王 潔，鐘軼群，馬 駿

（1.臺(tái)州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，浙江 臨海 317000；2.常山縣城南中學(xué)，浙江 常山 324200；3.臺(tái)州市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，浙江 臺(tái)州 318000）

0 引言

2016年，中共臺(tái)州市委黨校發(fā)布的《臺(tái)州海洋生態(tài)文明建設(shè)淺析》報(bào)告指出，要堅(jiān)持不懈地加強(qiáng)海洋生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)，處理好海洋環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系[1]。《浙江省海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)“十三五”規(guī)劃（2016—2020）》也明確指出，要加強(qiáng)建設(shè)海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程，到2020年，浙江海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體保持穩(wěn)定，海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作機(jī)制得到完善。

為了更好地保護(hù)大陳海域水質(zhì)環(huán)境，查清大陳海域環(huán)境現(xiàn)狀，建設(shè)生態(tài)大陳，需要對(duì)大陳海域進(jìn)行海水質(zhì)量評(píng)價(jià)。有關(guān)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的研究一直是我國(guó)水質(zhì)評(píng)價(jià)研究領(lǐng)域的熱門(mén)話題，從事該類(lèi)研究的學(xué)者認(rèn)為水體是個(gè)充滿不確定性因素且變化復(fù)雜的環(huán)境，進(jìn)入水體后的污染物其成分和數(shù)量會(huì)隨時(shí)間和空間變化，從而變?yōu)椴淮_定量。因此，水質(zhì)級(jí)別和分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)都存在著一定的模糊性[2]。

國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)海水質(zhì)量的方法有很多，常用方法有：?jiǎn)我蜃釉u(píng)價(jià)法、“蘭德”模型[3]和模糊綜合評(píng)價(jià)法[4]等，其中模糊綜合評(píng)價(jià)法利用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素影響的對(duì)象做出綜合評(píng)價(jià)，把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行分析，確定評(píng)價(jià)因子，綜合考慮各個(gè)評(píng)價(jià)因子在評(píng)價(jià)過(guò)程中的權(quán)重；利用模糊評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行運(yùn)算，得到評(píng)價(jià)向量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，實(shí)際應(yīng)用效果良好[5]。

本文以2020年大陳海域生態(tài)浮標(biāo)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]浮標(biāo)TZ01采集得到的水質(zhì)資料為基礎(chǔ)，對(duì)溶解氧、無(wú)機(jī)氮（氨氮、硝酸氮、亞硝酸氮之和）、磷酸鹽等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，確定評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，以此來(lái)了解大陳海域水質(zhì)狀況。

1 大陳水質(zhì)現(xiàn)狀

大陳海域位于浙江省臺(tái)州市椒江區(qū)東南52千米的東海海上，包括大陳海洋生態(tài)特別保護(hù)區(qū)以及大陳附近海域[7]，如圖1所示。大陳海域于2012年起利用生態(tài)浮標(biāo)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)浮標(biāo)上搭載的水質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)鹽、氣象等傳感器，可連續(xù)、實(shí)時(shí)地測(cè)量水環(huán)境的變化，將測(cè)量所得的數(shù)據(jù)傳至相關(guān)部門(mén)，為他們制定相關(guān)保護(hù)措施提供準(zhǔn)確的信息。目前該系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于海洋、湖泊、水庫(kù)以及河流的水環(huán)境監(jiān)測(cè)中。

圖1 大陳地理位置示意圖

1.1 溶解氧

溶解氧（DO），是指溶解于水中的分子態(tài)氧，主要由空氣里氧氣的溶入以及水中植物的光合作用得到不斷的補(bǔ)充。若水體受到有機(jī)物污染，耗氧嚴(yán)重，溶解氧得不到及時(shí)補(bǔ)充，則水體中的厭氧菌將會(huì)得到快速繁殖，有機(jī)物腐敗而使水體發(fā)黑發(fā)臭。因此，水中溶解氧的多少是衡量水體自?xún)裟芰Φ囊粋€(gè)指標(biāo)。若水中的溶解氧被消耗或恢復(fù)到初始狀態(tài)的所需時(shí)間短，則說(shuō)明該水體的自?xún)裟芰?qiáng)或水體污染不嚴(yán)重。

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出，大陳海域的溶解氧月平均濃度在4～9 mg/L之間。9個(gè)月份的水體中溶解氧濃度符合I類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（濃度＞6 mg/L），2個(gè)月份的水體中溶解氧濃度符合Ⅱ類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（濃度＞5 mg/L），1個(gè)月份的水體中溶解氧濃度符合Ⅲ類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（濃度＞4 mg/L），溶解氧濃度變化如圖2所示。

圖2 2020年溶解氧濃度變化示意圖

1.2 無(wú)機(jī)氮、磷酸鹽

國(guó)內(nèi)外眾多監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，無(wú)機(jī)氮和磷酸鹽是目前中國(guó)沿海地區(qū)最主要的污染物。它們作為近岸海域內(nèi)浮游植物生長(zhǎng)的必要元素，能被植物、細(xì)菌以及藻類(lèi)所利用，已被認(rèn)定為海洋、湖泊等水體中的限制性營(yíng)養(yǎng)鹽[8]。

在所監(jiān)測(cè)的12個(gè)月份中，無(wú)機(jī)氮月平均濃度在0.07～0.35 mg/L之間。5個(gè)月份的水體中無(wú)機(jī)氮濃度符合I類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（濃度≤0.2 mg/L），5個(gè)月份的水體中無(wú)機(jī)氮濃度符合Ⅱ類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（濃度≤0.3 mg/L），2個(gè)月份的水體中無(wú)機(jī)氮濃度符合Ⅲ類(lèi)海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（濃度≤0.4 mg/L），無(wú)機(jī)氮濃度變化如圖3所示。

圖3 2020年無(wú)機(jī)氮濃度變化示意圖

磷酸鹽月平均濃度在0.02～0.06 mg/L之間，5個(gè)月份的水體中磷酸鹽濃度符合Ⅱ、Ⅲ類(lèi)海水水質(zhì)（濃度≤0.03 mg/L），3個(gè)月份的水體中磷酸鹽濃度符合Ⅳ類(lèi)海水水質(zhì)（濃度≤0.045 mg/L），4個(gè)月份的水體中磷酸鹽濃度大于0.045 mg/L，磷酸鹽濃度變化如圖4所示。

圖4 2020年磷酸鹽濃度變化示意圖

2 模糊綜合評(píng)價(jià)大陳海域水質(zhì)

模糊綜合評(píng)價(jià)是對(duì)受到多種因素影響的對(duì)象做出綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)過(guò)程如下。

2.1 建立影響大陳海域海水水質(zhì)因素集

海水水質(zhì)因素集就是參與評(píng)價(jià)海水水質(zhì)的評(píng)價(jià)因子所組成的集合。根據(jù)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB3097-1997）[9]和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立影響大陳海域海水水質(zhì)的因素集u={u1,u2,u3}={溶解氧、無(wú)機(jī)氮、磷酸鹽}，得到大陳海域海水評(píng)價(jià)因子的水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。然后對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，除去異常數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等不可用數(shù)據(jù)，得到溶解氧、無(wú)機(jī)氮、磷酸鹽的年平均濃度，見(jiàn)表2。

表1 大陳海域海水評(píng)價(jià)因子的水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 2020年溶解氧、無(wú)機(jī)氮、磷酸鹽的年平均濃度

2.2 建立模糊綜合評(píng)價(jià)集

模糊綜合評(píng)價(jià)集是評(píng)價(jià)等級(jí)的集合，是對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象變化區(qū)間的一個(gè)劃分。根據(jù)表1將海水水質(zhì)分為四個(gè)等級(jí)，得到綜合評(píng)價(jià)集為V={I,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}。

2.3 建立模糊綜合評(píng)價(jià)隸屬度函數(shù)

由于影響大陳海域海水水質(zhì)因素集有三個(gè)評(píng)價(jià)因子，若直接利用它們所屬等級(jí)求水質(zhì)等級(jí)，容易產(chǎn)生不相容性，為此引入模糊隸屬度函數(shù)確定大陳海域海水水質(zhì)的綜合等級(jí)。隸屬度函數(shù)大致有六種分布：降半梯形分布、降半矩形分布、降半Γ型分布、降半正態(tài)分布、降半凹（凸）型分布和降半哥西分布[10]。本文采用最常用的降半梯形分布函數(shù)，具體函數(shù)如下：

其中，i=1、2、3，xi為評(píng)價(jià)因子ui的實(shí)際檢測(cè)濃度，yi,j(j=1、2、3、4)為評(píng)價(jià)因子ui的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，ui j為評(píng)價(jià)因子ui對(duì)j級(jí)水質(zhì)的隸屬程度。

以無(wú)機(jī)氮為例，無(wú)機(jī)氮隸屬I(mǎi)、Ⅱ類(lèi)水的隸屬度函數(shù)分別為：

無(wú)機(jī)氮隸屬Ⅲ、Ⅳ類(lèi)水的隸屬度函數(shù)分別為：

2.4 建立模糊關(guān)系矩陣

將表2中每個(gè)評(píng)價(jià)因子的年平均濃度代入相應(yīng)的隸屬度函數(shù)內(nèi)，求出與其相對(duì)應(yīng)的四個(gè)級(jí)別的隸屬度uij，由此得到2020年評(píng)價(jià)因子關(guān)系矩陣U，

2.5 建立模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重集

在評(píng)價(jià)過(guò)程中，因?yàn)楦鱾€(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)的作用不同，所以需要對(duì)它們賦予不同的權(quán)重。依據(jù)污染物超標(biāo)越嚴(yán)重，評(píng)價(jià)因子在評(píng)價(jià)過(guò)程中權(quán)重越大的原則，利用超標(biāo)比方法得到權(quán)重[3]Wi(i=1、2、3)：

式（1）中si為表1中第i種評(píng)價(jià)因子對(duì)應(yīng)水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)平均值。由于溶解氧（DO）的濃度在等于或小于飽和濃度情況下的值越大越好，故將溶解氧的權(quán)重值取倒數(shù)[11]，公式為：

對(duì)于單項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重需要進(jìn)行歸一化處理，歸一化后的權(quán)重計(jì)算公式為：

表3 2020年大陳海域海水評(píng)價(jià)因子的歸一化權(quán)重

2.6 模糊評(píng)價(jià)運(yùn)算

為綜合體現(xiàn)各評(píng)價(jià)因子在總體評(píng)價(jià)中的影響程度，將權(quán)重集中向量W'與評(píng)價(jià)因子關(guān)系矩陣U進(jìn)行矩陣相乘，得到大陳海域的模糊綜合評(píng)價(jià)向量B，即：

向量B體現(xiàn)了因素集u中三個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)評(píng)價(jià)集V中四個(gè)等級(jí)的隸屬度程度，綜合考慮了這三個(gè)評(píng)價(jià)因子的影響。根據(jù)最大隸屬度原則[3]，B中最大值在第1個(gè)分量中得到，此值正好對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集V中第1個(gè)元素，故得出2020年大陳海域海水水質(zhì)等級(jí)為I類(lèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析大陳海域水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出無(wú)機(jī)氮和磷酸鹽是主要污染物。文中以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，利用降半梯形分布函數(shù)作為隸屬度函數(shù)，將定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，得到模糊關(guān)系矩陣；并運(yùn)用計(jì)算超標(biāo)比方法來(lái)確定權(quán)重，體現(xiàn)各個(gè)評(píng)價(jià)因子在評(píng)價(jià)過(guò)程中的相對(duì)作用，說(shuō)明各評(píng)價(jià)因子在評(píng)價(jià)中的貢獻(xiàn)度。最終經(jīng)過(guò)綜合評(píng)價(jià)，2020年大陳海域的海水質(zhì)量等級(jí)為I類(lèi)。I類(lèi)水質(zhì)適用于海洋漁業(yè)水域和海上自然保護(hù)區(qū)，此評(píng)價(jià)結(jié)果能真實(shí)地反映大陳海域的水質(zhì)現(xiàn)狀。