大陈海域海水水质综合评价

王 洁，钟轶群，马 骏

（1.台州学院 电子与信息工程学院，浙江 临海 317000；2.常山县城南中学，浙江 常山 324200；3.台州市海洋环境监测中心，浙江 台州 318000）

0 引言

2016年，中共台州市委党校发布的《台州海洋生态文明建设浅析》报告指出，要坚持不懈地加强海洋生态建设和环境保护，处理好海洋环境保护与经济发展的关系[1]。《浙江省海洋生态环境保护“十三五”规划（2016—2020）》也明确指出，要加强建设海洋生态环境保护与修复工程，到2020年，浙江海洋生态环境质量总体保持稳定，海洋生态环境保护工作机制得到完善。

为了更好地保护大陈海域水质环境，查清大陈海域环境现状，建设生态大陈，需要对大陈海域进行海水质量评价。有关水环境质量评价方法的研究一直是我国水质评价研究领域的热门话题，从事该类研究的学者认为水体是个充满不确定性因素且变化复杂的环境，进入水体后的污染物其成分和数量会随时间和空间变化，从而变为不确定量。因此，水质级别和分类标准其实都存在着一定的模糊性[2]。

国内外评价海水质量的方法有很多，常用方法有：单因子评价法、“兰德”模型[3]和模糊综合评价法[4]等，其中模糊综合评价法利用模糊数学对受到多种因素影响的对象做出综合评价，把定性评价转化为定量评价。模糊综合评价法对各个因素进行分析，确定评价因子，综合考虑各个评价因子在评价过程中的权重；利用模糊评价矩阵进行运算，得到评价向量进行综合评价，实际应用效果良好[5]。

本文以2020年大陈海域生态浮标在线监测系统[6]浮标TZ01采集得到的水质资料为基础，对溶解氧、无机氮（氨氮、硝酸氮、亚硝酸氮之和）、磷酸盐等数据进行处理，利用模糊综合评价法进行分析评价，确定评价因子的权重，以此来了解大陈海域水质状况。

1 大陈水质现状

大陈海域位于浙江省台州市椒江区东南52千米的东海海上，包括大陈海洋生态特别保护区以及大陈附近海域[7]，如图1所示。大陈海域于2012年起利用生态浮标在线监测系统采集数据，通过浮标上搭载的水质、营养盐、气象等传感器，可连续、实时地测量水环境的变化，将测量所得的数据传至相关部门，为他们制定相关保护措施提供准确的信息。目前该系统已被广泛应用于海洋、湖泊、水库以及河流的水环境监测中。

图1 大陈地理位置示意图

1.1 溶解氧

溶解氧（DO），是指溶解于水中的分子态氧，主要由空气里氧气的溶入以及水中植物的光合作用得到不断的补充。若水体受到有机物污染，耗氧严重，溶解氧得不到及时补充，则水体中的厌氧菌将会得到快速繁殖，有机物腐败而使水体发黑发臭。因此，水中溶解氧的多少是衡量水体自净能力的一个指标。若水中的溶解氧被消耗或恢复到初始状态的所需时间短，则说明该水体的自净能力强或水体污染不严重。

从监测数据中可以看出，大陈海域的溶解氧月平均浓度在4～9 mg/L之间。9个月份的水体中溶解氧浓度符合I类海水水质标准（浓度＞6 mg/L），2个月份的水体中溶解氧浓度符合Ⅱ类海水水质标准（浓度＞5 mg/L），1个月份的水体中溶解氧浓度符合Ⅲ类海水水质标准（浓度＞4 mg/L），溶解氧浓度变化如图2所示。

图2 2020年溶解氧浓度变化示意图

1.2 无机氮、磷酸盐

国内外众多监测数据显示，无机氮和磷酸盐是目前中国沿海地区最主要的污染物。它们作为近岸海域内浮游植物生长的必要元素，能被植物、细菌以及藻类所利用，已被认定为海洋、湖泊等水体中的限制性营养盐[8]。

在所监测的12个月份中，无机氮月平均浓度在0.07～0.35 mg/L之间。5个月份的水体中无机氮浓度符合I类海水水质标准（浓度≤0.2 mg/L），5个月份的水体中无机氮浓度符合Ⅱ类海水水质标准（浓度≤0.3 mg/L），2个月份的水体中无机氮浓度符合Ⅲ类海水水质标准（浓度≤0.4 mg/L），无机氮浓度变化如图3所示。

图3 2020年无机氮浓度变化示意图

磷酸盐月平均浓度在0.02～0.06 mg/L之间，5个月份的水体中磷酸盐浓度符合Ⅱ、Ⅲ类海水水质（浓度≤0.03 mg/L），3个月份的水体中磷酸盐浓度符合Ⅳ类海水水质（浓度≤0.045 mg/L），4个月份的水体中磷酸盐浓度大于0.045 mg/L，磷酸盐浓度变化如图4所示。

图4 2020年磷酸盐浓度变化示意图

2 模糊综合评价大陈海域水质

模糊综合评价是对受到多种因素影响的对象做出综合评价，评价过程如下。

2.1 建立影响大陈海域海水水质因素集

海水水质因素集就是参与评价海水水质的评价因子所组成的集合。根据《海水水质标准》（GB3097-1997）[9]和监测数据，建立影响大陈海域海水水质的因素集u={u1,u2,u3}={溶解氧、无机氮、磷酸盐}，得到大陈海域海水评价因子的水质等级标准，见表1。然后对监测数据进行预处理，除去异常数据、故障数据等不可用数据，得到溶解氧、无机氮、磷酸盐的年平均浓度，见表2。

表1 大陈海域海水评价因子的水质等级标准

表2 2020年溶解氧、无机氮、磷酸盐的年平均浓度

2.2 建立模糊综合评价集

模糊综合评价集是评价等级的集合，是对被评价对象变化区间的一个划分。根据表1将海水水质分为四个等级，得到综合评价集为V={I,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}。

2.3 建立模糊综合评价隶属度函数

由于影响大陈海域海水水质因素集有三个评价因子，若直接利用它们所属等级求水质等级，容易产生不相容性，为此引入模糊隶属度函数确定大陈海域海水水质的综合等级。隶属度函数大致有六种分布：降半梯形分布、降半矩形分布、降半Γ型分布、降半正态分布、降半凹（凸）型分布和降半哥西分布[10]。本文采用最常用的降半梯形分布函数，具体函数如下：

其中，i=1、2、3，xi为评价因子ui的实际检测浓度，yi,j(j=1、2、3、4)为评价因子ui的分级标准，ui j为评价因子ui对j级水质的隶属程度。

以无机氮为例，无机氮隶属I、Ⅱ类水的隶属度函数分别为：

无机氮隶属Ⅲ、Ⅳ类水的隶属度函数分别为：

2.4 建立模糊关系矩阵

将表2中每个评价因子的年平均浓度代入相应的隶属度函数内，求出与其相对应的四个级别的隶属度uij，由此得到2020年评价因子关系矩阵U，

2.5 建立模糊综合评价指标权重集

在评价过程中，因为各个评价因子对评价等级的作用不同，所以需要对它们赋予不同的权重。依据污染物超标越严重，评价因子在评价过程中权重越大的原则，利用超标比方法得到权重[3]Wi(i=1、2、3)：

式（1）中si为表1中第i种评价因子对应水质等级标准的算术平均值。由于溶解氧（DO）的浓度在等于或小于饱和浓度情况下的值越大越好，故将溶解氧的权重值取倒数[11]，公式为：

对于单项评价因子的权重需要进行归一化处理，归一化后的权重计算公式为：

表3 2020年大陈海域海水评价因子的归一化权重

2.6 模糊评价运算

为综合体现各评价因子在总体评价中的影响程度，将权重集中向量W'与评价因子关系矩阵U进行矩阵相乘，得到大陈海域的模糊综合评价向量B，即：

向量B体现了因素集u中三个评价因子对评价集V中四个等级的隶属度程度，综合考虑了这三个评价因子的影响。根据最大隶属度原则[3]，B中最大值在第1个分量中得到，此值正好对应评价集V中第1个元素，故得出2020年大陈海域海水水质等级为I类。

3 结语

本文通过分析大陈海域水质监测数据，得出无机氮和磷酸盐是主要污染物。文中以模糊数学为理论基础，利用降半梯形分布函数作为隶属度函数，将定性评价转化为定量评价，得到模糊关系矩阵；并运用计算超标比方法来确定权重，体现各个评价因子在评价过程中的相对作用，说明各评价因子在评价中的贡献度。最终经过综合评价，2020年大陈海域的海水质量等级为I类。I类水质适用于海洋渔业水域和海上自然保护区，此评价结果能真实地反映大陈海域的水质现状。