?？诿郎岷訃覞竦毓珗@水質分析研究

林華，王耀山

1.?？谑屑夹g服務中心，海南?？?70311；2.海南省農業學校，海南?？?71100

濕地具有強大的生態功能，不僅能夠調節區域氣候、維護生物多樣性、涵養水源、蓄水調洪，而且可以有效緩和保護生態環境與社會經濟發展之間的矛盾[1-2]。顧名思義，濕地是以水為載體的重要生態系統[3]，水是人類生存和社會發展的基石，水體污染造成生態環境惡化、制約社會發展，而建設城市濕地公園有利于改善城市的生態環境，發展生態文明[4-5]。

城市濕地公園是近年來研究的新熱點[6]，蔣竹榮等調查了廣東滃江源國家濕地公園，結果顯示該濕地公園的水質總體能達到國家Ⅲ類標準，但不同區域的水質有所差異[7]；李紅海等分析湖北漢江國家濕地公園2014 年～2018 年的水質監測數據，結果說明研究區內2 個出水口的監測斷面整體水質處于Ⅱ類標準，COD 優于Ⅰ類水質標準[8]；李楠等以富錦國家濕地公園為研究對象，發現在2015 年研究區內的水質處于中營養或輕度富營養化的狀態[9]。

美舍河國家濕地公園處于海南省?？谑懈沟匾粠?，面臨的人類干擾問題更為嚴重，因此其作用顯得尤為突出。公園自建成以來一直開展長期有效的濕地生態監測工作，深入了解濕地生態與環境現狀，準確評估濕地未來的變化趨勢。該研究以?？诿郎岷訃覞竦毓珗@的水環境現狀和水資源動態變化為研究對象，提出保護與合理利用濕地的對策與建議，為濕地管理部門提供科學的決策依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

?？诿郎岷訃覞竦毓珗@位于海南省?？谑旋埲A區，地理坐標：19°56′N～20°02′N、110°17′E～110°21′E，面積468.38hm2，其中濕地面積253.37hm2，起點為玉龍泉沙坡水庫，經過羊山水庫、美舍河及河道沿岸部分公共綠地、鳳翔公園，終點白沙一橋，由3 個類型的河流濕地、沼澤濕地和人工濕地組成。屬熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫23.8℃，最高平均氣溫28℃左右，最低平均氣溫2℃左右；年降水量1664mm，平均日降雨量在0.1mm 以上的雨日150d 以上，年平均蒸發量1834mm，平均相對濕度85%，年日照時數2250h。

1.2 水質監測

在研究區內分別選擇上游、中游與下游3 個河段建立固定水監測取樣點（詳見表1）。數據時長為2019 年7 月至2020 年7 月（其中2020 年2 月至4月數據由于疫情原因缺失）。主要監測的水質指標包括水溫、pH、鹽度、化學需氧量（COD）、溶解氧量(DO)、氨氮(NH3-H)、總氮(TN)、總磷(TP)、葉綠素α9 個項目。其中，水溫、pH、鹽度和DO 現場測定，分別采用溫度計法、玻璃電極法、鹽度計法和電化學探頭法；其余指標均在實驗室測定：使用重鉻酸鉀標準法檢測COD，水楊酸分光光度法測定NH3-H，堿性過硫酸鉀消解紫分光光度法檢測TN；鉬酸銨分光光度法和單色分光光度法分別用來測定TP 和葉綠素α。

表1 上、中、下游設定監測取樣點概況Tab.1 The situation of upper，middle and downstream monitoring points

1.3 水質評價方法

1.3.1 單因子指數法

單因子指數法分別將各項監測指標以《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）為評價標準劃分所屬類別，評價結果以最差指標所屬的類別來代表整體水質類別，該方法較為簡便[10]。

1.3.2 綜合指數法

以《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）為評價標準，對各組中的各項監測指標單獨劃分所屬的水質類別，表2 為各類別對應的評價分值[11]。

表2 評價取值Tab.2 The evaluation values

根據各單項監測指標的評分值計算各組的綜合評價分值：

其中：F表示組內各單項監測指標評分值Fi的平均值；Fmax表示組內各單項監測指標評分值Fi中的最大值；n 為項數。

根據最終所得的F 值來評價水質等級，表3 為F 值所對應的地表水質量級別。

表3 地表水質量級別Tab.3 Surface water quality grade

1.3.3 模糊綜合評價法

模糊綜合評價是以模糊數學為基礎，依據模糊數學中的隸屬度原則對受到多因素影響的對象進行定量的綜合評價。評價步驟如下[12]：

（1）根據《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)確定各水質指標所屬的類別。

（2）建立隸屬度函數迷糊矩陣

根據各項監測指標的實測值和其所對應的j 級水質級別標準值為Cij（j=1,2，…m）計算隸屬度，由n項監測因子隸屬度構建成的n×m 模糊矩陣R，計算方式如下：

表4 隸屬度的計算方法Tab.4 The calculate of membership grade

由此確定模糊矩陣：

（3）確定權重因子

各單項的水質指標在整體水質污染中所占的貢獻率不同，其與實測數據大小及不同用途水中各指標所允許的濃度有關，因此在綜合評價中需要對各水質指標進行權重計算。公式如下：

式中：Wki為權重因子；Xki為第k個水樣第i個監測指標的實測濃度；Cim為評價標準中水質指標對應m級濃度的標準值，Ci為第i個水質指標各級水標準值的均值；aki為第k個水樣第i個水質指標的權重值。

由此構成評價因子權重矩陣：

（4）綜合評價原則

綜合評價結果為模糊矩陣與的復合運算，采用取大取小型綜合評價計算法。即：

結果按照最大隸屬度原則確定，即隸屬度最大值所對應的等級，則為監測點的水質分類等級。

2 結果分析

2.1 水質單因子動態變化分析

美舍河水質數據分布情況如圖1。（數據來源于2019 年?？谑辛謽I局）

其中：水溫變化與氣溫變化同步，各河段沒有顯著差異。河段pH 范圍在7.12～8.83 之間，從時間序列來看，2019 年10 月～2020 年1 月pH 在各個河段顯著高于其他月份。鹽度在空間上具有顯著差異，下游海甸溪入口處和平橋的鹽度最高，平均值為3.05‰、國興橋為1.73‰、沙坡水庫為0.13‰，由于美舍河下游有海水倒灌的情況，所以下游的鹽度顯著大于上游。COD 變化幅度較大，范圍在12mg/L～56mg/L 之間，從時間序列來看，最大值出現在2020 年1 月，其次為2019 年9 月；從空間分布來看，河流中段的國興橋COD 平均值為32mg/L；其次為下游段的和平橋，平均值為24mg/L；上游沙坡水庫COD 平均值最低，為17mg/L。DO 范圍在3.54mg/L～7.36mg/L 之間，2019 年11 月～2020年1 月沙坡水庫的DO 值顯著高于其他河段和時間段。TP 范圍在0.07mg/L～0.19mg/L 之間，最大值出現在2019 年12 月至2020 年1 月之間。NH3-H 范圍在0.16mg/L～1.96mg/L 之間，從空間分布來看，中游的國興橋和下游的和平橋的數值顯著高于上游的沙坡水庫，但沙坡水庫的NH3-H 在2019 年8 月～11月期間出現不正常的高峰，這應該與暫時性的污水排放有關。TN 范圍在1.06mg/L～6.29mg/L 之間，上游沙坡水庫在2019 年9 月～12 月出現異常高峰值，因此TN 明顯高于中游的國興橋和下游的和平橋。葉綠素α 范圍變化較大，在0.7ug/L ～27.07ug/L 之間，河流中下游的葉綠素α 值比較低，平均值分別為4.14ug/L 和5.78ug/L，而沙坡水庫葉綠素α 較大，平均值為18.5ug/L。

根據監測的水質數據分析，美舍河河段的pH、鹽度、COD 和NH3-H 的數值均表現為中、下游高于上游，但在2019 年8 月～11 月期間位于上游監測點的沙坡水庫NH3-H 出現不正常的高峰，分析認為與污水排放有關，因此沙坡水庫的TN 值在2019 年9 月～12 月顯著高于中游和下游的國興橋、和平橋監測點。

2.2 水質單因子指數分析法

采用單因子評價法，依照《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中的地表水水質標準，對各監測取樣點的氨氮、化學需氧量、溶解氧、總氮以及總磷含量與地表水水質標準進行對比，得到所屬的水質類別，最差的指標所屬的水質類別，便是最終監測取樣點水質所屬類別，單因子評價結果見表5。

圖1 2019 年～2020 年度美舍河水質數據及分布情況Fig.1 Water quality data and distribution of Meishe River in 2019～2020

沙坡水庫上游河段2019 年～2020 年度全年綜合水質介于Ⅱ類～Ⅴ類之間，在2019 年7 月～2020年6 月期間，TN 超標達到Ⅴ類水質，超標倍數最高達6.29。美舍河中游河段2019 年～2020 年度全年水質介于Ⅲ類～Ⅴ類水質之間，以Ⅴ類水質為主，NH3-H、TN 和COD 超過Ⅳ類水標準，達到Ⅴ類，其中TN 的超標倍數最大，為3.41 倍，美舍河下游河段2019 年～2020 年度全年水質為Ⅳ～Ⅴ類，污染物以有機污染物和總氮為主，其中以總氮的超標倍數最大，為3.05。

表5 單因子指數法評價結果Tab.5 The result of single factor index method evaluation

3 個監測點主要的水質污染指標均為TN，上游河段周邊分布以農田、村莊為主，據此分析污染源主要來源于農業的非點源污染；中游河段Ⅴ類水質的原因為上游攜帶的銨態氮分解，增加有機氮的含量，好氧微生物分解消耗氧氣，使得COD 數值增加，同時中游段生活污水進入河道中，增加了NH3-H 和COD值。

2.3 綜合指數分析法

表6 綜合指數法評價結果Tab.6 The result of composite index method evaluation

綜合指數分析法結果見表6，沙坡水庫、國興橋、和平橋3 個監測點的水質評價結果均為Ⅴ類水質等級。

2.4 模糊綜合分析法

表7 為模糊綜合分析法中權重因子的計算結果。在沙坡水庫監測點，5 項水質指標對水質污染的權重從大到小依次為：TN＞NH3-H＞COD=DO＞TP；國興橋監測點權重由高到低依次為：TN＞COD＞NH3-H＞TP=DO；和平橋監測點權重由大到小次為：TN＞NH3-H＞COD＞TP＞DO。所有監測點中TN 的權重因子是最大的，說明TN 對水質污染的貢獻率最高。

表7 各項水質指標的權重Tab.7 The weight of each water quality indicator

根據模糊綜合法的最大隸屬度原則，隸屬度最大值所對應的等級，即為監測點的水質分類等級，由表8 知，沙坡水庫和國興橋監測點的水質評價均為Ⅴ類水，和平橋監測點為Ⅳ類水。

表8 模糊綜合法評價結果Tab.8 The results of fuzzy comprehensive method evaluation

3 結論和討論

3.1 結論

（1）美舍河中、下游的pH、鹽度、COD 和NH3-H 的數值高于上游，2019 年8 月～11 月期間位于上游監測點的沙坡水庫NH3-H 值出現異常的高峰，分析認為與污水排放有關，因此沙坡水庫的TN 值在2019年9 月～12 月顯著高于中游和下游的國興橋、和平橋監測點。

（2）單因子指數法和綜合指數法分析顯示是3個監測點均為Ⅴ類水質，根據單因子指數法，3 個監測點其主要污染指標為TN。

（3）模糊綜合法分析表明所有監測點中TN 的權重因子是最大的，沙坡水庫和國興橋監測點的水質評價均為Ⅴ類水，和平橋監測點為Ⅳ類水。

3.2 討論

運用單因子指數法、綜合指數法和模糊綜合法3 種評價法對美舍河國家濕地公園監測的水質數據進行評價分析，3 種方法的評價結果見表9。

表9 3 種方法評價法對比Tab.9 The compare of three assess methods

3 種方法對3 個監測點的評價結果基本一致，所有監測點處于Ⅴ類水質標準，模糊綜合法評價和平橋監測點為Ⅳ類水，模糊綜合法結合了綜合指數法對各水質指標的統計，同時還對不同指標對水質影響的權重進行了歸一化的分析，較前2 種分析方法能夠從整體的角度對水質做出評價。

2019 年9 月～2019 年12 月期間，沙坡水庫的總氮和氨氮含量出現異常，說明在這期間有污染源排放。從具體數據分析，總氮的超標明顯高于氨氮，因此污染源主要為農業非點源污染，農業化肥（硝態氮肥）在未完成反硝化作用或未被植物吸收前，會增加水體中總氮的含量，往往一次降水沖刷帶入的硝態氮肥會在水體中存留很長時間，直到轉化為有機氮被植物吸收。2019 年8 月～2020 年5 月，美舍河中游主要超標的污染物指標為COD、氨氮和總氮，其主要來源為生活污水，以及上游攜帶的硝態氮逐漸分解為的有機態氮。此外，處于河流中段的國興橋水質劣于下游的和平橋，說明中游河段存在明顯的生活污水排放問題。而下游由于海水交換量大，導致污染物被海水沖淡，因此各項水質指標優于中游河段，同時也說明紅樹林種植以及周邊排污口的治理，取得了明顯的效果。