優化模糊綜合評價法在廈門灣水質評價中的應用

張繼偉　高超　巫建偉等

關鍵詞：模糊綜合評價法;面積比法;水質綜合評價;廈門灣

中圖分類號：X824;P76 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2023）04-0021-08

0引言

近年來，如何合理開發和利用海洋資源已成為世界上多個國家關注的熱點問題[1]。隨著海洋開發的力度和規模逐漸加大，污染問題日趨嚴重，沿海地區水體富營養化現象日漸凸顯，對海洋資源利用及海洋生態等方面造成十分不利的影響[2-5]。為正確應對海洋環境問題，促進海洋經濟健康發展，需要對海洋的水環境質量進行正確的評價。

目前國內外關于水環境質量評價的方法有很多，常用的水質評價方法有污染指數法、物元分析法、模糊評價法、灰色評價法、神經網絡法等[6-8]。模糊數學是美國加利福尼亞大學控制論專家扎德教授于1965年創立的數學理論。模糊綜合評價法是基于模糊數學理論的評價方法，其通過模糊集合體現元素對模糊集合的隸屬關系[9-10]。模糊綜合評價法能夠客觀反映評價事物的模糊性與連續性，保證事物之間的緊密聯系[11-13]。在水質評價方面，模糊綜合評價法應用隸屬函數劃分水質等級，能夠科學、客觀地反映水質狀況。目前該方法已在河流水質評價[14-15]、地下水水質評價[16-17]、湖泊水質評價[18]、海水水質評價[19-21]等水環境評價領域得到實際應用。

本研究在常用的模糊綜合評價法基礎上，采用面積比法進行優化，選取廈門灣2018年全年水質監測數據進行水質綜合評價，以期準確反映廈門灣水質狀況，為進一步探討九龍江近年來水質變化趨勢提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

廈門是中國東南沿海重要的港口風景城市，地處亞熱帶，屬南亞熱帶季風性氣候，全年平均降雨量為800mm 左右。廈門由本島（廈門島）、鼓浪嶼、西岸海滄半島、北岸集美半島、東岸翔安半島、大嶝島、小嶝島、內陸同安、九龍江等組成。廈門灣是半封閉型海灣，岸線曲折，地形復雜，海域總面積390km²，由灣內和灣外2個部分組成[22-23]。灣內主要包括西部海域、九龍江河口區、同安灣，灣外主要包括南部海域、東部海域和大嶝海域。

1.2 數據與標準

根據廈門多年海洋環境質量公報結果，廈門灣主要超標污染物為活性磷酸鹽和無機氮，重金屬鮮有超標情況出現。在此基礎上，剔除評價標準未給出的指標（如葉綠素、總有機碳）或分級不明確的指標（如滴滴涕、pH 值），最終篩選出溶解氧（DO）、化學耗氧量（COD）、可溶性無機氮（DIN），可溶性無機磷（DIP）、石油類和硫化物6個因子進行水質綜合評價。

本 研究各海水樣品和各監測因子的數據均來源于自然資源部第三海洋研究所于2018年5月、8月和10月開展的3次大面調查，每次調查均涵蓋17個監測站位，每個監測站位采集表層水樣本和底層水樣本（水深5m以下的站位僅采集表層水）用于分析。其中，XM01、XM02、XM03、XM04、XM05位于西部海域，XM06位于九龍江河口區，XM07位于南部海域，XM08、XM09、XM10位于東部海域，XM11、XM12、XM13位于同安灣，XM14、XM15、XM16位于大嶝海域。根據《廈門市海洋功能區劃（2013-2020年）》[24]提出的分區結果與水質控制要求，各監測站位執行不同海水水質標準[25]（表1）。

2 結果與討論

2.1 各監測站位評價結果

各監測站位不同評價因子的計算均值如表2所示。

本研究通過篩選指標并構建評價因子，利用隸屬度的計算公式得到各監測站位各評價指標對不同水質標準的隸屬度，并構建評價矩陣。利用污染因子貢獻率法得到關于各個評價指標的權重向量，最終通過權重與評價矩陣的復合運算判斷各監測站位的水質類別。以站位XM01為例，得到的評價矩陣為：

通過計算，DO、COD、DIP、DIN、石油類、硫化物6 項指標的權重分別為0.202、0.134、0.285、0.353、0.023、0.004。通過與矩陣R 進行復合運算，最終得到的結果為B = {0.419，0.095，0.000，0.486}。依據最大隸屬度原則，XM01的水質類別為Ⅳ類。

對每個監測站位進行上述計算，得到各區域的評價結果如表3所示。

從模糊評價的結果來看，2018年廈門灣海域水質狀況總體較差。17個監測站位中有9個監測站位（XM01、XM02、XM03、XM04、XM05、XM06、XM012、XM13和XM17）的水質狀況未達到功能區劃的要求，占比52.9%。其中，8個監測站位的水質狀況為Ⅳ類水，占比47.1%;1個監測站位的水質為Ⅲ類水，占比5.9%。此外，1個監測站位的水質為Ⅱ類水，占比5.9%;7個監測站位的水質為Ⅰ類水，占比41.2%。污染最為嚴重的區域為廈門西部海域、九龍江河口區和同安灣，除位于同安灣口的XM11站位的水質為Ⅰ類水外，其他站位均未達到相應功能區劃的水質標準要求，該評價結果也與Tao[31]對廈門灣海域2001-2007年的整體評價結果相似。蔣榮根等[32]在評價廈門海域水體富營養化狀況時也指出，西部海域、九龍江口和同安灣的水體營養鹽壓力較大，水質狀況較差。相比之下，南部海域、東部海域和大嶝海域污染程度較輕，均達到相應功能區劃的水質標準要求。

2.2 廈門灣綜合水質評價結果

經計算，整個廈門灣海域各評價因子的濃度向量為L=（6.843，2.207，0.027，0.358，0.017，0.003）。

根據隸屬函數計算隸屬度，得到的評價矩陣為：

根據復合運算，得到評價因子關于各類水的隸屬度為B=（0.391，0.404，0.433，0）。根據最大隸屬度原則，整個廈門灣水質綜合評價結果為Ⅲ類，有待進一步提升。

2.3 主要污染物超標情況

在6項評價指標中，DIP和DIN 是兩大主要污染物。DIN 對整體評價結果的影響是6項指標中最大的，DIN 濃度超標的站位占總監測站位的76.5%，其中廈門西海域與同安灣是DIN 濃度最高的2個海區。此外，DIP對水質影響也較大，超標站位的占比為47.1%，且其中XM02、XM12 站位的DIP濃度劣于Ⅳ 類水質標準。COD 除XM01 和XM092個站位外，其他站位的含量均處于較低水平。DO、硫化物和石油類3項評價指標的評價結果令人滿意，在各監測站位的濃度均達到Ⅰ類水質標準，對水質污染的貢獻程度最低。

對鹽度與DIN、DIP、COD分別進行Pearson相關性分析，結果表明DIN、DIP和COD 的含量與鹽度大致呈現負相關（相關系數分別為-0.838、-0.204、-0.122），此結果與歐陽玉蓉等[33]的研究結果相一致，說明研究海域DIN、DIP和COD 的污染來源主要為人類活動。

運用SPSS16.0軟件對不同月份（5月、8月、10月）的17個監測站位的污染物濃度進行顯著性方差分析，結果表明在不同季節條件下，只有DO 隨季節變化表現出顯著性差異（P <0.05），而DIN、DIP、COD、石油類和硫化物表現為差異不顯著（P >0.05）。這表明廈門灣地區DIN、DIP、COD、石油類和硫化物的污染物濃度并沒有因為季節變化而呈現出明顯的差異;DO 濃度變化隨季節的變化較大，8月的濃度顯著低于5月和10月。

2.4 污染原因

從隸屬度看，廈門西部海域與同安灣為2個污染最為嚴重的地區，其中XM02和XM12站位與Ⅳ類水的隸屬度最高，這2個地區同時是近年來福建閩三角赤潮災害最多的2個區域[34]。Chen等[35]在研究1986—2017年廈門灣有害藻華數據時發現，西部海域和同安灣發生赤潮事件最多，共占比87.3%，這與本研究中氮磷濃度最高的地區相同，說明高濃度氮磷污染物很可能是引發赤潮災害的關鍵因素。在地理位置上，廈門西部海域和同安灣屬于半封閉海域，水動力交換較差，污染物難以擴散;人口分布相對密集，生活污水的排放帶來巨大的環境壓力，筼筜、海滄、集美等大型污水處理廠的污水年排放量達數千萬噸。

除此之外，農業和工業的發展伴隨的污染也十分嚴重。根據《廈門市第三次全國農業普查主要數據公報》[36]和《2018年福建省國民經濟和社會發展統計公報》[37]的數據，集美區、同安區和翔安區的農業經營主體數量占廈門市總體的93.16%，湖里區、海滄區和翔安區的工業產值位居前三。潘燦民等[38]在研究廈門灣西海域和同安灣的入海污染負荷時指出，陸源污染是上述2個地區入海污染物的主要來源，貢獻比率高達75%，其研究結果與本研究結果相似。九龍江作為生活用水和工業用水的重要來源，河口處受上游超負荷營養鹽徑流的影響;龍巖市作為九龍江的源頭，也是福建省生豬養殖的重要基地，畜禽養殖飼料的過度使用及養殖廢水的未合理處置帶來嚴重的水體污染問題[39]，這些都是導致九龍江河口區氮磷超標的重要原因。南部海域、東部海域和大嶝海域屬于灣外海域，水交換能力強，同時人口密度較低，因此水質狀況較為良好。

3 結論

本研究采用模糊評價方法對廈門灣海域的水質狀況進行綜合評價。評價結果表明：2018年廈門灣總體水質狀況較差，功能區水質達標率僅為52.9%。結合采用面積比法的模糊綜合評價結果顯示：2018年廈門灣總體水質等級為Ⅲ類，有待進一步提升。

DIN和DIP是廈門灣海域的主要污染因子，其中DIN 在各監測站位的超標率達到76.5%，DIP的超標站位占比為47.1%，其中濃度達Ⅳ類和劣于Ⅳ類的站位占比為35.3%;相比之下，DO、硫化物和石油類在所有監測站位均為Ⅰ類，說明其對水環境污染的貢獻程度較低。方差分析的結果表明：DO 的濃度在不同的季節表現出顯著性差異，DIN、DIP、COD、硫化物和石油類的濃度沒有隨季節變化呈現出顯著性差異。

不同海域的水質狀況差別較大。西部海域、九龍江河口區和同安灣是水質狀況最差的區域，其中西部海域站位的超標率達100%，九龍江河口區站位的超標率達100%，同安灣站位的超標率達66.7%，灣內水質污染嚴重。南部海域、東部海域和大嶝海域水質狀況較為良好，其中東部海域和大嶝海域站位的水質均為Ⅰ類，南部海域水質為Ⅱ類，均達到相應功能區劃的水質標準要求。水動力條件與陸域污染源分布的空間差異是引起不同海域水質狀況顯著差別的主要原因，污染物濃度并沒有隨季節的變化產生較大差異。