使用熵權法劃分污染重點區域及識別主要污染因子

朱春燕, 梁新強, 周柯錦, 郭 茹, 苑俊麗, 金 熠, 茹秋凱

(1.浙江大學 環境與資源學院環境保護研究所, 浙江 杭州 310058; 2.浙江省環境監測中心， 浙江 杭州 310015)

使用熵權法劃分污染重點區域及識別主要污染因子

朱春燕1, 梁新強1, 周柯錦2, 郭 茹1, 苑俊麗1, 金 熠1, 茹秋凱1

(1.浙江大學 環境與資源學院環境保護研究所, 浙江 杭州 310058; 2.浙江省環境監測中心， 浙江 杭州 310015)

摘要：[目的] 對嘉興市污染重點區域進行劃分，并探明該區域主要污染因子。[方法] 在嘉興市及周邊地區的主要河道上設置29個監測斷面，監測指標包括CODCr，大腸桿菌總數，—N和TP。再利用熵權法將多個水質參數轉化為一個綜合指數，通過對綜合指數進行分析。[結果] 嘉興市TN，TP超標嚴重，濃度范圍分別為2.60～10.52 mg/L，0.60～5.68 mg/L，均超過地表水水質標準(GB3838—2002)中的Ⅴ類標準。29個監測點的水質綜合指數范圍為1.61～8.69。嘉興市的海鹽縣、平湖市交界處以及秀洲區中部綜合污染最嚴重，以此為中心向外污染程度逐漸降低，桐鄉、海寧西部及嘉善縣北部相對污染最輕。研究區中TP為主要污染因子，CODCr，大腸桿菌總數次之。[結論] 在污染總體較嚴重的地區，水質綜合指數法可以較好地體現區域間污染程度的差異，通過比較同一監測點不同水質參數對綜合指數的貢獻還可獲得區域主要污染因子。

關鍵詞：水質綜合評價; 熵權法; 水質分布; 重點污染因子

1材料與方法

1.1　評價區域概況

嘉興市位于浙江省東北部，是杭嘉湖平原的重要組成部分。近幾年，政府對污染控制的投入不斷加強，而水質依舊有惡化趨勢[14]。一方面，由于嘉興地區經濟的發展迅速，人口密度及工農業密度均有一定程度的上升，污染負荷也呈增長趨勢；另一方面，嘉興市處于太湖流域末端，該地水體還受上游來水水質的影響。2005年嘉興市117個水功能區中僅有2個水質達標，整個區域污染嚴重。有研究[15]表明，當地水體污染主要屬于富營養化物質污染，主要污染因子包括COD及營養鹽，主要污染源為農田過量施肥、畜禽糞水排放[16-19]。

1.2　參評指標選擇及分析

(2) 樣品2。使用無菌玻璃瓶儲存，加入10%的硫代硫酸鈉(Na2S2O3)及15%乙二胺四乙酸二鈉鹽(EDTA-Na2)，去除余氯及金屬離子，防止微生物活性受抑制，用以測定E.coli。

1.3　熵權法

熵權法計算水質指數的過程與其它各類綜合指數法類似，可概括為：水質監測→分指數計算→確定權重→綜合指數計算。具體運算過程見公式(1—6)。

(1) 分指數計算。該步驟的目的在于統一各指標的監測數值，使處于不同數量級別的數值轉換為同一水平，便于多因子加和計算。此處采用的超標倍數法是以地表水水質標準為基準，將各監測值轉換為標準值的倍數[3,20](公式1)。

Pij=Cij/Si

(1)

式中：Pij——i項指標第j個監測點的分指數；Cij——i項指標第j個監測點的實測值；Si——i指標Ⅲ類水標準標準值。

(2)i指標的權重ωi。這是綜合評價法中另一個重要概念，權重體現的是各個指標在評價體系中對評價結果的影響力，同樣超標倍數的指標值，權重越大在綜合指數中所占比例越大。熵權法中權重值與監測指標數目n、監測點數m都相關。首先利用熵值概念將各指標監測值進行標準化(公式2)并求得熵值ei(公式3)，再計算得到初始權重，經歸一化得到各指標的權重(公式4—5)。

Qij=Cij/(Ci1+Ci2+…+Cim)

(2)

(3)

ωi′=1-ei

(4)

(5)

式中：Qij——監測值標準化結果； ei——i指標的熵值； m——監測點數量，即樣本量[19]； ωi′——i指標初始權重； ωi——i指標歸一化后的權重。

(3) 綜合指數P。與其他加權法相同，為各指標權重與分指數乘積的和(公式6)。

(6)

式中：Pi——第j個監測點綜合指數值；n——監測指標數目。

2結果與分析

2.1　嘉興地區水系水質概況

表1　嘉興市水系水質基本情況

呂升等人[14]的研究也顯示嘉興地區水質情況較差且有惡化趨勢。雖然相關部門對工業畜禽等點源的控制力度不斷加大，但由于農村生活污水，農田徑流、側滲等非點源難以監控管理，同時因養殖密度、農田施肥量較高[21]，N，P流失問題仍相當嚴重。

監測結果同時表明，在使用傳統的最差因子評價法時所有監測點均處于劣Ⅴ類，無法進一步區分各點水質污染等級，綜合指數法在當地的水質評價中確有其必要性。

2.2　嘉興市重點污染區域劃分

表2　參評指標的權重值

熵權法計算所得綜合指數分布在1.61～8.69之間(表3)。污染最嚴重區域在秀洲區，為監測點7(紅旗橋)，該點超標情況最嚴重的是E.coli，監測值為168 333個/L，超標倍數高達16.8，而E.coli在該點綜合指數中所占的比例也最大，為52.94%，使其成為該點首要污染因子。監測點4(東塘橋)、19(青陽匯)、6(龍鳳大橋)、17(紅旗塘大壩)的污染也相對較嚴重，綜合指數均都超過6.0，分別為7.47，6.70，6.63，6.45。這4個點中，龍鳳大橋與紅旗橋地理位置較近，首要污染因子亦是E.coli，其余3個點主要污染因子則都是TP。整個區域最小綜合指數出現在嘉興西北邊部，最小值出現在監測點26(南潯)，綜合指數為1.61，其次是監測點25(烏鎮北)及監測點28(大麻渡口)，兩者綜合指數均小于2，分別為1.74及1.85。

考慮到嘉興水系呈網狀分布且十分密集，本研究使用IDW插值法對綜合指數進行插值(圖1)。區域內每個插值點的數值由距它最近的4個監測點確定，插值點周邊監測點的數值越大，兩者距離越近，插值點上的數值就越大。最終得到的結果分了8個等級，數值范圍在1.5～8.7之間。分析結果顯示，平湖市、海鹽縣交界區域及秀洲區部分區域所處污染等級最高，成為當地污染嚴重區域，需重點監管。以這幾個區域為中心，向外延伸污染逐漸減輕。桐鄉、海寧西部及嘉善縣北部相對污染最輕。

圖1　嘉興市綜合水質分布情況

2.3　主要污染因子識別

獲得區域主要污染因子后便可從該指標著手，逐步實現水環境的改善。本研究中的主要污染因子包含著兩個信息：一是該指標超標嚴重，亟需進行控制管理；二是該指標地區之間存在較大差異，高污染區域中的污染源控制管理及水質提升均存在較大潛能。

以農田P流失為例，對嘉興地區農業調查結果顯示，即使是同一地區的農田，P施肥量差異仍很大，施肥量(P)在0～50 kg/hm2不等，磷肥施用由農戶的施肥習慣決定(氮肥施用量及農藥的使用農戶間差異不大)。這也許是導致嘉興水系中TP含量分布不均的原因之一，適當減少高施肥負荷農田磷肥施用量，可以實現在TP污染負荷減排，提升區域水質。

表3　綜合指數Pj及各個指標所占比重

3結 論

(2) 參評的5個指標中NH4+—N熵權最大，為0.31，其他指標依次為E.coli(0.27)，CODCr(0.21)，TP(0.14)及TN(0.07)。表明這些指標的分布均勻程度依次升高，在重點污染區域劃分過程中發揮的作用則依次降低。

(3) 嘉興地區污染重點區域為海鹽縣、平湖市交界處及秀洲部分區域，污染程度以這兩個區域為中心向外逐漸降低，桐鄉、海寧西部及嘉善縣北部相對污染最輕。

(4) 本評價體系中嘉興地區TP為主要污染因子，一方面其超標嚴重亟需控制，另一方面它的濃度分布不均勻，高污染區域具有較大減排潛能。CODCr，E.coli在綜合指數中占的比重僅次于TP。可優先從重點污染因子入手，開展減排控污工作，逐步改善全區水質。而對于整體超標嚴重而地區差異不明顯的指標，如TN，則需要整體規劃，設定全局性的污染控制方案。

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Key Polluted Area Division and Main Pollution Factors Identification Using Entropy Method

ZHU Chunyan1, LIANG Xinqiang1, ZHOU Kejin2, GUO Ru1, YUAN Junli1, JIN Yi1, RU Qinkai1

(1.InstituteofEnvironmentalScienceandTechnology,CollegeofEnvironmentalandResourceSciences,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310058,China;2.ZhejiangProvinceEnvironmentalMonitoringStation,Hangzhou,Zhejiang310015,China)

Abstract：[Objective] To find out the key polluted area and identify the main pollution factors of Jiaxing City. [Methods] We set up 29 monitoring sections in the main river in Jiaxing City and the surrounding area and indicators of CODCr, E.coli, TN, TP and —N were monitored. These multiple water quality parameters were combined into a comprehensive index using entropy weight method. [Results] TN, TP of Jiaxing City outranged seriously of the quality standards(GB3838—2002) in Ⅴ class standard. The concentrations ranged 2.60~10.52 mg/L, 0.60~5.68 mg/L. Comprehensive index of water quality of the 29 monitoring points ranged as 1.61~8.69. The most serious pollution of the region is at the junction of Haiyan County and Pinghu City, and Central Xiuzhou District. Other districts around the key polluted region had a decreased pollution. Tongxiang, Western Haining and the northern part of Jiashan County is relatively less polluted. TP was identified as the main pollution factors, CODCr, E.coli followed.[Conclusion] In more serious polluted areas, water quality index method can better describe the pollution differences among different areas. The contribution of different water quality parameters to the comprehensive index can identify the main pollution factors.

Keywords:comprehensive water quality evaluation; entropy method; water quality distribution; main pollution factors

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)02-0213-06

中圖分類號：X824

通信作者：梁新強(1979—)，男(漢族)，浙江省杭州市人，博士，副教授，主要從事流域生源要素控制工程與水質安全方面的研究。E-mail:liang410@zju.edu.cn。

收稿日期：2014-02-27修回日期：2014-04-08
資助項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項“太湖流域(浙江片區)累積源強風險過程及機制研究”(2012ZX07506-006-03)； 國家自然科學基金項目 (41271314)
第一作者：朱春燕(1989—)，女(漢族)，浙江省嘉興市人，碩士研究生，研究方向為非點源污染評價。E-mail:21114058@zju.edu.cn。