曹龍+李衛(wèi)平+陳秋麗

摘要：為準(zhǔn)確客觀地反映濕地水環(huán)境情況，分別運(yùn)用改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法及模糊數(shù)學(xué)法對(duì)昭君島濕地的平水期、枯水期、豐水期水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以2015-2016年昭君島濕地水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取總氮、總磷、氨氮、化學(xué)需氧量（COD）為水質(zhì)影響因子，兩種方法的評(píng)價(jià)角度不相同但評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，即平水期及枯水期水質(zhì)優(yōu)于豐水期，各影響因子均有不同程度超標(biāo)現(xiàn)象，濕地水質(zhì)無(wú)法滿足Ⅲ類水體功能要求，相關(guān)部門需加強(qiáng)濕地水體污染防治。

關(guān)鍵詞：改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法；模糊數(shù)學(xué)法；濕地水質(zhì)；影響因子；權(quán)重；昭君島濕地

中圖分類號(hào)：K928.43；X824 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）22-4278-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.22.017

Abstract： In order to accurately and objectively reflect the water quality of wetlands，the improved Nemerow pollution index method and fuzzy mathematics method was used to evaluate the water quality of Zhaojun island wetland. Based on the monitoring data of Zhaojun island wetland in 2015-2016，the total nitrogen， total phosphorus，ammonia and COD were the influencing factors of water quality. The evaluation angle of the two methods was different，but the evaluation results were basically the same：Water quality in the plain and dry season was better than that in the wet season， and all the influencing factors were over standard in different degrees. Wetland function decline，the water quality could not meet the class Ⅲ water function，and the relevant departments need to strengthen the wetland water pollution control.

Key words： improved Nemerow pollution index method； fuzzy mathematical method； wetland water quality； influence factor； weight coefficient； Zhaojun island wetland

水質(zhì)評(píng)價(jià)是指依據(jù)水環(huán)境監(jiān)測(cè)資料，選擇合適的參考體系及評(píng)判方法，對(duì)水質(zhì)情況做出定性或定量的評(píng)判。目前一些水質(zhì)評(píng)價(jià)方法都存在一定缺陷，如灰色聚類法，分析及計(jì)算簡(jiǎn)單，但評(píng)價(jià)函數(shù)的選擇帶有很大的主觀性[1，2]；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，考慮因子全面，但對(duì)數(shù)據(jù)要求極高，可操作性不強(qiáng)[3，4]。改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法充分考慮了不同影響因子對(duì)母體的實(shí)際效果，兼顧到主次因子對(duì)評(píng)判結(jié)果的影響，使評(píng)價(jià)更為客觀簡(jiǎn)便，在工程實(shí)際中有較多成功應(yīng)用[5，6]。

濕地被譽(yù)為“地球之腎”，很大一部分是由于其水生態(tài)強(qiáng)大的自凈作用[7，8]，因此對(duì)濕地水環(huán)境進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)對(duì)于濕地功能的保養(yǎng)與恢復(fù)尤為重要。濕地生態(tài)群落復(fù)雜，水質(zhì)具有明顯的不確定性[9]。采用國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛的改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法[10]對(duì)黃河昭君島濕地進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)及討論分析，為環(huán)保水利部門開(kāi)展?jié)竦匾?guī)劃管理提供理論參考。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

1.2 模糊數(shù)學(xué)法

模糊數(shù)學(xué)法對(duì)邊界模糊的事物進(jìn)行系統(tǒng)分析，以模糊數(shù)學(xué)變換原理和最大隸屬度原則[15]作為數(shù)據(jù)計(jì)算和選擇的依據(jù)，達(dá)到精確性與模糊性相統(tǒng)一的評(píng)價(jià)目的[16]。在實(shí)際評(píng)價(jià)應(yīng)用中，該法很好地契合了水質(zhì)數(shù)據(jù)的不充分性和水質(zhì)分級(jí)概念的模糊性[17]。

1.2.1 建立因子集和評(píng)價(jià)集 在水質(zhì)評(píng)價(jià)中，由選定的水質(zhì)污染因子組成因子集U1xn=（u1，u2，…，un），un為第n類因子，n為因子個(gè)數(shù)；評(píng)價(jià)集是指可能做出的各種評(píng)價(jià)結(jié)果所組成的集合：V1xm=（v1，v2，…，vm），Vm為第m種評(píng)價(jià)結(jié)果，m為評(píng)價(jià)結(jié)果個(gè)數(shù)。

1.2.2 確定隸屬函數(shù) 目前隸屬函數(shù)有多種表現(xiàn)形式，常見(jiàn)的主要有矩形分布、Γ 分布、正態(tài)分布等7種類型[18]。本研究以模糊分布曲線中的降半梯形模型作為各評(píng)價(jià)因子的隸屬函數(shù)，由各因子的實(shí)測(cè)值，可計(jì)算出每個(gè)因子對(duì)于各水質(zhì)等級(jí)的隸屬度，即誘導(dǎo)出U1xn與V1xm之間的隸屬度矩陣[15，19]：

根據(jù)最大隸屬度原則，以最大Pm對(duì)應(yīng)的水質(zhì)等級(jí)作為水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)。

2 實(shí)例應(yīng)用

包頭昭君島濕地位于黃河流域最北端，屬于典型的嚴(yán)寒高緯度濕地，能量和物質(zhì)流動(dòng)量高[22]。濕地中動(dòng)植物資源豐富，水域面積寬廣，對(duì)農(nóng)牧業(yè)水量調(diào)蓄、區(qū)域氣候調(diào)節(jié)及碳素循環(huán)有巨大的作用。

黃河溢流水量作為濕地主要補(bǔ)給水源，水量季節(jié)性變化大[23]。昭君島水樣采集按黃河水期進(jìn)行，采樣時(shí)間2015-2016年，結(jié)合黃河包頭段多年統(tǒng)計(jì)平均流量，以4、6、8月分別代表濕地平水期、枯水期、豐水期。水質(zhì)影響因子的選擇遵循可測(cè)性、可比性及靈敏性原則[24]，依據(jù)本地區(qū)實(shí)際水質(zhì)情況，以總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、化學(xué)需氧量（COD）作為濕地水質(zhì)的影響因子，各因子的檢測(cè)按《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）》中規(guī)定的分析方法執(zhí)行[25]，將水質(zhì)結(jié)果分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。現(xiàn)場(chǎng)使用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀記錄水體鹽度、氧化還原電位、溶解性總固體等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，水樣采集需及時(shí)做好水體保存和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)工作，水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。endprint

2.1 改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評(píng)價(jià)

改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對(duì)各污染因子的權(quán)重計(jì)算見(jiàn)表2。由表2可知，在不同水質(zhì)等級(jí)中，總磷的權(quán)數(shù)均大于0.5，對(duì)水質(zhì)污染危害最大?？紤]到包頭市“三帶一廊”城市生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)及昭君島濕地的農(nóng)牧業(yè)調(diào)蓄功能，把Ⅲ類水作為昭君島濕地水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值，即j=3。改進(jìn)內(nèi)梅羅污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)及水質(zhì)評(píng)判結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，平水期和枯水期的水質(zhì)為Ⅳ類，豐水期水質(zhì)為Ⅴ類。

2.2 模糊數(shù)學(xué)法

2.3 對(duì)比分析

對(duì)于平水期，TN濃度為1.562 mg/L，介于Ⅳ至Ⅴ類水之間；COD濃度為94.229 mg/L，遠(yuǎn)高于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，這是由于包頭春季多風(fēng)沙，土壤中的有機(jī)質(zhì)被攜帶至水體，造成水體受有機(jī)污染嚴(yán)重。對(duì)于枯水期，氨氮和COD濃度接近Ⅱ類、Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)值，這是因?yàn)檎丫龒u濕地位于城市邊緣，較少受到生活和工業(yè)污水污染[23]；TN、TP在Ⅲ至Ⅳ類水之間，這可能是因?yàn)榘^地區(qū)大面積種植小麥、馬鈴薯、油菜等小春作物，施肥主要集中在枯水期及豐水期末期[27]，且濕地化肥養(yǎng)魚情況嚴(yán)重，使水體中的氮、磷超標(biāo)；對(duì)于豐水期，TN濃度為5.086 mg/L，NH3-N和COD濃度均超過(guò)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)闈竦刂参锾幱谏L(zhǎng)期，光合作用微弱，水中溶解氧被大量消耗，無(wú)法滿足氨氮和亞硝態(tài)氮的硝化作用[23，28]。且該時(shí)期，黃河輸沙量集中[29]，沙體攜帶的大量有機(jī)質(zhì)在實(shí)驗(yàn)室條件下被氧化，使COD嚴(yán)重超標(biāo)，同時(shí)部分動(dòng)植物殘骸被水體漚解，導(dǎo)致濕地水質(zhì)下降。

整體來(lái)看，改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)法對(duì)濕地水質(zhì)的評(píng)價(jià)基本相同，即枯水期及平水期水質(zhì)介于Ⅳ至Ⅴ類水之間，豐水期水質(zhì)條件最差，屬于Ⅴ類水。這是由于枯水期及平水期時(shí)，外來(lái)污染源流入較少，水體擾動(dòng)小，污染物及雜質(zhì)沉降性能相對(duì)較好；豐水期時(shí)，河沙有機(jī)質(zhì)較多，農(nóng)作物生長(zhǎng)迅速，施肥量增加，地表的營(yíng)養(yǎng)物及沖刷物隨降雨和上游徑流流入濕地，造成水質(zhì)變差，濕地功能價(jià)值下降。劉峰等[30]、王亞娟等[31]分別對(duì)都是以黃河水為主要補(bǔ)給水源的銀川閱海濕地和黃河口濱河濕地調(diào)查，均發(fā)現(xiàn)TN、TP、NH3-N有不同程度超標(biāo)，水體出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)化趨勢(shì)，多年水質(zhì)等級(jí)統(tǒng)計(jì)為Ⅲ至Ⅴ類，劉建龍[23]對(duì)同屬于包頭黃河濕地的小白河濕地片區(qū)考察，也得出與本研究相似結(jié)論。

3 小結(jié)

1）改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法以一個(gè)綜合所有污染因子影響效果的污染指數(shù)值表征水體狀況，適用于評(píng)價(jià)水質(zhì)整體受污染程度；模糊數(shù)學(xué)法通過(guò)隸屬度矩陣及權(quán)重矩陣的建立，直觀地顯示出不同污染因子對(duì)水質(zhì)的影響，更有效地反映出水質(zhì)從好到差這一模糊漸變過(guò)程。

2）兩種評(píng)價(jià)方法對(duì)昭君島濕地水質(zhì)的評(píng)價(jià)結(jié)果基本相似，都考慮到了污染因子的檢測(cè)濃度和實(shí)際毒性對(duì)水質(zhì)的影響，結(jié)論相互支持，說(shuō)明評(píng)價(jià)方法及結(jié)果科學(xué)合理。

3）昭君島濕地在平水期、枯水期、豐水期的水質(zhì)均在Ⅳ至Ⅴ類水之間，高于設(shè)定的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，TN、TP、NH3-N、COD濃度都出現(xiàn)不同程度超標(biāo)現(xiàn)象，濕地水體無(wú)法滿足相關(guān)功能要求，后期可考慮分析不同水期的濕地水質(zhì)與水生物相關(guān)性，以加強(qiáng)濕地水環(huán)境管理和污染防治。

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