翟春梅 ,王 刚 ,江田田 ,张甲波 ,郭连军

(1.河北冀东建设工程有限公司,河北 唐山 063000;2.天津大学 建筑工程学院,天津 300350;3.河北省海洋地质资源调查中心,河北 秦皇岛 066001;4.河北省海洋岸线生态修复与智慧海洋监测工程研究中心,河北 秦皇岛 066001)

近年来,秦皇岛近岸海域水质状况受陆源生活污水和工农业废水的影响不断增加,成为海洋生态系统失衡的主要因素之一[1-2]。近岸海域赤潮、绿潮等海洋生态灾害暴发频率升高,自2009年以来,一种微微藻导致的褐色藻华连年出现[3-4];2014 年起,局部海域绿潮连年不同程度暴发,给海洋生态环境造成威胁,同时也影响了地区经济的健康发展。目前,入海河流水体质量的评价多采用单因子指数法、综合污染指数法和富营养评价法[5-6],但水体质量受到多种因素的综合影响,水体系统中各种污染物对水体质量的影响不一,为了更好地反映水体综合质量,采用模糊评价方法对水体的综合评价已在海域和湖泊进行了广泛应用[7-8]。

本研究基于2018 年秦皇岛主要入海河口岸基在线监测数据,本研究利用模糊综合评价模型对水质状况进行客观评价,综合分析各污染因子对水体污染的贡献权重,克服了水质单因素的片面性,了解秦皇岛近岸海域陆源污染的主要来源,以期为秦皇岛近岸海域陆源污染的防治提供理论依据。

1 监测数据变化特征

选取2018 年4 月—12 月秦皇岛石河、汤河、戴河、洋河、人造河、大蒲河(饮马河)6 条主要河流入海口岸基在线监测数据,监测周期为4 h,其中4 月—11 月份每月180 期监测数据,12 月份监测时长为半个月,监测数据共90 期。维护人员定期进行数据比对与设备校准,保证监测数据的准确性。

秦皇岛6 条主要河流溶解氧(DO)全年表现为先降低再升高的总体变化特点,夏季溶解氧受到温度等影响,溶解氧值整体较低。除大蒲河8月份溶解氧值低于6 mg/L 外,其余河流全年均符合Ⅰ类、Ⅱ类水质标准。COD 全年整体变化基本平稳,基本符合Ⅲ类、Ⅳ类水质标准,最高值月份多集中于8 月—10 月。汤河4 月COD 浓度最高。各条河流总氮浓度均较高,为Ⅴ或劣Ⅴ水质,其中人造河浓度远高于其他河流,平均浓度为9.6 mg/L,洋河整体浓度较低,平均为2.5 mg/L,汤河和戴河总氮高值出现在8 月、9 月,大蒲河总氮浓度低值出现在8 月、9 月。总磷浓度全年整体变化趋势为先升高后降低,每条河流的高值分布在6 月—8月,总体浓度较高,基本为Ⅳ、Ⅴ或劣Ⅴ类水质,人造河和大蒲河浓度整体高于其他河流。氨氮浓度值总体较低,变化趋势与总磷相似,戴河、洋河、人造河、大蒲河(饮马河)7 月份和8 月份浓度值远高于其他月份,整体符合Ⅰ、Ⅱ类水质标准。氟化物浓度除9 月份的汤河和人造河外,其他均好于Ⅳ类水质。

2 模糊综合评价方法

建立水质状况评价因子集U={DO,COD,TN,TP,NH3-N,F-},依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的等级(表1),确定评价等级集合V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}。

表1 地表水质量标准限值 mg/L

确定隶属度并建立模糊评价矩阵,隶属度为评价因子对评价集的隶属程度,即各评价因子隶属于某一水质类别的程度,依据《地表水环境质量标准》,建立评价因子对评价集合的隶属函数,并计算各评价因子的隶属度,建立隶属度模糊评判矩阵。

式(1)中:rij为监测因子i对第j类水质的隶属度,即因子i被评判为第j类水质的可能性。

建立权重集,权重用来表示该因子对水体污染的贡献程度。对于监测指标数值越小水质越好的类型,因子权重值wi=xi/Si(xi为该因子实测值,Si为质量标准等级限值的平均值,即Si=∑Si,j/5),对于监测指标数值越大水质越好的类型(如DO),则取wi=Si/xi,得到权重集W=(w1,w2,…wi,…wn)。对W进行归一化处理,ai=wi/∑wi,得到权重系数集A=(a1,a2,…,an)。

水质模糊综合评价结果,采用加权平均型模糊综合评价水质,Y=A×R=(a1,a2,…,ai,…,an)×[rij=(y1,y2,…,yi,…,yn),按照最大隶属度原则,即以隶属度最大值所在的等级作为监测站位水质等级的评判结果,水质等级Y=max(yi)。

3 评价结果分析

按照综合模糊评价法对2018 年4 月—12 月在线监测结果进行处理后得到各因子归一化权重系数。除大蒲河8 月份影响入海口水质的最大权重因子为总磷外,其余5 条主要入海河流及大蒲河其余月份的最大权重污染因子均为总氮,6 条主要入海河流总氮归一化权重平均值为0.609。影响秦皇岛入海河流水质的主要因素为总氮,这与河流上游的面源污染和生活污水点源污染有关。各河流全年总氮归一化权重值总体呈现出“V”字变化特征,6 月—8 月份总氮归一化权重值相对较低,4 月—5 月和9 月—12 月总氮归一化权重值相对较高。

根据秦皇岛6 条主要入海河流4 月—12 月每月各因子归一化权重值矩阵和相对隶属度矩阵,计算每月所有评价因子分别与Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ类水体标准的综合隶属度,最终得到各河流入海河口每月的水质模糊综合评价结果(表2)。由模糊综合评价结果可知,2018 年秦皇岛6 条主要入海河流水质整体以Ⅴ类水体居多,水质较好月份多集中在5 月—7 月。其中,人造河水体全年均为Ⅴ类水质,石河、汤河、洋河、大蒲河个别月份水质较好,以Ⅲ类和Ⅳ类为主,其余月份均为Ⅴ类,戴河全年整体水质相对较好,月季变化幅度相对较大。从水质等级上来看,模糊综合评价水质评价等级优于单因子评价的水质等级,这与模糊综合评价法综合了各因子对水体污染的总体贡献有关;从影响水质等级的关键污染因子来看,模糊综合评价法与单因子评价法确定的关键污染因子具有良好一致性,这与陶涛等[9]的研究结果相同。

表2 2018 年石河、汤河、戴河、洋河、人造河与大蒲河入海口水质模糊综合评价结果

续表2

在秦皇岛6 条主要入海河流流域点源排水口监测及提标改造等管控与整治措施下,入海河流河口水质变化特征主要是人为、气候及短期气象等因素综合影响的结果。其中人为影响措施主要为拦河坝和生态补水,主要气候因素为长期降水特征,短期气象主要为风暴潮强降水等。石河、汤河、洋河、大蒲河入海口均有拦河坝,在枯水期和平水期,降水少,拦河坝蓄水,总氮浓度逐渐升高,导致水质质量变差。5 月戴河进行拦坝放水和水库引流生态补水,总氮等因子浓度降低,水质状况逐步改善。8 月秦皇岛遭遇短期风暴潮海洋气象灾害,河流上游农业及城市面源污染大量进入河流,短时间内秦皇岛6 条主要入海河流水质急剧下降,河流总氮浓度大幅升高,导致总氮月平均浓度值升高,6 条主要入海河流水质均为Ⅴ类水质。

目前,河流水质监测还是以定点定期人工取样的方式为主,随着水质在线监测技术的不断发展,采用在线监测的方式监测河流水质在实践中不断得到应用,与传统监测方式相比,展现出了高频率、全天候、连续性的优点。本研究选取2018 年4 月—12 月的连续监测数据作为研究数据,每天的监测次数为6 次,从上述在线监测数据月季平均值综合模糊评价结果可以看出,能够有效反映秦皇岛入海河口水质的历时变化特征。利用秦皇岛入海河流水质高频率在线监测数据,可进行最小周期为4 h 的水质模糊综合评价,能够实现入海河口水质综合等级实时监测预报,可有针对性地实施管控及修复措施。在平水期和枯水期,可根据水质监测和海洋潮位状况,利用河口感潮区拦河坝,合理调整橡胶拦河坝高度,实现蓄水的有效更新,降低河水主要污染物浓度,实现污染物分阶段入海,减小河口海域的污染负荷,有效提升河流及入海口水质。在长期Ⅴ类及劣Ⅴ水质的入海河口可采取底质清淤、人工湿地等生态修复措施,减少上游污染源,增强河流自净能力。在没有强降水的条件下主要污染物因子出现异常高情况时,要加强溯源监测。在强降水、泄洪等突发事件的全过程,对入海河口水质综合状况进行监测评价,开展入海通量监测估算,为河口海域邻近浴场、养殖区提供预警预报。

4 结论

利用2018 年4 月—12 月秦皇岛石河、汤河、戴河、洋河、人造河和大蒲河(饮马河)入海河口在线监测站连续监测数据,采用模糊综合评价法开展秦皇岛入海河流水质评价,为今后秦皇岛入海河流及近海海域水质管控与综合整治提供一定指导。

(1)研究期间,秦皇岛6 条主要入海河流水质月季变化整体以Ⅴ类水体为主,Ⅴ类水体的平均隶属度为0.540,河流水质较好的时间段集中在5 月—7 月,水质以Ⅰ类、Ⅲ类和Ⅳ类为主,全年戴河因流域治理、生态补水等原因整体水质相对较好。总氮因子是6 条主要入海河流主要污染因子,其归一化权重平均值为0.609。模糊综合评价法得到的水质等级均优于同期单因子评价的水质等级,这与模糊综合评价法反映多种污染因子对水质的综合影响有关,两种方法确定影响水质主要污染因子的一致性较好。

(2)在秦皇岛6 条主要入海河流流域点源排水口监测、提标改造等管控与整治措施下,入海河流河口水质变化特征主要是受人为拦河坝和生态补水、长期降水气候条件及短期风暴潮强降水气象等因素综合影响的结果。

(3)在线监测技术与模糊综合评价法的结合,能够实现入海河口水质综合状况的实时评价分析。秦皇岛区域可进行最小周期为4 h 的水质在线综合监测评价,能够为实施有针对性的入海河口及河口海域水质管控及修复措施提供基础支撑。