基于韦伯-费希纳定律的宁波海域水质评价

杨耀芳，何琴燕，刘艳云，魏永杰，唐德富

（国家海洋局宁波海洋环境监测中心站，浙江宁波　315040）

·研究简报·

基于韦伯-费希纳定律的宁波海域水质评价

杨耀芳，何琴燕，刘艳云，魏永杰，唐德富

（国家海洋局宁波海洋环境监测中心站，浙江宁波315040）

基于韦伯费希纳定律（W-F）的基本原理，以表征海水水质浓度因子等参数作为评价指标，通过确定海域水环境质量等级与综合影响指数ki间关系，综合评价宁波海域各个区域的水环境质量。评价结果表明2013年宁波北部、三门湾北岸及象山县西南部海域水质最差，均为劣四类海水，主要污染因子为PO4-P和DIN，其主要来源为陆源排污。趋势性分析表明2001-2013年宁波海域近岸海域水质基本维持在高浓度水平上波动，水质未见明显改善，远岸领海基线至外缘线附近海域2001-2010年均为一类水质，2011年和2012年二类和三类水质污染有东扩现象，而2013年则又恢复为一类海水。将WF法评价结果与综合模糊评价、单因子评价结果进行比较，表明W-F法与其结果基本相似，说明W-F法是评价结果准确，计算过程简便，是一种新颖的海水水质综合评价方法。本文更客观、全面地分析了宁波海域水环境质量状况，并提出容量控制和红线划定的建议，为政府制定环保措施提供依据。

韦伯-费希纳定律（W-F）；水质综合评价；分布特征；变化趋势

宁波地处我国东南沿海，海域总面积为9 758 km2，岸线总长为1 562 km，是长三角五大区域中心之一，长三角南翼经济中心，浙江省经济中心、现代化国际港口城市。而随着经济的发展宁波沿岸陆源污染物的径流量和各种污染物通量巨大，再加上海上养殖、海上运输、海上倾倒以及大型海岸或海洋工程的影响，使得宁波近岸海域成为全国水质污染最严重的地区之一。为了更好的保护宁波海域水质环境，需要对宁波海域进行全面的调查并进行评价，了解其污染现状及主要污染物，为海洋主管部门控制污染物排放总量、治理及修复水质环境提供科学依据。目前海域水质评价方法以单因子指数评价法和综合污染指数法最为常见，其中综合评价方法主要有模糊综合评判法、模糊聚类法、灰色聚类法、人工神经网络、物元分析法［1-2］，这些方法存在各自的优点与不足。

韦伯一费希纳定律（Webe-Fischna记作W-F）是研究刺激的物理特性与感觉经验之间关系的物理学分支。其主要任务是确定各种感觉阈限和测量刺激的物理量和心理学的关系等，它是19世纪中期由G．T．费希纳创始的由心理物理实验证明并推导出的，能确切地表达人体产生的反应量k与客观环境刺激量C之间的函数关系［3］。李祚泳等［4］最先将韦伯-费希纳定律及其拓广应用于环境质量评价过程中，薛文博［5］首次将韦伯一费希纳定律建成定量化的环境质量评价模型，为环境质量评价提出了一种全新的评价方法，接着W-F也被用于地下水环境质量、区域生态环境质量、水库水环境预警、湖泊富营养化［3，6-8］等评价，但在海洋水质评价方面鲜有报道。同时，近年来对宁波海域的水质的评价多集中在局部海域，比如大榭岛附近海域、杭州湾海域、象山港海域［9-11］，未有对宁波海域整体水质情况进行分析，尤其对宁波长时间序列的综合水环境质量评价。因此，本文将W-F定律应用在宁波海域综合水质现状评价中，计算出ki值，从而评价其综合水质质量状况，并采用模糊综合评价及单因子评价法的结果与其进行对比，探讨了该方法评价结果的科学合理性。同时，采用W-F法对2001年-2013年宁波海域各区域的水质进行综合评价，分析其变化趋势。

1　材料与方法

1.1研究区域及观测时序

研究区域位于宁波所属海域（121°-123°E，28°-30.5°N），站位如图1所示。分析评价数据采用2001-2013年数据，数据均来源于国家海洋局宁波海洋环境监测中心。

1.2评价要素及分析方法

监测项目包括溶解氧（DO）、亚硝酸盐（NO2-N）、硝酸盐（NO3-N）、氨氮（NH3-N）、活性磷酸盐（PO4-P）、化学需氧量（CODMn）、石油类（oil）、汞（Hg）、铜（Cu）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、砷（As）等13项；各水质因子样品的采集、保存与分析按《海洋监测规范》和《海洋调查规范》的有关规定进行。

图1　宁波海域水质监测站位图Fig.1　The distribution of seawater quality survey stations in Ningbo sea area

1.3评价方法

1.3.1W-F定律

Weber-Fischna通过心理物理实验证明并推导出对于中等强度刺激，人体产生的反应量k和外界环境刺激量c之间满足以下的函数关系：

式中：k为人体产生的反应量；c为外界环境刺激量；α为韦伯常数。

1.3.2构造海水水质质量评价数学模型

该模型假设为［5］：①把W-F定律中外界环境刺激量c视为海水水质质量环境中某评价指标的量；②把W-F定律中人体产生的反应量k视为该指标对人体的危害程度；③α是由该指标的性质所决定的，对于同一指标而言，α为常数，而区域生态环境质量评价过程中涉及到多个指标，因此可把韦伯常数α视为各项指标的权重。

在以上三条假设的基础上，可以将W-F定律推广到海水水质质量环境评价领域，得到推广后的W-F定律：

式中：kif为第i个监测点第j个评价指标对人体的危害程度；c′if为第i个监测点第j个污染指标的监测浓度标准化值，数据标准化的目的是消除不同指标在单位、量级上的差异（信息），它是多指标综合的前提和基础；c′if+1的目的在于使lg（c′if+1）＞0，通过数学证明不影响评价结果；αij为第i个监测点第j个污染指标的权重，以指标危害贡献率法计算，计算公式如下：

式中cij为第i个监测点第j个污染指标的原始监测数据；sj4为第j项污染指标四级评价标准值（海水水质参照《海水水质标准》（GB3097-1997）进行）；p为评价过程所选取评价指标的个数。综合评价指标计算如下：

显然ki综合性地反映了第i个监测点的外界环境对人体的危害程度，从侧面反映了海水水质质量的优劣，所以ki可以作为海水水质质量评价的依据。下文基于W-F定律建立的水质模型综合评方法简称为W-F法。

2　评价结果与讨论

2.1现状评价结果

2.1.1标准的确定

选取DO、NO2-N、NO3-N、NH3-N、PO4-P、CODMn、oil、Hg、Cu、Pb、Cr、Zn、As等13项参与评价。将《海水水质标准》（GB3097-1997）中相对应的各项指标进行标准化，其中溶解氧因为是反向指标，因此取倒数后进行计算，NO2-N、NO3-N、NH3-N相加得到无机氮（DIN）后进行计算。标准化结果列于表1中。然后依据公式（2）～（4）计算各级水质的ki值。确定海水等级和ki值得对应的关系，第一类：ki≤0.129；第二类：0.129＜ki≤0.178；第三类：0.178＜ki≤0.236；第四类：0.236＜ki≤0.301；劣四类：ki＞0.301。

表1　海水水质标准数值标准化结果Tab.1　The standard numerical results of seawater quality standards

2.1.2评价结果

（1）水质质量等级空间分布

对宁波市海域13个区域的40个站位的数据依据公式（2）～（4）进行计算，得到相应ki值（表2），根据海水等级和ki值对应的关系得到各个站点的水质评价等级。

从等级分布图上来看（图2），宁波海域近岸污染相对严重，离岸越远水质相对越好，总体上东南部海域海水水质质量要好于西北部海域。主要污染因子是氮、磷。杭州湾南岸（慈溪、甬江口附近海域）、三门湾北岸及象山县西南部海域ki值在0.35以上均为劣四类海水，污染最严重，镇海海域、北仑附近海域、象山港及象山县东北部海域次之，基本为为四类海水，韭山列岛保护区附近海域为二类和三类海水，渔山列岛保护区和领海基线及其外缘线之间海域附近海水水质最好，均为一类海水。该分布特征与2013年宁波市公报基本一致［12］。

（2）成因分析

图2　2013年8月宁波海域水质评价等级分布（W-F法）Fig.2　Distribution of seawater quality indifferent seasons in 2013（Weber-Fechner Law）

一般认为，海洋环境污染物的来源主要包括陆地污染源、空中污染源、海上污染源等，其中，陆地污染源是海洋环境污染的主要来源，据初步统计，目前进入海洋的全部污染物中有80%以上来自陆地污染源［13］。根据2012年对宁波污染源（包括工业污染源、生活污染源、畜禽养殖污染源、农业污染源和海水养殖源）的估算［15］，杭州湾南岸余姚、慈溪、镇海和北仑的COD、总磷和总氮入海量为3.9万t/年，占了宁波入海污染源的43%，象山县有2万t/年，占了宁波入海污染源23%，可见慈溪、象山沿岸污染物入海量较多的区域，周边水质相对比较差均为劣四类海水。

杭州湾污染物主要来源于长江、钱塘江等江河的径流每年携带了大量的营养盐类［14］以及沿岸的点源和面源污染物的输入。由于面源较难控制，点源不断增多，排污量远大于其自净能力，再加上杭州湾内水深较浅，导致杭州湾南岸中底部的慈溪、甬江口海域水质均为劣四类，是宁波污染最为严重的海域。而同处于杭州湾南岸的北仑港附近海域，由于处在口门处，外海水的入侵及沿岸流的南下，使不同的水团在湾中部和口门段海域交汇，海域水体中的污染物质在湾中部及口门段的稀释、扩散以及生物、化学的降解过程加快，水体中的氮、磷含量通过海洋自身的净化作用而明显降低［14］，所以，水质好于杭州湾内和中部慈溪和甬江口区域。但是随着北仑舟山港的发展，对北仑海域的水环境也不断的增加水环境污染压力，北仑附近海域水质也基本为四类海水。象山港海域历来是浙江省重要的水产养殖基地，沿岸相继开展了多个电厂、港口、滨海工业区及象山港大桥的建设工作等，这些工农业的发展进一步加剧了海水污染物的排放，根据污染源的估算［16］，2012年环象山港入海污染总量（包括工业污染源、生活污染源、畜禽养殖污染源、农业污染源和海水养殖源）约1.2万t/年。再加上象山港为半日潮整体水交换能力比较差，污水在该港内停留时间长，很难及时将污水带出港湾，使得象山港水质基本为四类，整体情况比较差。三门湾为典型的半封闭强潮海湾，三面环陆，仅有石浦水道与外海相通，海水交换一方面受潮汐流影响，另一方面又受到内陆径流影响，因为有许多支港深嵌内陆，造成三门湾海域海水同外海交换能力较差，污染物主要依靠湾内净化。根据2008年对三门湾入海污染总量（包括工业企业污染、生活污染、畜禽养殖污染、农田径流污染）的估算［17］，2008年三门湾北岸的宁波宁海县和象山县入三门湾的COD、总磷和总氮污染物总量为1.4万t/年，大量的污染物入海使得其海水水质质量处于四类和劣四类水平。而三门湾口的水交换能力较强，水质略好于湾内。离岸较近的檀头山海域东侧海域要好于西侧和北侧，北侧水质最差，为劣四类海水。韭山列岛离岸较远，周边海域开阔，海水水质相对檀头山附近海域要好。渔山列岛附近海域和领海基线至外缘线海域离岸最远，周边排污少，处于开阔海域，加上闽浙沿岸流、台湾暖流和长江冲淡水的交汇作用，污染物得到快速的扩散和降解，使得东部海域海水水质质量要好于宁波其他海域。

2.1.3与其它方法的评价结果对比

表2　W-F法评价海域水质现状评价结果及与单因子评价法、模糊综合评价法对比结果Tab.2　The evaluation results with W-F Law and the comparison results with two other classical evaluation methods

分别采用常用的综合评价（模糊综合评价法）和单因子评价法，对2013年8月份宁波海域的水质进行评价（表2）。从评价结果来看，W-F法的评价结果与综合评价（模糊综合评价法）以及单因子评价法评价结果基本一致，趋势也基本相同，都是近岸水质最差，远岸水质好。W-F法与模糊综合评价法相比，有55%的站位评价结果一致，另外45%的站位评价结果W-F法略优于模糊综合评价法，差别最大的仅为北仑附近海域的10号站位、象山东部海域的32号站位和三门湾附近海域的35号站位，相差两个等级，而其他的仅差一级。W-F法与单因子评价法相比，其中有35%的数据评价结果一致，65%的数据W-F法略优于单因子法，差别最大的也为北仑附近海域的10号站位、象山东部海域的32号站位和三门湾附近海域的35号站位，相差两个等级，而其他的也仅差一级。从相差两级的三个站位之一的象山港东部的32站位来看，该站位除了无机氮为0.528 mg/L，略超劣四类海水水质标准外，还有PO4-P为0.0330 mg/L，略超三类但符合四类海水水质标准，而其他DO、COD、oil、Hg、Hg、Cu、Pb、Cr、Zn、As等指标则均符合一类海水水质标准，显然，W-F法综合评价结果三类才更为合理。其他站位比如9-17号、36号评价结果略优于综合模糊评价及单因子法的站位，也是因为综合考虑了其他符合一类水质指标，所以W-F法结果略优于其他两种方法，也更为合理。

综合模糊评价虽然能将一些边界不易定量的因素定量化，但他也与单因子评价方法一样存在过分突出单个指标极大值对水质污染的影响，只是偏颇的程度有所不同，而忽略了多数其他水质指标的综合情况，造成综合评价结果不能客观反映所有监测指标同时表达的水质信息。

经过对比分析可知，W-F定律海水水质模型用于海水水质环境质量等级的综合评价是科学合理的，且评价精度更高，同时可根据计算的ki值，及时了解多水质指标的变化反映更加灵敏及时，可为海域监控和保护管理提供科学有效的依据。

2.2历年水质变化情况

由于历年重金属监测指标项目有所不同，为了保持W-F评价后的结果具有更好的可比性，选择指标历年都有监测的DO、COD、PO4-P、oil、DIN等主要污染因子进行评价。

首先确定标准，按2.1.1步骤，计算得到海水等级和ki值得对应的关系。第一类：ki≤0.145；第二类：0.145＜ki≤0.202；第三类：0.202＜ki≤0.238；第四类：0.238＜ki≤0.301；劣四类：ki＞0.301。然后根据公式（2）～（4）计算各宁波各年度各个海域的水质的ki值，对应得到相应的水质评价结果（表3）。

从宁波各个海域的历年的空间分布来看，2001-2013年的ki值宁波北部海域（慈溪、甬江口附近海域）最高，基本在0.40以上，该海域均为劣四类海水，镇海、北仑附近海域ki值次之，在0.35左右，水质也基本为劣四类。象山港海域略好于北仑港区，ki值在0.30左右，基本为四类和劣四类海水，三门湾海域、象山东部海域、檀头山附近海域、韭山列岛附近海域则又略好于象山港，ki值在0.25左右，基本为三类和四类海水，而渔山列岛附近海域水质又好于韭山列岛等海域，ki值在0.18左右，水质基本处于一类和二类，领海基线至外缘线海域水质最好，ki值在基本在0.1左右，均为一类水质。

从宁波各个海域的评价的年际变化来看，2001-2013年慈溪、镇海、甬江口、北仑等海域，在2010年ki非常高，在0.7以上，有变差的趋势，而之后又降低到2001-2003年前的水平，可以看出这部分海域历年来ki值一直处在比较高的水平上波动，慈溪、镇海、甬江口历年水质基本为劣四类海水水质，而北仑海域在2013年略有变好趋势。根据2007-2013年宁波公报中甬江江河入海污染物排放总量显示，历年排放量分别为12.45、15.45、11.56、13.21、15.77、17.63、20.00万t/年，有逐年增高的趋势，沿岸各类生活、工业、养殖等等废水的排放使得宁波北部海域的水质质量一直处于高营养化状态。同时从整体来看象山港和象山东部海域历年来均在四类和劣四类水质范围内波动，水质也未见明显改善。檀头山附近海域、三门湾海域在2007-2009年附近海域略有下降，而后2010-2012年有所上升，2013年则又降低到2001年的海水水质水平。2004年、2010年和2011年劣四类和四类海水有外扩到韭山列岛附近的现象。渔山列岛附近海域，近年来水质略有好转，从2001-2002年的四类海水变为2010-2012年的二类、三类海水，2013年则变为一类，水质向东恶化的情况有所减缓。领海基线至外缘线海域2001-2010年均为一类，而2011年和2012年的二类和三类水质有往东外扩，使得宁波东部海域一类海域面积急剧减少，2011年和2012年整体污染面积有加重的趋势，2013年则又恢复为一类海水。

表3　2001年8月-2013年8月宁波海域水质评价结果Tab.3　The evaluation results with W-F Law from 2001 to 2013

3　结论

（1）应用W-F定律模型评价2013年8月份宁波13个海域的40个海水水样的综合水质，并与常用的综合评价（模糊综合评价法）和单因子评价法评价结果对比分析可知W-F法与其他两种方法基本一致。且W-F法能综合水质各个参评指标的质量状况更加合理准确，W-F法用于海水水质环境质量等级的综合评价是科学合理的。同时，W-F法能够定量描述人类和外界水环境质量的感觉强度变化关系，反映水环境质量变化对人类的影响，W-F法评价具有计算过程明确、操作简单、评价精度高，尤其在作比对分析的时候，可以根据ki值判断属于同一级别的监测点之间水质的优劣，这是模糊综合评价无法达到的，同时根据ki值可以及时了解多水质指标的变化反映更加灵敏及时。因此，W-F定律模型为海域水环境质量综合评价提供新方法，同时可拓展到其他环境要素质量评价，可为海域监控和保护管理提供科学有效的依据。

（2）应用W-F定律模型对2013年8月份宁波13个海域的综合评价结果表明：宁波海域近岸污染相对严重，离岸越远水质相对好，总体上来看东南部海域海水水质质量要好于西北部海域。污染源主要来陆源排污，并且慈溪、象山沿岸污染物入海量较多的区域，周边水质相对比较差，水质污染状况与排污量呈正相关。宁波趋势性综合评价结果表明：历年的空间等级分布趋势与2013年的大致相同。对历年（2001-2013年）水质评价结果分析可知宁波海域近岸海域水质基本维持在高浓度水平上波动，水质未见明显改善，远岸领海基线至外缘线附近海域2011年和2012年二类和三类水质污染有东扩现象，而2013年则又恢复为一类海水。

（3）考虑宁波海域海水水质质量处在较差的状态，建议宁波建立和完善污染物排海总量控制及考核制度，加强科学研究和部门协调，明确海洋环境容量，确定人海污染物质排放总量，实施污染物排放许可证制度，实现排海污染物管理的制度化、目标化、定量化，以控制和削减陆源污染物总量，并建立考核制度，明确考核目标，确定考核方案，建立管理信息系统和监督体系，对考核目标实时优化调整，对减排区域连续进行考核监测及核查。同时，开展宁波海洋生态红线的划定工作，对各类主体功能区分别制定相应的环境标准和环境政策，以改善宁波海洋生态环境，确保宁波生态安全，促进宁波地区经济社会长远可持续发展。

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Seawater Quality Assessment in Ningbo Sea Area based on Weber-Fechner Law

YANG Yao-fang，HE Qin-yan，LIU Yan-yun，et al
（Marine Environmental Monitoring Center of Ningbo，SOA，Ningbo315040，China）

According to the Weber-Fechner（W-F）Law，seawater quality parameters were served as evaluate dindicators of seawater quality，the seawater quality was assessed quantificationally with the relation between the seawater quality grade and the comprehensive effect index ki，which was used to assesse seawater quality in Ningbo sea area.The evaluation results indicated that the north coast of Ningbo sea area、the north seaarea of the Sanmen bay and the westsouth sea area of Xiangshan were worst quality seawater with wrose than classⅣ.The main seawater contamination was PO4-P and DIN，which has been widely accepted that they came from sewage of land mostly.The change of the water pollution evaluation analysis showed that seawater quality has been waving at high concentration level in Ningbo sea area from 2001 to 2013，and it was no obvious improvement on seawater.The sea area between territorial sea baseline and its edge was classⅡ andⅢin 2012 and 2013，which made contaminated area expanding more to east，then back to classⅠin 2013.The results showed that as compared with two other classical evaluation methods，the W-F Model was proved moreaccuracy，explicit and simple computing，that provided a new comprehensive assessment method for seawater quality assessment.This paper more objective and comprehensive analysis of the ningbo sea water environment quality condition，and puts forward Suggestions for the capacity control and red lines drawn，provides the basis for the government formulate environmental protection measures.

Weber-Fechner Law（W-F Law）；seawater quality comprehensive assessment；characteristicsof distribution；change trend

X824

A

1008-830X（2015）02-0196-08

2014-10-16

杨耀芳（1983-），女，江苏无锡人，工程师，研究方向：海洋环境监测与评价.Tel:15825558251；E-mail:Yangyf@eastsea.gov.cn