基于两种评价方法的内蒙古哈素海水环境质量评价分析

Water Environment Quality Evaluation and Analysis Based on Two Evaluation Methods on Hasuhai Lake in Inner Mongolia

摘要

为明确哈素海水质状况，推进内蒙古黄河流域生态保护和高质量发展，2021年夏季（7月）和秋季（10月），对哈素海六个监测点的水环境进行调查研究，并采用单因子评价法和模糊综合评价法分析其水环境质量和影响因素。结果表明，哈素海夏季单因子评价法各监测点水质为Ⅴ类及以上，秋季各监测点水质为Ⅳ类或Ⅴ类； 哈素海夏季模糊综合评价法各监测点水质为Ⅴ类或以下，秋季各监测点水质为Ⅲ类或Ⅳ类；两种方法均表明哈素海秋季水质优于夏季。夏季后河进水口和东南湖区的水质较好，秋季黄河进水口的水质较差，且总氮、总磷是影响 哈素海水质的主要因素。研究表明，单因子评价法和模糊综合评价法对哈素海水质类别评价有差异，模糊综合评价法得到的水质等级优于单因子评价法，但总体趋势基本一致，建议采用两种方法联合评价哈素海的水质。

Abstract

To investigate the water quality of the Hasuhai Lake and provide basis for promoting ecological protection and high-quality development of the Yellow River basin in Inner Mongolia，the water environment quality and the influencing factors of six monitoring sites set in Hasuhai Lake were surveyed based on single factor evaluation method and fuzzy comprehensive evaluation method in summer（July）and autumn（October）in 2021. The results by single factor evaluation method showed that the water quality of the monitored sites in summer was at Class V or above，and that in autumn was at ClassⅣor ClassⅤ； however， the results by fuzzy comprehensive evaluation method showed that the water quality of the monitored sites in summer was at Class V or below，and that in autumn was at Class Ⅲ or Class Ⅳ； the water quality in autumn was better than that in summer by both of the evaluation methods，and the water quality of Houhe River inlet and Southeast lake area in summer was better，while the water quality of Yellow River inlet in autumn was poorer. The analysis revealed that the total nitrogen and total phosphorus were the main influencing factors on water quality. In summary， there were differences between the two methods on evaluation of the water quality categories of Hasuhai Lake，the water quality grade obtained by fuzzy comprehensive evaluation method was better than that obtained by single factor evaluation method，but the overall trend was basically same. It was suggested that the water quality of Hasuhai Lake should be evaluated by the combination of the two methods.

Graphical abstract

关键词

哈素海 / 模糊综合评价法 / 单因子评价法 / 水环境质量

Key words

Hasuhai Lake / fuzzy comprehensive evaluation method / single factor evaluation method / water environment quality

黄河流域作为内蒙古自治区（简称内蒙古）最重要的水资源，是农田灌溉的水源，同时也是沿岸城市工业用水和饮用水水源地^［1］。哈素海位于内蒙古呼和浩特市土默特左旗境内，南临黄河，北依大青山，是内蒙古 黄河流域生态保护的重点湖泊，面积约30 km²，最大水深3 m，平均水深1.7 m，具有湿地、灌溉、蓄洪、养殖和旅游等重要生态价值和经济价值^［2］。该水域渔业资源丰富，哈素海鲤鱼已成为全国地理标志农产品^［3］。近几年，为筑牢我国北方重要生态安全屏障，积极推进黄河流域生态保护和高质量发展，对哈素海开展系列生态环境综合整治工作，哈素海的水质状况受到广泛关注。凌佳等^［4］研究表明，2018年秋季哈素海水体TN、COD含量超标，水质属于污染等级。鲁玥等^［5］研究表明，2019年春季哈素海水体呈轻富营养⁃中富营养状态。霍海鹰等^［6］研究表明，2021年春、夏季哈素海水体呈中度富营养化，且夏季富营养化程度高于春季。水质评价结果的可靠程度与监测数据的准确性和评价方法的科学性密切相关^［7］。常用的水质评价方法有单因子评价法、内梅罗污染指数法、模糊综合评价法、灰色关联分析法、水质标识指数法等^［7⁃8］。单因子评价法能直观地反映监测断面的主要污染因子，简单易行，但评价结果过于严格^［8］。模糊综合评价法充分考虑了各评价因子对整体水质评价的贡献，评价结果更加客观^［9］。由于水环境的连续性及不确定性，模糊综合评价法常被用于评价湖库等地表水水质^［10］。本研究以哈素海2021年夏季（7月）和秋季（10月）的水质监测结果为基础数据，采用单因子评价法和模糊综合评价法分析其水环境质量，从而为哈素海进一步完善生态恢复和规划治理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与测试

依据哈素海气温、水温、降水量、水生动植物生长情况及周边旅游业等环境条件，选择变化明显的夏季7月和秋季10月采样。参照《水环境监测规范》（SL 219-2013），在哈素海共设置6个监测点，分别标记为：大青山进水口（A：40°37'13" N，110°57'34" E）、后河进水口（B：40°36'10" N，110°57'3" E）、黄河进水口（C：40°34'58" N，110°59'27" E）、东南湖区（D：40°35'35" N，110°59'41" E）、湖心（E：40°36'8" N，110°58'32" E）以及出水口（F：40°36'56" N，110°59'5" E），具体位置信息见图1，并选择水下0.5 m处采集水样，每个监测点采集2个平行样。选取溶解氧（DO）、氨氮（NH₃⁃N）、高锰酸盐指数（COD_Mn）、总氮（TN）和总磷（TP）能反映湖泊水质污染及富营养化水平的监测指标，溶解氧现场测定，其余指标测定方法参照《水和废水监测分析方法》（第四版）^［11］，监测结果以（平均值±标准差）表示。

1.2 水质评价方法与标准

1.2.1 单因子评价法

以《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）^［12］为评价标准，将各水质指标实测浓度与评价分类标准逐项对比，确定各指标水质类别，选取单项指标水质最差的类别作为评价结果，本研究设定的水环境功能区目标是Ⅳ类水标准。

1.2.2 模糊综合评价法

（1）建立评价因子集U和评价集V

U=｛DO，NH₃⁃N，COD_Mn，TP，TN｝，V=｛Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ｝，Ⅰ-Ⅴ为《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中5个水质类别。

（2）建立模糊关系矩阵

模糊关系矩阵R是由各项评价因子对各级水质标准的隶属度r_ij 组成，采用“降半梯形”隶属函数计算隶属度^［13］。

R=\left[r_{ij}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{\mathrm{11}}& \cdots & r_{\mathrm{1}m}\\ r_{\mathrm{21}}& \dots & r_{\mathrm{2}m}\\ ⋮& \ddots & ⋮\\ r_{n\mathrm{1}}& \cdots & r_{nm}\end{array}\right]，

式中：r_ij 代表第i项评价因子对j类标准的隶属度，n为评价因子总数，m为水质类别数。

对于氨氮、高锰酸盐指数等数值越高污染越严重的偏小型分布指标，隶属函数表示为

当j=1时，

r_{ij}=\left\{\begin{array}{l}\mathrm{1},C_i\le S_{i\mathrm{1}},\\ \frac{S_{i\mathrm{2}}-C_i}{S_{i\mathrm{2}}-S_{i\mathrm{1}}},S_{i\mathrm{1}}\le \\ \mathrm{0},C_i\ge S_{i\mathrm{2}}\mathrm{。}\end{array}\right.C_i\le S_{i\mathrm{2}},

当j=2-4时，

r_{ij}=\left\{\begin{array}{l}\mathrm{0},C_i\le S_{i,j-\mathrm{1}}\mathrm{或}{C}_i\ge S_{i,j+\mathrm{1}},\\ \frac{C_i-S_{i,j-\mathrm{1}}}{S_{ij}-S_{i,j-\mathrm{1}}},S_{i,j-\mathrm{1}}\le C_i\le S_{ij},\\ \frac{S_{i,j+\mathrm{1}}-C_i}{S_{i,j+\mathrm{1}}-S_{ij}},S_{ij}\le C_i\le S_{i,j+\mathrm{1}}\mathrm{。}\end{array}\right.

当j≥5时，

r_{ij}=\left\{\begin{array}{l}\mathrm{0},C_i\le S_{i\mathrm{4}},\\ \frac{C_i-S_{i\mathrm{4}}}{S_{i\mathrm{5}}-S_{i\mathrm{4}}},S_{i\mathrm{4}}\le \\ \mathrm{1},C_i\ge S_{i\mathrm{5}}\mathrm{。}\end{array}\right.C_i\le S_{i\mathrm{5}},

溶解氧属于数值越小污染越严重的偏大型分布指标，其隶属函数可表示为

当j=1时，

r_{ij}=\left\{\begin{array}{l}\mathrm{1},C_i\ge S_{i\mathrm{1}},\\ \frac{C_i-S_{i\mathrm{2}}}{S_{i\mathrm{1}}-S_{i\mathrm{2}}},S_{i\mathrm{1}}\ge \\ \mathrm{0},C_i\le S_{i\mathrm{2}}\mathrm{。}\end{array}\right.C_i\ge S_{i\mathrm{2}},

当j=2-4时，

r_{ij}=\left\{\begin{array}{l}\mathrm{0},C_i\ge S_{i,j-\mathrm{1}},C_i\le S_{i,j+\mathrm{1}},\\ \frac{S_{i,j-\mathrm{1}}-C_i}{S_{i,j-\mathrm{1}}-S_{ij}},S_{i,j-\mathrm{1}}\ge C_i\ge S_{ij},\\ \frac{C_i-S_{i,j+\mathrm{1}}}{S_{ij}-S_{i,j+\mathrm{1}}},S_{ij}\ge C_i\ge S_{i,j+\mathrm{1}}\mathrm{。}\end{array}\right.

当j≥5时，

r_{ij}=\left\{\begin{array}{l}\mathrm{0},C_i\ge S_{i\mathrm{4}},\\ \frac{S_{i\mathrm{4}}-C_i}{S_{i\mathrm{4}}-S_{i\mathrm{5}}},S_{i\mathrm{4}}\ge \\ \mathrm{1},C_i\le S_{i\mathrm{5}}\mathrm{。}\end{array}\right.C_i\ge S_{i\mathrm{5}},

式中：C_i 为第i项评价因子的实测浓度（mg/L），S _ij 为第i项评价因子的j类标准值（mg/L）。

（3）确定评价因子的权重向量

采用超标倍数法^［14］归一化计算各因子权重值w_i，并构建各因子权重向量W。

w_i=\frac{C_i/\overline{S_{i\mathrm{0}}}}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}\frac{C_i}{\overline{S_{i\mathrm{0}}}}}，

W=\left[w_i\right]=\left[w_{\mathrm{1}},w_{\mathrm{2}},\dots ,w_n\right]。

式中：C_i 同上，\overline{S_{i\mathrm{0}}}为第i项评价因子各类别评价标准的平均值。

（4）确定模糊综合评价结果

将权重向量W和模糊关系矩阵R相乘，得到模糊综合评价集合B，根据最大隶属度原则确定各监测点水质类别。

B=W\times R=\left[w_{\mathrm{1}},w_{\mathrm{2}},\dots ,w_n\right]\times \left[\begin{array}{ccc}{r}_{\mathrm{11}}& \cdots & r_{\mathrm{1}m}\\ r_{\mathrm{21}}& \dots & r_{\mathrm{2}m}\\ ⋮& \ddots & ⋮\\ r_n& \cdots & r_{nm}\end{array}\right]。

2 结果分析

2.1 水质监测结果

哈素海水体2021年7月、10月水质监测数据见表1。由表1可知，7月各监测点及10月黄河进水口的TP和TN浓度均超过Ⅳ类水标准限值。DO均值7月低于10月，NH₃⁃N均值两月接近，其余指标均值7月高于10月。

2.2 单因子评价法评价结果

哈素海单因子评价法水质评价结果见表2。由表2可知，7月除后河进水口和东南湖区属于Ⅴ类水质外，其余监测点及全湖均属于劣Ⅴ类水质，TP和TN是影响水质的主要因子。10月除黄河进水口为Ⅴ类水质外，其余监测点及全湖均属于Ⅳ类水质，TP和TN是影响黄河进水口水质的主要因子。总体而言， 哈素海10月水质优于7月，TP和TN是引起哈素海水质超标的主要因子。

2.3 模糊综合评价法评价结果

以7月大青山进水口为例，建立模糊关系矩阵为

R=\left[\begin{array}{ccccc}\mathrm{0.40}& \mathrm{0.60}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0.36}& \mathrm{0.64}& \mathrm{0}& \mathrm{0}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0.57}& \mathrm{0.43}& \mathrm{0}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{1}\\ \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{0}& \mathrm{1}\end{array}\right]。

该监测点的归一化权重向量W和模糊综合评价集合B分别为：W=［0.097，0.109，0.143，0.355，0.296］，B=［0.039，0.098，0.151，0.062，0.651］，依据最大隶属度确定其水质类别为V类。同理，可推算出7和10月，哈素海各监测点模糊综合评价结果（表3）。表3显示，哈素海7月东南湖区和后河进水口的水质分别达到Ⅲ、Ⅳ类，其余监测点及全湖均为V类水质。10月除大青山进水口和黄河进水口水质为Ⅳ类外，其余监测点及全湖水质均为Ⅲ类。哈素海10月水质优于7月。由归一化权重值可看出，各评价因子中，对于水质评价结果超过Ⅳ类标准的水体，TP贡献最大，其次为TN。

3 结论与讨论

湖泊水质评价对水环境保护与治理十分重要，对比分析两种评价结果发现，模糊综合评价法得到的水质类别优于单因子评价法。如夏季7月，单因子评价结果显示，东南湖区和后河进水口水质均为V类，其余监测点均为劣V类；而模糊综合评价结果显示，东南湖区和后河进水口水质分别为Ⅲ、Ⅳ类，其余监测点均为V类水质。单因子评价法是以水质最差的单项指标确定水质类别，哈素海7月各监测点水质均为Ⅴ类及以上，是因为这些监测点水体总氮或总磷含量达到或超过Ⅴ类水标准，评价结果突出强调了最差因子对整体水质评价的决定性作用。模糊综合评价法因充分考虑了各评价因子对整体水质评价的贡献^［15］，得到的水质类别较好，且更接近哈素海实际水质状况。对于超过水环境功能区目标的水体，单因子评价法以超标因子作为水体的主要污染指标，模糊综合评价法以归一化权重较大的评价因子作为水体的主要污染指标^［16］。本研究两种评价结果均显示TN和TP是引起哈素海水质超标的主要因素。翟春梅等^［17］运用模糊综合评价法对秦皇岛主要入海河流水质进行评价，结果发现模糊综合评价法与单因子评价法确定水质主要影响因子具有良好一致性，这与本研究结果相符。整体来看，单因子评价法和模糊综合评价法对哈素海水质类别评价有差异，模糊综合法评价结果优于单因子评价法，但总体趋势基本一致，如两种方法均表明哈素海秋季水质优于夏季，夏季后河进水口和东南湖区的水质较好，秋季黄河进水口的水质较差，且两种方法确定水质主要影响因子的一致性较好。因此，本研究认为两种评价方法结合使用、相互印证，能使哈素海水质评价结果更加科学合理。

本研究模糊综合评价结果显示，哈素海全湖夏季水质属于Ⅴ类，秋季属于Ⅲ类。哈素海具有引水灌溉、水产养殖和景观旅游的功能，夏季整体水质较差，这与该时期降雨增多，哈素海周边农村及景区受降水影响导致大量污染物进入水体，此外也与周边6 000多亩鱼池的养殖尾水未经处理直接排放有关。哈素海秋季水质较好，主要与该季节外界输入的营养物质明显减少有关。哈素海夏季除后河进水口和东南湖区的水质达到水环境功能区目标Ⅳ类水标准，其余监测点水质均超过水环境功能区目标1个类别。本研究认为后河进水口和东南湖区的水质较好，这与该湖区水体较深，周围人类活动较少有关；黄河进水口附近水质较差可能与上游村落日常生活中污染物的排放及沿湖周围水产养殖活动有关，孙标等^［18］发现哈素海年均补水的86%来源于黄河由南侧的民生渠定期补水，而民生渠附近村落较多；大青山进水口附近水质较差，可能与哈素海承纳少量大青山沿山洪水导致底泥较多，以及该水域水浅芦苇多，水体流动性较差有关；出水口附近水质较差可能与距离哈素海旅游服务区较近有关。凌佳等^［4］2018年10月对哈素海水质进行监测，单因子评价结果表明，哈素海水质属于劣V类，且各监测点TN含量均超过Ⅳ类水标准，本研究单因子评价结果表明，2021年10月哈素海的水质达到Ⅳ类水标准，且只有黄河进水口TN含量超过Ⅳ类水标准，哈素海秋季水质与之前相比得到了改善，可能与2020年以来哈素海秋季黄河生态补水量明显增加，湖区水位升高水体得到充分稀释有关。哈素海水体TP含量偏高，近几年也有报道，闫济生等^［19］认为，2019年春季哈素海各监测点TP含量均超过Ⅳ类水标准。本研究两种评价结果均显示TN和TP是影响哈素海水质的主要因素。乌梁素海同属黄河流域内蒙古段的淡水湖，魏学敏等^［20］发现TN和TP是影响乌梁素海入湖排水沟水质的主要因素，这与本研究结果相似。有研究认为，氮磷等营养物质的来源及沉积是影响水质变化的主要因素，沉水植物对水体中氮、磷营养盐控制效果较好^{［21⁃23］}。哈素海水体TN、TP偏高，尤其是夏季，除与周边生态环境有关外，可能还与该湖泊底泥较多、水草较少有关。近年来，随着国家对湖泊水库等生态环境的高度重视，当地政府对哈素海采取了系列生态环境综合整治措施，如定期清淤，通过合理放养鱼类净化水质，加强对湖区及其周边环境的卫生管理等，哈素海的水质得到了一定程度的改善，但TN和TP仍是影响水体富营养化的主要因素。因此，今后需继续加强哈素海补给水源的水质监测与治理，并通过采取底泥疏浚、种植水草、禁渔退池，加强生态农业建设和景区建设等有效措施，切实推进哈素海生态修复治理工作。

参考文献

[1] 叶振维，路达，白妙馨.内蒙古黄河流域水污染形势分析［J］. 环境与发展，2014，26（4）：100-103.

[2] 乌日古木拉，赵格日乐图. 哈素海鸟类近12年的动态变化研究［J］.内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版），2014，43（3）：339-346.

[3] 农业农村部. 哈素海鲤鱼［EB/OL］. 全国地标农产品查询平台，2019.

[4] 凌佳，李福全.哈素海平水期水质现状分析及其污染评价［J］.山东化工，2020，49（2）：242-243.

[5] 鲁玥，刘洋，方维琦，等.呼和浩特市哈素海水体中营养盐的空间分布及潜在富营养化评价［J］.内蒙古石油化工，2021，47（10）：30-33.

[6] 霍海鹰，李翠霞，杜惠莹，等. 内蒙古哈素海水体富营养化综合评价［J］. 内蒙古水利，2023（6）： 7-8.

[7] 曾永，樊引琴，王丽伟，等. 水质模糊综合评价法与单因子指数评价法比较［J］. 人民黄河，2007（2）：45.

[8] 花瑞祥，张永勇，刘威，等. 不同评价方法对水库水质评价的适应性［J］. 南水北调与水利科技， 2016，14 （6）：183-189.

[9] 申震. 模糊数学在水质评价中的应用［J］. 市政技术，2017，35 （6）：104-106.

[10] 张洪伟，周添红，张国珍，等. 模糊综合评判法在地表水水质评价中的应用［J］. 地下水，2017，39 （1）：83-86.

[11] 国家环境保护总局 ．水和废水监测分析方法［M］．4版.北京： 中国环境科学出版社，2002．

[12] 国家环境保护总局 ． 地表水环境质量标准：GB 3838-2002 ［S］.北京：中国环境科学出版社，2002．

[13] 杨浩，张国珍，杨晓妮，等.基于模糊综合评判法的洮河水环境质量评价［J］.环境科学与技术， 2016，39（S1）：380-386.

[14] 宁阳明，尹发能. 水污染指数法和模糊综合评价法在水质评价中的应用［J］. 河南师范大学学报（自然科学版），2020，48（6）：57-63.

[15] YOU G D， XU B， SU H L，et al. Evaluation of aquaculture water quality based on improved fuzzy comprehensive evaluation method［J］.Water，2021，13（8）：1019.

[16] 余金玲，田丽蓉，吴海涛，等. 基于不同评价方法的威海市河流水质研究［J］.青海大学学报，2022，40（1）：99-106.

[17] 翟春梅，王刚，江田田，等. 秦皇岛市河流入海口水质模糊综合评价［J］. 河北环境工程学院学报，2021，31（4）：47-51.

[18] 孙标，赵胜男，朱永华.哈素海水量平衡分析及入湖污染负荷研究［J］.海洋湖沼通报，2019（1）：80-84.

[19] 闫济生，李福全.哈素海水体中磷的空间分布研究［J］.山东化工，2020，49（1）：219-220.

[20] 魏学敏，温雅琴，王志军，等.乌梁素海入湖排水沟水质分析与污染评价［J］. 长江科学院院报，2023，40（5）：63-69.

[21] 苗雪梅.上海崇明岛明珠湖浮游植物群落结构的变化及水质评价［D］.上海：上海海洋大学，2019：10-14.

[22] 黄小龙，郭艳敏，万斌. 沉水植物恢复对城市富营养化湖泊生态环境影响［J］. 环境工程，2018，36（7）：17-21.

[23] STARLING F L R M， ROCHA A J A. Experimental study of the impacts of planktivorous fishes on plankton community and eutrophication of a tropical Brazilian reservoir［J］. Hydrobiologia，1990，200-201（1）：581-591.

基金资助

内蒙古自治区高等学校科学研究资助项目“岱海湖浮游生物功能群与环境因子的响应”(NJZZ23042)

内蒙古农业大学青年教师科研能力提升专项资助项目“哈素海浮游生物功能群特征及驱动因子的研究”(BR230153)