改进密切值法在阳澄湖水质评价中的应用

吴旻妍,薛媛媛,吴福全

(苏州市环境监测中心，江苏 苏州 215004)



改进密切值法在阳澄湖水质评价中的应用

吴旻妍,薛媛媛,吴福全

(苏州市环境监测中心，江苏 苏州 215004)

以阳澄湖水质分析为例，利用改进密切值法分别对其东、中、西3个湖区湖体水质进行评价。结果表明，在复杂的湖泊生态系统水质评价中，该方法不仅具有模型构建简便灵活、计算量小、结果直观的特点，而且区别于以往笼统的将不同时段、不同区域湖体水质判断为某一类标准的评价模式，能够客观准确地分析不同时空的水质分布规律，预判水质变化趋势，同时区别于将污染指标等权处理或忽略指标权重的评价方式，通过引进熵权法计算权重判断主要污染因子，使湖泊生态系统水质评价结果更真实合理。

湖泊水质评价; 阳澄湖; 改进密切值法

湖泊不仅具有大量淡水以及农产品、水产品等多种资源，而且具有巨大的环境调节功能和环境效益。但由于湖泊水环境系统是一个自然-社会-经济复合体系，系统结构交错且相互作用，造就了湖泊水环境的复杂性和不稳定性，如何准确客观地评价湖泊水环境状况以及变化趋势值得探讨和研究。

近年来，密切值法以其计算量小、结果直观的优势在各类水质评价中被逐渐采用[1-5]，但由于其对指标权重计算的均值化，不能客观反映污染因子对湖体的影响，而使该方法的适用性受到局限。现以改进密切值法对阳澄湖水质进行评价，采用熵权法确定评价指标权重，更合理地确定主要污染因子，其最大优点是区别于笼统地将不同时段、不同区域湖体水质判断为某一类标准的评价方法，能够客观准确地分析不同时空的水质分布规律，预判水质变化趋势[6-9]。该方法可以将多指标简化为单一综合值，对各类评价指标权重设置更加科学，计算简便灵活，结果简明合理。

1 阳澄湖概况

阳澄湖是太湖流域重要的淡水湖泊之一，位于苏州市区的东北部，是昆山傀儡湖饮用水水源的重要补给来源，也是苏州工业园区拟选的第二水源地，同时还承担着阳澄地区防洪、排涝、引水、灌溉和养殖等功能。

阳澄湖分为东湖、中湖、西湖3个湖区，总面积约119 km2，入湖河流基本位于西北，出湖河流位于东南。根据阳澄湖湖面面积大，湖水交换速度慢，湖区分割明显且污染分布不均等特点，分湖区网格化设置了7个监测点位，见图1，每年分别在枯水期(1月、3月)、平水期(5月、11月)和丰水期(7月、9月)对各湖区点位进行取样分析。

图1 阳澄湖各湖区监测点位分布

2 基于熵权法确定权重的密切值评价法

2.1 构建原始矩阵及规范化处理

有量纲矩阵模型的规范化：由于初始矩阵中各评价指标的量纲、数量级及指标优劣的取向存在很大差异，故采用目标差值率法对初始矩阵规范处理。

式中：Xij——第i个监测断面中第j个指标监测值；Ej——第j个评价指标的目标值，即正向指标取第j个评价指标中，i个监测断面连同n级评价标准取最大值，负向指标取第j个评价指标中，i个监测断面连同n级评价标准取最小值；rij——第i个监测断面中第j个指标的无量纲化值。由此可得无量纲的样本矩阵(rij)(m+n)×l。

2.2 熵权法确定指标权重

将由(m+n)个样本与l个指标构成的初始环境矩阵(rij)(m+n)×l进行标准化处理。

由此可得标准化矩阵：Y=(Yij)(m+n)×l。由斯提林公式计算可得j项指标的信息熵值ej，而某项指标的信息效用值取决于该指标的信息熵值ej与1的差值hj，从而可以确定j项指标的权重wj。

2.3 计算密切值并评价

采用欧氏距离计算待评价断面与虚拟断面的距离diX+和虚拟最劣断面距离diX-。

因此分别计算最优密切值EiX+和最劣密切值EiX-：

水质评价中的多个指标A1，A2，…，Al转化为能从总体上衡量水环境优劣的单指标EiX+或EiX-。当EiX+越小而EiX-越大时，与最优点越密切，与最劣点越疏远，即水环境质量越高。当EiX=0时，水环境质量最佳，即为最优点。

3 实例分析

3.1 阳澄湖水质年内时空分布

以2012年为例，用改进密切值法对阳澄湖东湖、中湖和西湖水质的枯、平、丰不同水期分别比较评价。选取《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中 DO、IMn、BOD5、TP和TN 5项指标(以下简称“5项指标”)作为评价因子，与各湖区2012年平、丰、枯3个水期的监测值和地表水环境质量Ⅰ—Ⅴ类标准共同构成8个样本与5项指标的初始环境样本矩阵。通过计算得到各湖区5项指标的权重值，从而计算出各湖区最优密切值，并对各湖区水质分别排序。各湖区评价结果详见表1。

表1 2012年阳澄湖各湖区不同水期水质评价结果

由表1可见，2012年阳澄湖各湖区水质总体变化为平水期>丰水期>枯水期，各湖区枯水期水质均介于Ⅲ类和Ⅳ类标准之间，东湖区平、丰水期水质介于Ⅱ类和Ⅲ类标准之间，中、西湖区平、丰水期水质均介于Ⅲ类和Ⅳ类标准之间。

通过计算熵权确定的监测指标权重可以看出，2012年阳澄湖各湖区不同水期的主要污染因子为TP，其次为TN，见图2。

图2 2012年阳澄湖各湖区5项监测指标权重

由于枯水期湖泊水量和流量均较小，各类浮游生物生命力弱，水体自净能力较差，水质恶化较为严重，造成各湖区枯水期水质较差；丰水期虽然湖泊水量和流量均很大，但上游带入的污染物量也加大，且各种藻类、浮游生物生长旺盛，造成湖体氮、磷富集，湖泊内源氮、磷释放量增加，湖泊水质受到影响；平水期降雨量和湖泊流量相对稳定，水体自净能力发挥作用，总体水质优于丰水期和枯水期[10]。

从最优密切值数据对比分析可见，2012年阳澄东湖各水期水质均明显优于阳澄中、西湖。其水质差别的主要原因与湖体流向、分布面积、湖区形状以及出入湖河道分布位置有关。3个湖区中，东湖区面积最大，水体自净能力较强且入湖河道较少，受来水影响小，水质较好；而中、西湖区面积较小，自净能力较弱，特别是西湖区，呈狭长的带状，主要入湖河道在西部沿岸集中分布，受入湖河道周边生活污染和工业、企业生产影响较大。

3.2 水质年际变化

选取5项指标作为评价因子，与各湖区2006—2012年的监测值、地表水环境质量Ⅰ—Ⅴ类标准共同构成12个样本与5项指标的初始环境样本矩阵。通过计算得到各湖区5项指标的权重值，从而计算出各湖区最优密切值，并对各湖区水质分别排序。各湖区评价结果见表2。

表2 阳澄湖各湖区水质年际变化评价结果

按照最优密切值法评价，“十二五”以来阳澄湖各湖区水质较“十一五”期间有明显提高，总体呈逐年好转趋势。“十一五”期间，东湖区水质总体介于Ⅲ类和Ⅳ类之间，在2011年之后，东湖区水质提高了一个类别，达到了Ⅲ类水质。中、西湖区水质总体介于Ⅳ类和Ⅴ类之间，也是在2011年，中、西湖区水质提高了一个类别，达到了Ⅳ类水质。

从各湖区年际间最优密切值数据对比分析， 3个湖区水质优劣顺序依次为东湖>中湖>西湖。2007年各湖区水质出现致劣拐点，随后水质呈逐年好转趋势，以西湖区水质改善最为明显。这主要是因为2007年苏州市修订了阳澄湖保护条例，政府加大了对阳澄湖的保护力度。

通过对各监测指标计算的权重，7 a来影响各湖区水质的主要污染因子一直是TP和TN，见图3。

图3 2006—2012年阳澄湖各湖区5项监测指标权重

阳澄湖富营养化的内在根源并没有发生根本扭转，由TP和TN等污染物引起的各种藻类水华时有发生，造成其枯水期出现水色异常等状况，这种现象在西湖区尤为明显。为此，政府启动了阳澄湖生态优化行动方案，强化对各湖区及出入湖河道的水质监测，通过清淤、拓浚整治以及引排水综合治理等多项工程，加大湖体水质流动性，努力提高阳澄湖水环境容量与质量。通过建设人工湿地和生态修复工程，发挥其对氮、磷等富营养物质的吸收和降解作用，逐步改善阳澄湖生态环境[11]。

4 结语

通过对阳澄湖水质评价的实例分析结果表明，改进密切值法能够很好地适用于对复杂的湖泊生态系统的水质评价，不仅可以灵活地分湖区和分水期对湖泊水质的时空变化趋势进行分析，还可以详细地反映湖体年际变化情况，预判水质变化走势。通过引进信息熵确定监测指标权重，避免了传统密切值法忽略权重或等权处理带来的误差，能够更合理地确定湖体的主要污染因子，为决策部门快速作出准确判断和采取有效措施提供可靠的科学依据。

[1] 刘德林,刘贤赵.主成分分析在河流水质综合评价中的应用[J].水土保持研究,2006,13 (3):124-125,128.

[2] 杨文海,王丽芳,王坤,等.改进密切值法在水环境质量评价中的应用[J].水资源与水工程学报,2005,16(2):69-72.

[3] 方楠,张江山.密切值法与污染损失率法在大气环境质量评价中的综合应用[J].环境科学导刊,2007,26(2):64-66.

[4] 顾娟,何元庆,张忠林,等.密切值法和污染损失率法在水环境质量评价中的应用与比较[J].环境工程,2005,23(6):62-64.[5] 宫苏弟.密切值法在环境决策中的应用[J].江苏环境科技,1998(1):37-39.

[6] 朱美洁,张江山，李小梅.改进密切值法在湖泊富营养化评价中的应用[J].环境科学与管理,2007,32(5):175-178,184.

[7] 郭树宏,张江山.基于熵权的改进密切值法在地面水水质评价中的应用[J].安全与环境学报,2007,7(3):75-77.

[8] 林华.基于熵权的密切值法在山仔水库营养类型评价及趋势变化分析中的应用[J].海峡科学,2009(6):113-116.

[9] 范小萍,陈盛.基于熵权的改进密切值法在水质综合评价的应用[J].环境保护与循环经济,2012(3):42-45.

[10] 李继影,徐恒省,翁建中,等.阳澄湖浮游植物调查与水质评价[J].环境监控与预警,2011,3(2):30-32.

[11] 王亚超,徐恒省,王国祥,等.氮、磷等环境因子对太湖微囊藻与水华鱼腥藻生长的影响[J].环境监控与预警,2013,5(1):7-10.

Application of the Modified Osculating Method on Water Quality Evaluation of Yangcheng Lake

WU Min-yan，XUE Yuan-yuan，WU Fu-quan

(SuzhouEnvironmentalMonitoringCenter,Suzhou,Jiangsu215004,China)

The modified osculating method was used for the analysis of the water quality of the Yangcheng Lake as an exemplary water body. Evaluation of the east,middle,and west area of the lake water highlighted the advantages of the osculating method for evaluating water quality of complex lake ecosystem. This method uses a simple and flexible model and requires only minor amount of calculation. The result is direct and visual. Compared with previous methods which utilize a general model for evaluating water bodies that are different in time and in space,the modified osculating method is capable of providing more accurate and objective evaluation for the water distribution law in different time and in space,and of predicting the change trend of water quality. At the same time,it calculates entropy weight to determine the main pollution factors,which is different from the evaluation method of equal index weight or ignored index weight. It could make the evaluation result on water quality of lake ecosystem more reasonable.

Evaluation of lake water quality; Yangcheng Lake; Modified osculating method

2013-05-13；

2015-01-23

苏州市环保科技基金资助项目(A20130601)

吴旻妍(1984—)，女，工程师，硕士，从事环境监测综合业务分析工作。

X

B

1674-6732(2015)03-0039-04