基于改进TOPSIS模型的广东省主要湖库水质特征分析

doi:10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.12.011

生态环境学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (12): 2194-2206.DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.12.011

基于改进TOPSIS模型的广东省主要湖库水质特征分析

鲁言波(), 陈湛峰^*(), 李彤

广东省生态环境监测中心，广东广州 510308

收稿日期:2023-06-21 出版日期:2023-12-18 发布日期:2024-02-05
通讯作者: *陈湛峰。E-mail: gdhbczf@163.com
作者简介:鲁言波（1978年生），男，高级工程师，硕士研究生，主要从事环境监测及管理研究。E-mail: yanbolu@163.com
基金资助:
广东省重点领域研发计划项目(2020B1111350001)

An Analysis of Water Quality Characteristics of Major Lakes and Reservoirs in Guangdong Province Based on Improved TOPSIS Model

LU Yanbo(), CHEN Zhanfeng^*(), LI Tong

Guangdong Ecological and Environmental Monitoring Center, Guangzhou 510308, P. R. China

Received:2023-06-21 Online:2023-12-18 Published:2024-02-05

摘要/Abstract

摘要：

为了掌握广东省湖库的水质状况、变化趋势及其主要特征，采用单因子评价法、综合污染指数评价法、综合营养状态指数法和熵权法改进的TOPSIS模型对2018－2022年湖库水质监测结果进行分析。结果表明，1）广东省38个重点湖库2022年水质全部达到水功能目标，达到Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类标准的湖库分别有6个、25个和7个；综合污染指数范围在0.06－0.22之间，评价结果全部达到良好及以上；综合营养状态指数范围为23.81－53.42，星湖、惠州西湖和鹤地水库3个湖库为轻度富营养，存在水华风险。2）改进的TOPSIS模型评价结果表明，湖库水质优良，其中，三洲田水库、枫木浪水库、径心水库和赤坳水库的评价结果分别为0.851、0.828、0.824和0.814，水质最优；新西河水库、苍村水库、流溪河水库和赤沙水库评价结果排名与综合污染指数相差较大，重金属存在一定的环境风险；河溪水库、秀全水库和鹤地水库评价结果排名相对较低。3）从湖库类型分析，小型水库水质最好，依次是中型水库、大型水库和湖泊；2022年湖库水质总体变化不大，从年内各季节看，春季水质最好，夏季水质波动较大，水质最差，秋季有所转好；从年际变化趋势看，湖库水质基本逐年好转。从区域位置看，珠三角地区湖库水质最好。通过改进的TOPSIS模型对广东省38个重点湖库水质进行综合分析，解析水质特征，为大范围多对象科学水质综合分析技术提供了成功的实践依据，为湖库水质治理和风险预警提供技术支撑。

关键词: TOPSIS模型, 熵权法, 广东省省重点湖库, 水质特征, 综合污染指数, 营养状态

Abstract:

In order to understand the water quality status, changing trend and main characteristics of lakes and reservoirs in Guangdong Province, single factor evaluation method, comprehensive pollution index evaluation method, comprehensive nutrient status index method and the improved entropy weight method, TOPSIS model, were used to analyze the water quality monitoring results from 2018 to 2022. The results were that: 1) The water quality of all 38 key lakes and reservoirs in 2022 reached the water function target, 6, 25 and 7 lakes and reservoirs reached the Class I, Class II and Class III standards, respectively. The comprehensive pollution index of the lakes and reservoirs ranged from 0.06‒0.22, which indicated that all evaluation results reached good or above. The comprehensive nutritional status index ranged from 23.81‒53.42, and three lakes of Xinghu Lake, Huizhou West Lake and Hedi Reservoir were mildly eutrophic and had the risk of water bloom. 2) The evaluation results of the water quality of the lakes and reservoirs by the improved TOPSIS model showed that the water quality was fine. The evaluation results of Sanzhoutian Reservoir, Fengmulang Reservoir, Jingxin Reservoir and Chiao reservoir were 0.851, 0.828, 0.824 and 0.814, respectively, indicating the highest water quality. The ranking of the evaluation results of Xinxihe Reservoir, Cangcun Reservoir, Liuxihe Reservoir and Chisha reservoir were significantly different from the comprehensive pollution index, which suggested that they had environmental risks of heavy metals. The evaluation results of Hexi Reservoir, Xiuquan Reservoir and Hedi Reservoir were relatively low. 3) From the analysis of lake and reservoir types, the water quality of small reservoirs is the best, followed by medium-sized reservoirs, large reservoirs and lakes. In 2022, the overall water quality of the lakes and reservoirs did not change significantly. From the perspective of each season during the year, the water quality in spring was the best, while fluctuated greatly in summer, and the water quality was the worst, but the water quality improved in autumn. From the trend of inter-annual variation, the water quality of lake and reservoir basically improved year by year. From the perspective of regional location, the water quality of the lake and reservoir in Pearl River Delta region is the best. Through the improved TOPSIS model, the water quality of 38 key lakes and reservoirs in Guangdong Province was comprehensively analyzed, and the water quality characteristics were analyzed, which provided a successful practical basis for large-scale and multi-object scientific water quality comprehensive analysis technology, and also provided technical support for lake and reservoir water quality management and risk early warning.

Key words: TOPSIS model, entropy weight method, Key Lakes and Reservoirs in Guangdong Province, water quality characteristics, comprehensive pollution index, vegetative state

中图分类号:

鲁言波, 陈湛峰, 李彤. 基于改进TOPSIS模型的广东省主要湖库水质特征分析[J]. 生态环境学报, 2023, 32(12): 2194-2206.

LU Yanbo, CHEN Zhanfeng, LI Tong. An Analysis of Water Quality Characteristics of Major Lakes and Reservoirs in Guangdong Province Based on Improved TOPSIS Model[J]. Ecology and Environment, 2023, 32(12): 2194-2206.

图/表 14

参考文献 21

[1]	AMAR O, AMIN S A, SARA Z, et al., 2022. A DEA cross-efficiency inclusive methodology for assessing water quality: A Composite Water Quality Index[J]. Journal of Hydrology, 612(Part A): 128123.
[2]	BENKOV I, VARBANOV M, VENELINOV T et al., 2023. Principal component analysis and the water quality index: A powerful tool for surface water quality assessment: A case study on Struma River Catchment, Bulgaria[J]. Water, 15(10): 1961. DOI URL
[3]	BI Y L, WANG H C, XIA B J, et al., 2022. Pollution characterization and comprehensive water quality assessment of rain-source river: A case study of the Longgang River in Shenzhen[J]. Environmental Science, 43(2): 782-794.
[4]	CHAKRABORTY T, SAHA N C, 2022. Seasonal surveillance of limnological parameters with relation to ichthyofaunal diversity in a floodplain lake of West Bengal, India using principal component analysis and comprehensive pollution index[J]. Pollution Research Paper, 41(1): 223-229.
[5]	FABIANO S S, ALTAIR B M, MÁRCIA B, et al., 2007. Water quality index as a simple indicator of aquaculture effects on aquatic bodies[J]. Ecological Indicators, 8(5): 476-484. DOI URL
[6]	FARHAN M S, DARYOOSH B, ABOLFAZL A, et al., 2022. Cost Analysis of water quality assessment using multi-criteria decision-making approach[J]. Water Resources Management, 36(12): 4843-4862. DOI
[7]	HORTON R K, 1965. An index number system for rating water quality[J]. Journal of Water Pollution Control Federation, 37(3): 300-306.
[8]	HWANG C L, YOON K, 1981. Multile attributes decision making nethodes and application-A State-of-the-Art Survey[M]. Berlin: Berlin Heidelberg: 58-191.
[9]	LI L J, MEN B H, PENG R, 2021. Water quality evaluation of Wenyu River based on single factor evaluation and comprehensive pollution index method[J]. Nature Environment and Pollution Technology, 20(3): 1041-1046.
[10]	NAWEL B, ABDELAZIZ L, LAMIA H R, 2016. Assessment of groundwater quality in the Seraidi region (north-east of Algeria) using NSF-WQI[J]. Water Science & Technology: Water Supply, 16(4): 1132-1137.
[11]	RAGHVENDRA S K, RAHUL D, AJAY K S, 2022. Study of physicochemical parameters and wetland water quality assessment by using Shannon’s entropy[J]. Applied Water Science, 12(11): 247. DOI
[12]	TIAN H, DU J Z, SUN Q F, et al., 2021. Evaluation of shallow groundwater for drinking purpose based on water quality index and synthetic pollution index in Changchun New District, China[J]. Environmental Forensics. 22(1-2) :189-204. DOI URL
[13]	WEI Q, WEI Q, LI S Y, et al., 2023. Evaluation of surface water quality in Heilongjiang Province, China: Based on different quantities of water quality indicators[J]. Ecological Indicators, 154(3): 110472. DOI URL
[14]	YANG H T, JIA C, YANG F, et al., 2023. Water quality assessment of deep learning-improved comprehensive pollution index: A case study of Dagu River, Jiaozhou Bay, China[J]. Environmental Science and Pollution Research International, 30(25): 66853-66866. DOI
[15]	YANG Y L, ZHANG D W, QUAN J, et al., 2021. Water quality assessment of Middle Route of South-North Water Diversion Project based on modified Nemerow index method[J]. Water Supply, 21(3): 1005-1015. DOI URL
[16]	杜军凯, 傅尧, 李晓星, 2015. 模糊-主成分分析综合评价法在地下水水质评价中的应用[J]. 中国环境监测, 31(4): 75-81.
	DU J K, FU Y, LI X X, 2015. Application of fuzzy comprehensive evaluation method-principal component analysis to groundwater quality evaluation[J]. Environmental Monitoring in China, 31(4): 75-81.
[17]	国家环境保护总局,国家质量监督检验检疫总局, 2002. 地表水环境质量标准: GB 3838—2002 [S]. 北京: 中国环境科学出版社: 1-9.
	State Environmental Protection Administration of China, State General Administration of the People’s Republic of China for Quality Supervision and Inspection and Quarantin, 2002. Environmental quality standard of surface water: GB 3838—2002 [S]. Beijing: China Environmental Science Press: 1-9.
[18]	李苏, 闫志宏, 徐丹, 等, 2020. 改进的内梅罗指数法在水库水质评价中的应用[J]. 科学技术与工程, 20(31): 13079-13084.
	LI S, YAN Z H, XU D, et al., 2020. Application of improved Nemerow index method in reservoir water quality evaluation[J]. Science Technology and Engineering, 20(31): 13079-13084.
[19]	宁阳明, 尹发能, 2020. 基于改进内梅罗污染指数法和灰色聚类法的水质评价[J]. 华中师范大学学报, 54(1): 149-155.
	NING Y M, YIN F N, 2020. Water quality evaluation based on improved Nemerow pollution index method and grey clustering method[J]. Journal of Central China Normal University (Natural Sciences), 54(1): 149-155.
[20]	汤玉强, 李清伟, 左婉璐, 等, 2019. 内梅罗指数法在北戴河国家湿地公园水质评价中的适用性分析[J]. 环境工程, 37(8): 195-199.
	TANG Y Q, LI Q W, ZUO W L, et al., 2019. Analysis of applicability of Nemerow index method in evaluation of water quality of Beidaihe national wetland park[J]. Environmental Engineering, 37(8): 195-199, 189.
[21]	王小焕, 邵景安, 王金亮, 等, 2017. 三峡库区长江干流入出库水质评价及其变化趋势[J]. 环境科学学报, 37(2): 554-565.
	WANG X H, SHAO J A, WANG J L, et al., 2017. Water quality assessment and its changing trends in the reservoir inflow and outflow along the Yangtze River main stream in the Three Gorge Reservoir Area[J]. Acta Science Circumstance, 37(2): 554-565.

水质类别	水质状况	水质功能类别
Ⅰ‒Ⅱ类水质	优	饮用水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等
Ⅲ类水质	良好	饮用水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区、游泳区
Ⅳ类水质	轻度污染	一般工业用水和人体非直接接触的娱乐用水
Ⅴ类水质	中度污染	农业用水及一般景观用水
劣Ⅴ类水质	重度污染	除调节局部气候外, 使用功能较差

水质类别	水质状况	水质功能类别
Ⅰ‒Ⅱ类水质	优	饮用水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等
Ⅲ类水质	良好	饮用水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区、游泳区
Ⅳ类水质	轻度污染	一般工业用水和人体非直接接触的娱乐用水
Ⅴ类水质	中度污染	农业用水及一般景观用水
劣Ⅴ类水质	重度污染	除调节局部气候外, 使用功能较差

参数	叶绿素a	总磷	总氮	透明度	高锰酸盐指数
r_ij	1	0.84	0.82	−0.83	0.83
r2 ij	1	0.706	0.672	0.689	0.689

参数	叶绿素a	总磷	总氮	透明度	高锰酸盐指数
r_ij	1	0.84	0.82	−0.83	0.83
r2 ij	1	0.706	0.672	0.689	0.689

指标类型	指标特点	例子
极大型	数值越大越好	透明度
极小型	数值越小越好	氨氮、总磷、高锰酸盐指数等大部分水质指标
区间型	数值落在某个区间最好	pH

基于改进TOPSIS模型的广东省主要湖库水质特征分析

An Analysis of Water Quality Characteristics of Major Lakes and Reservoirs in Guangdong Province Based on Improved TOPSIS Model

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序号	湖库名称	水功能目标	综合水质类别	达标情况	序号	河段名称	水功能目标	综合水质类别	达标情况
1	湖光岩湖	Ⅲ类	Ⅱ类	达标	20	松子坑水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标
2	九坑河水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标	21	罗田水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标
3	流溪河水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标	22	清林径水库	Ⅱ类	Ⅱ类	达标
4	秀全水库	Ⅲ类	Ⅲ类	达标	23	赤坳水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标
5	白盆珠水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标	24	径心水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标
6	风田水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标	25	铜锣径水库	Ⅲ类	Ⅰ类	达标
7	沙田水库	Ⅲ类	Ⅰ类	达标	26	枫木浪水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标
8	清凉山水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标	27	三洲田水库	Ⅲ类	Ⅰ类	达标
9	赤沙水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标	28	惠州西湖	Ⅳ类	Ⅲ类	达标
10	新丰江水库	Ⅰ类	Ⅰ类	达标	29	大镜山水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标
11	枫树坝水库	Ⅲ类	Ⅰ类	达标	30	杨寮水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标
12	飞来峡水库	Ⅲ类	Ⅲ类	达标	31	竹仙洞水库	Ⅲ类	Ⅲ类	达标
13	星湖	Ⅳ类	Ⅲ类	达标	32	乾务水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标
14	新西河水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标	33	竹银水库	Ⅲ类	Ⅲ类	达标
15	高州水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标	34	河溪水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标
16	西丽水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标	35	秋风水库	Ⅲ类	Ⅰ类	达标
17	梅林水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标	36	苍村水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标
18	铁岗水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标	37	鹤地水库	Ⅲ类	Ⅲ类	达标
19	石岩水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标	38	名湖水库	Ⅲ类	Ⅱ类	达标

序号	湖库名称	综合污染指数	评价结果	序号	河段名称	综合污染指数	评价结果
1	湖光岩湖	0.128	优	20	松子坑水库	0.105	优
2	九坑河水库	0.097	优	21	罗田水库	0.133	优
3	流溪河水库	0.135	优	22	清林径水库	0.096	优
4	秀全水库	0.204	优	23	赤坳水库	0.079	优
5	白盆珠水库	0.083	优	24	径心水库	0.071	优
6	风田水库	0.135	优	25	铜锣径水库	0.068	优
7	沙田水库	0.099	优	26	枫木浪水库	0.069	优
8	清凉山水库	0.102	优	27	三洲田水库	0.063	优
9	赤沙水库	0.129	优	28	惠州西湖	0.200	优
10	新丰江水库	0.084	优	29	大镜山水库	0.140	优
11	枫树坝水库	0.112	优	30	杨寮水库	0.127	优
12	飞来峡水库	0.165	优	31	竹仙洞水库	0.118	优
13	星湖	0.213	良好	32	乾务水库	0.131	优
14	新西河水库	0.102	优	33	竹银水库	0.123	优
15	高州水库	0.104	优	34	河溪水库	0.152	优
16	西丽水库	0.106	优	35	秋风水库	0.076	优
17	梅林水库	0.085	优	36	苍村水库	0.105	优
18	铁岗水库	0.111	优	37	鹤地水库	0.220	良好
19	石岩水库	0.126	优	38	名湖水库	0.089	优

序号	湖库名称	综合营养状态指数	富营养程度	序号	湖库名称	综合营养状态指数	富营养程度
1	湖光岩湖	31.64	中营养	20	松子坑水库	38.31	中营养
2	九坑河水库	35.96	中营养	21	罗田水库	41.04	中营养
3	流溪河水库	34.95	中营养	22	清林径水库	35.38	中营养
4	秀全水库	45.75	中营养	23	赤坳水库	31.55	中营养
5	白盆珠水库	26.74	贫营养	24	径心水库	28.46	贫营养
6	风田水库	43.08	中营养	25	铜锣径水库	24.45	贫营养
7	沙田水库	29.33	贫营养	26	枫木浪水库	26.86	贫营养
8	清凉山水库	33.55	中营养	27	三洲田水库	23.81	贫营养
9	赤沙水库	32.78	中营养	28	惠州西湖	53.08	轻度富营养
10	新丰江水库	24.11	贫营养	29	大镜山水库	41.8	中营养
11	枫树坝水库	35.43	中营养	30	杨寮水库	40.74	中营养
12	飞来峡水库	45.14	中营养	31	竹仙洞水库	42.93	中营养
13	星湖	51.36	轻度富营养	32	乾务水库	43.33	中营养
14	新西河水库	32.16	中营养	33	竹银水库	44.84	中营养
15	高州水库	34.19	中营养	34	河溪水库	42.14	中营养
16	西丽水库	42.41	中营养	35	秋风水库	31.58	中营养
17	梅林水库	30.85	中营养	36	苍村水库	26.61	贫营养
18	铁岗水库	42.43	中营养	37	鹤地水库	53.42	轻度富营养
19	石岩水库	43.42	中营养	38	名湖水库	33.19	中营养

序号	湖库名称	TOPSIS模型T值	序号	河段名称	TOPSIS模型T值
1	湖光岩湖	0.515	20	松子坑水库	0.635
2	九坑河水库	0.657	21	罗田水库	0.599
3	流溪河水库	0.519	22	清林径水库	0.663
4	秀全水库	0.439	23	赤坳水库	0.683
5	白盆珠水库	0.723	24	径心水库	0.695
6	风田水库	0.590	25	铜锣径水库	0.664
7	沙田水库	0.678	26	枫木浪水库	0.701
8	清凉山水库	0.684	27	三洲田水库	0.739
9	赤沙水库	0.519	28	惠州西湖	0.508
10	新丰江水库	0.625	29	大镜山水库	0.535
11	枫树坝水库	0.563	30	杨寮水库	0.547
12	飞来峡水库	0.468	31	竹仙洞水库	0.532
13	星湖	0.513	32	乾务水库	0.534
14	新西河水库	0.513	33	竹银水库	0.525
15	高州水库	0.598	34	河溪水库	0.461
16	西丽水库	0.609	35	秋风水库	0.610
17	梅林水库	0.673	36	苍村水库	0.556
18	铁岗水库	0.611	37	鹤地水库	0.426
19	石岩水库	0.590	38	名湖水库	0.625

序号	指标名称	权重值	权重排序	序号	指标名称	权重值	权重排序
1	pH	0.0116	19	13	铅	0.1044	3
2	透明度	0.0115	20	14	化学需氧量	0.0155	16
3	溶解氧	0.0115	22	15	铜	0.0754	5
4	高锰酸盐指数	0.0115	21	16	锌	0.0481	8
5	五日生化需氧量	0.0148	17	17	氟化物	0.0136	18
6	氨氮	0.0316	11	18	硒	0.1427	1
7	石油类	0.0909	4	19	砷	0.0320	10
8	总氮	0.0156	15	20	镉	0.1171	2
9	总磷	0.0205	14	21	六价铬	0.0107	23
10	叶绿素a	0.0314	12	22	氰化物	0.0595	7
11	挥发酚	0.0597	6	23	阴离子表面活性剂	0.0372	9
12	汞	0.0243	13	24	硫化物	0.0088	24

序号	湖库名称	改进的TOPSIS模型T值	序号	河段名称	改进的TOPSIS模型T值
1	湖光岩湖	0.604	20	松子坑水库	0.782
2	九坑河水库	0.741	21	罗田水库	0.729
3	流溪河水库	0.571	22	清林径水库	0.794
4	秀全水库	0.554	23	赤坳水库	0.814
5	白盆珠水库	0.791	24	径心水库	0.824
6	风田水库	0.709	25	铜锣径水库	0.797
7	沙田水库	0.720	26	枫木浪水库	0.828
8	清凉山水库	0.704	27	三洲田水库	0.851
9	赤沙水库	0.579	28	惠州西湖	0.604
10	新丰江水库	0.685	29	大镜山水库	0.659
11	枫树坝水库	0.653	30	杨寮水库	0.665
12	飞来峡水库	0.598	31	竹仙洞水库	0.652
13	星湖	0.631	32	乾务水库	0.657
14	新西河水库	0.521	33	竹银水库	0.651
15	高州水库	0.675	34	河溪水库	0.510
16	西丽水库	0.757	35	秋风水库	0.743
17	梅林水库	0.810	36	苍村水库	0.560
18	铁岗水库	0.751	37	鹤地水库	0.570
19	石岩水库	0.732	38	名湖水库	0.690

[1]	童银栋, 黄兰兰, 杨宁, 张奕妍, 李子芃, 邵波. 全球水体微囊藻毒素分布特征及其潜在环境风险分析[J]. 生态环境学报, 2023, 32(1): 129-138.
[2]	柯丽娜, 徐佳慧, 王楠, 侯俊轩, 韩旭, 阴曙升. 基于遥感生态指数的滨海湿地生态质量变化评价——以辽东湾北部区为例[J]. 生态环境学报, 2022, 31(7): 1417-1424.