近海水质综合评价模型的构建及其应用——以九龙江口为例

姜双城，林培梅，蔡建堤，吴立峰，席英玉，杨妙锋，郑盛华，颜聪毅，吴水清

近海水质综合评价模型的构建及其应用——以九龙江口为例

姜双城1，林培梅2，蔡建堤1，吴立峰1，席英玉1，杨妙锋1，郑盛华1，颜聪毅1，吴水清1

（1. 福建省水产研究所//福建省海洋生物增养殖与高值化利用重点实验室，福建 厦门 361013；2. 厦门市第五中学，福建 厦门 361004）

【】研究水质质量综合评价模型的构建及应用。根据我国近海海洋环境监测指标和《国家海水水质标准》，运用PCA法，构建近海水质质量的综合评价模型，并给出四类水质综合指数的量化区间值。在九龙江及毗邻海域，利用该评价模型开展示范应用研究，计算并绘制水质质量值的空间分布和平面分布，筛查出污染的关键区域和指标，九龙江口水质质量综合指数F值区间为-1.875 ~ 2.570，以三类或四类为主。评价结果较好反映了九龙江口水质环境实际情况，水质质量综合评价模型可为该海域海洋环境综合治理及利用提供参考。

九龙江；近海水质；评价模型

根据生态环境部发布的《2017年中国近岸海域生态环境质量公布》[1]，我国海洋环境质量评价尚停留在单因子污染评价阶段，大部分评价数据处理采用平均值办法，存在数据相互掩盖现象；对于排污口毗邻海域，由于评价因子均超标，很难作出合理评价。国际上海域生态环境管理已从单纯生态环境污染管理转变为生态环境综合管理，并建立了海域生态环境质量综合评价模型。欧盟[2]提出生态状况综合评价模型，但该模型有2点缺陷：（1）需筛选出未受人类污染的区域作为对照点，而近岸和河口区是人类活动主要区域，很难找出未受干扰水体；（2）仅给出“优、良、中、差、劣”定性评价，没有予以量化，可操作性较差。美国[3-4]提出沿岸海域综合评价模型，该模型优点是操作性较强，存在问题主要有：（1）富营养化指标采用ASSETS标准，评价结果和实际状况经常冲突；（2）仅定性，未做定量；（3）各国之间水质现状和标准均不一样，很难直接应用于我国近岸水质评价。针对上述问题，基于GB3092-1997《海水水质标准》[5]和我国近海海洋环境监测指标，本研究运用主成分分析法（Principal components analysis，PCA）将多维水质参数优化为少数不相关主成分，利用得到的主成分构建近岸生态环境水质质量综合评价模型，并在九龙江海域进行应用，以期为我国海域水环境的评估、诊断和决策提供参考。

1 材料和方法

1.1 九龙口生态环境概况

九龙江位于福建省南部，又名漳州河，是福建省仅次于闽江的第二大河流，水系总长1 923 km，流域面积14 741 km2，占全省国土面积的12.2%。其主要由北溪、西溪两大支流及南溪组成，北溪和西溪年均流量分别为260 m3/S(浦南站) 和117 m3/S (郑店断面)[6]。九龙江下游属于感潮河段，其潮流为非正规半日潮浅海潮流，属于往复流，一般落潮流速大于涨潮流速。九龙江不仅是上述龙岩、漳州和厦门的饮用水源，也是重要工农业生产水源，是支撑福建闽西南地区经济社会系统重要的基础性水源[7]。

九龙江沿岸人口密集、工农业发达，有多家化工厂、化妆品生产厂、电镀厂和大型港口码头等，每年向九龙江输入大量陆源污染物，尤其是氮磷等营养物质，导致九龙江及毗邻海域面临的主要问题是氮磷等营养物质超标。研究[8-9]表明九龙江流域单位面积上的NO3-N产率处于较高水平，九龙江上、中游NO3-N和SRP增加了2 ~ 3倍；部分海域存在金属元素超标现象，尤其是As元素[10]。

1.2 样品采集与分析

2016年3月（枯水期）在九龙江及邻近海域布设16个调查站位（图1），进行现场调查。水样品采用葵花式采水器（8 L）进行收集，样品的采集、贮存与运输采用《GB17378.3-2007海洋监测规范 第3部分：样品采集、贮存与运输》[11]；水质分析准则依据《GB17378.4-2007海洋监测规范 第4部分：海水分析》[12]和近岸海域环境监测[13]。亚硝酸盐(NO2--N)、硝酸盐 (NO3--N)、铵盐( NH4+-N)和活性磷酸盐(PO43--P)采用连续流动分析仪（型号：Skalar San++）测定；重金属（Cu、Pb、Zn、Cd和总Cr）使用ICP-MS测定（型号：Agilent 7700x）；总汞和无机砷采用原子荧光仪（型号：AFS-9130）；石油类使用紫外可见分光光度计（型号：Cary 50）；水温、盐度(S)、pH和溶解氧(DO)等指标应用多参数分析仪(型号：WTW Multi 3430)现场测定；无机氮(DIN)为亚硝酸盐(NO2--N)、硝酸盐 (NO3--N)和铵盐(NH4+-N)三者之和。

图1 2016年3月九龙江河口区调查站位

1.3 数据处理与模型构建

采用SPSS 20.0[14]开展主成分、多元回归等数据探索性分析，并运用Surfer 12.0绘制平面分布图；基于PCA法，采用近海海洋环境调查指标，构建水质质量的综合评价模型。

2 水质综合评价模型构建

2.1 水质评价模型的指标体系构建

根据我国近海海洋环境监测指标，选择12个水质指标，按照《GB3092-1997国家海水水质标准》建立假设样本，即以12个水质指标的各级区间值作为样本值。

2.2 水质指标之间的相关性

使用SPSS 20.0分析指标之间相关性，表1为12个水质指标间的相关矩阵。从表2中可以看出，12个指标之间相关性较高，基本保持0.80 ~ 0.99的相关度，因此，假设直接使用这12个指标建立评价模型，很多信息会重叠在一起，带来严重共性问题。同时，采用SPSS的因子分析模型研究指标间的偏相关性，假设样本Bartlett球型检验统计量的Sig值<0.01，说明12个指标并非独立，取值有很大相关性和重叠性。

表1 12个水质指标的相关矩阵

2.3 基于PCA法构建水质综合评价模型

通过分析指标间的相关性和球形检验可知，上述12个水质指标之间存在很大相关度。而PCA通过数据降维，可以实现少数几个主成分来表征12个变量，因此可利用PCA法建立近海水质的综合评价模型。

2.3.1 主成分分析结果 利用主成分分析法，对水质假设样本中的12个指标进行提取。由主成分分析提取结果（表2）可知，第1个主成分特征根1为10.772，它解释了指标累积方差信息的89.7%，超过85%，可以满足技术指标要求；至此之后的特征根均小于1，解释累积方差信息总和为10%。因此，只提取1个主成分即可，可解释指标信息的90%。

表2 主成分解释的总方差

使用SPSS标准化12个指标Z，经过简单数学运算，即可得到水质质量综合评价F的数学模型：

其中：代表DO、COD、DIN……Oil等12个水质指标，B为表4中对应指标值、1为特征根、Z为指标的标准化数值。

2.3.2 水质的综合评价模型 利用SPSS分析12个水质指标的初始因子载荷，结果见表3。

表3 初始因子载荷阵

2.3.3 水质综合指数值利用公式（1），计算得出各类水质的取值范围，见表4。

表4 四类水质F的取值范围

3 结果与分析

根据2016年3月，九龙口及毗邻海域枯水期调查结果，选取12个指标的检测数据，运用水质综合评价模型，计算16个站位的综合指数值，结果见表5。利用Surfer 12.0绘制值的空间分布（图2）和平面分布（图3）。

表5 水质质量综合指数值F

圆点的大小表示综合指数的高低，分别对应水质的差和好

由图2可以明显看出，水质综合评价较差区域主要位于沿岸水域，如J3、J4、J6和J10等站位，九龙江航道临近海域的J8、J14、J16和厦门岛南部外海域的J11、J12和J13等站位水质较好，评价结果比较符合实际情况。

图3 水质综合评价指数F值平面分布

由图3可以直观看出，九龙江口污染区主要集中在J3、J4和J15站点邻近海域，这和吴善[15]、王伟力[16]和黄海宁[10,17]研究结果基本一致，而在J11、J12和J13等开阔海域污染最轻。沿着九龙江流向，从河流→河口→近海整体呈现污染逐渐降低趋势。J4和J15站位位于南溪出口端（无机NP含量较高区域），上述站位的沿岸区分布有很多小型加工厂、造船及拆解厂和码头等高污染企业，这可能是造成该海域水质质量较差的主要原因，这需要当地政府环保部门加强污染治理，防止未经处理的污水流入九龙江。厦门海域水质综合质量整体优于漳州海域，这与厦门政府加强污水处理和退养还海的政策有关。

为更好比较单因子指数和的评价结果，本研究将2016年3月调查数据中主要超标指标抽取出来（表7）。从表7可以知道，J1-J16站位的无机氮含量＞0.50 mg/L，按照GB3097-1997标准，均属于劣四类水质，很明显，评价结果存在短板效应；SRP和DIN一样，很多站位的含量＞0.045 mg/L；但是二者整体趋势一致，均呈现河流→河口→近海，含量递减的趋势，为了更直观判断二者的来源，绘制了DIN（图4）和SRP（图5）平面分布图，从图中可以明显判断出九龙江流域的无机氮磷主要受陆源输入的控制；而超标元素Hg浓度（图6）和无机氮磷的趋势很不一致，在九龙江中下游的J10、J14和J16站位邻近海域出现极大值。由于所有调查站位的无机氮均超标，而汞的超标站位和无机NP不一致，很明显，单因子无法对九龙江口水质质量进行合理诊断和评价，也无法给出环境治理的合理建议。

表7 2016年3月调查主要超标因子

图4 DIN含量平面分布

图5 SRP含量平面分布

图6 Hg含量平面分布

为更直观比较综合指数和单因子的评价结果，本研究将DIN平面分布图和综合指数空间图重叠在一起（图7）。由图7可以明显看出，综合指数不仅较好反映了DIN污染情况，而且也反映了Hg的污染情况（J10）。

图7 DIN的平面分布和水质质量综合指数F重叠

从以上分析可知，综合指数的量化值较合理诊断、评估了九龙江河口水质质量现状。根据平面分布图，识别出九龙江口水质污染的关键区域集中在沿岸区，需要政府加强重点监管，防止污染加剧，有助于政府减少工作量和环保资金投入。

九龙江口的污染具有面源和点源的复合特征，面源污染的关键指标为无机N、P，主要源于陆源输入；而点源主要为J4、J5的邻近海域，综合反映了NP和重金属污染。

3 结论

本研究基于PCA法构建了水质质量的综合评价模型，并给出了基于国家海水水质标准的四类综合指数值的量化区间值。利用水质质量的综合模型评估和诊断九龙江及毗邻海域枯水期水质现状，研究表明，九龙江及毗邻海域水质以三类或四类为主，污染关键指标为无机氮磷，关键区域为漳州近岸海域。评价结果较好反映了九龙口及毗邻海域水质环境实际情况，可为该海域海洋环境综合治理及利用提供一定参考。

钱小明、罗冬莲、许贻斌、林永青、魏珊珊和林娇等同志在样品采集、分析过程中给予帮助,特此致谢！

[1] 中华人民共和国生态环境部. 2017年中国生态环境状况公报[R/OL]. （2018-05-31）[2019-01-05] http://www.mee.gov.cn/hjzl/zghjzkgb/lnzghjzkgb/201805/P020180531534645032372.pdf.

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[11] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会. 海洋监测规范第3部分：样品采集、贮存与运输：GB17378.3-2007[S]. 北京：中国标准出版社, 2008.

[12] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会. 海洋监测规范第4部分: 海水分析: GB17378.4-2007[S]. 北京: 中国标准出版社,2008.

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Establishment and Application of Comprehensive Assessment Model for the Coastal Water Quality：an Example of the Jiulong River Estuary

JIANG Shuang-cheng1, LIN Pei-mei2, CAI Jian-di1, WU Li-feng1, XI Ying-yu1, YANG Miao-feng1, ZHENG Sheng-hua1, YAN Cong-yi1, WU Shui-qing1

（1.//,361013,;2.，361000,）

【】The construction and application of water quality comprehensive evaluation model were studied.【】Based on the inshore marine environmental monitoring indicators and the National Seawater Quality Standard, a comprehensive evaluation model of the coastal water quality was established by using the PCA method, and the quantitative interval values of four kinds of comprehensive index F were obtained.【】In Jiulong River and the adjacent sea areas, the model was used to carry out demonstration application research, and the spatial and horizontal distribution of F value of water quality was calculated and plotted. The key areas and indicators of pollution were screened out. The results showed that the F value range of water quality in Jiulong River Estuary was -1.875 ~ 2.570, and mainly divided into three or four categories.【】The assessment results reflected the actual situation of the water quality and environment of the Jiulong River Estuary. Comprehensive assessment model for water quality could provide some reference for the comprehensive management and utilization of the marine environment in the sea area.

Jiulong River; the coastal water quality; evaluation model

P735

A

1673-9159（2019）05-0065-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.05.010

2019-04-02

国家海洋局海洋公益性行业科研专项资助项目(201505034-4)；省科学技术厅公益专项资助项目(2015R1003-12)

姜双城(1980－)，男，硕士，助理研究员，研究方向为生态环境保护与监测、数学建模。E-mail：2001082011@163.com

姜双城，林培梅，蔡建堤，等. 近海水质综合评价模型的构建及其应用——以九龙江口为例[J].广东海洋大学学报，2019，39（5）：65-70.

（责任编辑：刘岭）