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《海洋環(huán)境科學雜志》2014年第四期

1材料與方法

1．1站位布設2010年7月對雷州半島近海海域進行海洋調(diào)查和監(jiān)測，在大約15m等深線范圍內(nèi)，設置19個斷面，每個斷面為垂直沿岸向外輻射，每個斷面從陸向向海向依次設置近岸、中間和遠岸3個站位，共57個監(jiān)測站位。將雷州半島近海海域劃分為3個海區(qū)，東部海區(qū)為粵西海域(站1至站21)，南部海區(qū)為瓊州海峽(站22至站39)，西部海區(qū)為北部灣海域(站40至站57)。站位均采用GPS進行定位。57個監(jiān)測站位分布如圖1所示。

1．2樣品采集和分析每個站位采集離水面0．5m的表層海水和離海底0．5m的底層海水。樣品的采集和分析測試嚴格按照《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB17378-2007)［17］的要求進行，共監(jiān)測了溶解氧(DO)、鹽度(S)、懸浮顆粒物(SS)、石油類(Oil)、總有機碳(TOC)、溶解無機氮(DIN)、PO4-P、SiO3-Si、Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Hg、As、Chla、細菌總數(shù)等17個指標。

1．3數(shù)據(jù)分析

1．3．1主成分分析采用SPSS17．0軟件對監(jiān)測的17個指標進行優(yōu)選，利用SPSSR型聚類(變量聚類)，對17個變量進行降維處理，以減少過多的評價指標給計算帶來的不便。

1．3．2聚類分析［18-19］(1)原始數(shù)據(jù)標準化處理:常用的預處理方法有標準化法和極差正規(guī)化法。本文主要采用極差正規(guī)化處理。(2)計算樣品之間的距離系數(shù)，構造距離系數(shù)矩陣。(3)進行系統(tǒng)聚類，將距離最小的兩類合并為一類，再重新計算新類與相鄰類之間的距離，直到全部類合并為一類為止。(4)確定閾值，將調(diào)查站位i劃分為n類。聚類分析就是建立模糊相似矩陣，運用相似系數(shù)法進行標定。性質越接近的樣品，相似系數(shù)越接近于1或-1;彼此無關的樣品相似系數(shù)則接近于0，聚類時相似的樣品聚為一類。

1．3．3模糊綜合評價［7，13］(1)建立模糊評價指標通過主成分分析篩選相應的監(jiān)測指標作為評價因子，建立評價因子集。(2)評價等級的確定根據(jù)《海水水質評價》，將海水水質分為4個等級，y={1，2，3，4}。(3)隸屬函數(shù)的確定根據(jù)評價集中的4個等級，對監(jiān)測站位的各個指標采用高斯函數(shù)作為隸屬函數(shù)進行計算，建立模糊關系矩陣R。(4)權重的確定污染物對水質的污染大則權重大，污染小則權重小。

2結果與討論

2．1監(jiān)測指標的優(yōu)化此次調(diào)查共監(jiān)測了17個指標，將監(jiān)測指標作為變量，監(jiān)測站位作為案例，利用SPSS中的R聚類進行變量的降維處理?？梢缘玫骄垲惙治鰳湫螆D，如圖2所示。取標尺為12．5，則所有個案可分為7類。為了篩選出每一類中的典型指標，本文計算類中每一變量與其余變量的相關系數(shù)的平方均值，取其最大的變量作為典型指標［20］，再根據(jù)《海水水質標準》中規(guī)定的監(jiān)測項目進行篩選。由圖2可以看出，從上至下第4類指標中只有鹽度1項，鹽度不作為控制海水環(huán)境污染的特征指標，因此此類未有選定的指標。本文從其余6類指標中分別選擇DO、Cu、Zn、DIN、PO4-P和Oil。為了體現(xiàn)所選擇的6個指標的合理性，對57個監(jiān)測站位的17個指標進行正交化處理，找出少數(shù)幾個相互獨立的指標進行聚類分析和綜合評價(表1)。表1顯示了各主成分解釋原始變量總方差的情況，SPSS一般默認保留特征根大于1的主成分。因此選擇前5個主成分即可，但根據(jù)累計方差可知前6個主成分可獲得大于70%以上的信息量，最終本文選擇DO、Cu、Zn、DIN、PO4-P和Oil6個指標來了解整個海域的海水環(huán)境狀況。

2．2雷州半島近海海域監(jiān)測站位的聚類分析以DO、Cu、Zn、DIN、PO4-P和Oil作為變量對雷州半島57個站位的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過SPSS17．0作系統(tǒng)聚類分析(圖3)，可以看出雷州半島近海57個監(jiān)底層海水中1～27站位為一類，33～35站位、47站位和57站位為一類，其余站位為一類;表底層海水環(huán)境狀況的分界點均在27站位，其中表層海水中的4測站位大致劃分為3類，表層海水中1～3站位、5～27站位為一類，28～57站位為一類，4站位底層海水中1～27站位為一類，33～35站位、47站位和57站位為一類，其余站位為一類;表底層海水環(huán)境狀況的分界點均在27站位，其中表層海水中的4站位海水環(huán)境與其他站位有明顯的不同。

2．3雷州半島近海海域監(jiān)測站位的模糊綜合評價根據(jù)最大隸屬度原則，可得出57個監(jiān)測站位表底層海水環(huán)境的綜合評價結果(表2)。本文采用《海水水質標準》的二類標準進行權重值的計算，由表2可知:雷州半島近海海域海水的水質同樣大致可分為三類，表層共有44個監(jiān)測站位的海水為一類海水，3個監(jiān)測站位的海水為二類海水，10個監(jiān)測站位的海水為四類海水;而底層有22個監(jiān)測站位的海水為一類海水，13個監(jiān)測站位的海水為二類海水，22個監(jiān)測站位的海水為四類海水;前27個監(jiān)測站位的海水水質要劣于后30個監(jiān)測站位;表層海水的水質要優(yōu)于底層海水。

2．4聚類分析和模糊綜合評價的結果比較聚類分析和模糊綜合評價的結果較為相似，均以27站位為分界點，前27個站位的海水環(huán)境狀況與后30個站位顯著不同，表層海水中4站位的海水與其他站位海水相似性最遠，這是由于第4站位臨近塘尾分洪河，較為靠近岸邊，采集的水樣受入海河口的淡水影響較大，因此其監(jiān)測的指標數(shù)據(jù)與其他站位有顯著的差異性。該站位表層海水的S為5．3，NO3-N含量為0．389mg/L，NO2-N含量為0．026mg/L，NH4-N的含量為0．029mg/L。其他監(jiān)測站位的S平均值為30．8，NO3-N的平均含量為0．074mg/L，NO2-N平均含量為0．005mg/L，NH4-N的平均含量為0．033mg/L。由此可以看出，第4站位的NO3-N和NO2-N的含量明顯高于其他監(jiān)測站位。NH4-N含量與其他監(jiān)測站位差別不大。以NO3-N為主的N來自外源輸入的N也稱為新N，而以NH4-N為主的N則為系統(tǒng)內(nèi)生物的代謝產(chǎn)物也稱為再生的N［20］。由監(jiān)測的結果可以推出4站位受外源污染影響較大。盡管4站位的DIN含量較高但并未超過第四類海水水質標準的要求，因此在模糊綜合評價中未體現(xiàn)出該站位與其他站位的顯著差異性。由圖3(a)和表2可以看出在前27個監(jiān)測站位中15、17、18和11這4個監(jiān)測站位在聚類分析時環(huán)境狀況較為相似，在模糊綜合評價中其評價結果也一致屬于四類海水。同樣在聚類樹狀圖中可以看出16站位與11站位的環(huán)境狀況也非常相似，但模糊綜合評價的結果卻相差甚遠，16監(jiān)測站位為一類海水，而11監(jiān)測站位為四類海水。這主要是和站位的隸屬度值相關，16站位的隸屬度(0．512，0．075，0．001，0．412)，11站位的隸屬度為(0．477，0．000，0．000，0．523)，根據(jù)隸屬度最大化原則判斷不是一類水就是四類水，故此盡管兩個監(jiān)測站位環(huán)境狀況相似，但聚類分析和模糊評價得出的結果卻相差甚遠，焦軍彩等對長江水質的模糊評價和模糊聚類分析的研究中也出現(xiàn)了這種現(xiàn)象［14］。由此可見，聚類分析和模糊綜合評價具有一定相似性又有一定的互補性，對海域的規(guī)劃和科學管理可以起到了一定的指導意義。

2．5雷州半島近海海域海水環(huán)境狀況探討和建議本研究對雷州半島夏季近海東西海域海水環(huán)境狀況進行了較為全面的調(diào)查和分析，無論是聚類分析還是模糊評價都說明北部灣海域的海水環(huán)境要優(yōu)于粵西海域。這主要與東西兩岸的產(chǎn)業(yè)結構、人口數(shù)量、經(jīng)濟發(fā)展水平等方面的差異有關。北部灣近岸海域主要以海水養(yǎng)殖、旅游、港口碼頭、自然保護區(qū)等功能分布居多;而粵西海域則主要以石油化工、生物制藥、鋼鐵、造紙等重污染型工業(yè)以及海水養(yǎng)殖、港口運輸?shù)裙δ芊植季佣唷；浳骱Ｓ蚪^大部分站位經(jīng)過模糊綜合評價后的結果大都屬于四類海水，這主要源自于PO4-P含量超標較為嚴重。在唐謀生等［3］對湛江港海水中N、P含量及其營養(yǎng)鹽分布特征研究中提出從1998年～2000年PO4-P的含量逐年增高，在2000年時，湛江港的PO4-P含量就已經(jīng)到達四類海水的標準，甚至超四類海水。李斌等對湛江電廠溫排水對生態(tài)環(huán)境的影響以及時翠等［8］關于雷州半島北部灣海域的水質評價中也均提到PO4-P含量嚴重超標的情況。北部灣海域中鐵山港附近水質大都為二類水，這可能與鐵山港灣內(nèi)的污染物的遷移、擴散有關［8］。雷州半島近海海域表層海水的環(huán)境質量要優(yōu)于底層海水。PO4-P在海洋中主要是通過物理遷移、化學轉化和生物反應進行變化。首先，營養(yǎng)鹽在海洋中除水平方向的遷移，還將向垂直方向進行沉降遷移。其次，海洋生物可以通過光合作用和新陳代謝等作用對營養(yǎng)鹽發(fā)生轉化。再次，PO4-P和海底沉積物之間存在著多次循環(huán)達到動態(tài)平衡［25］。因此，海水中的P會隨著深度的增加而增加，導致底層海水的環(huán)境質量較表層海水差。通過對雷州半島近海海域環(huán)境質量的監(jiān)測和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，粵西海域的海水環(huán)境質量較差，多數(shù)站位為四類海水，PO4-P含量嚴重超標是其水質差的主因。盡管DIN含量除4站位外，其余站位均符合二類海水水質標準，但PO4-P含量的超標無疑是增加海水富營養(yǎng)化的潛在風險。環(huán)境和海洋漁業(yè)部門應嚴格阻止沿岸污染物的隨意排放、偷排、漏排行為;合理規(guī)劃和調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構和產(chǎn)業(yè)布局，科學設置排污口;監(jiān)督污水處理達標排放情況，加強海洋環(huán)境監(jiān)測，建立赤潮預警機制;完善環(huán)境保護和風險控制，提高應急防范能力;加大與海洋科學研究機構的合作，研究有效的生物化學處理方法用于降低海水中PO4-P的含量。

3結論

(1)通過R型聚類方法將雷州半島近海海水環(huán)境的17個監(jiān)測指標，縮減為6個主要成分指標，分別為DO、Cu、Zn、DIN、PO4-P和Oil。(2)利用Q型聚類分析將雷州半島近海57個監(jiān)測站位大致劃分為3類。以27站位為分界點，前27個站位的海水環(huán)境狀況與后30個站位顯著不同。(3)通過模糊綜合評價，同樣將雷州半島監(jiān)測站位劃分為3類。分別為一類海水，二類海水和四類海水。粵西海域大多數(shù)站位處于四類海水，北部灣海域多數(shù)站位為一類海水，靠近鐵山港附近海水大多屬于二類海水。表層海水水質優(yōu)于底層海水。(4)聚類分析可以將看似復雜毫無關聯(lián)的變量聚成幾類，根據(jù)其主要成分的相似性進行歸類。但缺少不同類別的優(yōu)劣排序，而模糊綜合評價恰好體現(xiàn)了不同類別水質之間的差異性。聚類分析為模糊綜合評價篩選出特征值較大的主成分，在減少工作量的同時使得評價結果更具客觀性和可靠性。(5)雷州半島近海海域的PO4-P含量較高，增加了海水富營養(yǎng)化的潛在風險，需嚴格控制入海污染物的排入以及采用適當有效的生物化學處理方法降低海水中PO4-P含量。

作者：謝群張瑜斌張際標施玉珍孫省利單位：廣東海洋大學海洋資源與環(huán)境監(jiān)測中心華南理工大學環(huán)境與能源學院