基于韋伯-費希納定律的寧波海域水質評價

楊耀芳，何琴燕，劉艷云，魏永杰，唐德富

（國家海洋局寧波海洋環境監測中心站，浙江寧波　315040）

·研究簡報·

基于韋伯-費希納定律的寧波海域水質評價

楊耀芳，何琴燕，劉艷云，魏永杰，唐德富

（國家海洋局寧波海洋環境監測中心站，浙江寧波315040）

基于韋伯費希納定律（W-F）的基本原理，以表征海水水質濃度因子等參數作為評價指標，通過確定海域水環境質量等級與綜合影響指數ki間關系，綜合評價寧波海域各個區域的水環境質量。評價結果表明2013年寧波北部、三門灣北岸及象山縣西南部海域水質最差，均為劣四類海水，主要污染因子為PO4-P和DIN，其主要來源為陸源排污。趨勢性分析表明2001-2013年寧波海域近岸海域水質基本維持在高濃度水平上波動，水質未見明顯改善，遠岸領海基線至外緣線附近海域2001-2010年均為一類水質，2011年和2012年二類和三類水質污染有東擴現象，而2013年則又恢復為一類海水。將WF法評價結果與綜合模糊評價、單因子評價結果進行比較，表明W-F法與其結果基本相似，說明W-F法是評價結果準確，計算過程簡便，是一種新穎的海水水質綜合評價方法。本文更客觀、全面地分析了寧波海域水環境質量狀況，并提出容量控制和紅線劃定的建議，為政府制定環保措施提供依據。

韋伯-費希納定律（W-F）；水質綜合評價；分布特征；變化趨勢

寧波地處我國東南沿海，海域總面積為9 758 km2，岸線總長為1 562 km，是長三角五大區域中心之一，長三角南翼經濟中心，浙江省經濟中心、現代化國際港口城市。而隨著經濟的發展寧波沿岸陸源污染物的徑流量和各種污染物通量巨大，再加上海上養殖、海上運輸、海上傾倒以及大型海岸或海洋工程的影響，使得寧波近岸海域成為全國水質污染最嚴重的地區之一。為了更好的保護寧波海域水質環境，需要對寧波海域進行全面的調查并進行評價，了解其污染現狀及主要污染物，為海洋主管部門控制污染物排放總量、治理及修復水質環境提供科學依據。目前海域水質評價方法以單因子指數評價法和綜合污染指數法最為常見，其中綜合評價方法主要有模糊綜合評判法、模糊聚類法、灰色聚類法、人工神經網絡、物元分析法［1-2］，這些方法存在各自的優點與不足。

韋伯一費希納定律（Webe-Fischna記作W-F）是研究刺激的物理特性與感覺經驗之間關系的物理學分支。其主要任務是確定各種感覺閾限和測量刺激的物理量和心理學的關系等，它是19世紀中期由G．T．費希納創始的由心理物理實驗證明并推導出的，能確切地表達人體產生的反應量k與客觀環境刺激量C之間的函數關系［3］。李祚泳等［4］最先將韋伯-費希納定律及其拓廣應用于環境質量評價過程中，薛文博［5］首次將韋伯一費希納定律建成定量化的環境質量評價模型，為環境質量評價提出了一種全新的評價方法，接著W-F也被用于地下水環境質量、區域生態環境質量、水庫水環境預警、湖泊富營養化［3，6-8］等評價，但在海洋水質評價方面鮮有報道。同時，近年來對寧波海域的水質的評價多集中在局部海域，比如大榭島附近海域、杭州灣海域、象山港海域［9-11］，未有對寧波海域整體水質情況進行分析，尤其對寧波長時間序列的綜合水環境質量評價。因此，本文將W-F定律應用在寧波海域綜合水質現狀評價中，計算出ki值，從而評價其綜合水質質量狀況，并采用模糊綜合評價及單因子評價法的結果與其進行對比，探討了該方法評價結果的科學合理性。同時，采用W-F法對2001年-2013年寧波海域各區域的水質進行綜合評價，分析其變化趨勢。

1　材料與方法

1.1研究區域及觀測時序

研究區域位于寧波所屬海域（121°-123°E，28°-30.5°N），站位如圖1所示。分析評價數據采用2001-2013年數據，數據均來源于國家海洋局寧波海洋環境監測中心。

1.2評價要素及分析方法

監測項目包括溶解氧（DO）、亞硝酸鹽（NO2-N）、硝酸鹽（NO3-N）、氨氮（NH3-N）、活性磷酸鹽（PO4-P）、化學需氧量（CODMn）、石油類（oil）、汞（Hg）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、砷（As）等13項；各水質因子樣品的采集、保存與分析按《海洋監測規范》和《海洋調查規范》的有關規定進行。

圖1　寧波海域水質監測站位圖Fig.1　The distribution of seawater quality survey stations in Ningbo sea area

1.3評價方法

1.3.1W-F定律

Weber-Fischna通過心理物理實驗證明并推導出對于中等強度刺激，人體產生的反應量k和外界環境刺激量c之間滿足以下的函數關系：

式中：k為人體產生的反應量；c為外界環境刺激量；α為韋伯常數。

1.3.2構造海水水質質量評價數學模型

該模型假設為［5］：①把W-F定律中外界環境刺激量c視為海水水質質量環境中某評價指標的量；②把W-F定律中人體產生的反應量k視為該指標對人體的危害程度；③α是由該指標的性質所決定的，對于同一指標而言，α為常數，而區域生態環境質量評價過程中涉及到多個指標，因此可把韋伯常數α視為各項指標的權重。

在以上三條假設的基礎上，可以將W-F定律推廣到海水水質質量環境評價領域，得到推廣后的W-F定律：

式中：kif為第i個監測點第j個評價指標對人體的危害程度；c′if為第i個監測點第j個污染指標的監測濃度標準化值，數據標準化的目的是消除不同指標在單位、量級上的差異（信息），它是多指標綜合的前提和基礎；c′if+1的目的在于使lg（c′if+1）＞0，通過數學證明不影響評價結果；αij為第i個監測點第j個污染指標的權重，以指標危害貢獻率法計算，計算公式如下：

式中cij為第i個監測點第j個污染指標的原始監測數據；sj4為第j項污染指標四級評價標準值（海水水質參照《海水水質標準》（GB3097-1997）進行）；p為評價過程所選取評價指標的個數。綜合評價指標計算如下：

顯然ki綜合性地反映了第i個監測點的外界環境對人體的危害程度，從側面反映了海水水質質量的優劣，所以ki可以作為海水水質質量評價的依據。下文基于W-F定律建立的水質模型綜合評方法簡稱為W-F法。

2　評價結果與討論

2.1現狀評價結果

2.1.1標準的確定

選取DO、NO2-N、NO3-N、NH3-N、PO4-P、CODMn、oil、Hg、Cu、Pb、Cr、Zn、As等13項參與評價。將《海水水質標準》（GB3097-1997）中相對應的各項指標進行標準化，其中溶解氧因為是反向指標，因此取倒數后進行計算，NO2-N、NO3-N、NH3-N相加得到無機氮（DIN）后進行計算。標準化結果列于表1中。然后依據公式（2）～（4）計算各級水質的ki值。確定海水等級和ki值得對應的關系，第一類：ki≤0.129；第二類：0.129＜ki≤0.178；第三類：0.178＜ki≤0.236；第四類：0.236＜ki≤0.301；劣四類：ki＞0.301。

表1　海水水質標準數值標準化結果Tab.1　The standard numerical results of seawater quality standards

2.1.2評價結果

（1）水質質量等級空間分布

對寧波市海域13個區域的40個站位的數據依據公式（2）～（4）進行計算，得到相應ki值（表2），根據海水等級和ki值對應的關系得到各個站點的水質評價等級。

從等級分布圖上來看（圖2），寧波海域近岸污染相對嚴重，離岸越遠水質相對越好，總體上東南部海域海水水質質量要好于西北部海域。主要污染因子是氮、磷。杭州灣南岸（慈溪、甬江口附近海域）、三門灣北岸及象山縣西南部海域ki值在0.35以上均為劣四類海水，污染最嚴重，鎮海海域、北侖附近海域、象山港及象山縣東北部海域次之，基本為為四類海水，韭山列島保護區附近海域為二類和三類海水，漁山列島保護區和領海基線及其外緣線之間海域附近海水水質最好，均為一類海水。該分布特征與2013年寧波市公報基本一致［12］。

（2）成因分析

圖2　2013年8月寧波海域水質評價等級分布（W-F法）Fig.2　Distribution of seawater quality indifferent seasons in 2013（Weber-Fechner Law）

一般認為，海洋環境污染物的來源主要包括陸地污染源、空中污染源、海上污染源等，其中，陸地污染源是海洋環境污染的主要來源，據初步統計，目前進入海洋的全部污染物中有80%以上來自陸地污染源［13］。根據2012年對寧波污染源（包括工業污染源、生活污染源、畜禽養殖污染源、農業污染源和海水養殖源）的估算［15］，杭州灣南岸余姚、慈溪、鎮海和北侖的COD、總磷和總氮入海量為3.9萬t/年，占了寧波入海污染源的43%，象山縣有2萬t/年，占了寧波入海污染源23%，可見慈溪、象山沿岸污染物入海量較多的區域，周邊水質相對比較差均為劣四類海水。

杭州灣污染物主要來源于長江、錢塘江等江河的徑流每年攜帶了大量的營養鹽類［14］以及沿岸的點源和面源污染物的輸入。由于面源較難控制，點源不斷增多，排污量遠大于其自凈能力，再加上杭州灣內水深較淺，導致杭州灣南岸中底部的慈溪、甬江口海域水質均為劣四類，是寧波污染最為嚴重的海域。而同處于杭州灣南岸的北侖港附近海域，由于處在口門處，外海水的入侵及沿岸流的南下，使不同的水團在灣中部和口門段海域交匯，海域水體中的污染物質在灣中部及口門段的稀釋、擴散以及生物、化學的降解過程加快，水體中的氮、磷含量通過海洋自身的凈化作用而明顯降低［14］，所以，水質好于杭州灣內和中部慈溪和甬江口區域。但是隨著北侖舟山港的發展，對北侖海域的水環境也不斷的增加水環境污染壓力，北侖附近海域水質也基本為四類海水。象山港海域歷來是浙江省重要的水產養殖基地，沿岸相繼開展了多個電廠、港口、濱海工業區及象山港大橋的建設工作等，這些工農業的發展進一步加劇了海水污染物的排放，根據污染源的估算［16］，2012年環象山港入海污染總量（包括工業污染源、生活污染源、畜禽養殖污染源、農業污染源和海水養殖源）約1.2萬t/年。再加上象山港為半日潮整體水交換能力比較差，污水在該港內停留時間長，很難及時將污水帶出港灣，使得象山港水質基本為四類，整體情況比較差。三門灣為典型的半封閉強潮海灣，三面環陸，僅有石浦水道與外海相通，海水交換一方面受潮汐流影響，另一方面又受到內陸徑流影響，因為有許多支港深嵌內陸，造成三門灣海域海水同外海交換能力較差，污染物主要依靠灣內凈化。根據2008年對三門灣入海污染總量（包括工業企業污染、生活污染、畜禽養殖污染、農田徑流污染）的估算［17］，2008年三門灣北岸的寧波寧海縣和象山縣入三門灣的COD、總磷和總氮污染物總量為1.4萬t/年，大量的污染物入海使得其海水水質質量處于四類和劣四類水平。而三門灣口的水交換能力較強，水質略好于灣內。離岸較近的檀頭山海域東側海域要好于西側和北側，北側水質最差，為劣四類海水。韭山列島離岸較遠，周邊海域開闊，海水水質相對檀頭山附近海域要好。漁山列島附近海域和領海基線至外緣線海域離岸最遠，周邊排污少，處于開闊海域，加上閩浙沿岸流、臺灣暖流和長江沖淡水的交匯作用，污染物得到快速的擴散和降解，使得東部海域海水水質質量要好于寧波其他海域。

2.1.3與其它方法的評價結果對比

表2　W-F法評價海域水質現狀評價結果及與單因子評價法、模糊綜合評價法對比結果Tab.2　The evaluation results with W-F Law and the comparison results with two other classical evaluation methods

分別采用常用的綜合評價（模糊綜合評價法）和單因子評價法，對2013年8月份寧波海域的水質進行評價（表2）。從評價結果來看，W-F法的評價結果與綜合評價（模糊綜合評價法）以及單因子評價法評價結果基本一致，趨勢也基本相同，都是近岸水質最差，遠岸水質好。W-F法與模糊綜合評價法相比，有55%的站位評價結果一致，另外45%的站位評價結果W-F法略優于模糊綜合評價法，差別最大的僅為北侖附近海域的10號站位、象山東部海域的32號站位和三門灣附近海域的35號站位，相差兩個等級，而其他的僅差一級。W-F法與單因子評價法相比，其中有35%的數據評價結果一致，65%的數據W-F法略優于單因子法，差別最大的也為北侖附近海域的10號站位、象山東部海域的32號站位和三門灣附近海域的35號站位，相差兩個等級，而其他的也僅差一級。從相差兩級的三個站位之一的象山港東部的32站位來看，該站位除了無機氮為0.528 mg/L，略超劣四類海水水質標準外，還有PO4-P為0.0330 mg/L，略超三類但符合四類海水水質標準，而其他DO、COD、oil、Hg、Hg、Cu、Pb、Cr、Zn、As等指標則均符合一類海水水質標準，顯然，W-F法綜合評價結果三類才更為合理。其他站位比如9-17號、36號評價結果略優于綜合模糊評價及單因子法的站位，也是因為綜合考慮了其他符合一類水質指標，所以W-F法結果略優于其他兩種方法，也更為合理。

綜合模糊評價雖然能將一些邊界不易定量的因素定量化，但他也與單因子評價方法一樣存在過分突出單個指標極大值對水質污染的影響，只是偏頗的程度有所不同，而忽略了多數其他水質指標的綜合情況，造成綜合評價結果不能客觀反映所有監測指標同時表達的水質信息。

經過對比分析可知，W-F定律海水水質模型用于海水水質環境質量等級的綜合評價是科學合理的，且評價精度更高，同時可根據計算的ki值，及時了解多水質指標的變化反映更加靈敏及時，可為海域監控和保護管理提供科學有效的依據。

2.2歷年水質變化情況

由于歷年重金屬監測指標項目有所不同，為了保持W-F評價后的結果具有更好的可比性，選擇指標歷年都有監測的DO、COD、PO4-P、oil、DIN等主要污染因子進行評價。

首先確定標準，按2.1.1步驟，計算得到海水等級和ki值得對應的關系。第一類：ki≤0.145；第二類：0.145＜ki≤0.202；第三類：0.202＜ki≤0.238；第四類：0.238＜ki≤0.301；劣四類：ki＞0.301。然后根據公式（2）～（4）計算各寧波各年度各個海域的水質的ki值，對應得到相應的水質評價結果（表3）。

從寧波各個海域的歷年的空間分布來看，2001-2013年的ki值寧波北部海域（慈溪、甬江口附近海域）最高，基本在0.40以上，該海域均為劣四類海水，鎮海、北侖附近海域ki值次之，在0.35左右，水質也基本為劣四類。象山港海域略好于北侖港區，ki值在0.30左右，基本為四類和劣四類海水，三門灣海域、象山東部海域、檀頭山附近海域、韭山列島附近海域則又略好于象山港，ki值在0.25左右，基本為三類和四類海水，而漁山列島附近海域水質又好于韭山列島等海域，ki值在0.18左右，水質基本處于一類和二類，領海基線至外緣線海域水質最好，ki值在基本在0.1左右，均為一類水質。

從寧波各個海域的評價的年際變化來看，2001-2013年慈溪、鎮海、甬江口、北侖等海域，在2010年ki非常高，在0.7以上，有變差的趨勢，而之后又降低到2001-2003年前的水平，可以看出這部分海域歷年來ki值一直處在比較高的水平上波動，慈溪、鎮海、甬江口歷年水質基本為劣四類海水水質，而北侖海域在2013年略有變好趨勢。根據2007-2013年寧波公報中甬江江河入海污染物排放總量顯示，歷年排放量分別為12.45、15.45、11.56、13.21、15.77、17.63、20.00萬t/年，有逐年增高的趨勢，沿岸各類生活、工業、養殖等等廢水的排放使得寧波北部海域的水質質量一直處于高營養化狀態。同時從整體來看象山港和象山東部海域歷年來均在四類和劣四類水質范圍內波動，水質也未見明顯改善。檀頭山附近海域、三門灣海域在2007-2009年附近海域略有下降，而后2010-2012年有所上升，2013年則又降低到2001年的海水水質水平。2004年、2010年和2011年劣四類和四類海水有外擴到韭山列島附近的現象。漁山列島附近海域，近年來水質略有好轉，從2001-2002年的四類海水變為2010-2012年的二類、三類海水，2013年則變為一類，水質向東惡化的情況有所減緩。領海基線至外緣線海域2001-2010年均為一類，而2011年和2012年的二類和三類水質有往東外擴，使得寧波東部海域一類海域面積急劇減少，2011年和2012年整體污染面積有加重的趨勢，2013年則又恢復為一類海水。

表3　2001年8月-2013年8月寧波海域水質評價結果Tab.3　The evaluation results with W-F Law from 2001 to 2013

3　結論

（1）應用W-F定律模型評價2013年8月份寧波13個海域的40個海水水樣的綜合水質，并與常用的綜合評價（模糊綜合評價法）和單因子評價法評價結果對比分析可知W-F法與其他兩種方法基本一致。且W-F法能綜合水質各個參評指標的質量狀況更加合理準確，W-F法用于海水水質環境質量等級的綜合評價是科學合理的。同時，W-F法能夠定量描述人類和外界水環境質量的感覺強度變化關系，反映水環境質量變化對人類的影響，W-F法評價具有計算過程明確、操作簡單、評價精度高，尤其在作比對分析的時候，可以根據ki值判斷屬于同一級別的監測點之間水質的優劣，這是模糊綜合評價無法達到的，同時根據ki值可以及時了解多水質指標的變化反映更加靈敏及時。因此，W-F定律模型為海域水環境質量綜合評價提供新方法，同時可拓展到其他環境要素質量評價，可為海域監控和保護管理提供科學有效的依據。

（2）應用W-F定律模型對2013年8月份寧波13個海域的綜合評價結果表明：寧波海域近岸污染相對嚴重，離岸越遠水質相對好，總體上來看東南部海域海水水質質量要好于西北部海域。污染源主要來陸源排污，并且慈溪、象山沿岸污染物入海量較多的區域，周邊水質相對比較差，水質污染狀況與排污量呈正相關。寧波趨勢性綜合評價結果表明：歷年的空間等級分布趨勢與2013年的大致相同。對歷年（2001-2013年）水質評價結果分析可知寧波海域近岸海域水質基本維持在高濃度水平上波動，水質未見明顯改善，遠岸領海基線至外緣線附近海域2011年和2012年二類和三類水質污染有東擴現象，而2013年則又恢復為一類海水。

（3）考慮寧波海域海水水質質量處在較差的狀態，建議寧波建立和完善污染物排海總量控制及考核制度，加強科學研究和部門協調，明確海洋環境容量，確定人海污染物質排放總量，實施污染物排放許可證制度，實現排海污染物管理的制度化、目標化、定量化，以控制和削減陸源污染物總量，并建立考核制度，明確考核目標，確定考核方案，建立管理信息系統和監督體系，對考核目標實時優化調整，對減排區域連續進行考核監測及核查。同時，開展寧波海洋生態紅線的劃定工作，對各類主體功能區分別制定相應的環境標準和環境政策，以改善寧波海洋生態環境，確保寧波生態安全，促進寧波地區經濟社會長遠可持續發展。

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Seawater Quality Assessment in Ningbo Sea Area based on Weber-Fechner Law

YANG Yao-fang，HE Qin-yan，LIU Yan-yun，et al
（Marine Environmental Monitoring Center of Ningbo，SOA，Ningbo315040，China）

According to the Weber-Fechner（W-F）Law，seawater quality parameters were served as evaluate dindicators of seawater quality，the seawater quality was assessed quantificationally with the relation between the seawater quality grade and the comprehensive effect index ki，which was used to assesse seawater quality in Ningbo sea area.The evaluation results indicated that the north coast of Ningbo sea area、the north seaarea of the Sanmen bay and the westsouth sea area of Xiangshan were worst quality seawater with wrose than classⅣ.The main seawater contamination was PO4-P and DIN，which has been widely accepted that they came from sewage of land mostly.The change of the water pollution evaluation analysis showed that seawater quality has been waving at high concentration level in Ningbo sea area from 2001 to 2013，and it was no obvious improvement on seawater.The sea area between territorial sea baseline and its edge was classⅡ andⅢin 2012 and 2013，which made contaminated area expanding more to east，then back to classⅠin 2013.The results showed that as compared with two other classical evaluation methods，the W-F Model was proved moreaccuracy，explicit and simple computing，that provided a new comprehensive assessment method for seawater quality assessment.This paper more objective and comprehensive analysis of the ningbo sea water environment quality condition，and puts forward Suggestions for the capacity control and red lines drawn，provides the basis for the government formulate environmental protection measures.

Weber-Fechner Law（W-F Law）；seawater quality comprehensive assessment；characteristicsof distribution；change trend

X824

A

1008-830X（2015）02-0196-08

2014-10-16

楊耀芳（1983-），女，江蘇無錫人，工程師，研究方向：海洋環境監測與評價.Tel:15825558251；E-mail:Yangyf@eastsea.gov.cn