2016—2021年海河干流天津市区段水质评价

王娟娟，张素青，王宝峰，王德兴，吴玉凡，王梦玉

（1.天津市农业生态环境监测与农产品质量检测中心，天津 300193；2.天津市食品安全检测技术研究院，天津 300380）

近年来，随着中国城市化进程的加快和经济的迅猛发展，随之带来的水域环境污染问题日益突出，渔业水域环境的质量劣化和生态功能衰退已成为制约中国渔业可持续发展的重要问题。

海河流域是中国七大流域之一，包括海河、滦河、徒骇马颊河3 个水系。其中海河水系包括北三河（北运河、蓟运河、潮白河）、永定河、大清河、子牙河、黑龙港、运东地区（南排河、北排河）、漳卫河等河系。海河干流起源于天津市三岔口[1]，西起金钢桥，东至入海口，横贯天津市区、东丽区以及津南区，于滨海新区塘沽汇入渤海，是海河流域最重要行洪排涝入海河道。海河干流全长72 km，河面平均宽度约100 m[2]。海河二道闸建立后，将海河干流水体一分为二，海河二道闸上游水体为淡水，下游水体受潮汐影响，盐度变化较大，形成了两种不同的水体环境。

据《2020年中国渔业统计年鉴》[3]记载，2019年天津市淡水养殖面积23 087 hm2，其中池塘养殖面积22 739 hm2，水库养殖面积220 hm2，河沟养殖面积23 hm2，其他养殖面积105 hm2。

海河干流是天津市内陆养殖用水的重要来源，为探清该水域水质状况，充分发挥其生态功能和作用，2016—2021年笔者对该水域天津市区段高锰酸盐指数、总氮、总磷、石油类、溶解氧、pH、叶绿素a 等水质指标进行了连续监测，以期为海河干流的增殖放流和渔业生态环境保护提供基础数据。

1 调查与评价方法

1.1 调查时间与范围

在海河干流天津市区段共设置监测站位3 个（表1），监测水域面积330 hm2。每个站位分别在2016—2021年的5月（枯水期）、7月（丰水期）、9月（平水期）进行采样。

表1 海河干流天津市区段监测站位经纬度

1.2 监测项目与检测方法

水质监测项目：高锰酸盐指数、总氮、总磷、石油类、溶解氧、pH、叶绿素a。样品采集和检测方法按照《SC/T 9102.3—2007 渔业生态环境监测规范 第3 部分：淡水》的要求执行。

1.3 评价方法

海河干流天津市区段的水质状况采用熵权模糊综合评价法，遵照最大隶属度原则进行水质的模糊综合评价及水质的分级计算[4]。熵是系统状态的不确定性程度，在评价系统中，某项指标值变异程度越大，信息熵就越小，提供的有效信息就越多，其对应的权重也就越大。反之，某项指标值变异程度越小，信息熵就越大，提供的有效信息就越少，其对应的权重也就越小。若在评价过程中被评价对象在某项指标完全不变时，信息熵达到最大，表明该指标未提供任何有价值的信息，可以将其从评价体系中剔除。因此，熵权是一种客观的赋值方法，在对水质进行模糊评价中，运用各项指标的变异程度，通过熵的计算来确定权重。

1.3.1 建立评价因子集 假设评价指标中，参与评价的m个水质指标的实际测定浓度组成的模糊子集为：

U={x1，x2，x3，…，xi，…，xm}，其中，xi为评价参数i的实测结果。

1.3.2 模糊评价集的建立 评价集为每一个评价对象所有会获得的评价结果的集合，水质质量的评价集即m个水质指标相对应的n个水质评价标准等级的集合，可表示为：

V={V1，V2，…，Vj，…，Vn}，其中，Vj为评价参数xi的n个评价标准等级。

依据《GB 3838-2002 地表水环境质量标准》，地表水分为5 类，因此确定评价集为S={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。本研究选取的地表水环境质量标准项目标准限值见表2。

表2 地表水环境质量标准项目标准限值 mg·L-1

1.3.3 建立模糊关系矩阵 在U 和V 都确定之后，通过对每个指标进行评价，得出每个指标与各个评价标准的模糊关系，进而建立模糊关系矩阵R：

式中：m为评价因子数量，i=1，2，…，m；n为水体的级别，j=1，2，…，n。

若水环境质量指标以数值小为优，则其隶属函数采用偏小型分布（如CODMn等），一般情况下采用降半梯形分布来描述，而溶解氧则与其相反，以数值大为优，则采用偏大型分布。

对于偏小型分布，各评价指标浓度的隶属度函数的建立方法如下：

第Ⅰ级水对应的第i项评价指标隶属度函数可表示为：

第j级水对应的第i项评价指标隶属度函数可表示为：

第n级水对应的第i项评价指标隶属度函数可表示为：

rij表示第i种污染物其环境因子的测定数值，可以判定为第j级水环境质量的可能性，即第i项指标对第j级水环境质量标准的隶属度。

1.3.4 权重的确定 若评价指标和评价对象分别为m和n，则原始矩阵可形成为R′=m×n。

对该矩阵进行数据标准化，可得到：R=（rij）m×n。其中：rij为第j个评价对象在某个评价指标上的标准值，rij∈∈[0,1]。其中：对大为优的某指标而言，

对小为优的某指标而言：

1.3.5 熵值的计算 在评价指标和评价对象分别为m 和n 的评价体系中，对于第i 个评价指标的熵为：

式中：i=1，2，…，m；，并规定当fij=0 时，fijlnn=0。

1.3.6 熵权的计算 在熵值计算的基础上，计算第i项指标的熵权，其公式如下：

式中：0 ≤wi≤1，。

1.4 水质富营养化评价

根据修正的卡尔森营养状态指数法（TSIM），以Chl-a作为基准参数，选择TN、TP、CODMn、Chl-a4 项主要指标作为水体富营养化程度的评价指数。其计算公式如下：

式中：TLI（∑）为评价水域的综合营养状态指数；TLI（j）为第j种参数的营养状态指数；Wj为第j种参数营养状态指数的权重。

以Chl-a为基准参数，第j种参数营养状态指数权重为：

式中：rij为第j种参数与基准参数Chl-a的相关系数；m为评价参数的数量。

Chl-a与水质参数的相关关系rij和值见表3。

表3 Chl-a 与水质参数的相关关系

评价水域的综合营养状态指数TLI 的计算公式见（12）～（15）。

湖泊营养状态的分级采用1 ～100 的连续数字表示。在同一营养状态级别，指数值越高，其营养程度越高：

TLI（Σ）＜30 为贫营养（Oligotropher）；

30 ≤TLI（Σ）≤50 为中营养（Mesotropher）；

TLI（Σ）＞50 为富营养（Eutropher）；

50 ＜TLI（Σ）≤60 为轻度富营养（Light eutropher）；

60 ＜TLI（Σ）≤70 为中度富营养（Middle eutropher）；

TLI（Σ）＞70 为重度富营养（Hyper eutropher）。

2 水质评价结果

2.1 熵权模糊综合评价结果

模糊关系矩阵R 表示每个因子的实际测定值对每级水体质量的隶属度。由各项指标的隶属度函数来计算水质监测结果的隶属矩阵，如海河干流天津市区段2016年5月水质隶属矩阵依次为：

依照相同的方法建立其他监测时间的模糊关系矩阵，在此不一一列出。

模糊关系矩阵与熵权进行合成运算，从而得到各评价对象的模糊综合评价集，定义为：

式（17）中，K为模糊综合评价结果；W为由表4 得到的各评价指标的熵权；R为由（16）得到的模糊关系矩阵。

2016—2021年海河干流天津市区段水质监测模糊综合评价结果见表5。由监测模糊综合评价结果得出，2016年5月、7月、9月海河干流天津市区段水质始终处于地表水质量Ⅴ类标准；从2017年开始，海河干流天津市区段水质趋于向好，2017年7月为Ⅳ类水，5月、9月均达到Ⅲ类水质标准；2018年海河干流天津市区段水质5月、9月均为Ⅲ类水，7月处于Ⅴ类水；2019年海河干流天津市区段5月、7月为Ⅲ类水，9月达到Ⅰ类水质标准；2020年5月、7月、9月海河干流天津市区段均为Ⅲ类水；2021年海河干流天津市区段5月为Ⅰ类水，7月为Ⅳ类水，9月为Ⅲ类水。根据《GB 3838—2002 地表水环境质量标准，环境功能和保护目标》，Ⅲ类水主要适用于集中式生活饮用水、地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区。2016—2021年水质监测结果表明，海河干流天津市区段水质状况从2017年开始得到持续改善，2019年9月和2021年5月更是达到Ⅰ类水水平，基本满足鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域用水要求。水质状况年内变化特征为呈季节性变化，7月（丰水期）水质状况劣于5月（枯水期）和9月（平水期）。

表5 2016—2021年海河干流天津市区段水质监测模糊综合评价结果

2.2 水质富营养化评价结果

采用综合营养指数法评价海河干流天津市区段水质富营养化状态。由表6 可以看出，2016—2021年监测水域综合营养状态指数为53.20 ～97.08，营养状态分级为轻度富营养化—重度富营养化状态。2016年监测水域呈现中度富营养状态—重度富营养状态，而后富营养状态逐渐好转，到2021年监测水域逐步演变为中度富营养状态—轻度富营养状态，年际变化明显，水质趋向变好。2021年海河干流天津市区段水质富营养化状态比较，富营养化程度为7月＞9月＞5月。

表6 海河干流天津市区段水质富营养化状态

本次富营养化状态调查表现为7月（丰水期）较其他月份严重，主要是由于随着工业和城市化的发展，含有大量氮、磷营养物质的工业废水、农田沥水以及生活污水随着雨水和污水排入河道，当水域中营养物质较多时，藻类等浮游生物大量繁殖，从而造成监测水域富营养化加剧、水质下降，表现为7月总氮、总磷、高锰酸盐指数显著升高。

3 结论与讨论

监测表明，2021年海河干流天津市区段水质呈季节性变化，7月（丰水期）水质情况要劣于其他月份，2016—2021年水质状况的年际变化为水质总体有变好的趋势。

海河干流天津市区段的污染物来源主要包括：作为行洪河道，天津市区的雨水和污水在汛期一同排入河道，再加上工业及生活污水非法排入河道，致使河道水质下降，同时污染物沉积到河底，形成污染沉积物，是海河内在的污染源；由于天津市水资源非常紧张，向海河补水的沿途河道均为当地的农田排灌两用河道，农田沥水和居民生活污水均排入河道，故在海河补水的同时，水质也会受到不同程度的污染；另外，水运、旅游、工业及民用垃圾等也给海河带来了污染。从监测结果来看，水质状况季节性变化比较明显，7月水质劣于5月和9月，一方面，夏季气温升高，藻类及其他浮游生物迅速繁殖，溶解氧降低，造成水质恶化；另一方面，汛期降雨量增大，雨水夹杂着污水一并排入到河道中，引起监测水域水质下降。

考虑到海河干流天津市区段水环境存在的大量模糊性和不确定性等问题，相对于传统的单因子分析法的一票否决制，本研究进行水质模糊综合评价，结合富营养化评价法，评价结果更为客观、全面。