不同評價方法對水庫水質評價的適應性

花瑞祥張永勇++劉威++楊逸航

摘要：目前水體水質評價方法眾多，如何篩選合適方法對水質狀況進行科學評價，是環境保護中一項基礎性和重要性工作。以廣東省某水庫2008年-2013年水質監測數據為基礎，利用單因子評價法、綜合污染指數法、模糊綜合評判法和灰色關聯分析法對水庫水質進行了評價，對比分析了這四種方法評估結果的合理性以及存在的缺陷。研究表明：（1）不同方法的評價結果存在較大差異。灰色關聯分析法評價的水質狀況最好，模糊綜合評判法的評價結果與其他方法評估結果的一致性最高。（2）不同方法受權重的影響也存在較大差異。灰色關聯分析法受權重影響最小，而模糊綜合評判法受權重影響最大。（3）灰色關聯分析法則適用于初級使用者；模糊綜合評判法適用于相關知識和經驗豐富的人群；單因子評估法適用于流域最嚴格水資源管理；綜合污染指數法僅能確定水體是否污染，但不能確定具體水質級別，可以作為一種補充方法。（4）為準確評估水體水質級別，減少權重和方法對結果的影響，建議采用多種評估方法進行綜合分析。

關鍵詞：水質評價；單因子評價法；綜合污染指數法；模糊綜合評判法；灰色關聯分析法；適用性分析；水庫

中圖分類號：X703文獻標志碼：A文章編號：16721683（2016）06018307

隨著社會經濟和城市化的快速發展，劇烈人類活動的擾動造成了河湖水環境惡化嚴重[1]。水環境綜合評價與防治已成為我國流域管理中關鍵內容之一，也是環境水文學研究的重點方向之一[25]。自20世紀80年代開始，我國將單因子評價法作為國家統一方法對主要河湖水系水質狀況進行了評價。該方法使用簡單，不確定性較小，但評價結果過于嚴厲，表現為過保護[6]。多指標綜合評估法是目前水質評價中最常用手段，如污染指數法[78]，模糊綜合評判法[910]，灰色系統評價法[1112]，人工神經網絡法[13]，水質標識法[1415]等。但綜合水質評價結果的適用性和不確定性一直是探討的熱點問題。目前的研究主要是針對研究區實際情況，采用多種指標和多種方法對水質進行綜合評估[1618]。楊磊磊等[19]利用樺甸市5個監測斷面數據分別采用傳統、改進的內梅羅污染指數法及模糊綜合法對水質數據進行了評估及其適用性分析，結果發現內梅羅指數法更適用于掌握水體被污染的程度、模糊綜合評判法更適用于評價水體功能及水質類型。李名升等[20]利用190個國控斷面水質監測數據對單因子評價法、灰色關聯分析、模糊綜合評判等7種評價方法的適用性和局限性進行實證研究，結果發現分級評分法和單因子評價法的結果差異較大、物元可拓法對權重變化較為敏感。因此，水質評價結果受評價方法、賦權方法等多種因素的影響。如何分析不同評價方法的適應性、篩選合適的方法仍需根據實際情況進一步研究。

本文選取廣東省某水庫作為研究對象，分別利用四種常用的水質評價方法，即：單因子評價法、綜合污染指數法、模糊綜合評判法和灰色關聯分析法，對該水庫2008年-2013年月和季度等不同時間尺度水質進行評價，探討了不同評價方法和賦權方法對水質結果的影響；最終得出四種方法優缺點及其適用范圍。

1數據與方法

1.1研究區概況和數據收集

研究水庫為廣東省南部某城市重要的供水水庫。該市屬于亞熱帶海洋性氣候，年平均氣溫為 224 ℃，多年平均降水量達1 837 mm。但由于降雨時空分布不均，暴雨集中；加之境內河流水庫蓄水能力非常有限，使得該城市可利用的水資源量很少。水庫集水面積為64 km2，總庫容為9 950萬m3，正常蓄水位下水面面積約115 km2，屬于中型水庫，具有城市供水、調蓄和防洪三大功能。水庫的主要污染源為工業和生活污水，主要超標指標為總氮。根據地表水環境質量標準（GB 3838-2002）地表水水域環境功能和保護目標，該水庫是水源地二級保護區，水質目標為Ⅲ類。

研究收集了水庫庫心監測斷面從2008年-2013年共6年169組水質數據，除極少月份只有1組監測數據外，其余月份都有2～3組監測數據。監測指標包括錳、總磷、硝酸鹽（以N計）、氨氮、鐵、總氮和高錳酸鹽指數。原始數據的統計描述見表1。本研究分別以月平均和季度平均觀測值為基礎，評估了研究水庫各月份和各季度水質變化規律。

1.2水質評價方法

[BT4]1.2.1單因子評價法

單因子評價法通過將各水質指標監測結果與所測水域水功能保護目標進行比較，確定各評價指標的水質類別，最終以最差指標對應的水質類別作為所評價水體的水質類別。該方法是目前我國地表水環境質量標準規定的水質評價方法。

[BT4]1.2.2綜合污染指數法

綜合污染指數法根據計算方法的不同可以分為多種類型，常見的有代數疊加型綜合污染指數、加權平均型綜合污染指數、冪指數型綜合污染指數和向量模法綜合污染指數。本文采用的是加權平均型綜合污染指數，加權平均綜合污染指數表示為：

P=∑[DD（]n[]i=1[DD）]ωiIi=∑[DD（]n[]i=1[DD）]ωi[JB<2（][SX（]Ci[]Si[SX）][JB>2）][JY]（1）

式中：P為綜合污染指數；n為參與綜合水質評價的單項水質指標數；ωi為第i項指標的權重；Ii為第i項指標的單項污染指數；Ci為單項水質指標的實測濃度；Si為與水域功能類別對應的單項水質指標濃度限值。

[BT4]1.2.3模糊綜合評判法

由于水環境中客觀存在著大量模糊和不確定的因素，模糊綜合評判法[19]在水質評價中引入了模糊數學的概念，由監測數據確立各指標對各級水質標準的隸屬度集，形成隸屬度矩陣，再把指標的權重集與隸屬度矩陣相乘，得到綜合評判集，表明評價水體水質對各級標準的隸屬程度，其中值最大的元素所對應的類別即為水體評價類別。

[BT4]1.2.4灰色關聯分析法

灰色關聯分析法[5]引進了灰色系統理論，以水質監測斷面的監測數據為參考數列[ X0（t） ]，以水質評價標準的各級數據為比較數列[ Xi（t） ]，通過計算參考數列與比較數列的關聯系數，然后對關聯系數進行加權求關聯度，最后按關聯度大小排序，關聯度最大的即斷面的水質為該級別。

1.3權重計算方法

模糊綜合評判法、灰色關聯分析法和綜合污染指數法都需要對各評價的水質指標賦以權重。目前賦權方法較多，如污染物濃度超標法、等權重法、專家打分法、主成分分析法、熵值法等；其中污染物濃度超標法是水質評價中最常用的權重確定方法之一[20]。本文用來計算權重ωi，即按照各評判指標超標情況進行加權，超標越多，權重值越大；針對水質指標數值越大則水質越好的情況，其權重為1/ωi。具體計算如下：

ωi=[SX（]xi[JB<2/][AKs-]i0[]∑[DD（]n[]i=1[DD）]xi[JB<2/][AKs-]i0[SX）]，i=1，2，…，n[JY]（2）

[AKs-]i0=[SX（]1[]k[SX）]∑[DD（]k[]j=1[DD）]sij，i=1，2，…，n；j=1，2，…，k[JY]（3）

式中：ωi為第i個水質指標的權重；xi為第i個指標的實測值；sij為第i個指標的第j級水質的評價標準值；[AKs-]i0為第i個指標的各級評價標準的均值；k為水質評價分級總數。

1.4水質分級標準

研究選取錳、高錳酸鹽指數、氨氮、硝酸鹽（以N計）、總磷、鐵和總氮作為評價指標。高錳酸鹽指數、氨氮、總磷和總氮的分級標準采用最新的《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）。由于《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中沒有錳、鐵和硝酸鹽（以N計）的分級標準，但是為了考慮重金屬污染的影響，使評價指標更加全面、研究采用《地表水環境質量標準》（GB 3838-88）作為錳、鐵和硝酸鹽（以N計）的分級標準。具體分級標準見表2。

利用水質綜合污染指數來判別污染程度是相對的，可將水體分為清潔（污染指數≤1）、輕污染（1<污染指數≤2）、污染（2<污染指數≤3.9）和重污染（污染指數>3.9）四類。

2結果與分析

2.1水質評價結果

[BT4]2.1.1各月份水質評價結果

各月份水質結果，見圖1。由圖1可知，單因子評價法的評價結果為8個月份（1月-7月和12月）的水質類別為Ⅴ類水，其余4個月份（8月-11月）為Ⅳ類水。綜合污染指數法的評價結果為8個月份（1月-7月和12月）的水質污染程度為輕污染，其余4個月份水質污染程度為清潔；各月份水質變化與單因子評價法的結果相似。模糊綜合評判法的評價結果為僅1個月份（5月）水質最差，為Ⅴ類水，其余月份均為Ⅳ類水。而利用灰色關聯分析法評價結果的差異性較大，其中有2個月份（5月-6月）為Ⅴ類水，2個月份（1月和4月）為Ⅳ類水，4個月份（2月-3月、7月和12月）為Ⅲ類水，2個月份（8月-10月）為Ⅱ類水，1個月份（11月）為I類水。

2.1.2各季度水質評價結果

春季水質評價結果見圖2（a）。單因子評價法的結果均為Ⅴ類水；而綜合污染指數法的結果也均為輕污染，結果的年際變化與單因子評價法的結果一致。模糊綜合評判法的結果顯示只2010年為Ⅴ類水，其余年份都為Ⅳ類水。而灰色關聯分析法的各年份評價結果的差異性最大，有2年（2008年和2013年）春季為Ⅲ類水、3年（2009年、2011年和2012年）為Ⅳ類水，1年（2010年）為Ⅴ類水。

夏季水質評價結果見圖2（b）。單因子評價法的結果有2年（2011年和2012年）為Ⅳ類水，其余4年為Ⅴ類水。綜合污染指數法除2012年結果為清潔外，其余5年均是輕污染。模糊綜合評判法的結果為2008年最差（Ⅴ類水）、2012年最優（Ⅲ類水）、其余4年（2009年-2011年、2013年）為Ⅳ類水。灰色關聯分析法的2008年-2013年水質的評價結果均不同，依次為Ⅴ類、Ⅲ類、Ⅲ類、Ⅲ類、Ⅰ類和Ⅳ類。

[JP+1]秋季水質評價結果見圖2（c）。單因子評價法的評價結果為2008年-2009年為Ⅴ類水，而其余4年為Ⅳ類水。綜合污染指數法的結果為2008年、2009年和2013年為輕污染，而其余3年（2010年-2012年）為清潔。模糊綜合評判法的結果為僅2011年為Ⅲ類水，其他5年為Ⅳ類水。灰色關聯分析法的結果為也僅有2011年為Ⅱ類水，2008年和2009年為Ⅳ類水，2010年、2012年和2013年為Ⅲ類水。

[JP2]冬季水質評價結果如圖2（d）所示。單因子評價法的結果為2008年、2009年和2012年共3年為Ⅴ類水，其余年份為Ⅳ類水。綜合指數法的評價結果也是2008年、2009年和2012年為輕污染，其余年份為清潔，評價結果的年際變化與單因子評價法的結果一致。模糊綜合評判法結果中有3年（2008年、2010年和2011年）為Ⅳ類水、2年（2009年和2012年）為Ⅴ類水、而僅1年（2013年）為Ⅲ類水。灰色關聯分析法的結果差異性最大，2008年-2013年水質級別依次為Ⅲ類、Ⅴ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅰ類。[FL）]

2.2評價結果分析

2.2.1評價結果比較

綜合污染指數法用一個指數來表示整體的水環境水平，而且可以通過比較污染指數的大小來判斷同一類別不同水體的污染程度，但是綜合污染指數法不能確定水質類別。因此無法將綜合污染指數法[HJ]的結果與其他方法的結果進行直接比較。圖3所示為單因子評價法、模糊綜合評判法和灰色關聯分析法兩兩比較的結果。從圖3可以看出，模糊綜合評判法與單因子評價法所得結果一樣的比例有44%，結果相差一個等級的比例為56%，因此所有的評價結果相差都不超過一個等級。

灰色關聯分析法與單因子評價法的結果相差比較大。兩種方法所得評價結果相同的比例僅占14%；有39%的評價結果相差一個等級；而其余47%的結果相差兩個等級及以上。兩種評價方法最多相差三個等級，如在評價11月份和2012年夏季水質時，單因子評價法的結果為Ⅳ類水，而灰色關聯分析法的結果為Ⅰ類水。

模糊綜合評判法與灰色關聯分析法所得結果等級相同的比例占33%，相差一個等級的比例為47%，相差兩個等級的比例為17%，評價結果最大相差了三個等級，占3%。在評價11月份水質時，模糊綜合評判法的結果為Ⅳ類水，而灰色關聯分析法的結果為Ⅰ類水。在本次應用研究中，結果表明利用灰色關聯分析法所得的評價等級要優于模糊綜合評判法；利用灰色關聯分析法所得的評價等級差異性較大，灰色關聯分析法對水質指標濃度的變化反應更加敏感，即存在較小的差異會使得灰色關聯分析法的評價結果發生較大的改變，而模糊綜合評判法對水質指標變化的反應則沒有那么敏感。

由于不同水質評價方法的結果并不完全一樣，而綜合污染指數法無法判斷水質類別，本文根據單因子評價法、模糊綜合評判法和灰色關聯分析法的評價結果來確定最終各月份和季度的水質級別。具體確定標準為：當三種方法中有兩種及以上方法的評價結果相同，則該結果作為本次評價的水質級別；當三種方法的評價結果都不一樣時，將三種評價方法的中間結果作為本次評價的最終水質級別。結果表明：模糊綜合評判法的評價結果與最終水質類型一致的比例最高，達到97%，而且剩余3%的差異性僅為一個級別。其次是單因子評價法，比例為47%，剩余53%的差異性也為一個級別。最差的是灰色關聯分析法，比例僅為36%，且其他結果與最終水質類型差別較大，其中20%的結果與最終結果差二、三級。具體統計結果見表3。

2.2.2權重影響分析

本文采用污染物濃度超標法賦權的評估結果與常用的等權重法的評估結果進行了比較。結果表明，兩種權重確定方法對三種水質評價方法的結果都有一定的影響。灰色關聯分析法受權重影響最小，36組評價數據中有13組因為權重的改變而使得評價結果發生了變化，并且只有4組數據的評價結果相差超過了一個等級；綜合污染指數法評價的36組數據中有21組發生了改變；模糊綜合評判法受權重影響最大，36組數據的評價結果都發生改變，且大多數評價結果相差三個等級。兩種賦權方法對評價結果的影響見表4。

兩種賦權方法對結果影響的主要原因是：污染[JP2]物濃度超標法重點關注超標指標，超標越多，權重值越大，因此濃度極值對權重影響很大；而等權重法是將所有評估的水質指標同等對待。在本文研究的水庫中，錳、氨氮和硝酸鹽（以N計）的濃度較低，均小于Ⅰ類水的標準；但總氮的濃度超標嚴重，最高濃度超過了V類水標準。濃度超標法確定的總氮平均權重為061，是等權重法的44倍（圖4）。由于總氮等少數指標嚴重超標引起權重的分配發生很大的改變，從而影響模糊綜合評判法的相對隸屬度、灰色關聯分析法的關聯度，直接影響到最終的評價結果。此外，模糊綜合評判法和灰色關聯分析法對污染物濃度超標法權重分配的敏感程度也不同。在模糊綜合評判法計算中，權重矩陣和隸屬度矩陣均由實測水質指標直接確定，均受超標指標的影響很大，尤其是在少數水質指標嚴重超標時；而在灰色關聯分析法中，首先需將實測水質指標和各級水質標準歸一化處理，分別形成參考數列和比較數列，然后利用權重矩陣計算參考數列和比較數列的關聯度矩陣，因此評價結果受超標因子的影響比模糊綜合評判法要小。但在水質指標均不超標時，模糊綜合評判法和灰色關聯分析法的評價結果受權重的影響都較小[21]。

3結論

水質評價結果受不同評價方法、權重以及不同數據來源等影響，結果的差異性較大。本文比較了單因子評價法、模糊綜合評判法、灰色關聯分析法和綜合污染指數法四種評價方法，以及污染物濃度超標法和等權重法兩個賦權方法對廣東某水庫水質評價結果的影響。結果表明：灰色關聯分析法評價的水質狀況最好，單因子評價法所得的評價等級最差。模糊綜合評判法的評價結果與其他方法的評價結果的一致性最高，但是受權重的確定影響最大。綜合污染指數法只能確定水體的污染程度，而不能確定水體的類型。對于權重影響來看，模糊綜合評判法的結果受權重影響最大；灰色關聯分析法的結果受權重影響最小；單因子評價法則不受權重的影響。受采樣數據的限制，本研究并未對不同站點的數據、水質優劣程度不同時等其他情況分析評價結果的不確定性，今后要加強這方面的研究。

在實際應用中，水質評價方法的確定應該參考當地水質保護和水資源開發目標，以及使用人員的經驗等。例如，對于水源地、水生態脆弱地區的水質評價，可以選擇單因子評價法來實現水資源的最嚴格管理和保護；而對于下游的經濟開發區、灌溉區的水質評價，可以選擇灰色關聯分析法來進行評價，從而實現水資源開發利用最大化；若使用者具備豐富的相關知識、對權重的確定比較有經驗，建議采用模糊綜合評判法，否則采用灰色關聯或多種方法綜合評價。但為準確評估水體水質級別，減少權重和方法對結果的影響，建議采用多種評估方法進行綜合分析。

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