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1、 年 海 洋 湖 沼 通 报 天津大神堂特别保护区海域水质质量评价 王 婷 ， 王群山 ， 张博伦 ， 王 硕 ， 侯纯强 ， 宋文平 （天津渤海水产研究所 ，天 津 ， ） 摘 要 ： 对天津大神堂特别保护区海域进 行 水 质 评 价 ， 分 别 于 年 月 和 月对该海域进行水质 调 查 。 本文采用熵权模糊数学法 对天津大神堂特别保护区进行水质环境质量分 析 ， 分 析 结 果 表 明 ： 年 天津大神堂特别保护区除 了 月 号站位 的水质级别为 级 外 ， 其余站位水质 级 别均为 级 ，水 体 相 对清 洁 ； 年 月份水质 较 月水质稍 好 ； 年 月份海水水质主要受无机 氮 、
2、铜 、 总 石 油 烃 的 影 响较 大 ， 月 份受 汞 、 砷 、 锌 的影响较大 。 关键词 ： 熵 权模糊数学 ； 水 质评价 ； 大神堂特别保护区 中图分类 号 ： 文献标志 码 ： 文章编 号 ： （ ） DOI:10.13984/37-1141.2015.04.011 引 言 天津市大神堂海域于 年获批设立为国 家级海洋特别保护区 ， 保护区位于天津市 汉沽区大神堂 村以南海域的大 、 小砂岗及其边缘海域 ， 面 积约 。 该海域是扇贝 、 牡 蛎 、 脉 红螺等海洋生物的栖息 场所 ， 是天津市重要的贝类渔场 ， 与其周边海域相比具有独特的生态环境和海洋生物资源 。 目前大神堂
3、特别保护区海域正面 临 资 源 衰 退 和环境恶化等重大问题 ， 为了更好的对其进行保护 ， 年 月和 月在该海域进行了 两个航次的海洋环境调查监测 ， 并 对该海域的水质环境质量进行分 析。 由 于海洋水质环境受到多种因素的影 响 ， 环 境污染程 度 、 海 水水质分级本身就是一个区间的模糊 概 念 ， 而单因子评价 法 、 灰色聚类 法 、 投 影寻踪 法 和 神经网络评价 法 等 传统的水 质评价方 法 ， 往 往 将评价标准或参照标准处理成点的形 式 ， 难以 反 映水质分级的区间特 征 ， 本文将采用熵 权 模糊数学法 对 天津大神堂特别保护区海域进行水质综合评 价 。 熵本是热
4、力 学中的概 念 ， 后 由申 农 （ ） 引 入信息 论 ， 现 已在环境工 程 、 农 业科 学 、 建 筑工程技术 、 社会经济 、 化学工业等多领域得到广 泛应 用 ， 并取得了较好的效 果 。 利用熵权模糊数学理论 ， 结合水质指标及其 评价原理 ， 利 用水质污染程度由轻到重逐渐变化的模糊 特性 ， 相对于通用的综合污染指数法等确定性数学方法 ， 可以获得更科学 、 更合理的评价结果 。 材料与方法 本文采用熵权模糊综合评价方法对天津大神堂特别保护区海域进行水质环境评价 。 确定评价指标集 设 有 个评价指标 ， 个评价对 象 ， 则形成原始数据矩 阵 （ ） 基金项 目 ： 天津
5、市科技兴海项 目 （ ） 资 助 第一作者简 介 ： 王 婷 （ ） ， 女 ， 中 级 ， 硕 士 ， 主要从事水产养殖和水环境分 析 ： 通讯作 者 ： 宋 文 萍 ， ： 收稿日 期 ： 期 天津大神堂特别保护区海域水质质量评价 确定评价标准集 熿 燄 燀 燅 根据相应标准得 到 个评价对象 的 个评价标准标 集 （ ） 熿 燄 建立模糊关系矩阵 模糊关系矩 阵 （ ） 燀 燅 熿 燄 燀 燅 其中 （ ， ） 表示第 种评价因子数 值被评为第 级标准的可能性 ， 即第 种评价因 子隶属于第 级标准的程度 。 计算熵权 原始数据矩阵标准化 对原始数据矩阵进行标准化得 到 ： （ ） 其
6、中 为第 个评价对象在评价指标上的标准 值 ， ， 。 其中对大者为优的指标而言 ， 有 ； 而 对 小 者为优的指标而言 ， 有 。 信息熵 在有 个指标 ， 个被评价对象的评价问题中 ， 第 个指标的信息熵定义为 ： ， ， ， ， 。 其中 ， 熵权 ， ， 并假定 ， 当 ， 。 定义了第 个指标的信息熵之后 ， 可得到第 个指标的熵权定义 ， 即 ： ， 。 进行综合评价 。 其中 ， 海 洋 湖 沼 通 报 年 熿 燄 （ ， ， ， ） 燀 燅 既熵权的结果与模糊矩阵相乘得出的隶属关系 。 站位布设与样品采集 年 月和 月 ， 在天津 大神堂特别保护区均 匀设置 个站位开展 海
7、洋 水 质 环 境 调 查 （ 见 图 ）， 调 查项目包 括 ： 溶 解 氧 （ ）、 化 学 耗 氧 量 （ ）、 无 机 氮 、 活性 磷酸盐 、 石 油类 、 铜 、 锌 、 镉 、 铅 、 汞 、 砷 ， 样 品的 采集 、 保 存 、 分 析 全 部 按 照 海 洋 监 测 规 范 （ ）、 海 洋 调 查 规 范 （ ） 执行 。 结果与分析 调查海域水环境质量调查结果 图 调查站位图 根据调查项目以及 调查结 果 ， 组成评价因子 集 ， 监测数据见 表 ， 。 表 月天津大神堂海域水质环境监测结果 站位 化学 耗氧量 溶解氧 无机氮 磷酸盐 石油类 铜 锌 镉 铅 汞 砷 注
8、 ： 、 、 无 机氮 、 磷 酸盐 、 石 油类单位为 ； 铜 、 锌 、 镉 、 铅 、 汞 、 砷 单位为 。 表 月天津大神堂海域水质环境监测结果 化学 站位 溶解氧 无机氮 磷酸盐 石油类 注 ： 、 、 无 机氮 、 磷 酸盐 、 石 油类单位为 ； 铜 、 锌 、 镉 、 铅 、 汞 、 砷 单位为 。 耗氧 量 铜 锌 镉 铅 汞 砷 期 天津大神堂特别保护区海域水质质量评价 建立评价标准集 根据海水水质标 准 ， 将海水水质分为四 类 ： ， ， ， ， 故确定评价 集 为 ： 熿 燄 建立单因子模糊关系矩阵 燀 燅 根据根据海水水质标准 ， 确 定各指标属于各水质级别的隶属
9、函数 ， 从 而确定单因子 隶属度 ， 得到单因子评价矩阵 。 限于篇幅 ， 只列出 年 月份 个调查站位中 号站位的模糊关系矩阵 。 熿 燄 熵权计算 燀 燅 首先将监测数据构成的原始矩阵进行初始化 ， 结果见表 ， 。 表 月原始数据初始化结果 站位 化学 耗氧量 溶解氧 无机氮 磷酸盐 石油类 铜 锌 镉 铅 汞 砷 海 洋 湖 沼 通 报 年 表 月原始数据初始化结果 站位 化学 耗氧量 溶解氧 无机氮 磷酸盐 石油类 铜 锌 镉 铅 汞 砷 数据经过整理后 ， 根据熵权法公式计算出各评价指标的信息熵和熵权 ， 结果见表 。 表 各评价指标信息熵与熵权 评价指标 信息熵 月 月 熵权
10、月 月 化学耗氧量 溶解氧 无机氮 磷酸盐 石油类 铜 锌 镉 铅 汞 砷 通过表 可以看出在各项评价指标中 ， 月份无机氮 、 石油类 、 铜的熵权较大 ， 月 份锌 、 汞 、 砷 熵权较 大 ， 其中 月份无机氮熵权值最大 ， 月份汞熵权值最大 ， 说 明天津人工鱼礁海域海水水质主要受以上因 素的影响较大 。 评价结果 将各站位的隶属矩阵与每个评价指标的熵权进行合成 ， 得到每个站位的模糊综合评价结果 （ 见表 ， ）。 表 月航次综合评价结果 对各级别的隶属度 站位 所属级别 期 天津大神堂特别保护区海域水质质量评价 站位 表 月航次综合评价结果 对各级别的隶属度 所属级别 由 表 、
11、 可以看出 ， 除了 月 号站位水质级别 为 级外 ， 其他站位水质均 为 级 ， 水体相 对 清 洁 ； 月份水质较 月水质稍 好 ， 隶属于 级的程度高 于 月 。 讨 论 熵权模糊数学法与常规分析法对比 通过对比 个月的原始数据 ， 很难直观看 出该海域水质状况 ， 污 染因子数值各有高低 。 但是通过熵 权模糊数学法来综合评价该海域水质状况 ， 可以直观 看出在 次调查的 个站位中 ， 水 质情况最不好的 为 月的 站位 ， 水质级 别为 级 ， 水 质污染 。 如果以单因素法来分析 个站位的水质情况 ， 月 站位 的石油 ， 铜 ， 镉 ， 铅 ， 砷等含量虽然相对较高 ， 但都 不
12、是最高值 ， 很 难判断该 站位较其他站位是否为污染区 域 。 可是采用熵权模糊数学法就直观的将该站位归为 级水质 ， 以此可以看出熵权模糊 数学法较单因素 分析法更具科学性 、 直观性 。 再从各级别的隶属度分 析 ， 年 月 水质相对 好 于 月 ， 这与对该海域采用单项水质评价 法 、 海 水营养指数评价法和有机污染综合指数法分析结果一 致 ， 都 说明 了 月海水污染 较 月严 重 ， 进 一 步 验证了熵权模糊数学法的准确 性 。 熵权模糊数学法是通过监测数据建立各因子对各级标准的隶属度集 ， 形 成隶属度矩阵 ， 再 把因子的 权重集与隶属度矩阵相乘 ， 得到模糊集 ， 获得 个综
13、合评判集 ， 表明评价水体水质对各级 标准水质的隶属 程度 ， 反映了综合水质级别的模糊性 。 它对多种影响因素的事物或现象进行总的评价 ， 且 在评判过程中 最显著的特征就是涉及模糊因素 ， 由于各种复杂 多变的不确定性因素的影响 ， 难 于用解析方法作定量分 析 ， 因而通过模糊综合评判 ， 将会使问题得到满意解决 。 水质质量分析 通过各项评价指标 的 熵权值可以看 出 ， 月份无机 氮 、 铜 、 石油类的熵 权 较 大 ， 月份 汞 、 砷 、 锌 熵权 较 大 ， 说明该海域水质情况主要受以上因素的影响较 大 ， 其中 月份受 无机氮影响最 大 ， 月份受汞影响最 大 。 近年天津
14、海域水质污染一直受无机氮 影 响最 大 ， 这 与 年 月调查该海域水质状况结果 一 致 。 无机氮熵权值为 ， 个站位均值达到了 ， 根 据海水水质标准 判断 属 于 级 。 而铜的熵权值也很 大 ， 达到 了 ， 个站位均值 为 ， 属于 级 ； 月受汞的影 响 最大 ， 熵权值为 ， 个站位调查均值 为 ， 根 据海水水质标 准 判断属 于 、 级 。 同 时 砷 和 锌 的 熵 权 值 也 很 高 ， 分 别 达 到 了 和 。 个站位调查砷的均值 为 ， 属于 级 ， 而锌的均值 为 ， 属于 级 。 无机氮是浮游植物生长的必要元素之一 ， 无机 氮含量高必定会导致浮游植物密度大 。
15、 年 月 ， 中 肋骨条藻和夜光藻 这 种赤潮种类大量出 现 ， 进 一步说明无机氮含量 严 重超 标 ， 已 成为该海域主 要 的水质环境问 题 。 海 洋 湖 沼 通 报 年 汞 、 锌等重金属含量高 的 最大原因可能是工业污染排放导 致 。 随着近年天津围填海 工 程 的 陆 续 开 展 ， 天津沿岸工业污染日趋严 重 ， 含汞 、 锌等重 金 属的废水废渣通过排污口进入该海域导致该海域 汞 、 锌 等重金属含量增 高 。 而汞 、 锌等重 金 属离子有蓄积性和难 降解的特 征 ， 若 不 及时发现并治 理 ， 会 演 变 成海洋重金属含量越来越高的可 能 ， 这也是 月水质好 于 月水
16、质的一个原 因 。 建议严格控制入海排污量 ， 减少海洋的陆源输入 ， 同时 制定有针对性的管理 ， 限制该 海域及其周边海 域的开发活动 ， 每年定期对该海域进行海洋汞 、 锌 、 铜等重金属离子的 定期监测 ， 以 确定该海域重金属含 量是否超标 ， 以便及时发现问题 ， 从而采取针对性措施进行防治与改善 。 参考文献 徐祖 信 我国河流单因子水质标识指数评价方法研 究 同 济大学学 报 （ 自 然科学 版 ） ， ， （ ） ： 吴京 ， 王启山 ， 张旋 ， 等 改进的灰色关联度方法在天津引滦输水沿线水质评价中的作 用 水资源与水工程学 报 ， ， （ ） ： 李彦 仓 ， 周 书 敬
17、 基于改进投影寻踪的海洋生态环境综合评 价 生 态学 报 ， ， （ ） ： 董艳 慧 ， 周 维 博 ， 赖 坤 容 ， 等 基于概率神经网络的西安地区地下水水质评 价 自 然资源学 报 ， ， （ ） ： ， ， （ ）： 林同 云 ， 袁 兴 中 ， 唐 清 华 ， 等 熵权集对分析模型应用于湖泊富营养化评 价 环 境工 程 ， ， ： 王 佳 ， 郭 新 超 ， 薛 旭东 ， 等 基于熵权综合健康指数法的瀛湖水生态系统健康评 估 中 国环境监 测 ， ， （ ） ： 阎西 康 ， 张 俊 ， 陈 培 ， 等 法和熵权法相结合的建筑施工模板配板设计方案研 究 中国高新技术企 业 ， （
18、） ： 连 通 熵权法在安全生产绩效考核中的应 用 安 全 ， （ ） ： 王 军 ， 耿 建 基于熵权法的县域金融生态环境实证分 析 以沭阳县为 例 武 汉金 融 ， （ ） ： 唐兴 中 ， 经 建 芳 ， 唐 彩珍 ， 等 熵 权 法在金属加工液配方优选中的应 用 当 代化 工 ， ， （ ） ： 李媛芳 ； 张晓 平 基于熵权的灰色关联分析在城市 可 持 续发展评价中的应 用 （ 英 文 ） 中国科学院大学 学 报 ， ， （ ） ： 冯爱 芬 ， 曹 平 华 基 于熵权 模糊综合评判的重大动物疫情风险评估模 型 家 畜生态学 报 ， ， （ ） ： ， 海 洋监测规 范 北 京 ： 中国标准出版 社 ， ， 海 洋调查规 范 北 京 ： 中国标准出版 社 ， ， 海 水水质标 准