基于長期定位監測數據的江蘇主要湖泊漁業水質比較分析與綜合評價

王偉+樊祥科+黃春貴+鄭浩+陳志軍+樊寶洪+徐辰武

摘要：對2001—2011年（不含2004年）10年間江蘇省5個主要湖泊的漁業水質監測數據按系統分組資料進行方差分析，比較湖泊間各監測指標的差異顯著性，并應用多指標綜合評價法（TOPSIS法）對5個湖泊水質進行綜合評價。結果表明，除銅含量外，5個湖泊間的水溫、透明度、溶解氧等14個指標均存在極顯著性差異;湖泊內站位間的透明度、總氮、總磷差異極顯著;站位內年份間的pH值、化學需氧量、石油類、總磷、鉛、鎘、汞差異顯著或極顯著;漁業水質最好的是高寶邵伯湖，駱馬湖水質與之相當，其后依次為洪澤湖、太湖、滆湖，5個湖泊的水質由南向北越來越好，這與江蘇南北工業經濟發達程度呈高度的關聯性。

關鍵詞：江蘇省;湖泊;漁業水質;綜合比較;監測數據

中圖分類號： X824 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0371-04

收稿日期：2014-09-11

基金項目：江蘇省高?！扒嗨{工程”科技創新團隊項目;江蘇省作物學優勢學科項目。

作者簡介：王 偉（1979—），女，山東泰安人，博士，主要從事試驗統計學研究。E-mail：wangwei-2002@sohu.com。

通信作者：徐辰武，教授，博士生導師，主要從事試驗統計學研究。E-mail：cwxu@yzu.edu.cn。

湖泊是地表生態系統中人類賴以生存的自然單元之一，在供水、防洪、養殖、旅游、航運和維持生態平衡等方面發揮著巨大的作用。數十年來，隨著我國人口的增加和工農業生產的發展，加之湖泊水資源過度開發，湖泊水資源短缺、水環境惡化和生態系統退化等問題日益凸顯，已嚴重威脅到社會經濟的可持續發展和人類健康[1]。

江蘇是我國淡水湖泊分布集中的省份之一，現有太湖、滆湖、洪澤湖、高寶邵伯湖和駱馬湖5個省管湖泊，其中，太湖和洪澤湖是國內研究熱點[2-8]。多年來，江蘇主管部門對這5個湖泊的增殖區、保護區、網圍養殖區和進出湖河道等功能區開展了漁業環境監測，但對這5個湖泊大量的漁業水質監測數據還缺乏系統的分析。TOPSIS（technique for order preference by similarity to ideal solution）也叫逼近于理想解的技術，是系統工程中有限方案多目標決策分析常用的一種決策方法，其核心思想是通過先定義決策問題的理想解與負理想解，然后比較評價方案與理想解和負理想解的距離遠近，最后計算各個方案與理想解的相對貼近度，并進行方案的優劣排序。TOPSIS法對數據分布及樣本量、指標多少無嚴格限制，數學計算亦不復雜，既適用于少樣本資料，也適用于多樣本的大系統，已在醫療、經濟、農業等領域得到廣泛應用[9-10]。目前，基于長期定位監測數據的江蘇省主要湖泊漁業水質比較分析與綜合評價尚未見相關文獻報道。

利用系統分組資料方差分析方法，對江蘇多年定位監測的5個湖泊漁業水質數據進行統計分析，鑒別湖泊間、湖泊內站位間和站位內年份間的差異顯著性，并應用TOPSIS法對5個湖泊漁業水質進行評價，有助于進一步探討漁業水質差異與湖泊流域周圍經濟發展水平之間的關系，不但可以為當地漁業生產服務，還可以為該地區行業發展政策的制定提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 數據來源

2001—2011年（不含2004年）太湖、滆湖、洪澤湖、高寶邵伯湖、駱馬湖這5個湖泊漁業水質的監測數據，由江蘇省漁業生態環境監測站提供，其中，太湖共監測413站次，滆湖共監測183站次，洪澤湖共監測205站次，高寶邵伯湖共監測221站次，駱馬湖共監測142站次，總監測數據量達13 537個。

1.2 監測指標及測定方法

采用瞬時采樣法采集表層水樣，15個監測指標分別為水溫、透明度、pH值、溶解氧、化學需氧量、高錳酸鉀指數、石油類、氨態氮、總氮、總磷、銅、鉛、鎘、汞、砷。水溫、透明度、pH值、溶解氧為現場測定，其他項目由水樣加入試劑固定處理后帶回實驗室進行分析。樣品固定與分析按《水和廢水監測分析方法》[11]進行，評價標準依據GB 11607—1989《漁業水質標準》、GB 3838—2002《地表水環境質量標準》執行。

1.3 統計分析方法

1.3.1 系統分組資料方差分析 以湖泊作為組、湖泊內監測站位作為組內亞組、站位內年份作為小亞組，進行3級系統分組資料方差分析，以比較各監測指標的差異顯著性。

1.3.2 TOPSIS法水質綜合評價 主要分析步驟：建立同趨勢化的原始數據矩陣，以消除不同指標不同綱量及其數量級差異對評價結果的影響;對同趨勢化的原始數據矩陣進行歸一化處理，建立歸一化數據矩陣，其計算公式為：u=（x-xmin）/（xmax-xmin）;根據歸一化矩陣得到最優值向量A+和最劣值向量A-;分別計算各方案的評價指標值與最優方案和最劣方案的距離D+i和D-i，計算公式分別為：D+i=∑（aijmax-aij2和D-i=∑（aijmin-aij）2;計算各評價指標與最優方案的接近程度，計算公式為：Ci=D-/（D-+D+），Ci值越小，水質越好，反之，水質越差。

2 結果與分析

2.1 5個湖泊水質的理化特征

水體透明度的大小，不僅影響水中浮游植物的光合作用，而且還能大致反映水中浮游植物的豐歉和水質的肥度，透明度越小，浮游生物量越多;反之，浮游生物量越少。水質pH值低于6.5，可使水產動物血液中的pH值下降，削弱了其血液載氧能力，造成水產動物患生理缺氧癥;水質pH值過高，則可腐蝕魚蝦鰓部組織，影響魚蝦的呼吸功能。溶解氧是水污染狀態的重要指標之一，當水中溶解氧消失時，厭氧細菌繁殖形成厭氧分解，可分解出甲烷、硫化氫、氨等有毒氣體?；瘜W需氧量是指以重鉻酸鉀作為氧化劑所消耗的量，而高錳酸鹽指數是以高錳酸鉀作為氧化劑所消耗的量，兩者都是反映地表水體受有機污染物和還原性無機物污染程度的綜合指標。石油類對魚類等水生生物具有較強的毒性，可存于脂肪中在生物體內富集。水體中的氨態氮是各類型氮中危害影響最大的一種形態，是水體中的主要耗氧污染物，是水體受到污染的標志，氨態氮氧化分解可消耗水中的溶解氧，使水體發黑發臭?？偟呛饬克|的重要指標之一，總氮增加和磷過量均會使浮游植物繁殖茂盛，水體出現富營養化，破壞水體中的氧氣平衡，導致水質惡化，同時，藻類等浮游植物的死亡將釋放毒素，引起水體進一步受到污染。endprint

由表1可見，5個湖泊水溫變化范圍為20.32～23.10 ℃，變異系數中等，在0.19～0.34之間;5個湖泊中，駱馬湖透明度最大，為0.86 m，其次是高寶邵伯湖，為0.62 m，滆湖透明度最小，為0.36 m;監測年份內，5個湖泊的pH值基本正常，變動不大，比較穩定，變異系數均較小，在0.06～0.08之間;5個湖泊溶解氧變化范圍為7.86～9.26 mg/L，變異系數中等，在0.24～0.30之間;滆湖的化學需氧量和高錳酸鹽指數均較大，分別為36.43、6.46 mg/L，其變異系數分別為028和027，高寶邵伯湖的高錳酸鹽指數變異系數為0.97，變異較大;洪澤湖的石油類含量相對最高，為76.40 μg/L，變異系數相對最大，為0.98;太湖的氨態氮含量相對最高，為 0.55 mg/L，變異系數相對最大，為0.91;滆湖的總氮和總磷含量相對最大，分別為3.18、0.18 mg/L，其變異系數分別為0.51和088;銅、鉛、鎘、汞、砷均符合我國漁業水質標準，但相對變異均較大。

2.2 5個湖泊水質指標的差異顯著性比較

由表2可見，除銅含量外，5個湖泊的水溫、透明度、溶解氧等14個指標均存在極顯著性差異，這可能是由這些湖泊被

表1 2001—2011年5個湖泊漁業水質指標基本統計值

湖泊 統計量 水溫

（℃） 透明度

（m） pH值 溶解氧

（mg/L） 化學

需氧量

（mg/L） 高錳酸鹽

指數

（mg/L） 石油類

（μg/L） 氨態氮

（mg/L） 總氮

（mg/L） 總磷

（mg/L） 銅

（μg/L） 鉛

（μg/L） 鎘

（μg/L） 汞

（μg/L） 砷

（μg/L）

太湖 平均值 22.52 0.42 7.95 8.18 31.56 4.15 46.20 0.55 2.13 0.11 5.72 3.84 1.03 0.08 10.40

標準差 6.31 0.31 0.56 1.96 11.99 1.49 42.50 0.50 1.62 0.11 5.49 3.15 0.75 0.07 9.67

變異系數 0.28 0.73 0.07 0.24 0.38 0.36 0.92 0.91 0.76 0.98 0.96 0.82 0.73 0.91 0.93

滆湖 平均值 22.99 0.36 8.10 9.26 36.43 6.46 48.90 0.43 3.18 0.18 5.89 3.46 0.75 0.15 2.61

標準差 4.83 0.26 0.49 2.69 10.20 1.74 42.05 0.37 1.62 0.16 5.12 3.01 0.67 0.14 1.75

變異系數 0.21 0.71 0.06 0.29 0.28 0.27 0.86 0.87 0.51 0.88 0.87 0.87 0.89 0.96 0.67

洪澤湖 平均值 21.52 0.40 8.40 7.86 23.51 4.31 76.40 0.34 1.39 0.11 4.99 3.70 1.44 0.17 1.77

標準差 5.81 0.27 0.59 2.28 5.64 1.51 74.87 0.19 1.13 0.11 4.84 3.40 1.38 0.15 1.04

變異系數 0.27 0.68 0.07 0.29 0.24 0.35 0.98 0.56 0.81 0.99 0.97 0.92 0.96 0.87 0.59

高寶邵 平均值 23.10 0.62 8.01 8.49 21.13 7.72 15.90 0.25 1.61 0.08 4.26 3.27 1.19 0.07 1.68

伯湖 標準差 4.39 0.48 0.64 2.55 12.89 7.49 12.88 0.18 1.19 0.08 3.79 3.04 1.09 0.02 0.76

變異系數 0.19 0.78 0.08 0.30 0.61 0.97 0.81 0.70 0.74 0.95 0.89 0.93 0.92 0.34 0.45

駱馬湖 平均值 20.32 0.86 8.43 8.37 22.02 3.56 43.70 0.23 1.60 0.05 3.73 8.54 0.23 0.19 1.15

標準差 6.91 0.58 0.67 2.01 3.74 1.00 33.65 0.17 1.15 0.05 3.21 8.20 0.20 0.16 0.66

變異系數 0.34 0.68 0.08 0.24 0.17 0.28 0.77 0.74 0.72 0.95 0.86 0.96 0.80 0.86 0.57

表2 5個湖泊主要水質指標的方差分析

變異來源

水溫 透明度 pH值 溶解氧 化學需氧量

df MS F值 df MS F值 df MS F值 df MS F值 df MS F值

湖泊間 4 156.08 24.9* * 4 4.76 14.36* * 4 11.07 22.66* * 4 38.72 6.65* * 4 6 058.52 36.53* *

湖泊內站位間 117 6.27 0.40 114 0.33 1.94* * 115 0.49 1.06 116 5.82 1.28 100 165.86 0.87endprint

站位內年份間 224 15.77 0.30 147 0.17 2.01* * 302 0.46 1.95* * 306 4.56 0.87 166 190.71 2.47* *

誤差 414 52.61 307 0.08 394 0.24 524 5.27 477 77.33

總數 759 572 815 950 747

變異來源

高錳酸鹽指數 石油類 氨態氮 總氮 總磷

df MS F值 df MS F值 df MS F值 df MS F值 df MS F值

湖泊間 4 291.23 4.12* * 4 0.09 6.21* * 4 3.01 23.88* * 4 97.63 22.38* * 4 0.41 10.71* *

湖泊內站位間 113 70.65 19.53* * 122 0.02 1.00 114 0.13 1.09 119 4.36 2.55* * 119 0.04 2.00* *

站位內年份間 169 3.62 0.14 356 0.02 2.00* 251 0.12 0.90 367 1.71 1.09 366 0.02 2.00* *

誤差 369 25.86 634 0.01 382 0.13 639 1.57 626 0.01

總數 655 1 116 751 1 129 1 115

變異來源

銅 鉛 鎘 汞 砷

df MS

（×10-4） F值 df MS

（×10-5） F值 df MS

（×10-6） F值 df MS

（×10-8） F值 df MS

（×10-4） F值

湖泊間 4 1.56 0.66 4 62.3 33.97* * 4 32.9 8.92* * 4 48.90 19.92* * 4 37.00 5.25* *

湖泊內站位間 113 2.38 0.96 110 1.84 0.32 108 3.69 0.41 114 2.46 0.77 113 7.04 0.56

站位內年份間 351 2.47 1.08 340 5.79 5.68* * 328 8.94 1.19* 328 3.00 1.50* * 328 12.60 1.14

誤差 596 2.29 550 1.02 503 7.48 539 2.00 471 11.00

總數 1 064 1 004 943 985 916

利用的方式不同所致;湖泊內站位間的透明度、總氮、總磷存在極顯著性差異，其他指標差異不顯著;站位內年份間的pH值、化學需氧量、石油類、總磷、鉛、鎘和汞含量差異顯著或極顯著，這說明這些指標在年際間均不穩定。

由表3可見，高寶邵伯湖的水溫最高，與駱馬湖差異顯著，但與滆湖、太湖、洪澤湖之間差異不顯著;駱馬湖的透明度最高，其次是高寶邵伯湖，滆湖、太湖、洪澤湖間水質的透明度差異不顯著;5個湖泊溶解氧均符合漁業水質標準，其中以滆湖最高，與其他湖泊差異顯著;滆湖和太湖的化學需氧量濃度分別為36.43、31.56 mg/L，為地表水環境質量標準Ⅴ類水質，兩者差異顯著，其他3個湖泊為Ⅳ類水質;從高錳酸鹽指數看，高寶邵伯湖和滆湖為地表水環境質量標準Ⅳ類水質，兩者之間差異不顯著，其次是太湖和洪澤湖，達到地表水環境質量Ⅲ類標準，駱馬湖達到Ⅱ類標準，與太湖和洪澤湖差異不顯著;只有洪澤湖水質的石油類指標未達漁業水質標準，與其他4個湖泊差異顯著，高寶邵伯湖石油類含量最低為，15.90 μg/L;太湖的氨態氮指標最高，為0.55 mg/L，達地表水環境質量Ⅲ類標準，與達地表水環境質量Ⅱ類標準的其他4個湖泊差異顯著;滆湖和太湖的總氮含量分別為3.18、2.13 mg/L，均為地表水環境質量標準Ⅴ類水質，兩者之間差異顯著;5個湖泊的總磷含量均不超過地表水環境質量標準Ⅴ類水質標準，滆湖的總磷含量最高，為0.18 mg/L，與其他湖泊間差異顯著，駱馬湖最低，為0.05 mg/L，達地表水環境質量Ⅲ類標準;5個湖泊的鉛、鎘、汞和砷含量均符合漁業水質標準;駱馬湖鉛濃度最高，為8.54 μg/L，與其他4個湖泊間差異顯著;洪澤湖的鎘含量最高，為1.44 μg/L，與太湖、高寶邵伯湖差異不顯著，與滆湖和駱馬湖差異顯著;駱馬湖的汞含量最高，為0.19 μg/L，與洪澤湖差異不顯著;太湖的砷含量最高，為10.40 μg/L，與其他4個湖泊差異顯著。

表3 5個湖泊主要水質指標的多重比較

湖泊 水溫

（℃） 透明度

（m） pH值 溶解氧

（mg/L） 化學需氧量

（mg/L） 高錳酸鹽指數

（mg/L） 石油類

（μg/L） 氨態氮

（mg/L） 總氮

（mg/L） 總磷

（mg/L） 鉛

（μg/L） 鎘

（μg/L） 汞

（μg/L） 砷

（μg/L）

太湖 22.52a 0.42c 7.95d 8.18bc 31.56b 4.15b 46.20b 0.55a 2.13b 0.11b 3.84b 1.03ab 0.08c 10.40a

滆湖 22.99a 0.36c 8.10c 9.26a 36.43a 6.46a 48.90b 0.43b 3.18a 0.18a 3.46b 0.75bc 0.15b 2.61b

洪澤湖 21.52ab 0.40c 8.40b 7.86c 23.51c 4.31b 76.40a 0.34c 1.39c 0.11b 3.70b 1.44a 0.17ab 1.77bendprint

高寶邵伯湖 23.10a 0.62b 8.01cd 8.49b 21.13d 7.72a 15.90c 0.25d 1.61c 0.08c 3.27b 1.19ab 0.07c 1.68b

駱馬湖 20.32b 0.86a 8.43a 8.37bc 22.02cd 3.56b 43.70b 0.23d 1.60c 0.05d 8.54a 0.23c 0.19a 1.15b

注：同列數據后不同小寫字母表示在0.05水平上有顯著性差異。

2.3 5個湖泊水質的綜合評價

由于水溫和pH值不具有同趨勢性，故選取透明度、溶解氧、化學需氧量等13個監測指標進行TOPSIS分析，由于透明度和溶解氧為高優指標，其他均為低優指標，因此，將透明度和溶解氧取倒數，轉化為低優指標。將同趨勢化后的數據進行歸一化處理，建立相應的歸一化數據矩陣（表4）。最優值向量和最劣值向量分別為：A+=min（0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0） 和A+=max（1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1）。

表4 5個湖泊主要水質指標的歸一化結果

湖泊 透明度 溶解

氧 化學

需氧量 高錳酸

鹽指數 石油類 氨態氮 總氮 總磷 銅 鉛 鎘 汞 砷

太湖 0.754 0.741 0.681 0.141 0.500 1.000 0.413 0.461 0.909 0.060 0.666 0.077 1.000

滆湖 1.000 0.000 1.000 0.697 0.544 0.625 1.000 1.000 1.000 0.000 0.500 0.641 0.161

洪澤湖 0.828 1.000 0.155 0.180 1.000 0.343 0.000 0.461 0.590 0.060 1.000 0.816 0.075

高寶邵伯湖 0.278 0.509 0.000 1.000 0.000 0.062 0.122 0.230 0.272 0.020 0.916 0.000 0.064

駱馬湖 0.000 0.597 0.058 0.000 0.458 0.000 0.117 0.000 0.000 1.000 0.000 1.000 0.000

由表5可見，高寶邵伯湖的Ci值最小，為0.345，滆湖的Ci值最大，為0.582，這說明高寶邵伯湖漁業水質相對最好，滆湖漁業水質相對最差;駱馬湖的Ci值為0.347，與高寶邵伯湖的Ci值相差不多，這說明駱馬湖和高寶邵伯湖的綜合水質優劣相當;從5個湖泊的漁業水質優劣排序看，漁業水質最好的是高寶邵伯湖，其后依次是駱馬湖、洪澤湖、太湖和滆湖，由南向北水質越來越好。

表5 5個湖泊水質評價結果

湖泊 D+i D-i Ci 排序

太湖 1.924 2.349 0.549 4

滆湖 1.876 2.619 0.582 5

洪澤湖 2.252 2.257 0.500 3

高寶邵伯湖 2.893 1.525 0.345 1

駱馬湖 3.020 1.607 0.347 2

3 討論

湖泊作為人類一種寶貴的自然資源，在國家社會經濟可持續發展中起著重要的作用。然而，在全球氣候環境變化和我國工業化、城鎮化快速推進的背景下，我國湖泊被大量不合理開發，如盲目圍墾取水、圍網養殖、筑堤修壩、排污等，人類掠奪性的開采和開發已經對湖泊造成嚴重破壞。隨著江蘇省5個湖泊流域和周邊地區人口增長和經濟快速發展，湖泊總氮、總磷和重金屬等污染物增加，湖泊水環境污染不斷加重，入湖污染物的增加引起湖泊水環境質量下降[12]。近幾十年來，5個湖泊均面臨著湖泊萎縮與調蓄能力降低、水質下降與富營養化加重、生物多樣性減少與生態退化等問題，并引發一系列生態與環境后果，嚴重影響流域居民日常生活和經濟的可持續發展。由于各湖泊的利用方式及類型不同，造成江蘇省這5個湖泊漁業水質有所差異，如何控制好不同利用方式對水體產生的影響，做到既很好地利用水體資源，又不破壞水生態系統，有待于進一步探討。

對水環境進行質量評價，可以了解水質狀況和不同水域水體的質量差別，既為水環境管理決策提供科學依據，同時也是進行水環境管理的重要手段之一。水體環境評價的方法有多種，如模糊聚類分析法、綜合指標法、灰色系統法、因子分析法等[13-16]，這些方法各有優缺點，在評價同一區域或不同區域環境時均表現出不同的優劣程度。TOPSIS法通過對數據指標同趨勢化和歸一化處理，消除了不同量綱的影響，能定量反映不同評價單元的優劣程度，對樣本資料無特殊要求，使用靈活簡便[17]，是一種較好的綜合評價方法。本研究結果表明，5個湖泊的漁業水質優劣排序，基本上是由南向北水質越來越好，這與江蘇從南到北的工業經濟發達程度呈高度關聯性，即工業經濟發達程度越高，湖泊漁業水質可能相應越差。

以往的漁業水質監測數據，僅以簡單的柱形圖描述各監測指標是否超標，沒有充分利用統計學分析方法進行統計分析。本研究首次采用系統分組資料方差分析方法處理長期定位監測的漁業水質監測數據，并應用TOPSIS法對江蘇5個湖泊漁業水質13個指標進行差異比較，該方法簡便、快捷，是評價水體質量較理想的綜合評價方法，值得推廣應用。

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