海口美舍河國(guó)家濕地公園水質(zhì)分析研究

林華，王耀山

1.海口市技術(shù)服務(wù)中心，海南海口570311；2.海南省農(nóng)業(yè)學(xué)校，海南海口571100

濕地具有強(qiáng)大的生態(tài)功能，不僅能夠調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、維護(hù)生物多樣性、涵養(yǎng)水源、蓄水調(diào)洪，而且可以有效緩和保護(hù)生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾[1-2]。顧名思義，濕地是以水為載體的重要生態(tài)系統(tǒng)[3]，水是人類生存和社會(huì)發(fā)展的基石，水體污染造成生態(tài)環(huán)境惡化、制約社會(huì)發(fā)展，而建設(shè)城市濕地公園有利于改善城市的生態(tài)環(huán)境，發(fā)展生態(tài)文明[4-5]。

城市濕地公園是近年來研究的新熱點(diǎn)[6]，蔣竹榮等調(diào)查了廣東滃江源國(guó)家濕地公園，結(jié)果顯示該濕地公園的水質(zhì)總體能達(dá)到國(guó)家Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，但不同區(qū)域的水質(zhì)有所差異[7]；李紅海等分析湖北漢江國(guó)家濕地公園2014 年～2018 年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果說明研究區(qū)內(nèi)2 個(gè)出水口的監(jiān)測(cè)斷面整體水質(zhì)處于Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，COD 優(yōu)于Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[8]；李楠等以富錦國(guó)家濕地公園為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)在2015 年研究區(qū)內(nèi)的水質(zhì)處于中營(yíng)養(yǎng)或輕度富營(yíng)養(yǎng)化的狀態(tài)[9]。

美舍河國(guó)家濕地公園處于海南省海口市腹地一帶，面臨的人類干擾問題更為嚴(yán)重，因此其作用顯得尤為突出。公園自建成以來一直開展長(zhǎng)期有效的濕地生態(tài)監(jiān)測(cè)工作，深入了解濕地生態(tài)與環(huán)境現(xiàn)狀，準(zhǔn)確評(píng)估濕地未來的變化趨勢(shì)。該研究以海口美舍河國(guó)家濕地公園的水環(huán)境現(xiàn)狀和水資源動(dòng)態(tài)變化為研究對(duì)象，提出保護(hù)與合理利用濕地的對(duì)策與建議，為濕地管理部門提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

海口美舍河國(guó)家濕地公園位于海南省海口市龍華區(qū)，地理坐標(biāo)：19°56′N～20°02′N、110°17′E～110°21′E，面積468.38hm2，其中濕地面積253.37hm2，起點(diǎn)為玉龍泉沙坡水庫(kù)，經(jīng)過羊山水庫(kù)、美舍河及河道沿岸部分公共綠地、鳳翔公園，終點(diǎn)白沙一橋，由3 個(gè)類型的河流濕地、沼澤濕地和人工濕地組成。屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫23.8℃，最高平均氣溫28℃左右，最低平均氣溫2℃左右；年降水量1664mm，平均日降雨量在0.1mm 以上的雨日150d 以上，年平均蒸發(fā)量1834mm，平均相對(duì)濕度85%，年日照時(shí)數(shù)2250h。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)

在研究區(qū)內(nèi)分別選擇上游、中游與下游3 個(gè)河段建立固定水監(jiān)測(cè)取樣點(diǎn)（詳見表1）。數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為2019 年7 月至2020 年7 月（其中2020 年2 月至4月數(shù)據(jù)由于疫情原因缺失）。主要監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)包括水溫、pH、鹽度、化學(xué)需氧量（COD）、溶解氧量(DO)、氨氮(NH3-H)、總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素α9 個(gè)項(xiàng)目。其中，水溫、pH、鹽度和DO 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，分別采用溫度計(jì)法、玻璃電極法、鹽度計(jì)法和電化學(xué)探頭法；其余指標(biāo)均在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定：使用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)法檢測(cè)COD，水楊酸分光光度法測(cè)定NH3-H，堿性過硫酸鉀消解紫分光光度法檢測(cè)TN；鉬酸銨分光光度法和單色分光光度法分別用來測(cè)定TP 和葉綠素α。

表1 上、中、下游設(shè)定監(jiān)測(cè)取樣點(diǎn)概況Tab.1 The situation of upper，middle and downstream monitoring points

1.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

1.3.1 單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法分別將各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分所屬類別，評(píng)價(jià)結(jié)果以最差指標(biāo)所屬的類別來代表整體水質(zhì)類別，該方法較為簡(jiǎn)便[10]。

1.3.2 綜合指數(shù)法

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各組中的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)單獨(dú)劃分所屬的水質(zhì)類別，表2 為各類別對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)分值[11]。

表2 評(píng)價(jià)取值Tab.2 The evaluation values

根據(jù)各單項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的評(píng)分值計(jì)算各組的綜合評(píng)價(jià)分值：

其中：F表示組內(nèi)各單項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)評(píng)分值Fi的平均值；Fmax表示組內(nèi)各單項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)評(píng)分值Fi中的最大值；n 為項(xiàng)數(shù)。

根據(jù)最終所得的F 值來評(píng)價(jià)水質(zhì)等級(jí)，表3 為F 值所對(duì)應(yīng)的地表水質(zhì)量級(jí)別。

表3 地表水質(zhì)量級(jí)別Tab.3 Surface water quality grade

1.3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，依據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度原則對(duì)受到多因素影響的對(duì)象進(jìn)行定量的綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)步驟如下[12]：

（1）根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)確定各水質(zhì)指標(biāo)所屬的類別。

（2）建立隸屬度函數(shù)迷糊矩陣

根據(jù)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值和其所對(duì)應(yīng)的j 級(jí)水質(zhì)級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)值為Cij（j=1,2，…m）計(jì)算隸屬度，由n項(xiàng)監(jiān)測(cè)因子隸屬度構(gòu)建成的n×m 模糊矩陣R，計(jì)算方式如下：

表4 隸屬度的計(jì)算方法Tab.4 The calculate of membership grade

由此確定模糊矩陣：

（3）確定權(quán)重因子

各單項(xiàng)的水質(zhì)指標(biāo)在整體水質(zhì)污染中所占的貢獻(xiàn)率不同，其與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大小及不同用途水中各指標(biāo)所允許的濃度有關(guān)，因此在綜合評(píng)價(jià)中需要對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。公式如下：

式中：Wki為權(quán)重因子；Xki為第k個(gè)水樣第i個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度；Cim為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中水質(zhì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)m級(jí)濃度的標(biāo)準(zhǔn)值，Ci為第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)各級(jí)水標(biāo)準(zhǔn)值的均值；aki為第k個(gè)水樣第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重值。

由此構(gòu)成評(píng)價(jià)因子權(quán)重矩陣：

（4）綜合評(píng)價(jià)原則

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為模糊矩陣與的復(fù)合運(yùn)算，采用取大取小型綜合評(píng)價(jià)計(jì)算法。即：

結(jié)果按照最大隸屬度原則確定，即隸屬度最大值所對(duì)應(yīng)的等級(jí)，則為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)分類等級(jí)。

2 結(jié)果分析

2.1 水質(zhì)單因子動(dòng)態(tài)變化分析

美舍河水質(zhì)數(shù)據(jù)分布情況如圖1。（數(shù)據(jù)來源于2019 年海口市林業(yè)局）

其中：水溫變化與氣溫變化同步，各河段沒有顯著差異。河段pH 范圍在7.12～8.83 之間，從時(shí)間序列來看，2019 年10 月～2020 年1 月pH 在各個(gè)河段顯著高于其他月份。鹽度在空間上具有顯著差異，下游海甸溪入口處和平橋的鹽度最高，平均值為3.05‰、國(guó)興橋?yàn)?.73‰、沙坡水庫(kù)為0.13‰，由于美舍河下游有海水倒灌的情況，所以下游的鹽度顯著大于上游。COD 變化幅度較大，范圍在12mg/L～56mg/L 之間，從時(shí)間序列來看，最大值出現(xiàn)在2020 年1 月，其次為2019 年9 月；從空間分布來看，河流中段的國(guó)興橋COD 平均值為32mg/L；其次為下游段的和平橋，平均值為24mg/L；上游沙坡水庫(kù)COD 平均值最低，為17mg/L。DO 范圍在3.54mg/L～7.36mg/L 之間，2019 年11 月～2020年1 月沙坡水庫(kù)的DO 值顯著高于其他河段和時(shí)間段。TP 范圍在0.07mg/L～0.19mg/L 之間，最大值出現(xiàn)在2019 年12 月至2020 年1 月之間。NH3-H 范圍在0.16mg/L～1.96mg/L 之間，從空間分布來看，中游的國(guó)興橋和下游的和平橋的數(shù)值顯著高于上游的沙坡水庫(kù)，但沙坡水庫(kù)的NH3-H 在2019 年8 月～11月期間出現(xiàn)不正常的高峰，這應(yīng)該與暫時(shí)性的污水排放有關(guān)。TN 范圍在1.06mg/L～6.29mg/L 之間，上游沙坡水庫(kù)在2019 年9 月～12 月出現(xiàn)異常高峰值，因此TN 明顯高于中游的國(guó)興橋和下游的和平橋。葉綠素α 范圍變化較大，在0.7ug/L ～27.07ug/L 之間，河流中下游的葉綠素α 值比較低，平均值分別為4.14ug/L 和5.78ug/L，而沙坡水庫(kù)葉綠素α 較大，平均值為18.5ug/L。

根據(jù)監(jiān)測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)分析，美舍河河段的pH、鹽度、COD 和NH3-H 的數(shù)值均表現(xiàn)為中、下游高于上游，但在2019 年8 月～11 月期間位于上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沙坡水庫(kù)NH3-H 出現(xiàn)不正常的高峰，分析認(rèn)為與污水排放有關(guān)，因此沙坡水庫(kù)的TN 值在2019 年9 月～12 月顯著高于中游和下游的國(guó)興橋、和平橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.2 水質(zhì)單因子指數(shù)分析法

采用單因子評(píng)價(jià)法，依照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中的地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各監(jiān)測(cè)取樣點(diǎn)的氨氮、化學(xué)需氧量、溶解氧、總氮以及總磷含量與地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，得到所屬的水質(zhì)類別，最差的指標(biāo)所屬的水質(zhì)類別，便是最終監(jiān)測(cè)取樣點(diǎn)水質(zhì)所屬類別，單因子評(píng)價(jià)結(jié)果見表5。

圖1 2019 年～2020 年度美舍河水質(zhì)數(shù)據(jù)及分布情況Fig.1 Water quality data and distribution of Meishe River in 2019～2020

沙坡水庫(kù)上游河段2019 年～2020 年度全年綜合水質(zhì)介于Ⅱ類～Ⅴ類之間，在2019 年7 月～2020年6 月期間，TN 超標(biāo)達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)，超標(biāo)倍數(shù)最高達(dá)6.29。美舍河中游河段2019 年～2020 年度全年水質(zhì)介于Ⅲ類～Ⅴ類水質(zhì)之間，以Ⅴ類水質(zhì)為主，NH3-H、TN 和COD 超過Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到Ⅴ類，其中TN 的超標(biāo)倍數(shù)最大，為3.41 倍，美舍河下游河段2019 年～2020 年度全年水質(zhì)為Ⅳ～Ⅴ類，污染物以有機(jī)污染物和總氮為主，其中以總氮的超標(biāo)倍數(shù)最大，為3.05。

表5 單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 The result of single factor index method evaluation

3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要的水質(zhì)污染指標(biāo)均為TN，上游河段周邊分布以農(nóng)田、村莊為主，據(jù)此分析污染源主要來源于農(nóng)業(yè)的非點(diǎn)源污染；中游河段Ⅴ類水質(zhì)的原因?yàn)樯嫌螖y帶的銨態(tài)氮分解，增加有機(jī)氮的含量，好氧微生物分解消耗氧氣，使得COD 數(shù)值增加，同時(shí)中游段生活污水進(jìn)入河道中，增加了NH3-H 和COD值。

2.3 綜合指數(shù)分析法

表6 綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.6 The result of composite index method evaluation

綜合指數(shù)分析法結(jié)果見表6，沙坡水庫(kù)、國(guó)興橋、和平橋3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果均為Ⅴ類水質(zhì)等級(jí)。

2.4 模糊綜合分析法

表7 為模糊綜合分析法中權(quán)重因子的計(jì)算結(jié)果。在沙坡水庫(kù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，5 項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)對(duì)水質(zhì)污染的權(quán)重從大到小依次為：TN＞NH3-H＞COD=DO＞TP；國(guó)興橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)權(quán)重由高到低依次為：TN＞COD＞NH3-H＞TP=DO；和平橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)權(quán)重由大到小次為：TN＞NH3-H＞COD＞TP＞DO。所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中TN 的權(quán)重因子是最大的，說明TN 對(duì)水質(zhì)污染的貢獻(xiàn)率最高。

表7 各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重Tab.7 The weight of each water quality indicator

根據(jù)模糊綜合法的最大隸屬度原則，隸屬度最大值所對(duì)應(yīng)的等級(jí)，即為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)分類等級(jí)，由表8 知，沙坡水庫(kù)和國(guó)興橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)評(píng)價(jià)均為Ⅴ類水，和平橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)為Ⅳ類水。

表8 模糊綜合法評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.8 The results of fuzzy comprehensive method evaluation

3 結(jié)論和討論

3.1 結(jié)論

（1）美舍河中、下游的pH、鹽度、COD 和NH3-H 的數(shù)值高于上游，2019 年8 月～11 月期間位于上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沙坡水庫(kù)NH3-H 值出現(xiàn)異常的高峰，分析認(rèn)為與污水排放有關(guān)，因此沙坡水庫(kù)的TN 值在2019年9 月～12 月顯著高于中游和下游的國(guó)興橋、和平橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（2）單因子指數(shù)法和綜合指數(shù)法分析顯示是3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為Ⅴ類水質(zhì)，根據(jù)單因子指數(shù)法，3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)其主要污染指標(biāo)為TN。

（3）模糊綜合法分析表明所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中TN 的權(quán)重因子是最大的，沙坡水庫(kù)和國(guó)興橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)評(píng)價(jià)均為Ⅴ類水，和平橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)為Ⅳ類水。

3.2 討論

運(yùn)用單因子指數(shù)法、綜合指數(shù)法和模糊綜合法3 種評(píng)價(jià)法對(duì)美舍河國(guó)家濕地公園監(jiān)測(cè)的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，3 種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果見表9。

表9 3 種方法評(píng)價(jià)法對(duì)比Tab.9 The compare of three assess methods

3 種方法對(duì)3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，模糊綜合法評(píng)價(jià)和平橋監(jiān)測(cè)點(diǎn)為Ⅳ類水，模糊綜合法結(jié)合了綜合指數(shù)法對(duì)各水質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，同時(shí)還對(duì)不同指標(biāo)對(duì)水質(zhì)影響的權(quán)重進(jìn)行了歸一化的分析，較前2 種分析方法能夠從整體的角度對(duì)水質(zhì)做出評(píng)價(jià)。

2019 年9 月～2019 年12 月期間，沙坡水庫(kù)的總氮和氨氮含量出現(xiàn)異常，說明在這期間有污染源排放。從具體數(shù)據(jù)分析，總氮的超標(biāo)明顯高于氨氮，因此污染源主要為農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，農(nóng)業(yè)化肥（硝態(tài)氮肥）在未完成反硝化作用或未被植物吸收前，會(huì)增加水體中總氮的含量，往往一次降水沖刷帶入的硝態(tài)氮肥會(huì)在水體中存留很長(zhǎng)時(shí)間，直到轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮被植物吸收。2019 年8 月～2020 年5 月，美舍河中游主要超標(biāo)的污染物指標(biāo)為COD、氨氮和總氮，其主要來源為生活污水，以及上游攜帶的硝態(tài)氮逐漸分解為的有機(jī)態(tài)氮。此外，處于河流中段的國(guó)興橋水質(zhì)劣于下游的和平橋，說明中游河段存在明顯的生活污水排放問題。而下游由于海水交換量大，導(dǎo)致污染物被海水沖淡，因此各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)優(yōu)于中游河段，同時(shí)也說明紅樹林種植以及周邊排污口的治理，取得了明顯的效果。