2011—2020年太湖水质分析及综合评价研究

胡起靖

（苏州图书馆，苏州 215002）

太湖流域经济社会发达，人口稠密，是我国经济最发达地区之一[1-2].太湖不但是周边居民的生活用水保障，更是经济社会发展重要的战略资源保障，是长三角一体化发展国家战略的重要支撑和保障[3-4].2007年太湖流域爆发严重的蓝藻污染，给社会发展造成巨大危害[5]，严重影响了太湖流域社会经济的可持续发展[6].

自2007年以来，太湖流域大力开展以控源截污、生态清淤、调水引流为重点的大规模水环境综合治理，通过太湖上游及环湖地区水环境综合治理，太湖的水质逐步改善，各项主要指标均有不同程度的降低，当前太湖流域水环境综合治理工作取得全面进展，成效显著[7-8].但最近几年部分关键水质指标浓度出现了波动，蓝藻水华有所反弹[9].此外，根据《太湖流域水环境综合治理总体方案（2013年修编）》，太湖流域按照方案所实施的治理期限为2013～2020年，因此当前有必要对上一阶段治理周期的太湖水质状况及变化趋势开展分析和研究，以加强对太湖水质治理进程及水质现状的认识，为更加科学地制定下一阶段治理措施提供更多有价值的参考.

在水质评价研究方法中，单指标分析法仅对各个单指标的高低进行对照评判，多指标综合评价方法则能够反映各评价指标的叠加影响，可以综合反映水体质量.目前针对太湖水质综合评价的研究方法主要有模糊综合评价法[10-11]、水质标识指数法[12-13]，其他的还有内梅罗水污染指数法[14]、综合污染指数法[15]、投影寻踪评价法[16]等.

属性识别模型作为以模糊数学综合评判理论为基础发展起来的多指标评价方法[17]，在湖泊水质评价中的应用中被证明是可靠实用的评价方法[18-19].本文采用单项指标污染指数对2011—2020年太湖水质指标浓度变化进行分析，同时结合属性识别模型进行水质综合评价及变化趋势分析，并对现有的太湖综合营养状态相关信息进行分析.

1 数据的来源及分析方法

所引用太湖主要水质指标浓度数据分别来源于水利部太湖流域管理局公开发布的《太湖健康状况报告（2018）》[20]和江苏省生态环境厅公开发布的《江苏省生态环境状况公报》[21].按照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），通过单项指标污染指数和属性识别模型综合评价法对太湖水质进行分析和评价研究.所引用太湖综合营养状态指数、全湖平均富营养化程度和蓝藻水华次数来源于江苏省生态环境厅公开发布的《江苏省生态环境状况公报》.

1.1 单项污染指数

单项污染指数是指将实测值与评价标准值进行比较，根据比较指数确定该指标污染程度，计算公式为：

式中，pi—i污染物的单项污染指数；ci—i污染物的实测值；cio—i污染物的指数计算标准值.

1.2 属性识别模型

1.2.1 建立分类标准矩阵

设评价对象空间X有n个评价对象，每个评价对象有m个评价指标{I1，I2，…，Im}，每个评价指标有k个评价等级{C1，C2，…，Ck}，对于每个评价指标Ij有相应的评价等级分类标准{aj1，aj2，…，ajk}，则评价对象空间X的分类标准矩阵为：

式中ajk满足aj1＜aj2＜…＜ajk，或aj1＞aj2＞…＞ajk.

1.2.2 确定权重

采用超标倍数法，计算公式为：

式中，cj—评价因子的监测值；sj—评价因子各浓度标准的数学平均值；Wj—评价因子的归一化权重值.

1.2.3 确定样本属性测度

第 i个评价对象第 j个指标值 xij属于 ct类（1≤t≤k）的属性测度为 uijt.设aj1＜aj2＜…＜ajk，有：

当 xij≤aj1时，取 uij1＝1，uij2＝…＝uijk＝0，

当 xij≥ajk时，取 uijk＝1，uij1＝…＝uijk－1＝0

当 ajl≤xij≤ajl＋1时（1≤l≤k－1），取式中，t＜l，或 t＞l＋1.

1.2.4 综合属性测度

由单指标属性测度和指标权重可以得到综合属性测度uit：

式中，wij—第i个评价对象第j个评价指标的归一化权重；1≤i≤n，1≤t≤k.

1.2.5 对象的识别与排序

设置信度（0.5≤ ≤1），用下式进行计算：

如果ti≥ ，则认为xi属于ct级别.

按照评价准则进行评分，对评价对象进行比较分析，用下式进行计算：

式中，qxi—第i个评价对象的评价分数；ni＝k＋1－i，依次取k～1之间递减的正整数.

2 结果

2.1 太湖水质指标

采用单项污染指数法，将近年来太湖主要水质指标浓度值（如表1所示）除以《太湖流域水环境综合治理总体方案（2013年修编）》确定的2020年控制目标值（高锰酸盐指数4，氨氮0.5 mg/L，总磷0.05 mg/L，总氮2 mg/L），得到相应污染物控制指标指数，结果汇总如表2和图1所示.

表1 2007年及2011—2020年太湖水质指标浓度 （mg/L）

表2 太湖水质指标指数

图1 太湖水质指标指数变化趋势

2.2 太湖水体质量综合评价

2.2.1 评价因子与标准

以《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）为评价标准，以高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮为评价指标，建立地表水环境质量评价分组标准，如表3所示.

表3 地表水环境质量评价分组标准

2.2.2 各年份评价单指标属性测度

根据1.2.3的属性测度确定方法，代入表1太湖水质指标浓度值和表3相关水质指标标准值，可计算得到各年度水质单指标属性测度，结果如表4所示.以2007年高锰酸盐指数为例，其指数值5.1介于二级标准值4和三级标准值6之间，隶属于其他级别的属性测度为0，隶属于二级的属性测度为：（6－5.1）/（6－4）＝0.45，隶属于三级的属性测度为：（5.1－4）/（6－4）＝0.55.

表4 各年度水质单指标属性测度

2.2.3 权重值

根据式（2），代入表1和表3数据，可计算得到各年度水质指标的单指标权重，结果如表5所示.以2007年为例，其高锰酸盐指数的单指标权重计算为：（5.1÷8.6667）/（5.1÷8.6667+0.39÷1.1917+0.074÷0.0975+2.35÷1.2）＝0.162，相应地求得其他污染物单指标权重.

表5 各年度水质指标单指标权重

2.2.4 综合属性测度

根据式（3），结合表5中各年度水质指标的单指标权重及表4中各年度水质单指标属性测度，可计算得到各年份评价对象属性测度，结果如表6所示.以2007年度为例，其一级属性测度的计算为：0×0.162＋0.314×0.09＋0×0.209＋0×0.539＝0.028；二级属性测度的计算为：0.45×0.162＋0.686×0.09＋0×0.209＋0×0.539＝0.135.相应地求得其他级别综合属性测度.

表6 各年度综合属性测度

根据式（5），按照评价准则对评价对象进行各年份水质评分和比较分析，分数越大，表明水体环境质量越好.以2007年为例，得分计算为：6×0.028＋5×0.135＋4×0.198＋3×0.1＋2×0＋1×0.539＝2.47.相应地，可求得其他年份水体环境质量的评级和得分，结果如表7所示.

表7 各年度水质评分

2.3 太湖水体富营养状态

根据《江苏省生态环境状况公报》发布的太湖水体富营养状态相关信息，将2007-2020年太湖湖体富营养状态、全湖平均富营养化程度，及预警监测期间通过卫星遥感监测发现蓝藻水华聚集现象次数汇总如表8和图2所示.

表8 太湖水体富营养状态

图2 太湖水体综合营养状态指数变化趋势

3 讨论

3.1 太湖水质指标变化

由表2及图1可知，相较于2007年，近年来太湖水质指标中的氨氮、总氮取得显著控制成效.其中对氨氮的控制成效最好，虽然在2007年时，太湖水体中氨氮的浓度水平就已经在2020年控制目标以下，但是自2011年以来总体呈下降的趋势，2019—2020年相较2018年有略微抬升，但仅维持在0.12，浓度水平比2007年下降了69.23%，是2020年控制目标的24%；总氮的控制取得较好成效，虽然在2016年有小幅波动，但也是整体呈下降态势，且自2012年以来，浓度水平都在2020年控制目标以下，2020年浓度水平比2007年下降了45.96%，是2020年控制目标的63.5%.

近年来太湖水体中的高锰酸盐指数、总磷的控制成效则不太理想.其中高锰酸盐指数虽然自2011年以来的指数值均低于2007年，但是2011—2018年仍然都超过2020年控制目标的水平，2019—2020年勉强达到控制目标，说明虽然取得一定控制成效，但是要保持当前的控制成效还需再接再厉；总磷自2011年以来的浓度水平都超过2020年控制目标.2011年浓度水平虽然低于2007年，但是其后并没有下降，而是呈现一个上升、回落的波动上升趋势，且自2015年以来的指标值均高于2007年，说明总磷浓度未得到有效控制.

因此，根据近年来太湖水质主要控制指标变化趋势可以判断，高锰酸盐指数、总磷是当前太湖水质治理的重点，其中总磷是当前太湖水质治理的难点.

3.2 太湖水体质量综合评价及变化分析

由表7可知，太湖水体综合环境质量水平虽然在2013年和2016年有小幅波动，但是总体呈上升趋势，其中2007年、2011年水质综合评价类别为劣Ⅴ类，2012年—2016年水质综合评价类别为Ⅴ类，2017年—2020年水质综合评价类别为Ⅳ类.2011年太湖水体综合环境质量水平略优于2007年，自2012年以后，太湖水体每年的综合环境质量均明显优于2007年，其中2017—2020年连续四年优于2020年控制目标水平.说明近年来对太湖流域的综合治理取得积极成效.

3.3 太湖水体富营养状态分析

由表8和图2可知，2009年太湖全湖平均富营养化程度由2007—2008年的中富营养转化为轻度富营养，此后至2020年一直维持在轻度富营养状态；综合营养状态指数在2012年由2007—2008年的58.5明显下降为56.5，此后在56.8和54.8的数值范围内反复波动，最高值和最低值对应的年份分别为2017年和2020年；预警监测期间通过卫星遥感监测发现蓝藻水华聚集现象次数在2011—2013年小幅上升，在2014年有显著下降，但自2015年开始，呈明显上升趋势.

4 结论

（1）2011—2020年太湖水质指标中的氨氮、总氮控制成效显著.氨氮自2011年以来基本呈逐年下降的趋势，总氮整体呈波动下降态势.

（2）2011—2020年太湖水质中的高锰酸盐指数、总磷控制成效不太理想，指标浓度呈波动反复态势，是当前太湖水质治理的重点，其中总磷是当前太湖水质治理的难点.

（3）2011—2020年太湖水体的环境综合治理控制取得积极成效，水体环境综合质量水平呈上升向好趋势.

（4）2011—2020年太湖全湖平均富营养化程度为轻度富营养，综合营养状态在一定范围内反复波动，蓝藻水华聚集现象有上升趋势.说明当前太湖的水环境治理仍存在薄弱环节.