域对物质在水平方向输运具有一定阻隔作用,来自上游约40%的物质沉积在最大混浊带和水下三角洲地区[11-13],因此,在调查海域范围内该区域水质综合状况最差。而横沙浅滩、九段沙区域及杭州湾湾内区域因水交换能力较差,污染物不能及时扩散,也使得这些区域水质较差。

口内区(A1区)、口门(A2区)部分区域及口外(A3区)近岸区域为二等和三等水质环境区域。口内区主要受径流作用影响,在南、北支分叉区,由于北支分流较少,动力交换能力差,使得该区域水环境综合

指数较低。

口外(A3区)远岸区域海面较开阔,污染物质能够及时被稀释扩散掉,因此该区域水质环境综合状况较好,为一等水质环境区域。

图3为根据相同指标权重得出的水质环境综合指数分布。与图2相比,图3的水质环境综合指数分布梯度较小,区域之间差异不显著,而图2则显示出调查海域不同分区的水质环境综合指数差异更显著,分布也更精准、更客观。可见,基于监测数据,采用主成分分析法和层次分析法得到各个指标对总目标的权重更合理,更能客观评价不同指标要素对整体水质环境的影响程度。

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󰀁173󰀁

3.2󰀁水质环境综合指数变化趋势

水质环境的年际变化趋势对于研究气候变化和水资源的可持续利用是非常重要的科学依据。本文对1998󰀁󰀁󰀁2006年不同站位的水质要素数据进行标准化处理后,利用表4中的指标权重,计算出每个站位在不同年份的水质环境综合指数。各分区的水质环境综合指数为分区内所有站位的水质环境综合指数平均值。图4为1998󰀁2006年各分区水质环境指数的变化趋势,图5为采用相同指标权重(0.1111)得到的2000󰀁2006年水质环境综合指数变化趋势。由图4、图5可见,总体上调查海域水质环境综合指数大小依次为口门区<杭州湾<口内区<口外区,这表明口门区水质环境最劣,口外区水质环境最优,这与图

[5,12,14]

2的评价结果基本一致。

从1998至2000年,各分区水质环境综合指数下降较快,水质迅速恶化;而2000年以后各分区指数下

降趋势不明显,水质环境恶化趋缓,但存在不同程度的年际波动现象,其中,口内和口外区的年际波动现象最为明显,杭州湾和口门区的指数年际波动趋势则不明显,上述变化趋势与潘怡等[6]的研究结果较一致。本文认为仅从水质监测数据得出2000年以后该海域水质环境恶化趋缓这一结论还为时尚早,因为单从海域分区这一角度来看,就涉及地形和水动力变化、化学和生物等众多因素,因此对于本文采用的海域分区方法及水质环境综合指数法都有待于进一步改进。

4󰀁讨论与小结

本文利用1998󰀁2006年长江口海域及邻近海域的水质环境监测数据,通过水质环境综合指数法对该

海域的水质环境综合状况进行了评价。结果表明:2006年调查海域大部分区域为三等和四等水质区

域,其中杭州湾和口门附近的最大浑浊带区域水质环境最劣,其次为口内区域,而口外区域水质环境最优。1998󰀁2000年口内、口门、口外和杭州湾4个分区的水质环境综合指数变化幅度较大,水质环境恶化较快;2000年以后各分区水质环境综合指数下降趋势不明显。

󰀁174󰀁

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根据水质环境综合指数分布特征推断,长江口及邻近海域的污染物主要来自径流和陆源排放,因此,控制污染物总量排放是改善四等水质区域环境的关键;二等水质环境区域位于淡水和海水交汇处,因此该区域的水质受三等水质区域的影响比较大,若三等水质区域环境得以整治后,二等水质区域环境也会有相应改善。

在动力条件区域差异的背景下,近年来,长江口及邻近海域已成为水体富营养化和赤潮多发的区域[12]。作为海水污染富营养化标志的夜光虫,过去很少出现在123󰀁E以东海域,但现在其分布范围已向东发展至126󰀁E海域,甚至在专属经济区以外的国际海域[12-13]也有分布。根据水质单因子评价方法,长江口水质基本属于四类甚至劣四类[6,10],从物质饱和的角度来看,如果一种物质在某海区接近饱和,那么这种物质在该海区含量变化不会太大,而在开阔的区域,由于物质本身的扩散作用及水动力作用的影响则会导致其传向外海。因此,仅利用1998󰀁2006年水质环境监测数据对长江口及其邻近海域的水质环境进行综合评价是不全面的,本文认为长江口及其邻近海域的水质环境状况评价应该依托在更大的海域系统背景中,并考虑周边动力背景场的影响。

文中利用层次分析法和主成分分析方法确定指标权重,其中层次分析法主要是根据专家背景知识来确定,具有一定的主观性。主成分分析法基于客观监测数据,但是数据的预处理和标准化方法等也存在不确定性,因此需不断地改进数据处理及评价方法。参考文献(References):

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󰀁175󰀁

ComprehensiveassessmentofthewaterenvironmentofChangjiangRiverEstuaryanditsadjacentseaareasbasedoncomprehensiveindexmethod

FANHa-imei1,LIBing-rui2,XURen1,LIY-ihong1,YEShu-feng1(1.EastChinaSeaMonitoringCenter,SOA,Shanghai200137,China;

2.PolarResearchInstituteofChina,Shanghai200136,China)

Abstract:BasedonthemonitoringdataofwaterenvironmentfactorscolletedbytheEnvironmentalMonitoringCenterofEastChinaSeaBranch,StateOceanicAdministrationinChangjiangRiverEstuaryanditsadjacentseaareasfrom1998to2006,theindexsystemforcomprehensiveassessmentofwaterenvironment

isestablishedandtheweightsofdifferentindexesaredefinedusingAnalyticHierarchyProcessMethod(AHPM)andPrincipalComponentsAnalysisMethod(PCAM).Thenthecomprehensiveindexofthewaterenvironmentanditsdistributionintheareain2006arecalculatedandthelong-termtrendoftheindexinfourdifferentsubareasanalyzed.Theresultsshowthat:(1)theindexweightsfromthemonitoringdatawithAHPMandPCAMcangivemoreobjectivewaterenvironmentconditionsthantheequalindexweights;(2)thewaterenvironmentconditionsoftheareain2006werenotoptimistic,andthethird-andforth-classwateroccupiedthemostpartofthewaterarea;(3)comprehensivewaterqualityofHangzhouBayandtheturbiditymaximumareainChangjiangRiverEstuarywastheworstandtheareainsidetheestuarywasthenext;(4)thecomprehensivewaterenvironmentindexesofthesubregionsvariedlittleandthetrendisnotobvioussince1998.Objectiveandscientificassessmentofthewaterenvironmentisthebasisformonitoring,protectionandsustainableutilizationoftheseawaterenvironment.

Keywords:comprehensiveindexofwaterenvironment;indexsystem;AHPM;PCAM;ChangjiangRiverEstuary