2011—2020年太湖水質分析及綜合評價研究

胡起靖

（蘇州圖書館，蘇州 215002）

太湖流域經濟社會發達，人口稠密，是我國經濟最發達地區之一[1-2].太湖不但是周邊居民的生活用水保障，更是經濟社會發展重要的戰略資源保障，是長三角一體化發展國家戰略的重要支撐和保障[3-4].2007年太湖流域爆發嚴重的藍藻污染，給社會發展造成巨大危害[5]，嚴重影響了太湖流域社會經濟的可持續發展[6].

自2007年以來，太湖流域大力開展以控源截污、生態清淤、調水引流為重點的大規模水環境綜合治理，通過太湖上游及環湖地區水環境綜合治理，太湖的水質逐步改善，各項主要指標均有不同程度的降低，當前太湖流域水環境綜合治理工作取得全面進展，成效顯著[7-8].但最近幾年部分關鍵水質指標濃度出現了波動，藍藻水華有所反彈[9].此外，根據《太湖流域水環境綜合治理總體方案（2013年修編）》，太湖流域按照方案所實施的治理期限為2013～2020年，因此當前有必要對上一階段治理周期的太湖水質狀況及變化趨勢開展分析和研究，以加強對太湖水質治理進程及水質現狀的認識，為更加科學地制定下一階段治理措施提供更多有價值的參考.

在水質評價研究方法中，單指標分析法僅對各個單指標的高低進行對照評判，多指標綜合評價方法則能夠反映各評價指標的疊加影響，可以綜合反映水體質量.目前針對太湖水質綜合評價的研究方法主要有模糊綜合評價法[10-11]、水質標識指數法[12-13]，其他的還有內梅羅水污染指數法[14]、綜合污染指數法[15]、投影尋蹤評價法[16]等.

屬性識別模型作為以模糊數學綜合評判理論為基礎發展起來的多指標評價方法[17]，在湖泊水質評價中的應用中被證明是可靠實用的評價方法[18-19].本文采用單項指標污染指數對2011—2020年太湖水質指標濃度變化進行分析，同時結合屬性識別模型進行水質綜合評價及變化趨勢分析，并對現有的太湖綜合營養狀態相關信息進行分析.

1 數據的來源及分析方法

所引用太湖主要水質指標濃度數據分別來源于水利部太湖流域管理局公開發布的《太湖健康狀況報告（2018）》[20]和江蘇省生態環境廳公開發布的《江蘇省生態環境狀況公報》[21].按照《地表水環境質量標準》（GB3838-2002），通過單項指標污染指數和屬性識別模型綜合評價法對太湖水質進行分析和評價研究.所引用太湖綜合營養狀態指數、全湖平均富營養化程度和藍藻水華次數來源于江蘇省生態環境廳公開發布的《江蘇省生態環境狀況公報》.

1.1 單項污染指數

單項污染指數是指將實測值與評價標準值進行比較，根據比較指數確定該指標污染程度，計算公式為：

式中，pi—i污染物的單項污染指數；ci—i污染物的實測值；cio—i污染物的指數計算標準值.

1.2 屬性識別模型

1.2.1 建立分類標準矩陣

設評價對象空間X有n個評價對象，每個評價對象有m個評價指標{I1，I2，…，Im}，每個評價指標有k個評價等級{C1，C2，…，Ck}，對于每個評價指標Ij有相應的評價等級分類標準{aj1，aj2，…，ajk}，則評價對象空間X的分類標準矩陣為：

式中ajk滿足aj1＜aj2＜…＜ajk，或aj1＞aj2＞…＞ajk.

1.2.2 確定權重

采用超標倍數法，計算公式為：

式中，cj—評價因子的監測值；sj—評價因子各濃度標準的數學平均值；Wj—評價因子的歸一化權重值.

1.2.3 確定樣本屬性測度

第 i個評價對象第 j個指標值 xij屬于 ct類（1≤t≤k）的屬性測度為 uijt.設aj1＜aj2＜…＜ajk，有：

當 xij≤aj1時，取 uij1＝1，uij2＝…＝uijk＝0，

當 xij≥ajk時，取 uijk＝1，uij1＝…＝uijk－1＝0

當 ajl≤xij≤ajl＋1時（1≤l≤k－1），取式中，t＜l，或 t＞l＋1.

1.2.4 綜合屬性測度

由單指標屬性測度和指標權重可以得到綜合屬性測度uit：

式中，wij—第i個評價對象第j個評價指標的歸一化權重；1≤i≤n，1≤t≤k.

1.2.5 對象的識別與排序

設置信度（0.5≤ ≤1），用下式進行計算：

如果ti≥ ，則認為xi屬于ct級別.

按照評價準則進行評分，對評價對象進行比較分析，用下式進行計算：

式中，qxi—第i個評價對象的評價分數；ni＝k＋1－i，依次取k～1之間遞減的正整數.

2 結果

2.1 太湖水質指標

采用單項污染指數法，將近年來太湖主要水質指標濃度值（如表1所示）除以《太湖流域水環境綜合治理總體方案（2013年修編）》確定的2020年控制目標值（高錳酸鹽指數4，氨氮0.5 mg/L，總磷0.05 mg/L，總氮2 mg/L），得到相應污染物控制指標指數，結果匯總如表2和圖1所示.

表1 2007年及2011—2020年太湖水質指標濃度 （mg/L）

表2 太湖水質指標指數

圖1 太湖水質指標指數變化趨勢

2.2 太湖水體質量綜合評價

2.2.1 評價因子與標準

以《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）為評價標準，以高錳酸鹽指數、氨氮、總磷、總氮為評價指標，建立地表水環境質量評價分組標準，如表3所示.

表3 地表水環境質量評價分組標準

2.2.2 各年份評價單指標屬性測度

根據1.2.3的屬性測度確定方法，代入表1太湖水質指標濃度值和表3相關水質指標標準值，可計算得到各年度水質單指標屬性測度，結果如表4所示.以2007年高錳酸鹽指數為例，其指數值5.1介于二級標準值4和三級標準值6之間，隸屬于其他級別的屬性測度為0，隸屬于二級的屬性測度為：（6－5.1）/（6－4）＝0.45，隸屬于三級的屬性測度為：（5.1－4）/（6－4）＝0.55.

表4 各年度水質單指標屬性測度

2.2.3 權重值

根據式（2），代入表1和表3數據，可計算得到各年度水質指標的單指標權重，結果如表5所示.以2007年為例，其高錳酸鹽指數的單指標權重計算為：（5.1÷8.6667）/（5.1÷8.6667+0.39÷1.1917+0.074÷0.0975+2.35÷1.2）＝0.162，相應地求得其他污染物單指標權重.

表5 各年度水質指標單指標權重

2.2.4 綜合屬性測度

根據式（3），結合表5中各年度水質指標的單指標權重及表4中各年度水質單指標屬性測度，可計算得到各年份評價對象屬性測度，結果如表6所示.以2007年度為例，其一級屬性測度的計算為：0×0.162＋0.314×0.09＋0×0.209＋0×0.539＝0.028；二級屬性測度的計算為：0.45×0.162＋0.686×0.09＋0×0.209＋0×0.539＝0.135.相應地求得其他級別綜合屬性測度.

表6 各年度綜合屬性測度

根據式（5），按照評價準則對評價對象進行各年份水質評分和比較分析，分數越大，表明水體環境質量越好.以2007年為例，得分計算為：6×0.028＋5×0.135＋4×0.198＋3×0.1＋2×0＋1×0.539＝2.47.相應地，可求得其他年份水體環境質量的評級和得分，結果如表7所示.

表7 各年度水質評分

2.3 太湖水體富營養狀態

根據《江蘇省生態環境狀況公報》發布的太湖水體富營養狀態相關信息，將2007-2020年太湖湖體富營養狀態、全湖平均富營養化程度，及預警監測期間通過衛星遙感監測發現藍藻水華聚集現象次數匯總如表8和圖2所示.

表8 太湖水體富營養狀態

圖2 太湖水體綜合營養狀態指數變化趨勢

3 討論

3.1 太湖水質指標變化

由表2及圖1可知，相較于2007年，近年來太湖水質指標中的氨氮、總氮取得顯著控制成效.其中對氨氮的控制成效最好，雖然在2007年時，太湖水體中氨氮的濃度水平就已經在2020年控制目標以下，但是自2011年以來總體呈下降的趨勢，2019—2020年相較2018年有略微抬升，但僅維持在0.12，濃度水平比2007年下降了69.23%，是2020年控制目標的24%；總氮的控制取得較好成效，雖然在2016年有小幅波動，但也是整體呈下降態勢，且自2012年以來，濃度水平都在2020年控制目標以下，2020年濃度水平比2007年下降了45.96%，是2020年控制目標的63.5%.

近年來太湖水體中的高錳酸鹽指數、總磷的控制成效則不太理想.其中高錳酸鹽指數雖然自2011年以來的指數值均低于2007年，但是2011—2018年仍然都超過2020年控制目標的水平，2019—2020年勉強達到控制目標，說明雖然取得一定控制成效，但是要保持當前的控制成效還需再接再厲；總磷自2011年以來的濃度水平都超過2020年控制目標.2011年濃度水平雖然低于2007年，但是其后并沒有下降，而是呈現一個上升、回落的波動上升趨勢，且自2015年以來的指標值均高于2007年，說明總磷濃度未得到有效控制.

因此，根據近年來太湖水質主要控制指標變化趨勢可以判斷，高錳酸鹽指數、總磷是當前太湖水質治理的重點，其中總磷是當前太湖水質治理的難點.

3.2 太湖水體質量綜合評價及變化分析

由表7可知，太湖水體綜合環境質量水平雖然在2013年和2016年有小幅波動，但是總體呈上升趨勢，其中2007年、2011年水質綜合評價類別為劣Ⅴ類，2012年—2016年水質綜合評價類別為Ⅴ類，2017年—2020年水質綜合評價類別為Ⅳ類.2011年太湖水體綜合環境質量水平略優于2007年，自2012年以后，太湖水體每年的綜合環境質量均明顯優于2007年，其中2017—2020年連續四年優于2020年控制目標水平.說明近年來對太湖流域的綜合治理取得積極成效.

3.3 太湖水體富營養狀態分析

由表8和圖2可知，2009年太湖全湖平均富營養化程度由2007—2008年的中富營養轉化為輕度富營養，此后至2020年一直維持在輕度富營養狀態；綜合營養狀態指數在2012年由2007—2008年的58.5明顯下降為56.5，此后在56.8和54.8的數值范圍內反復波動，最高值和最低值對應的年份分別為2017年和2020年；預警監測期間通過衛星遙感監測發現藍藻水華聚集現象次數在2011—2013年小幅上升，在2014年有顯著下降，但自2015年開始，呈明顯上升趨勢.

4 結論

（1）2011—2020年太湖水質指標中的氨氮、總氮控制成效顯著.氨氮自2011年以來基本呈逐年下降的趨勢，總氮整體呈波動下降態勢.

（2）2011—2020年太湖水質中的高錳酸鹽指數、總磷控制成效不太理想，指標濃度呈波動反復態勢，是當前太湖水質治理的重點，其中總磷是當前太湖水質治理的難點.

（3）2011—2020年太湖水體的環境綜合治理控制取得積極成效，水體環境綜合質量水平呈上升向好趨勢.

（4）2011—2020年太湖全湖平均富營養化程度為輕度富營養，綜合營養狀態在一定范圍內反復波動，藍藻水華聚集現象有上升趨勢.說明當前太湖的水環境治理仍存在薄弱環節.