深圳近岸海域水質綜合評價及演變分析

(深圳市羅湖區環境保護監測站，深圳 518000)

本研究利用近10年來深圳近岸海域水質監測數據，采用灰色聚類法對深圳海域水質進行綜合評價，探討水質時空變化特征，分析其發展變化趨勢，以期為深圳海域的環境保護及污染治理提供科學依據。

1 水質灰色聚類法綜合評價

當前應用于海域水環境質量的評價方法主要是指數法和模糊數學法，但綜合指數法權重的確定過于主觀化和經驗化，導致評價結果的不穩定。模糊數學綜合評判方法，信息遺失較多，評價結果無法獲取同一類別的水質優劣信息，并受到模糊算子的影響較大[1]。而灰色系統理論正是以“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”為研究對象，通過對“部分”已知信息的生成、開發，提取有價值的信息，實現對系統運行規律的正確描述和有效控制[2]?；疑垲惙ㄔ谒|綜合評價中的應用是根據灰數的白化權函數將海水水質實測指標聚集成可定義的海水水質標準的方法，信息利用率較高，結果分辨率較好，評價結果也更趨合理[3]?；疑垲惙ㄟM行綜合評價的主要步驟為首先確定聚類指標和水質等級標準灰類，然后進行無量綱化處理，計算白化函數和聚類權重，最后確定聚類對象所屬的質量級別。

1.1 確定聚類指標和灰類

本文依據《中華人民共和國海水水質標準》(GB3097-1997)，選擇了溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、活性磷酸鹽(P043—P)、非離子氨(NH3)、無機氮(DIN)、汞(Hg)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鎘(Cd)、石油類和大腸菌群12個水質評價指標，數據來源于深圳市海洋與漁業環境監測站2003年～2011年海水水質監測數據，水質監測點分布分為東部海域和西部海域。其中東部海域監測點包括核電近海(1#)，東西沖近海(2#)、白沙灣—長灣(3#)、望魚角—盆仔灣口(4#)、下沙近海(5#)、烏泥灣灣口(6#)、小梅沙灣口(7#)和沙頭角灣口(8#)8個監測點，西部海域監測點包括深圳灣出中(9#)、深圳灣出口(10#)和固戍近海(11#)3個監測點，并將東部海域8個監測點和西部海域3個監測點的各指標分別取平均值代表深圳東部和西部海域的水質。評價標準根據《中華人民共和國海水水質標準》(GB3097-1997)，將海水水質分成4類(表1)，則有k個樣本(監測點，k∈[1，2，…，98，99])，i個指標(水質評價指標，i∈[1，2，…，11，12])，每個指標有j個灰類(海域環境質量等級，j∈[1，2，3，4])。

1.2 數據的無量綱化處理

灰色聚類法適用于指標的意義、量綱相同的情形，當聚類指標的意義、量綱不同并且不同指標的樣本值在數量上相差較大時，不宜采用灰色聚類[2]。因此在進行海水水質評價中，當各評價指標的量綱存在差異一般不可直接進行計算，需對各聚類指標dk，i和指標評價標準的灰類值bi，j進行無量綱化處理(表2)。本文采用均值化法進行無量綱化處理[4]，計算公式如下：

表1 海域環境質量標準無量綱處理結果(yi，j)

1.3 確定白化函數

白化函數的確定對聚類結果有非常重要的影響。本文中聚類灰數的閾值是根據各聚類指標的標準值確定的，避免了主觀化和經驗化。采用以下線性函數得到各聚類指標對各個灰類的隸屬度，即白化函數[5]。

本文以2011年西部海域為例。將各因子實測值和標準值分別代入上述公式，所得結果如表3所示。

表3 海域水環境質量的聚類指標權重(Wi，j)

1.4 確定聚類權重

Wi，j表示第i個指標屬于第j權類的權重。海水水質指標進行無量綱化處理后，采用倒數法賦權值[6]，該法每個指標對于不同的級別都有不同的聚類權，避免用一個固定基準劃分水質級別，結果更為合理。

1.5 確定聚類系數和聚類對象等級

聚類系數體現了聚類樣本對灰類的關聯程度，按照最大隸屬度原則確定聚類樣本所屬的水質類別，即每個樣本對所有等級的聚類系數中最大聚類系數所屬等級就是該監測點所屬海域水環境的水質等級[7]。

式中：δj，k——第k個樣本對第j灰類的聚類系數。

2 結果與分析

2.1 水質綜合評價

從表4中可知東部海域的8個監測點中，除了2006年沙頭角灣口(8#)的水質為Ⅳ類水以外，其他年份的各監測點水質均達到了Ⅰ類水質要求，海域水環境質量較好；西部海域的3個監測點各年份水質以Ⅳ類水體為主，其中深圳灣中(9#)除了2005年的水質為Ⅲ類以外，其余各年份水質均為Ⅳ類水，深圳灣出口(10#)水質較深圳灣中(9#)稍好，固戍近海(11#)水質多年以來以Ⅳ類水為主，但是由于位于珠江口東南部沿岸，水質較深圳灣稍好。從總體上看，2003～2011年深圳近岸東西部海域水質穩定，東部海域水質級別保持在Ⅰ類水質，水質較好，深圳近岸西部海域水質均為Ⅳ水質，水質較差，近十年來都沒有發生顯著的改變。

對2003～2011年各水質指標進行分析發現，東部海域水質各指標均達到了Ⅰ類或Ⅱ水質標準，水質良好；西部海域的活性磷酸鹽和無機氮全部劣于海水水質標準中的Ⅳ類水質，營養鹽超標現象嚴重，部分年份的大腸菌群也存在超標現象，海水水質較差，屬于污染嚴重的海域，表明西部海域水質主要受到了生活污水、城市公共污水和林牧漁畜等污染，水體富營養化程度高。

表4 2011年水質評價結果對比

2.2 方法合理性分析

為了對深圳近岸海域灰色聚類法結果合理性進行驗證，將2011年近岸海域水質利用平均綜合污染指數進行評價，將其評價結果與灰色聚類法結果進行對比。結果如表4所示，從水質類別來看，這兩種方法評價結果除了東西沖近海(2#)和望魚角—盆仔灣口(4#)稍有差異外，其他的水質類別全部一致?；疑垲惙ㄊ菍垲愊禂迪蛄康姆至堪醋畲笤瓌t進行集結的方法判定聚類對象的所屬灰類，因此聚類系數在某一類別值越大，表明其集結程度越大。對水質來說，若聚類系數在水質清潔的類別中，聚類系數越大表明水質越好，反之，若聚類系數在水質較差的類別中，值越大表明其水質越差。按照這個原則對2011年東西部水質進行排序(表5)，并與平均綜合污染指數法進行對比可知，二者的水質排序基本一致，表明利用灰色聚類法可以很好地對海域環境質量進行綜合評價。

2.3 水質演變分析

本文通過對比分析2003～2011年間深圳東西部海域聚類系數的大小發現(圖1)：深圳東部海域水質均達到了Ⅰ類水質標準，2003～2007年間聚類系數逐漸增大，水質具有逐漸變好的趨勢，2007～2011年聚類系數呈現波動狀態，水質基本保持穩定，從總體上看，從2003年至2011年間，東部海域水質良好，具有變好的趨勢。這個主要是由于東部海域作為深圳的黃金海岸線，沿岸土地開發和工業發展等受到了嚴格控制，開發強度小，陸源污染少，毗鄰海域大鵬灣和大亞灣環境質量也保持較好，并且近年來鹽田污水處理廠的投入使用、河流整治工程的實施和污水收集管網的逐步完善等，進一步減少了陸源污染，因此東部海域水質普遍達到了Ⅰ類水質標準，具有逐漸變好趨勢。

西部海域水質均為Ⅳ類水質，2003～2011年間整體處于變好的態勢，其中2003～2005年間聚類系數具有上升的趨勢，水質處在惡化階段，2005年至2011年水質總體上處在變好的趨勢，但是總體上水質為Ⅳ類水。深圳西部海域水體較差的主要原因是深圳灣水流屬于半封閉趕潮海灣，水體交換能力弱，并且西部近岸海域是深圳經濟特區和香港新界西部的主要受納水體，隨著近幾年來經濟的發展，來自兩地集水區日益增多的污染物經河流、管道等直接排入西部海域，并且受到毗鄰海域珠江口污染影響，導致海域污染遠超環境容量，因此水質以Ⅳ類水為主。但是近年來深圳在污水處理廠建設、河流整治和完善污水管網等方面進行了一系列努力，因此水質在一定程度上具有逐漸變好的趨勢。

3 結 論

(1)通過對2003～2011年間水質進行綜合評價發現，深圳海域近9年來水質較為穩定，東部海域水質保持在Ⅰ類水質標準，而西部海域水質較差，為Ⅳ類水質，東部海域的8個環境監測點水質均達到了Ⅰ類或Ⅱ類水質，而西部的3個水質監測點的活性磷酸鹽、無機氮和大腸菌群普遍劣于海水水質標準中的Ⅳ類水質。

(2)本文利用平均綜合污染指數法和灰色聚類法綜合評價了2011年東西部海域水質，發現二者的研究結果基本一致，此外由于水質評價中污染物質濃度介于兩類標準之間存在的灰色性，因此可認為利用灰色聚類法是一種貼切可行的反映海域水環境質量的方法。

(3)本文對比分析了2003～2011年間深圳東西部海域聚類系數的變化趨勢，結果表明東、西部海域水質都具有總體變好的趨勢，這個主要得益于近年來深圳在污水處理廠建設、污水管網完善等基礎設施建設和河流整治方面所做的努力。

參考文獻：

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