寧夏沙湖歷年水質變化趨勢分析

羅燕珠，璩向寧

（寧夏大學 西部生態研究中心，寧夏 銀川750021）

水質污染是中國面臨的嚴重的環境問題之一，防治水質污染已成為中國環境保護的一項緊迫的任務。在全球干暖氣候的影響下，內陸湖泊及其流域蒸發加劇，降水量和入湖徑流量急劇減少，導致湖泊面積萎縮、湖泊水位下降［1］；同時，由于大量的農業、工業和生活污水、廢水排入湖泊，使湖泊水資源受到了嚴重的污染。深入研究并加強保護這些地區的湖泊［2］，對改善我國西北地區的生態環境有著重要的意義。

本文以寧夏沙湖為研究對象，運用主分量分析法和模糊綜合評價法，對其2000—2009年的水質變化情況進行了評價。

沙湖旅游區是寧夏回族自治區的王牌景點，水體環境是其重要的構景要素，同時也是旅游資源開發的核心，大多數旅游設施、旅游項目圍繞水域風光開展。隨著沙湖旅游業的發展，游客數量越來越多，還有，燃油快艇數量增多，旅游垃圾未及時處理，補給水水質較差，這些原因使沙湖旅游區的水體出現了有機污染逐漸加重，水質逐漸退化等環境問題，影響了沙湖旅游業的持續發展。目前，關于沙湖水環境質量在較大時間尺度上的研究還比較少，要實現沙湖旅游業的持續發展，以水質評價方法為主要手段，空間分析為輔助工具，全面、客觀地評價沙湖水環境質量是至關重要的。水質評價的方法現有數10種之多，但不知道哪種評價方法的結果更能真實地反映沙湖水質的實際狀況。針對這一問題，在選取多種方法評價的基礎上，根據結果和實際情況，最終將主分量分析法與模糊綜合評價法互補運用，以達到充分發揮積各自的優點，彌補各自的缺點。

主分量分析法不僅能客觀地反映出環境系統中眾多污染因子間的相互聯系影響，及其對整體環境質量水平的相對貢獻，而且還具有顯著辨別不同污染程度的變異性能力［3］。這是一種不考慮準則權重，不加入評估者的主觀偏好，完全根據各項目在各準則下評估的結果進行綜合評估的方法。與層次分析法和群組決策特征的最大不同是整個主分量分析過程不需要專家打分［4］。

由于水環境中存在大量不確定性因素，水質級別、分類標準都是一些模糊概念，通過模糊評價法可以對受多個因素影響的事物做出全面、有效的評價。模糊綜合評價法突破了精確數學的邏輯和語言，強調了影響事物因素中的模糊性，較為深刻地刻畫了事物的客觀屬性［5］。但是該法也存在如下不足：由于過分強調模糊信息，對白化信息（所得評價結論十分明確的信息）反而利用率不高。當考慮因素較多，各權重值較小時，取大取小運算將遺失許多有用信息，誤判現象比較嚴重。

1 研究區概況

沙湖又稱漁湖，系河流古道型湖泊，是由黃河古道洼地經過風蝕至地下水面，地下水溢出并匯集，再接受大氣降水和地面水的補給而形成的湖泊［6］。沙湖位于寧夏回族自治區銀川市以北56 k m，平羅縣西南19 k m處的國營前進農場境內，地理位置為106°20′E，38°27′N。景區總面積106 k m2，其中水域面積45 k m2，沙漠面積22.52 k m2；豐水位2.4 m，平水位1.7 m，枯水位1 m；湖面海拔1 099 m。湖中蘆葦面積占湖面積約30%，沙丘相對湖面高25～35 m，未開發沙丘地植被覆蓋率10%～30%。該區氣候干操，年均氣溫9.8℃，年降雨量僅201.9 mm，年平均蒸發量1 653.2 mm［7］。

由于地處西北內陸，研究區具有典型的大陸性氣候特征，同時又處在溫帶半干旱荒漠地區，熱量豐富，日照充足，干旱少雨。沙湖發育于鹽堿洼地，加之降水量遠小于蒸發量，入湖水量稀少，在長期演化過程中，鹽漬化現象逐漸加劇，湖水礦化度不斷增加，演變成半咸水湖泊［8］。

2 沙湖水質評價計算

2.1 沙湖水質的主分量分析［9］

（1）原始數據和標準化處理數據。表1為不同年份沙湖水質監測原始數據。本文用的標準化公式為：

表1 不同年份水質監測原始數據 mg/L

表2給出了采用式（1）的標準化處理數據。

表2 不同年份水質監測指標標準化數據

（2）主分量分析法。根據標準化數據表（）n×p（表2），求的協方差陣：

式中：XT——X的轉置矩陣［9］。

（3）計算協方差陣的特征值、特征向量、貢獻率、累計貢獻率和荷載向量。根據累計貢獻率＞85%的原則，取高錳酸鹽指數（λ1），生化需氧量（λ2），總磷（λ3）作為主分量因子進行分析。從各指標的相對貢獻率可以看出，相對貢獻率最大的是高錳酸鹽指數，其次是生化需氧量，余者依次為總磷、氨氮、石油類、溶解氧。

（4）計算變量的綜合指標。根據荷載向量計算變量的公共性，利用變量的公共性和原指標的標準化數據計算綜合指標得分，最后根據綜合得分對各年份的水環境質量進行排序，綜合得分值愈大，說明水質愈差。具體結果見表3。

表3 不同年份沙湖水環境質量的綜合指標值及排序

計算得出的變量的公共性為：

綜合指標計算：

式中：hj——變量的公共性；Y——綜合指標。

2.2 沙湖水質的模糊綜合評價

模糊綜合評價法的步驟［10］：

（1）確定評價指標。根據一定的原則和實測數據，選取評價指標，建立評價因子集。設選取的指標有m個，選取的評價因子記為cj，則評價因子集寫為U＝｛c1，c2，…，cj，…，cm｝。

（2）建立評價標準集。根據《地表水環境質量標準》（GB3838－2002），將地表水水質標準分為5級：n＝｛Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ｝。

（3）確定隸屬度向量。根據5類水質標準，分別作出對應5個級別的隸屬函數通式。對于極小型分布，其通式如下。

Ⅰ級水：

Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級水：

Ⅴ級水：

式是：cj——評價指標實測值；s1，s2，s3，s4，s5——相應水質分類1—5級的標準值。

對于一些指標（如溶解氧），隸屬函數采用極大型分布。這樣就構成了評價因子與水質類別模糊關系矩陣R。

（4）單因子權重集的確定。由于各評價因子對水質影響的貢獻率不同，所以應賦予不同的權重值，本文根據計算污染物的超標比情況來確定權重值，其計算公式如下：

首先計算單因子的超標比：

對于偏大型分布指標，如溶解氧，采用上式的倒數形式。

單因子污染權重：

式中：Ij——某評價因子的監測值相對于水質標準的超標倍數；cj——評價因子的實測值；c——評價因子cj各類水質標準值的平均值；aj——單因子污染權重。

從而獲得權重集：

（5）綜合評價同一監測點模糊矩陣：

（6）根據模糊矩陣綜合評價結果，選取最大值對應的級別即為水質級別。

2000—2009年運用模糊綜合評價法的水質評價結果及水質等級列于表4。

表4 模糊綜合評價法水質評價等級

3 沙湖水污染的的評價結果和原因分析

3.1 評價結果

通過對2種評價方法的結果分析得出，2000—2009年沙湖水質整體上呈現逐漸好轉的趨勢，尤其是2007，2008年均達到地表水Ⅱ級水質標準；水質比較差的年份是2000—2005年，其水質級別均超出了Ⅲ類水質標準，未達到地面水環境質量標準（GB3838—2002）的要求。

主分量分析法通過計算各污染物的相對貢獻率和累計貢獻率選取主要污染因子，以此來計算各年份水質優劣程度的綜合指標，最后對綜合指標進行排序。雖然排序的結果直觀化，可以直接地看出不同年份污染物的整體變化情況，但是不能對水質污染級別做出評判，給后續的水質污染治理工作帶來一定的困難。另外，忽略了一部分污染因子，評價結果具有一定的片面性。

模糊綜合評價法的最大優點是：可以對所有參與評價的污染因子進行評價，不損失任何信息，并且明確地對Ⅰ—Ⅴ類水確定出水質評價等級。模糊綜合評價法根據污染物監測值在相鄰評價指標值之間的權重來確定其污染程度，最后得出模糊綜合評價結果，選取最大值對應的評價等級即為水質等級。

就沙湖水質而言，模糊綜合評價法能夠反映水質污染級別，主分量分析法則可以反映水質污染程度。通過對2種評價方法的結果分析發現，將2種評價方法相結合，可以使水質評價結果更加準確、客觀。

3.2 原因分析

3.2.1 補給水源水質的改善 沙湖補給水源以黃河水為主，黃河水含泥沙量大，泥沙中含有大量的污染物，以前未經過處理直接匯入沙湖。最近幾年考慮到沙湖水質對其生態系統及其旅游業發展的影響，黃河水進入沙湖之前先經過澄清池處理，再流入沙湖，使進湖水質有所改善。

3.2.2 排放污染物的集中處理 隨著旅游業的快速發展，旅游人數呈上升趨勢。1998年以前，旅游人數一般在25～35萬人，1998年以后，旅游人數增加到50～58萬人，目前沙湖每年接待的游客數量在60萬左右［6］，人數的增加使排放的污染物也相應增加。從2006年開始，隨著對水質要求的提高，旅游垃圾每天有專門的環衛人員集中收集處理，不再零散堆放；其次，對餐飲、娛樂業產生的生活廢水，修建了專門的排水管道流入污水處理廠處理，不再流入沙湖，使沙湖水質得到了改善。

3.2.3 環境管理工作的加強 沙湖旅游區是在漁場的基礎上建立起來的，旅游區內的管理工作人員大多是農場的工人或其家屬，職業素養和思想覺悟相對有限。近幾年，不定期的崗位專業培訓使他們的職業素養有所提高，同時對游客也起到了同化作用，相互影響，共同提高了保護沙湖環境的意識。

4 結論

（1）2000—2009年沙湖水質整體上呈現逐漸好轉的趨勢；（2）模糊綜合評價法能夠反映水質污染級別，主分量分析法則可以反映水質污染程度，將2種評價方法相結合，可以使水質評價結果更加準確、客觀。

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