基于灰色关联法和单因子评价法的厦门海域水质评价与分析

林志裕

（厦门市环境监测站，福建厦门 361021）

1 引言

海洋环境质量评价是海洋环境污染防治的前提，是改善海洋环境质量急需解决的问题。目前应用比较广泛的水质综合评价方法大致包括以下几类：指数评价法、模糊评价法、灰色评价法、物元分析法、人工神经网络法和地理信息系统的应用［1］。《水资源保护规划技术大纲》中推荐应用单因子评价方法进行水质评价，该方法是利用水质中最差的评价因子来评价水体水质类别［2］。

灰色评价法是用灰色系统理论进行水质综合评价的方法。通过监测所获取的海洋环境监测数据总是特定的不连续的时间和空间内对应的海洋环境信息，是不完全的信息，因此可以用灰色系统理论对海洋环境进行综合评价［1］。应用灰色系统理论对海洋环境质量进行综合评价的方法包括灰色关联法、灰色聚类法、灰色贴近度分析法、灰色决策法等［2］。灰色关联法进行海洋环境综合评价的基本思路是计算各评价因子的实测值与海水水质各级标准的标准值的关联度，然后根据关联度大小来判定各监测站位的海水水质类别［2］。灰色关联法是邓聚龙于1984 年创立的灰色系统理论的一个重要组成部分［3］。近年来，有很多学者将灰色关联法应用于环境质量评价并进行了改进和完善。本文基于2017 年的监测数据，应用灰色关联法和单因子评价法对厦门海域的海洋环境质量状况进行评价，为厦门海域海洋环境质量改善提供科学依据。

2 研究区域概况

厦门海域位于中国东南沿海，地处亚热带区域，是一个半封闭型港湾。海域总面积约为355 km2，根据地理环境特征分为湾内和湾外两部分，湾内包括同安湾、西海域和九龙江河口，湾外包括南部海域、东部海域与大嶝海域。潮汐形态属于正规半日潮，平均潮差约3.99 m，潮流属往复流，涨潮时流向湾内，退潮时流向湾外。本文数据来源于厦门海域2017 年5 月、9 月和10 月3 个月的17 个站位人工水质监测数据，除XM02 站位（因水深较浅，仅采集表层水样）外，其余16 个站位均同时采集表层、底层水样。

3 灰色关联法

3.1 分析评价步骤

灰色关联分析是通过关联度来评价两者之间关联程度的方法，关联度越大，参考数列与比较数列的空间几何曲线越接近，相互间的关联程度越加紧密［4-5］。

灰色关联法计算关联度步骤如下：一是确定参考数列和比较数列，参考数列通常为各评价因子的实测值，比较数列通常为海水水质的评价标准；二是将参考数列和比较数列分别进行无量纲化处理；三是计算关联度。无量纲化处理方法主要包括均标准化法、均值化法以及极值化法等［6］。本文结合评价标准，采用分段式的极值化法对参考数列和比较数列进行无量纲化处理。对参考数列采用公式如下：

式中，x'i（k）为无量纲处理后的参考数列；xi（k）为第k类评价因子的实测值；C（k）为第k 类评价因子对应评价标准中的一类、二类、三类、四类海水水质标准的标准值。

公式中，当评价因子实测值小于一类海水水质标准和大于四类海水水质标准时，分别取值为0 和1；当评价因子实测值位于一类和四类海水水质标准之间时，通过公式计算进行无量纲化处理。此公式适用于污染程度与数值成正比的评价因子，如无机氮（DIN）、活性磷酸盐（DIP）等评价因子，而对于溶解氧（DO）等污染程度与数值成反比的评价因子，该公式只需相应转换即可。

对比较数列采用公式如下：

式中，y'j（k）为无量纲处理后的比较数列；yj（k）为第k类评价因子的各类标准值。

无量纲化处理之后，参考数列和比较数列分别构成以下矩阵：

式中，i 为参考数列的第i 个站位，i＝1，2，…，m；m 为监测站位个数；j 为比较数列第j 类标准，j＝1，2，…，t；t 为评价标准的分类数；n 为评价因子个数。

逐行分别计算每个参考数列与比较数列对应评价因子的绝对差值，即，同时得出两级最大差和两级最小差，分别为：。

最后计算参考数列对比较数列的关联系数ζ，公式如下：

式中，ρ 为分辨系数，取值范围介于0 与1 之间，ρ 越大，二者关联系数越大，通常取值ρ＝0.5。

3.2 计算各评价因子权重

在一些应用灰色关联法进行环境质量综合评价的文献中，通过将各评价因子的关联系数取平均值得到关联度，这种方法没有考虑到各评价因子对环境污染的贡献程度不同。然而各评价因子对环境污染的贡献程度不同，有的甚至有较大差异，因此将权重纳入考虑可以更加科学地反映海洋环境实际的污染状况。

目前计算各评价因子权重的方法主要包括熵值法、主成分分析法、层次分析法、专家评分法、赋权法等［7-10］。本文选取一种应用较多的方法来计算各评价因子权重，该方法将实测值与标准值均考虑之内，通过污染贡献率来确定权重，公式如下：

最后通过各评价因子的权重值和关联系数得出评价对象与各水质类别的关联度，关联度最大的类别即为评价对象的海水水质类别。公式如下：

式中，rj为评价对象与j 类水质类别的关联度；ζj（k）为第k 项评价因子与j 类水质类别的关联系数；n 为评价因子个数。

3.3 确定评价因子与评价标准

本文选取DIN（包含NH3-N，NO2-N，NO3-N）、DIP、DO、化学需氧量（CODMn）、叶绿素a（Chl-a）5 个评价因子，依据GB 3097—1997《海水水质标准》［11］和一些文献中对叶绿素a 的评价标准进行综合评价，各评价因子的评价标准见表1［10-11］。本文数据来源于厦门海域2017 年5 月、9 月和10 月3 个月的17 个站位的实测值，取3 个月份表层、底层实测值的平均值进行水质评价。

表1 各评价因子的评价标准 mg/L

4 评价结果

4.1 灰色关联法评价结果

对参考数列和比较数列进行无量纲化处理后，得到参考数列无量纲化处理结果，见表2。

表2 参考数列无量纲化处理结果

比较数列无量纲化处理结果见表3。

表3 比较数列无量纲化处理结果

通过上述步骤逐步进行计算，得出CODMn，DIN，DIP，DO，Chl-a 5 个 评 价 因 子 的 权 重 分 别 为0.052，0.285，0.299，0.269，0.094，最终得出的关联度见表4。

表4 灰色关联法评价结果

从表4 可以看出，厦门海域中不同区域的水质状况不同。在17 个监测站位中，有4 个站位的水质状况为一类水质，5 个站位的水质状况为二类水质，8 个站位的水质状况为四类水质，一、二类优良水质站位比例为52.9%，四类水质站位比例为47.1%。根据HJ 442.10—2020《近岸海域环境监测技术规范》，厦门海域总体水质状况差，其中，同安湾、西部海域和九龙江河口区水质状况差，南部海域、东部海域和大嶝海域水质优良。

XM01～XM04 和XM17 等5 个站位位于厦门西部海域，XM06 位于九龙江河口，XM12 和XM13 2 个站位位于同安湾内，均为四类。西部海域和同安湾位于湾内，水动力不足，与外海水体交换能力较差，污染物不易扩散，从而造成其水质状况差。除了客观自然环境因素外，集美区、海沧区、同安区的污水处理厂入海排污口及其他入海排放口和入海溪流输入到同安湾、西部海域的陆源入海污染物也是海水水质变差的重要原因。

九龙江是龙岩、漳州、厦门的饮用水水源地，同时也是沿岸众多工业企业的供水来源。目前九龙江水资源已处于过度开发利用的状态，受沿岸工业、畜牧业和农业等多种污染的影响，水质恶化严重［12-13］。本文中XM06 位于九龙江河口区，水质为四类，九龙江输入的陆源入海污染物直接导致河口区海水水质状况变差。

XM07 和XM08 2 个站位位于南部海域，XM09，XM10 和XM11 3 个站位位于东部海域，XM14，XM15 和XM16 3 个站位位于大嶝海域，这3 个海域位于湾外，水交换能力强，污染物容易扩散到外海。同时这3 个海域受到人类经济社会活动的影响相对较小，因此水质状况良好。本文的评价结果与蒋荣根［14］的结论一致。

在5 项评价因子中，所有站位的DO 均达到一类标准，94%站位的CODMn达到一类标准，94%站位的叶绿素a 达到一类标准，65%站位的DIP 超过二类标准，82%站位的DIN 超过二类标准。因此，DIP和DIN 是导致厦门海域海水水质下降的主要污染物。

4.2 灰色关联法与单因子评价法的比较

将灰色关联法与单因子评价法得出的结果进行比较，见表5。从表5 可以看出，灰色关联法得出的评价结果中水质类别最差为四类，而单因子评价法得出的评价结果中水质类别最差为劣四类，另外，灰色关联法的评价结果总体上比单因子评价法的评价结果优一个水质类别，而两种方法得出的厦门海域海洋环境质量的变化趋势大致相同。

表5 两种方法评价结果比较

相比之下，单因子评价法虽然能够直观地体现海洋环境质量与海水水质评价标准之间的关系，但由于其过于严苛的要求使得评价结果总体上差一个水质类别，而且不能体现各评价因子对海洋环境质量的影响，从而无法全面地反映海洋环境污染的客观情况，而灰色关联法能够综合地反映各评价因子对海洋环境质量的污染状况。

5 结论

本文应用灰色关联法和单因子评价法对2017年厦门海域海水水质进行评价。依据HJ 442.10—2020《近岸海域环境监测技术规范 第十部分评价及报告》，两种方法得出的结果均显示，2017 年厦门海域海水水质状况差。西部海域和同安湾位于湾内，与外海水体交换能力较差，另外，沿岸输入的陆源入海污染物也是海水水质变差的重要原因。而九龙江河口的四类水质则与九龙江输入的陆源污染物密切相关。东部海域和大嶝海域位于湾外，与外海水体交换充分，污染物扩散能力较强，同时人类活动影响较小，故水质状况优良。CODMn、DO 和叶绿素a 这3 项评价因子对海水水质的影响较小，而DIP 和DIN 是导致厦门海域海水水质下降的主要污染物。

两种评价方法中，单因子评价法会使得评价结果总体上差一个水质类别，不能体现各评价因子对海洋环境质量的影响，从而无法全面地反映海洋环境污染的客观情况，而灰色关联法能够综合地反映各评价因子对海洋环境质量的污染状况。