改进内梅罗污染指数法和模糊数学法对昭君岛湿地水质的评价及应用比较

曹龙+李卫平+陈秋丽

摘要：为准确客观地反映湿地水环境情况，分别运用改进内梅罗污染指数法及模糊数学法对昭君岛湿地的平水期、枯水期、丰水期水质进行评价，以2015-2016年昭君岛湿地水质监测数据为基础，选取总氮、总磷、氨氮、化学需氧量（COD）为水质影响因子，两种方法的评价角度不相同但评价结果基本一致，即平水期及枯水期水质优于丰水期，各影响因子均有不同程度超标现象，湿地水质无法满足Ⅲ类水体功能要求，相关部门需加强湿地水体污染防治。

关键词：改进内梅罗污染指数法；模糊数学法；湿地水质；影响因子；权重；昭君岛湿地

中图分类号：K928.43；X824 文献标识码：A 文章编号：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

水质评价是指依据水环境监测资料，选择合适的参考体系及评判方法，对水质情况做出定性或定量的评判。目前一些水质评价方法都存在一定缺陷，如灰色聚类法，分析及计算简单，但评价函数的选择带有很大的主观性[1，2]；人工神经网络法，考虑因子全面，但对数据要求极高，可操作性不强[3，4]。改进内梅罗污染指数法和模糊数学法充分考虑了不同影响因子对母体的实际效果，兼顾到主次因子对评判结果的影响，使评价更为客观简便，在工程实际中有较多成功应用[5，6]。

湿地被誉为“地球之肾”，很大一部分是由于其水生态强大的自凈作用[7，8]，因此对湿地水环境进行水质监测和评价对于湿地功能的保养与恢复尤为重要。湿地生态群落复杂，水质具有明显的不确定性[9]。采用国内外应用广泛的改进内梅罗污染指数法和模糊数学法[10]对黄河昭君岛湿地进行水质评价及讨论分析，为环保水利部门开展湿地规划管理提供理论参考。

1 评价方法

1.1 改进内梅罗污染指数法

1.2 模糊数学法

模糊数学法对边界模糊的事物进行系统分析，以模糊数学变换原理和最大隶属度原则[15]作为数据计算和选择的依据，达到精确性与模糊性相统一的评价目的[16]。在实际评价应用中，该法很好地契合了水质数据的不充分性和水质分级概念的模糊性[17]。

1.2.1 建立因子集和评价集 在水质评价中，由选定的水质污染因子组成因子集U1xn=（u1，u2，…，un），un为第n类因子，n为因子个数；评价集是指可能做出的各种评价结果所组成的集合：V1xm=（v1，v2，…，vm），Vm为第m种评价结果，m为评价结果个数。

1.2.2 确定隶属函数 目前隶属函数有多种表现形式，常见的主要有矩形分布、Γ 分布、正态分布等7种类型[18]。本研究以模糊分布曲线中的降半梯形模型作为各评价因子的隶属函数，由各因子的实测值，可计算出每个因子对于各水质等级的隶属度，即诱导出U1xn与V1xm之间的隶属度矩阵[15，19]：

根据最大隶属度原则，以最大Pm对应的水质等级作为水质评价等级。

2 实例应用

包头昭君岛湿地位于黄河流域最北端，属于典型的严寒高纬度湿地，能量和物质流动量高[22]。湿地中动植物资源丰富，水域面积宽广，对农牧业水量调蓄、区域气候调节及碳素循环有巨大的作用。

黄河溢流水量作为湿地主要补给水源，水量季节性变化大[23]。昭君岛水样采集按黄河水期进行，采样时间2015-2016年，结合黄河包头段多年统计平均流量，以4、6、8月分别代表湿地平水期、枯水期、丰水期。水质影响因子的选择遵循可测性、可比性及灵敏性原则[24]，依据本地区实际水质情况，以总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）、化学需氧量（COD）作为湿地水质的影响因子，各因子的检测按《水和废水监测分析方法（第四版）》中规定的分析方法执行[25]，将水质结果分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5个评价等级。现场使用便携式多参数水质分析仪记录水体盐度、氧化还原电位、溶解性总固体等基础数据，水样采集需及时做好水体保存和实验室检测工作，水质监测数据见表1。endprint

2.1 改进的内梅罗污染指数法评价

改进内梅罗污染指数法对各污染因子的权重计算见表2。由表2可知，在不同水质等级中，总磷的权数均大于0.5，对水质污染危害最大。考虑到包头市“三带一廊”城市生态系统建设及昭君岛湿地的农牧业调蓄功能，把Ⅲ类水作为昭君岛湿地水质标准值，即j=3。改进内梅罗污染标准指数及水质评判结果见表3。由表3可知，平水期和枯水期的水质为Ⅳ类，丰水期水质为Ⅴ类。

2.2 模糊数学法

2.3 对比分析

对于平水期，TN浓度为1.562 mg/L，介于Ⅳ至Ⅴ类水之间；COD浓度为94.229 mg/L，远高于Ⅴ类水标准，这是由于包头春季多风沙，土壤中的有机质被携带至水体，造成水体受有机污染严重。对于枯水期，氨氮和COD浓度接近Ⅱ类、Ⅰ类水标准值，这是因为昭君岛湿地位于城市边缘，较少受到生活和工业污水污染[23]；TN、TP在Ⅲ至Ⅳ类水之间，这可能是因为包头地区大面积种植小麦、马铃薯、油菜等小春作物，施肥主要集中在枯水期及丰水期末期[27]，且湿地化肥养鱼情况严重，使水体中的氮、磷超标；对于丰水期，TN浓度为5.086 mg/L，NH3-N和COD浓度均超过Ⅴ类水标准，这是因为湿地植物处于生长期，光合作用微弱，水中溶解氧被大量消耗，无法满足氨氮和亚硝态氮的硝化作用[23，28]。且该时期，黄河输沙量集中[29]，沙体携带的大量有机质在实验室条件下被氧化，使COD严重超标，同时部分动植物残骸被水体沤解，导致湿地水质下降。

整体来看，改进内梅罗污染指数法和模糊数学法对湿地水质的评价基本相同，即枯水期及平水期水质介于Ⅳ至Ⅴ类水之间，丰水期水质条件最差，属于Ⅴ类水。这是由于枯水期及平水期时，外来污染源流入较少，水体扰动小，污染物及杂质沉降性能相对较好；丰水期时，河沙有机质较多，农作物生长迅速，施肥量增加，地表的营养物及冲刷物随降雨和上游径流流入湿地，造成水质变差，湿地功能价值下降。刘峰等[30]、王亚娟等[31]分别对都是以黄河水为主要补给水源的银川阅海湿地和黄河口滨河湿地调查，均发现TN、TP、NH3-N有不同程度超标，水体出现营养化趋势，多年水质等级统计为Ⅲ至Ⅴ类，刘建龙[23]对同属于包头黄河湿地的小白河湿地片区考察，也得出与本研究相似结论。

3 小结

1）改进内梅罗污染指数法以一个综合所有污染因子影响效果的污染指数值表征水体状况，适用于评价水质整体受污染程度；模糊数学法通过隶属度矩阵及权重矩阵的建立，直观地显示出不同污染因子对水质的影响，更有效地反映出水质从好到差这一模糊渐变过程。

2）两种评价方法对昭君岛湿地水质的评价结果基本相似，都考虑到了污染因子的检测浓度和实际毒性对水质的影响，结论相互支持，说明评价方法及结果科学合理。

3）昭君岛湿地在平水期、枯水期、丰水期的水质均在Ⅳ至Ⅴ类水之间，高于设定的Ⅲ类水标准，TN、TP、NH3-N、COD浓度都出现不同程度超标现象，湿地水体无法满足相关功能要求，后期可考虑分析不同水期的湿地水质与水生物相关性，以加强湿地水环境管理和污染防治。

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