改進內梅羅污染指數法和模糊數學法對昭君島濕地水質的評價及應用比較

曹龍+李衛平+陳秋麗

摘要：為準確客觀地反映濕地水環境情況，分別運用改進內梅羅污染指數法及模糊數學法對昭君島濕地的平水期、枯水期、豐水期水質進行評價，以2015-2016年昭君島濕地水質監測數據為基礎，選取總氮、總磷、氨氮、化學需氧量（COD）為水質影響因子，兩種方法的評價角度不相同但評價結果基本一致，即平水期及枯水期水質優于豐水期，各影響因子均有不同程度超標現象，濕地水質無法滿足Ⅲ類水體功能要求，相關部門需加強濕地水體污染防治。

關鍵詞：改進內梅羅污染指數法；模糊數學法；濕地水質；影響因子；權重；昭君島濕地

中圖分類號：K928.43；X824 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）22-4278-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.22.017

Abstract： In order to accurately and objectively reflect the water quality of wetlands，the improved Nemerow pollution index method and fuzzy mathematics method was used to evaluate the water quality of Zhaojun island wetland. Based on the monitoring data of Zhaojun island wetland in 2015-2016，the total nitrogen， total phosphorus，ammonia and COD were the influencing factors of water quality. The evaluation angle of the two methods was different，but the evaluation results were basically the same：Water quality in the plain and dry season was better than that in the wet season， and all the influencing factors were over standard in different degrees. Wetland function decline，the water quality could not meet the class Ⅲ water function，and the relevant departments need to strengthen the wetland water pollution control.

Key words： improved Nemerow pollution index method； fuzzy mathematical method； wetland water quality； influence factor； weight coefficient； Zhaojun island wetland

水質評價是指依據水環境監測資料，選擇合適的參考體系及評判方法，對水質情況做出定性或定量的評判。目前一些水質評價方法都存在一定缺陷，如灰色聚類法，分析及計算簡單，但評價函數的選擇帶有很大的主觀性[1，2]；人工神經網絡法，考慮因子全面，但對數據要求極高，可操作性不強[3，4]。改進內梅羅污染指數法和模糊數學法充分考慮了不同影響因子對母體的實際效果，兼顧到主次因子對評判結果的影響，使評價更為客觀簡便，在工程實際中有較多成功應用[5，6]。

濕地被譽為“地球之腎”，很大一部分是由于其水生態強大的自凈作用[7，8]，因此對濕地水環境進行水質監測和評價對于濕地功能的保養與恢復尤為重要。濕地生態群落復雜，水質具有明顯的不確定性[9]。采用國內外應用廣泛的改進內梅羅污染指數法和模糊數學法[10]對黃河昭君島濕地進行水質評價及討論分析，為環保水利部門開展濕地規劃管理提供理論參考。

1 評價方法

1.1 改進內梅羅污染指數法

1.2 模糊數學法

模糊數學法對邊界模糊的事物進行系統分析，以模糊數學變換原理和最大隸屬度原則[15]作為數據計算和選擇的依據，達到精確性與模糊性相統一的評價目的[16]。在實際評價應用中，該法很好地契合了水質數據的不充分性和水質分級概念的模糊性[17]。

1.2.1 建立因子集和評價集 在水質評價中，由選定的水質污染因子組成因子集U1xn=（u1，u2，…，un），un為第n類因子，n為因子個數；評價集是指可能做出的各種評價結果所組成的集合：V1xm=（v1，v2，…，vm），Vm為第m種評價結果，m為評價結果個數。

1.2.2 確定隸屬函數 目前隸屬函數有多種表現形式，常見的主要有矩形分布、Γ 分布、正態分布等7種類型[18]。本研究以模糊分布曲線中的降半梯形模型作為各評價因子的隸屬函數，由各因子的實測值，可計算出每個因子對于各水質等級的隸屬度，即誘導出U1xn與V1xm之間的隸屬度矩陣[15，19]：

根據最大隸屬度原則，以最大Pm對應的水質等級作為水質評價等級。

2 實例應用

包頭昭君島濕地位于黃河流域最北端，屬于典型的嚴寒高緯度濕地，能量和物質流動量高[22]。濕地中動植物資源豐富，水域面積寬廣，對農牧業水量調蓄、區域氣候調節及碳素循環有巨大的作用。

黃河溢流水量作為濕地主要補給水源，水量季節性變化大[23]。昭君島水樣采集按黃河水期進行，采樣時間2015-2016年，結合黃河包頭段多年統計平均流量，以4、6、8月分別代表濕地平水期、枯水期、豐水期。水質影響因子的選擇遵循可測性、可比性及靈敏性原則[24]，依據本地區實際水質情況，以總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、化學需氧量（COD）作為濕地水質的影響因子，各因子的檢測按《水和廢水監測分析方法（第四版）》中規定的分析方法執行[25]，將水質結果分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5個評價等級。現場使用便攜式多參數水質分析儀記錄水體鹽度、氧化還原電位、溶解性總固體等基礎數據，水樣采集需及時做好水體保存和實驗室檢測工作，水質監測數據見表1。endprint

2.1 改進的內梅羅污染指數法評價

改進內梅羅污染指數法對各污染因子的權重計算見表2。由表2可知，在不同水質等級中，總磷的權數均大于0.5，對水質污染危害最大。考慮到包頭市“三帶一廊”城市生態系統建設及昭君島濕地的農牧業調蓄功能，把Ⅲ類水作為昭君島濕地水質標準值，即j=3。改進內梅羅污染標準指數及水質評判結果見表3。由表3可知，平水期和枯水期的水質為Ⅳ類，豐水期水質為Ⅴ類。

2.2 模糊數學法

2.3 對比分析

對于平水期，TN濃度為1.562 mg/L，介于Ⅳ至Ⅴ類水之間；COD濃度為94.229 mg/L，遠高于Ⅴ類水標準，這是由于包頭春季多風沙，土壤中的有機質被攜帶至水體，造成水體受有機污染嚴重。對于枯水期，氨氮和COD濃度接近Ⅱ類、Ⅰ類水標準值，這是因為昭君島濕地位于城市邊緣，較少受到生活和工業污水污染[23]；TN、TP在Ⅲ至Ⅳ類水之間，這可能是因為包頭地區大面積種植小麥、馬鈴薯、油菜等小春作物，施肥主要集中在枯水期及豐水期末期[27]，且濕地化肥養魚情況嚴重，使水體中的氮、磷超標；對于豐水期，TN濃度為5.086 mg/L，NH3-N和COD濃度均超過Ⅴ類水標準，這是因為濕地植物處于生長期，光合作用微弱，水中溶解氧被大量消耗，無法滿足氨氮和亞硝態氮的硝化作用[23，28]。且該時期，黃河輸沙量集中[29]，沙體攜帶的大量有機質在實驗室條件下被氧化，使COD嚴重超標，同時部分動植物殘骸被水體漚解，導致濕地水質下降。

整體來看，改進內梅羅污染指數法和模糊數學法對濕地水質的評價基本相同，即枯水期及平水期水質介于Ⅳ至Ⅴ類水之間，豐水期水質條件最差，屬于Ⅴ類水。這是由于枯水期及平水期時，外來污染源流入較少，水體擾動小，污染物及雜質沉降性能相對較好；豐水期時，河沙有機質較多，農作物生長迅速，施肥量增加，地表的營養物及沖刷物隨降雨和上游徑流流入濕地，造成水質變差，濕地功能價值下降。劉峰等[30]、王亞娟等[31]分別對都是以黃河水為主要補給水源的銀川閱海濕地和黃河口濱河濕地調查，均發現TN、TP、NH3-N有不同程度超標，水體出現營養化趨勢，多年水質等級統計為Ⅲ至Ⅴ類，劉建龍[23]對同屬于包頭黃河濕地的小白河濕地片區考察，也得出與本研究相似結論。

3 小結

1）改進內梅羅污染指數法以一個綜合所有污染因子影響效果的污染指數值表征水體狀況，適用于評價水質整體受污染程度；模糊數學法通過隸屬度矩陣及權重矩陣的建立，直觀地顯示出不同污染因子對水質的影響，更有效地反映出水質從好到差這一模糊漸變過程。

2）兩種評價方法對昭君島濕地水質的評價結果基本相似，都考慮到了污染因子的檢測濃度和實際毒性對水質的影響，結論相互支持，說明評價方法及結果科學合理。

3）昭君島濕地在平水期、枯水期、豐水期的水質均在Ⅳ至Ⅴ類水之間，高于設定的Ⅲ類水標準，TN、TP、NH3-N、COD濃度都出現不同程度超標現象，濕地水體無法滿足相關功能要求，后期可考慮分析不同水期的濕地水質與水生物相關性，以加強濕地水環境管理和污染防治。

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