优化模糊综合评价法在厦门湾水质评价中的应用

张继伟　高超　巫建伟等

关键词：模糊综合评价法;面积比法;水质综合评价;厦门湾

中图分类号：X824;P76 文献标志码：A 文章编号：1005-9857（2023）04-0021-08

0引言

近年来，如何合理开发和利用海洋资源已成为世界上多个国家关注的热点问题[1]。随着海洋开发的力度和规模逐渐加大，污染问题日趋严重，沿海地区水体富营养化现象日渐凸显，对海洋资源利用及海洋生态等方面造成十分不利的影响[2-5]。为正确应对海洋环境问题，促进海洋经济健康发展，需要对海洋的水环境质量进行正确的评价。

目前国内外关于水环境质量评价的方法有很多，常用的水质评价方法有污染指数法、物元分析法、模糊评价法、灰色评价法、神经网络法等[6-8]。模糊数学是美国加利福尼亚大学控制论专家扎德教授于1965年创立的数学理论。模糊综合评价法是基于模糊数学理论的评价方法，其通过模糊集合体现元素对模糊集合的隶属关系[9-10]。模糊综合评价法能够客观反映评价事物的模糊性与连续性，保证事物之间的紧密联系[11-13]。在水质评价方面，模糊综合评价法应用隶属函数划分水质等级，能够科学、客观地反映水质状况。目前该方法已在河流水质评价[14-15]、地下水水质评价[16-17]、湖泊水质评价[18]、海水水质评价[19-21]等水环境评价领域得到实际应用。

本研究在常用的模糊综合评价法基础上，采用面积比法进行优化，选取厦门湾2018年全年水质监测数据进行水质综合评价，以期准确反映厦门湾水质状况，为进一步探讨九龙江近年来水质变化趋势提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

厦门是中国东南沿海重要的港口风景城市，地处亚热带，属南亚热带季风性气候，全年平均降雨量为800mm 左右。厦门由本岛（厦门岛）、鼓浪屿、西岸海沧半岛、北岸集美半岛、东岸翔安半岛、大嶝岛、小嶝岛、内陆同安、九龙江等组成。厦门湾是半封闭型海湾，岸线曲折，地形复杂，海域总面积390km²，由湾内和湾外2个部分组成[22-23]。湾内主要包括西部海域、九龙江河口区、同安湾，湾外主要包括南部海域、东部海域和大嶝海域。

1.2 数据与标准

根据厦门多年海洋环境质量公报结果，厦门湾主要超标污染物为活性磷酸盐和无机氮，重金属鲜有超标情况出现。在此基础上，剔除评价标准未给出的指标（如叶绿素、总有机碳）或分级不明确的指标（如滴滴涕、pH 值），最终筛选出溶解氧（DO）、化学耗氧量（COD）、可溶性无机氮（DIN），可溶性无机磷（DIP）、石油类和硫化物6个因子进行水质综合评价。

本 研究各海水样品和各监测因子的数据均来源于自然资源部第三海洋研究所于2018年5月、8月和10月开展的3次大面调查，每次调查均涵盖17个监测站位，每个监测站位采集表层水样本和底层水样本（水深5m以下的站位仅采集表层水）用于分析。其中，XM01、XM02、XM03、XM04、XM05位于西部海域，XM06位于九龙江河口区，XM07位于南部海域，XM08、XM09、XM10位于东部海域，XM11、XM12、XM13位于同安湾，XM14、XM15、XM16位于大嶝海域。根据《厦门市海洋功能区划（2013-2020年）》[24]提出的分区结果与水质控制要求，各监测站位执行不同海水水质标准[25]（表1）。

2 结果与讨论

2.1 各监测站位评价结果

各监测站位不同评价因子的计算均值如表2所示。

本研究通过筛选指标并构建评价因子，利用隶属度的计算公式得到各监测站位各评价指标对不同水质标准的隶属度，并构建评价矩阵。利用污染因子贡献率法得到关于各个评价指标的权重向量，最终通过权重与评价矩阵的复合运算判断各监测站位的水质类别。以站位XM01为例，得到的评价矩阵为：

通过计算，DO、COD、DIP、DIN、石油类、硫化物6 项指标的权重分别为0.202、0.134、0.285、0.353、0.023、0.004。通过与矩阵R 进行复合运算，最终得到的結果为B = {0.419，0.095，0.000，0.486}。依据最大隶属度原则，XM01的水质类别为Ⅳ类。

对每个监测站位进行上述计算，得到各区域的评价结果如表3所示。

从模糊评价的结果来看，2018年厦门湾海域水质状况总体较差。17个监测站位中有9个监测站位（XM01、XM02、XM03、XM04、XM05、XM06、XM012、XM13和XM17）的水质状况未达到功能区划的要求，占比52.9%。其中，8个监测站位的水质状况为Ⅳ类水，占比47.1%;1个监测站位的水质为Ⅲ类水，占比5.9%。此外，1个监测站位的水质为Ⅱ类水，占比5.9%;7个监测站位的水质为Ⅰ类水，占比41.2%。污染最为严重的区域为厦门西部海域、九龙江河口区和同安湾，除位于同安湾口的XM11站位的水质为Ⅰ类水外，其他站位均未达到相应功能区划的水质标准要求，该评价结果也与Tao[31]对厦门湾海域2001-2007年的整体评价结果相似。蒋荣根等[32]在评价厦门海域水体富营养化状况时也指出，西部海域、九龙江口和同安湾的水体营养盐压力较大，水质状况较差。相比之下，南部海域、东部海域和大嶝海域污染程度较轻，均达到相应功能区划的水质标准要求。

2.2 厦门湾综合水质评价结果

经计算，整个厦门湾海域各评价因子的浓度向量为L=（6.843，2.207，0.027，0.358，0.017，0.003）。

根据隶属函数计算隶属度，得到的评价矩阵为：

根据复合运算，得到评价因子关于各类水的隶属度为B=（0.391，0.404，0.433，0）。根据最大隶属度原则，整个厦门湾水质综合评价结果为Ⅲ类，有待进一步提升。

2.3 主要污染物超标情况

在6项评价指标中，DIP和DIN 是两大主要污染物。DIN 对整体评价结果的影响是6项指标中最大的，DIN 浓度超标的站位占总监测站位的76.5%，其中厦门西海域与同安湾是DIN 浓度最高的2个海区。此外，DIP对水质影响也较大，超标站位的占比为47.1%，且其中XM02、XM12 站位的DIP浓度劣于Ⅳ 类水质标准。COD 除XM01 和XM092个站位外，其他站位的含量均处于较低水平。DO、硫化物和石油类3项评价指标的评价结果令人满意，在各监测站位的浓度均达到Ⅰ类水质标准，对水质污染的贡献程度最低。

对盐度与DIN、DIP、COD分别进行Pearson相关性分析，结果表明DIN、DIP和COD 的含量与盐度大致呈现负相关（相关系数分别为-0.838、-0.204、-0.122），此结果与欧阳玉蓉等[33]的研究结果相一致，说明研究海域DIN、DIP和COD 的污染来源主要为人类活动。

运用SPSS16.0软件对不同月份（5月、8月、10月）的17个监测站位的污染物浓度进行显著性方差分析，结果表明在不同季节条件下，只有DO 随季节变化表现出显著性差异（P <0.05），而DIN、DIP、COD、石油类和硫化物表现为差异不显著（P >0.05）。这表明厦门湾地区DIN、DIP、COD、石油类和硫化物的污染物浓度并没有因为季节变化而呈现出明显的差异;DO 浓度变化随季节的变化较大，8月的浓度显著低于5月和10月。

2.4 污染原因

从隶属度看，厦门西部海域与同安湾为2个污染最为严重的地区，其中XM02和XM12站位与Ⅳ类水的隶属度最高，这2个地区同时是近年来福建闽三角赤潮灾害最多的2个区域[34]。Chen等[35]在研究1986—2017年厦门湾有害藻华数据时发现，西部海域和同安湾发生赤潮事件最多，共占比87.3%，这与本研究中氮磷浓度最高的地区相同，说明高浓度氮磷污染物很可能是引发赤潮灾害的关键因素。在地理位置上，厦门西部海域和同安湾属于半封闭海域，水动力交换较差，污染物难以扩散;人口分布相对密集，生活污水的排放带来巨大的环境压力，筼筜、海沧、集美等大型污水处理厂的污水年排放量达数千万吨。

除此之外，农业和工业的发展伴随的污染也十分严重。根据《厦门市第三次全国农业普查主要数据公报》[36]和《2018年福建省国民经济和社会发展统计公报》[37]的数据，集美区、同安区和翔安区的农业经营主体数量占厦门市总体的93.16%，湖里区、海沧区和翔安区的工业产值位居前三。潘灿民等[38]在研究厦门湾西海域和同安湾的入海污染负荷时指出，陆源污染是上述2个地区入海污染物的主要来源，贡献比率高达75%，其研究结果与本研究结果相似。九龙江作为生活用水和工业用水的重要来源，河口处受上游超负荷营养盐径流的影响;龙岩市作为九龙江的源头，也是福建省生猪养殖的重要基地，畜禽养殖饲料的过度使用及养殖废水的未合理处置带来严重的水体污染问题[39]，这些都是导致九龙江河口区氮磷超标的重要原因。南部海域、东部海域和大嶝海域属于湾外海域，水交换能力强，同时人口密度较低，因此水质状况较为良好。

3 结论

本研究采用模糊评价方法对厦门湾海域的水质状况进行综合评价。评价结果表明：2018年厦门湾总体水质状况较差，功能区水质达标率仅为52.9%。结合采用面积比法的模糊综合评价结果显示：2018年厦门湾总体水质等级为Ⅲ类，有待进一步提升。

DIN和DIP是厦门湾海域的主要污染因子，其中DIN 在各监测站位的超标率达到76.5%，DIP的超标站位占比为47.1%，其中浓度达Ⅳ类和劣于Ⅳ类的站位占比为35.3%;相比之下，DO、硫化物和石油类在所有监测站位均为Ⅰ类，说明其对水环境污染的贡献程度较低。方差分析的结果表明：DO 的浓度在不同的季节表现出显著性差异，DIN、DIP、COD、硫化物和石油类的浓度沒有随季节变化呈现出显著性差异。

不同海域的水质状况差别较大。西部海域、九龙江河口区和同安湾是水质状况最差的区域，其中西部海域站位的超标率达100%，九龙江河口区站位的超标率达100%，同安湾站位的超标率达66.7%，湾内水质污染严重。南部海域、东部海域和大嶝海域水质状况较为良好，其中东部海域和大嶝海域站位的水质均为Ⅰ类，南部海域水质为Ⅱ类，均达到相应功能区划的水质标准要求。水动力条件与陆域污染源分布的空间差异是引起不同海域水质状况显著差别的主要原因，污染物浓度并没有随季节的变化产生较大差异。