基于长期定位监测数据的江苏主要湖泊渔业水质比较分析与综合评价

2015-06-15王伟樊祥科黄春贵郑浩陈志军樊宝洪徐辰武

江苏农业科学 2015年4期

王伟+樊祥科+黄春贵+郑浩+陈志军+樊宝洪+徐辰武

摘要：对2001—2011年（不含2004年）10年间江苏省5个主要湖泊的渔业水质监测数据按系统分组资料进行方差分析，比较湖泊间各监测指标的差异显著性，并应用多指标综合评价法（TOPSIS法）对5个湖泊水质进行综合评价。结果表明，除铜含量外，5个湖泊间的水温、透明度、溶解氧等14个指标均存在极显著性差异;湖泊内站位间的透明度、总氮、总磷差异极显著;站位内年份间的pH值、化学需氧量、石油类、总磷、铅、镉、汞差异显著或极显著;渔业水质最好的是高宝邵伯湖，骆马湖水质与之相当，其后依次为洪泽湖、太湖、滆湖，5个湖泊的水质由南向北越来越好，这与江苏南北工业经济发达程度呈高度的关联性。

关键词：江苏省;湖泊;渔业水质;综合比较;监测数据

中图分类号： X824 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）04-0371-04

收稿日期：2014-09-11

基金项目：江苏省高校“青蓝工程”科技创新团队项目;江苏省作物学优势学科项目。

作者简介：王伟（1979—），女，山东泰安人，博士，主要从事试验统计学研究。E-mail：wangwei-2002@sohu.com。

通信作者：徐辰武，教授，博士生导师，主要从事试验统计学研究。E-mail：cwxu@yzu.edu.cn。

湖泊是地表生态系统中人类赖以生存的自然单元之一，在供水、防洪、养殖、旅游、航运和维持生态平衡等方面发挥着巨大的作用。数十年来，随着我国人口的增加和工农业生产的发展，加之湖泊水资源过度开发，湖泊水资源短缺、水环境恶化和生态系统退化等问题日益凸显，已严重威胁到社会经济的可持续发展和人类健康[1]。

江苏是我国淡水湖泊分布集中的省份之一，现有太湖、滆湖、洪泽湖、高宝邵伯湖和骆马湖5个省管湖泊，其中，太湖和洪泽湖是国内研究热点[2-8]。多年来，江苏主管部门对这5个湖泊的增殖区、保护区、网围养殖区和进出湖河道等功能区开展了渔业环境监测，但对这5个湖泊大量的渔业水质监测数据还缺乏系统的分析。TOPSIS（technique for order preference by similarity to ideal solution）也叫逼近于理想解的技术，是系统工程中有限方案多目标决策分析常用的一种决策方法，其核心思想是通过先定义决策问题的理想解与负理想解，然后比较评价方案与理想解和负理想解的距离远近，最后计算各个方案与理想解的相对贴近度，并进行方案的优劣排序。TOPSIS法对数据分布及样本量、指标多少无严格限制，数学计算亦不复杂，既适用于少样本资料，也适用于多样本的大系统，已在医疗、经济、农业等领域得到广泛应用[9-10]。目前，基于长期定位监测数据的江苏省主要湖泊渔业水质比较分析与综合评价尚未见相关文献报道。

利用系统分组资料方差分析方法，对江苏多年定位监测的5个湖泊渔业水质数据进行统计分析，鉴别湖泊间、湖泊内站位间和站位内年份间的差异显著性，并应用TOPSIS法对5个湖泊渔业水质进行评价，有助于进一步探讨渔业水质差异与湖泊流域周围经济发展水平之间的关系，不但可以为当地渔业生产服务，还可以为该地区行业发展政策的制定提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 数据来源

2001—2011年（不含2004年）太湖、滆湖、洪泽湖、高宝邵伯湖、骆马湖这5个湖泊渔业水质的监测数据，由江苏省渔业生态环境监测站提供，其中，太湖共监测413站次，滆湖共监测183站次，洪泽湖共监测205站次，高宝邵伯湖共监测221站次，骆马湖共监测142站次，总监测数据量达13 537个。

1.2 监测指标及测定方法

采用瞬时采样法采集表层水样，15个监测指标分别为水温、透明度、pH值、溶解氧、化学需氧量、高锰酸钾指数、石油类、氨态氮、总氮、总磷、铜、铅、镉、汞、砷。水温、透明度、pH值、溶解氧为现场测定，其他项目由水样加入试剂固定处理后带回实验室进行分析。样品固定与分析按《水和废水监测分析方法》[11]进行，评价标准依据GB 11607—1989《渔业水质标准》、GB 3838—2002《地表水环境质量标准》执行。

1.3 统计分析方法

1.3.1 系统分组资料方差分析以湖泊作为组、湖泊内监测站位作为组内亚组、站位内年份作为小亚组，进行3级系统分组资料方差分析，以比较各监测指标的差异显著性。

1.3.2 TOPSIS法水质综合评价主要分析步骤：建立同趋势化的原始数据矩阵，以消除不同指标不同纲量及其数量级差异对评价结果的影响;对同趋势化的原始数据矩阵进行归一化处理，建立归一化数据矩阵，其计算公式为：u=（x-xmin）/（xmax-xmin）;根据归一化矩阵得到最优值向量A+和最劣值向量A-;分别计算各方案的评价指标值与最优方案和最劣方案的距离D+i和D-i，计算公式分别为：D+i=∑（aijmax-aij2和D-i=∑（aijmin-aij）2;计算各评价指标与最优方案的接近程度，计算公式为：Ci=D-/（D-+D+），Ci值越小，水质越好，反之，水质越差。

2 结果与分析

2.1 5个湖泊水质的理化特征

水体透明度的大小，不仅影响水中浮游植物的光合作用，而且还能大致反映水中浮游植物的丰歉和水质的肥度，透明度越小，浮游生物量越多;反之，浮游生物量越少。水质pH值低于6.5，可使水产动物血液中的pH值下降，削弱了其血液载氧能力，造成水产动物患生理缺氧症;水质pH值过高，则可腐蚀鱼虾鳃部组织，影响鱼虾的呼吸功能。溶解氧是水污染状态的重要指标之一，当水中溶解氧消失时，厌氧细菌繁殖形成厌氧分解，可分解出甲烷、硫化氢、氨等有毒气体。化学需氧量是指以重铬酸钾作为氧化剂所消耗的量，而高锰酸盐指数是以高锰酸钾作为氧化剂所消耗的量，两者都是反映地表水体受有机污染物和还原性无机物污染程度的综合指标。石油类对鱼类等水生生物具有较强的毒性，可存于脂肪中在生物体内富集。水体中的氨态氮是各类型氮中危害影响最大的一种形态，是水体中的主要耗氧污染物，是水体受到污染的标志，氨态氮氧化分解可消耗水中的溶解氧，使水体发黑发臭。总氮是衡量水质的重要指标之一，总氮增加和磷过量均会使浮游植物繁殖茂盛，水体出现富营养化，破坏水体中的氧气平衡，导致水质恶化，同时，藻类等浮游植物的死亡将释放毒素，引起水体进一步受到污染。endprint

由表1可见，5个湖泊水温变化范围为20.32～23.10 ℃，变异系数中等，在0.19～0.34之间;5个湖泊中，骆马湖透明度最大，为0.86 m，其次是高宝邵伯湖，为0.62 m，滆湖透明度最小，为0.36 m;监测年份内，5个湖泊的pH值基本正常，变动不大，比较稳定，变异系数均较小，在0.06～0.08之间;5个湖泊溶解氧变化范围为7.86～9.26 mg/L，变异系数中等，在0.24～0.30之间;滆湖的化学需氧量和高锰酸盐指数均较大，分别为36.43、6.46 mg/L，其变异系数分别为028和027，高宝邵伯湖的高锰酸盐指数变异系数为0.97，变异较大;洪泽湖的石油类含量相对最高，为76.40 μg/L，变异系数相对最大，为0.98;太湖的氨态氮含量相对最高，为 0.55 mg/L，变异系数相对最大，为0.91;滆湖的总氮和总磷含量相对最大，分别为3.18、0.18 mg/L，其变异系数分别为0.51和088;铜、铅、镉、汞、砷均符合我国渔业水质标准，但相对变异均较大。

2.2 5个湖泊水质指标的差异显著性比较

由表2可见，除铜含量外，5个湖泊的水温、透明度、溶解氧等14个指标均存在极显著性差异，这可能是由这些湖泊被

表1 2001—2011年5个湖泊渔业水质指标基本统计值

湖泊统计量水温

（℃）透明度

（m） pH值溶解氧

（mg/L）化学

需氧量

（mg/L）高锰酸盐

指数

（mg/L）石油类

（μg/L）氨态氮

（mg/L）总氮

（mg/L）总磷

（mg/L）铜

（μg/L）铅

（μg/L）镉

（μg/L）汞

（μg/L）砷

（μg/L）

太湖平均值 22.52 0.42 7.95 8.18 31.56 4.15 46.20 0.55 2.13 0.11 5.72 3.84 1.03 0.08 10.40

标准差 6.31 0.31 0.56 1.96 11.99 1.49 42.50 0.50 1.62 0.11 5.49 3.15 0.75 0.07 9.67

变异系数 0.28 0.73 0.07 0.24 0.38 0.36 0.92 0.91 0.76 0.98 0.96 0.82 0.73 0.91 0.93

滆湖平均值 22.99 0.36 8.10 9.26 36.43 6.46 48.90 0.43 3.18 0.18 5.89 3.46 0.75 0.15 2.61

标准差 4.83 0.26 0.49 2.69 10.20 1.74 42.05 0.37 1.62 0.16 5.12 3.01 0.67 0.14 1.75

变异系数 0.21 0.71 0.06 0.29 0.28 0.27 0.86 0.87 0.51 0.88 0.87 0.87 0.89 0.96 0.67

洪泽湖平均值 21.52 0.40 8.40 7.86 23.51 4.31 76.40 0.34 1.39 0.11 4.99 3.70 1.44 0.17 1.77

标准差 5.81 0.27 0.59 2.28 5.64 1.51 74.87 0.19 1.13 0.11 4.84 3.40 1.38 0.15 1.04

变异系数 0.27 0.68 0.07 0.29 0.24 0.35 0.98 0.56 0.81 0.99 0.97 0.92 0.96 0.87 0.59

高宝邵平均值 23.10 0.62 8.01 8.49 21.13 7.72 15.90 0.25 1.61 0.08 4.26 3.27 1.19 0.07 1.68

伯湖标准差 4.39 0.48 0.64 2.55 12.89 7.49 12.88 0.18 1.19 0.08 3.79 3.04 1.09 0.02 0.76

变异系数 0.19 0.78 0.08 0.30 0.61 0.97 0.81 0.70 0.74 0.95 0.89 0.93 0.92 0.34 0.45

骆马湖平均值 20.32 0.86 8.43 8.37 22.02 3.56 43.70 0.23 1.60 0.05 3.73 8.54 0.23 0.19 1.15

标准差 6.91 0.58 0.67 2.01 3.74 1.00 33.65 0.17 1.15 0.05 3.21 8.20 0.20 0.16 0.66

变异系数 0.34 0.68 0.08 0.24 0.17 0.28 0.77 0.74 0.72 0.95 0.86 0.96 0.80 0.86 0.57

表2 5个湖泊主要水质指标的方差分析

变异来源

水温透明度 pH值溶解氧化学需氧量

df MS F值 df MS F值 df MS F值 df MS F值 df MS F值

湖泊间 4 156.08 24.9* * 4 4.76 14.36* * 4 11.07 22.66* * 4 38.72 6.65* * 4 6 058.52 36.53* *

湖泊内站位间 117 6.27 0.40 114 0.33 1.94* * 115 0.49 1.06 116 5.82 1.28 100 165.86 0.87endprint

站位内年份间 224 15.77 0.30 147 0.17 2.01* * 302 0.46 1.95* * 306 4.56 0.87 166 190.71 2.47* *

误差 414 52.61 307 0.08 394 0.24 524 5.27 477 77.33

总数 759 572 815 950 747

变异来源

高锰酸盐指数石油类氨态氮总氮总磷

df MS F值 df MS F值 df MS F值 df MS F值 df MS F值

湖泊间 4 291.23 4.12* * 4 0.09 6.21* * 4 3.01 23.88* * 4 97.63 22.38* * 4 0.41 10.71* *

湖泊内站位间 113 70.65 19.53* * 122 0.02 1.00 114 0.13 1.09 119 4.36 2.55* * 119 0.04 2.00* *

站位内年份间 169 3.62 0.14 356 0.02 2.00* 251 0.12 0.90 367 1.71 1.09 366 0.02 2.00* *

误差 369 25.86 634 0.01 382 0.13 639 1.57 626 0.01

总数 655 1 116 751 1 129 1 115

变异来源

铜铅镉汞砷

df MS

（×10-4） F值 df MS

（×10-5） F值 df MS

（×10-6） F值 df MS

（×10-8） F值 df MS

（×10-4） F值

湖泊间 4 1.56 0.66 4 62.3 33.97* * 4 32.9 8.92* * 4 48.90 19.92* * 4 37.00 5.25* *

湖泊内站位间 113 2.38 0.96 110 1.84 0.32 108 3.69 0.41 114 2.46 0.77 113 7.04 0.56

站位内年份间 351 2.47 1.08 340 5.79 5.68* * 328 8.94 1.19* 328 3.00 1.50* * 328 12.60 1.14

误差 596 2.29 550 1.02 503 7.48 539 2.00 471 11.00

总数 1 064 1 004 943 985 916

利用的方式不同所致;湖泊内站位间的透明度、总氮、总磷存在极显著性差异，其他指标差异不显著;站位内年份间的pH值、化学需氧量、石油类、总磷、铅、镉和汞含量差异显著或极显著，这说明这些指标在年际间均不稳定。

由表3可见，高宝邵伯湖的水温最高，与骆马湖差异显著，但与滆湖、太湖、洪泽湖之间差异不显著;骆马湖的透明度最高，其次是高宝邵伯湖，滆湖、太湖、洪泽湖间水质的透明度差异不显著;5个湖泊溶解氧均符合渔业水质标准，其中以滆湖最高，与其他湖泊差异显著;滆湖和太湖的化学需氧量浓度分别为36.43、31.56 mg/L，为地表水环境质量标准Ⅴ类水质，两者差异显著，其他3个湖泊为Ⅳ类水质;从高锰酸盐指数看，高宝邵伯湖和滆湖为地表水环境质量标准Ⅳ类水质，两者之间差异不显著，其次是太湖和洪泽湖，达到地表水环境质量Ⅲ类标准，骆马湖达到Ⅱ类标准，与太湖和洪泽湖差异不显著;只有洪泽湖水质的石油类指标未达渔业水质标准，与其他4个湖泊差异显著，高宝邵伯湖石油类含量最低为，15.90 μg/L;太湖的氨态氮指标最高，为0.55 mg/L，达地表水环境质量Ⅲ类标准，与达地表水环境质量Ⅱ类标准的其他4个湖泊差异显著;滆湖和太湖的总氮含量分别为3.18、2.13 mg/L，均为地表水环境质量标准Ⅴ类水质，两者之间差异显著;5个湖泊的总磷含量均不超过地表水环境质量标准Ⅴ类水质标准，滆湖的总磷含量最高，为0.18 mg/L，与其他湖泊间差异显著，骆马湖最低，为0.05 mg/L，达地表水环境质量Ⅲ类标准;5个湖泊的铅、镉、汞和砷含量均符合渔业水质标准;骆马湖铅浓度最高，为8.54 μg/L，与其他4个湖泊间差异显著;洪泽湖的镉含量最高，为1.44 μg/L，与太湖、高宝邵伯湖差异不显著，与滆湖和骆马湖差异显著;骆马湖的汞含量最高，为0.19 μg/L，与洪泽湖差异不显著;太湖的砷含量最高，为10.40 μg/L，与其他4个湖泊差异显著。

表3 5个湖泊主要水质指标的多重比较

湖泊水温

（℃）透明度

（m） pH值溶解氧

（mg/L）化学需氧量

（mg/L）高锰酸盐指数

（mg/L）石油类

（μg/L）氨态氮

（mg/L）总氮

（mg/L）总磷

（mg/L）铅

（μg/L）镉

（μg/L）汞

（μg/L）砷

（μg/L）

太湖 22.52a 0.42c 7.95d 8.18bc 31.56b 4.15b 46.20b 0.55a 2.13b 0.11b 3.84b 1.03ab 0.08c 10.40a

滆湖 22.99a 0.36c 8.10c 9.26a 36.43a 6.46a 48.90b 0.43b 3.18a 0.18a 3.46b 0.75bc 0.15b 2.61b

洪泽湖 21.52ab 0.40c 8.40b 7.86c 23.51c 4.31b 76.40a 0.34c 1.39c 0.11b 3.70b 1.44a 0.17ab 1.77bendprint

高宝邵伯湖 23.10a 0.62b 8.01cd 8.49b 21.13d 7.72a 15.90c 0.25d 1.61c 0.08c 3.27b 1.19ab 0.07c 1.68b

骆马湖 20.32b 0.86a 8.43a 8.37bc 22.02cd 3.56b 43.70b 0.23d 1.60c 0.05d 8.54a 0.23c 0.19a 1.15b

注：同列数据后不同小写字母表示在0.05水平上有显著性差异。

2.3 5个湖泊水质的综合评价

由于水温和pH值不具有同趋势性，故选取透明度、溶解氧、化学需氧量等13个监测指标进行TOPSIS分析，由于透明度和溶解氧为高优指标，其他均为低优指标，因此，将透明度和溶解氧取倒数，转化为低优指标。将同趋势化后的数据进行归一化处理，建立相应的归一化数据矩阵（表4）。最优值向量和最劣值向量分别为：A+=min（0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0）和A+=max（1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1）。

表4 5个湖泊主要水质指标的归一化结果

湖泊透明度溶解

氧化学

需氧量高锰酸

盐指数石油类氨态氮总氮总磷铜铅镉汞砷

太湖 0.754 0.741 0.681 0.141 0.500 1.000 0.413 0.461 0.909 0.060 0.666 0.077 1.000

滆湖 1.000 0.000 1.000 0.697 0.544 0.625 1.000 1.000 1.000 0.000 0.500 0.641 0.161

洪泽湖 0.828 1.000 0.155 0.180 1.000 0.343 0.000 0.461 0.590 0.060 1.000 0.816 0.075

高宝邵伯湖 0.278 0.509 0.000 1.000 0.000 0.062 0.122 0.230 0.272 0.020 0.916 0.000 0.064

骆马湖 0.000 0.597 0.058 0.000 0.458 0.000 0.117 0.000 0.000 1.000 0.000 1.000 0.000

由表5可见，高宝邵伯湖的Ci值最小，为0.345，滆湖的Ci值最大，为0.582，这说明高宝邵伯湖渔业水质相对最好，滆湖渔业水质相对最差;骆马湖的Ci值为0.347，与高宝邵伯湖的Ci值相差不多，这说明骆马湖和高宝邵伯湖的综合水质优劣相当;从5个湖泊的渔业水质优劣排序看，渔业水质最好的是高宝邵伯湖，其后依次是骆马湖、洪泽湖、太湖和滆湖，由南向北水质越来越好。

表5 5个湖泊水质评价结果

湖泊 D+i D-i Ci 排序

太湖 1.924 2.349 0.549 4

滆湖 1.876 2.619 0.582 5

洪泽湖 2.252 2.257 0.500 3

高宝邵伯湖 2.893 1.525 0.345 1

骆马湖 3.020 1.607 0.347 2

3 讨论

湖泊作为人类一种宝贵的自然资源，在国家社会经济可持续发展中起着重要的作用。然而，在全球气候环境变化和我国工业化、城镇化快速推进的背景下，我国湖泊被大量不合理开发，如盲目围垦取水、围网养殖、筑堤修坝、排污等，人类掠夺性的开采和开发已经对湖泊造成严重破坏。随着江苏省5个湖泊流域和周边地区人口增长和经济快速发展，湖泊总氮、总磷和重金属等污染物增加，湖泊水环境污染不断加重，入湖污染物的增加引起湖泊水环境质量下降[12]。近几十年来，5个湖泊均面临着湖泊萎缩与调蓄能力降低、水质下降与富营养化加重、生物多样性减少与生态退化等问题，并引发一系列生态与环境后果，严重影响流域居民日常生活和经济的可持续发展。由于各湖泊的利用方式及类型不同，造成江苏省这5个湖泊渔业水质有所差异，如何控制好不同利用方式对水体产生的影响，做到既很好地利用水体资源，又不破坏水生态系统，有待于进一步探讨。

对水环境进行质量评价，可以了解水质状况和不同水域水体的质量差别，既为水环境管理决策提供科学依据，同时也是进行水环境管理的重要手段之一。水体环境评价的方法有多种，如模糊聚类分析法、综合指标法、灰色系统法、因子分析法等[13-16]，这些方法各有优缺点，在评价同一区域或不同区域环境时均表现出不同的优劣程度。TOPSIS法通过对数据指标同趋势化和归一化处理，消除了不同量纲的影响，能定量反映不同评价单元的优劣程度，对样本资料无特殊要求，使用灵活简便[17]，是一种较好的综合评价方法。本研究结果表明，5个湖泊的渔业水质优劣排序，基本上是由南向北水质越来越好，这与江苏从南到北的工业经济发达程度呈高度关联性，即工业经济发达程度越高，湖泊渔业水质可能相应越差。

以往的渔业水质监测数据，仅以简单的柱形图描述各监测指标是否超标，没有充分利用统计学分析方法进行统计分析。本研究首次采用系统分组资料方差分析方法处理长期定位监测的渔业水质监测数据，并应用TOPSIS法对江苏5个湖泊渔业水质13个指标进行差异比较，该方法简便、快捷，是评价水体质量较理想的综合评价方法，值得推广应用。

参考文献：

[1]濮培民，王国祥，李正魁，等. 健康水生态系统的退化及其修复——理论、技术及应用[J]. 湖泊科学，2001，13（3）：193-203.

[2]成芳，凌去非，徐海军，等. 太湖水质现状与主要污染物分析[J]. 上海海洋大学学报，2010，19（1）：105-110.endprint

[3]李波，濮培民，韩爱民. 洪泽湖水质的时空相关性分析[J]. 湖泊科学，2002，14（3）：259-266.

[4]高永年，高俊峰，陈垌烽，等. 太湖流域水生态功能三级分区[J]. 地理研究，2012，31（11）：1941-1951.

[5]袁和忠，沈吉，刘恩峰.太湖重金属和营养盐污染特征分析[J]. 环境科学，2011，32（3）：649-657.

[6]刘瑞民，王学军，郑一，等. 太湖水质参数中小尺度空间结构特征[J]. 长江流域资源与环境，2002，11（1）：32-35.

[7]张少威，刘茂松，徐驰，等. 洪泽湖7条入湖河流的水质动态及其关联分析[J]. 南京林业大学学报：自然科学版，2012，36（4）：36-40.

[8]李波，濮培民. 淮河流域及洪泽湖水质的演变趋势分析[J]. 长江流域资源与环境，2003，12（1）：67-73.

[9]刘玉秀，徐少青. TOPSIS法用于医院工作质量的多指标综合评价[J]. 中国卫生统计，1993，10（2）：12-15.

[10]雷战波，朱正威，王雷. 基于熵权夹角和TOPSIS的企业经济效益诊断模型[J]. 运筹与管理，2005，14（2）：142-148.

[11]国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会. 水和废水监测分析方法[M]. 北京：中国环境科学出版社.