基于改進內梅羅污染指數法和灰色聚類法的水質評價

寧陽明， 尹發能

(湖北師范大學城市與環境學院， 湖北 黃石 435002)

水環境質量評價可根據評價目標的水質監測數據、評價標準和計算方法判斷當前水體污染狀況，為水環境利用和管理提供科學依據[1].目前，水環境質量評價方法主要有指數評價法[2-3]、灰色系統評價法[4]、主成分分析法[5]、模糊綜合評價法[6-7]、物元可拓分析法[8]、模糊神經網絡法[9]等.其中，內梅羅污染指數法其運算過程簡單，易于操作，但未考慮各污染因子的權重問題；改進內梅羅污染指數法通過計算權重，充分考慮各污染因子對水環境質量的影響；灰色聚類法根據水環境系統灰色性特征，通過對污染因子進行量化，從而判斷水環境質量.鑒于此，本研究運用傳統、改進內梅羅污染指數法和灰色聚類法對長江黃石段三峽斷面和風波港斷面水環境質量進行評價.

1 水質評價方法概述

1.1 傳統內梅羅污染指數法

1974年美國敘拉古大學內梅羅(N.L.Nemerow)教授在其所著的《河流污染科學分析》一書中，提出了內梅羅污染指數法[10].該方法根據所選水質指標的實測濃度和標準值，分別計算內梅羅污染指數和標準指數，與相應的等級標準指數相對照，即可得到評價等級.評價等級計算公式為：

Fi=Ci/Sij，i=1，2，3,…，n；j=1，2，3,…，m.

(1)

(2)

式中，Ci為第i類評價因子的實測濃度；Sij為第i類評價因子的第j類標準濃度；F最大為Fi的最大值；F平均為Fi的平均值；P傳統為傳統內梅羅污染指數.

傳統內梅羅標準污染指數值分級如下：

Ⅰ：P標準<0.59；Ⅱ：0.59≤P標準<0.74；

Ⅲ：0.74≤P標準<1.00；Ⅳ：1.00≤P標準<3.50；

Ⅴ：3.50≤P標準.

1.2 改進內梅羅污染指數法

傳統內梅羅污染指數法過于突出最大污染因子對水質污染的影響和未考慮權重因素[11]，而改進內梅羅污染指數法考慮了各污染因子在水質評價中所占的權重，避免忽視某些因實測濃度小而危害系數大的污染因子對水環境質量的影響[12]，其計算公式為：

(3)

式中，F′為權重最大的污染因子對應的F值.

一般情況下，地表水水質標準中污染指標的濃度越小，說明對水質危害越大，兩者呈反比例的內在關系[12].第i種污染因子的權重為：

(4)

ri=s最大/si，

(5)

式中，ri為第i種污染因子的相關性比值；si為各污染因子的標準值；s最大為第i種污染因子的最大標準值；m為評價污染因子的個數.

改進內梅羅污染指數值分級如下：Ⅰ：P標準<0.55；Ⅱ：0.55≤P標準<0.69；Ⅲ：0.69≤P標準<1.00；Ⅳ：1.00≤P標準<3.53；Ⅴ：3.53≤P標準.

1.3 灰色聚類法

灰色聚類包括灰色關聯聚類和灰色白化權函數聚類，灰色關聯聚類主要用于同類因素的歸并，以使復雜系統簡化，而灰色白化權函數聚類主要用于檢查觀測對象是否屬于事先設定的不同類別[13-14].本研究選用灰色白化權函數聚類，該方法能夠充分利用已知信息淡化未知信息，從而客觀真實反映系統本質[15].灰色白化函數聚類具體步驟如下：

1.3.1 確定評價指標和灰類值 根據長江黃石段三峽斷面和風波港斷面的監測數據，選取氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數( CODMn)、五日生化需氧量( BOD5)等污染因子作為評價河流斷面污染程度的聚類指標.參照《地表水環境質量標準》(GB3830-2002)，將河流水質劃分為5類，長江黃石段以Ⅲ類地表水為標準，見表1.

表1 《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)

1.3.2 灰類值無量綱化處理 在水環境質量評價中，由于各聚類指標的量綱不同，且劃分等級的區間大小也不同，因此需要對灰類值進行無量綱化處理[16].其計算公式為：

(6)

1.3.3 建立灰色白化權函數[17]

1)當k=1時，其隸屬度函數如下：

(7)

2)當k=2，3，4時，其隸屬度函數如下：

(8)

3)當k=5時，其隸屬度函數如下：

(9)

1.3.4 確定聚類權 水質指標閾值越大，對水質影響越小，其相對權重就越小.因此，采用倒數法，其計算公式如下：

(10)

(11)

2 研究區概況和數據來源

黃石江段(29° 94′～30° 05′N、115° 31′～115° 42′E)位于長江中游地區[18]，上起長江左岸回風硯，下至長江右岸西塞山，是長江中下游重點治理河段[19]，其水環境質量與沿岸居民生活和生產息息相關.根據黃石市生態環境局網站(http://sthjj.huangshi.gov.cn/)的水質監測數據(見表2)，分別對2014年—2018年三峽斷面和風波港斷面的水質進行評價，以期為長江黃石段水環境保護和利用提供科學依據.

3 評價結果分析

3.1 傳統內梅羅污染指數法

根據各污染因子的實測濃度，計算長江黃石段三峽斷面和風波港斷面的傳統內梅羅污染指數，得出評價結果，見表3.

2014年—2018年兩個斷面水質內梅羅污染指數均介于0.74～1.00之間，屬于Ⅲ類，符合長江黃石段地表水功能區劃要求.

表2 2014年—2018年三峽斷面和

注: 數據根據黃石市環境監測站對2個斷面實測數據計算年平均值所得.

表3 2014年—2018年三峽斷面和風波港斷面水質傳統內梅羅污染指數

3.2 改進內梅羅污染指數法

改進內梅羅污染指數各污染因子權重值見表4.由表4可知，在各類標準中權重值最大的是氨氮.依據兩個斷面的實測濃度，計算其改進內梅羅污染指數，結果見表5.2014年—2018年兩個斷面水質的P改進值均介于0.69≤P標準<1.00，屬于Ⅲ類，符合長江黃石段地表水功能區劃要求.最大值均出現在2016年，分別是0.91，0.92.

表4 各污染因子的權重

表5 2014年—2018年三峽斷面和風波港

3.3 灰色聚類法

3.3.1 確定評價指標和水質分級標準 三峽斷面和風波港斷面的評價指標及監測數據見表2，參照《地表水環境質量標準》(GB3830-2002)，分級標準值Sik見表1，并確定水質等級，見表6[20].

表6 水質等級劃分

3.3.2 灰類值無量綱化處理 將長江黃石段三峽斷面和風波港斷面各污染因子的灰類值代入公式(6)進行無量綱化處理，結果見表7.

表7 無量綱灰類值(yik)

3.3.3 建立灰色白化權函數 將表2中各污染因子的監測數據分別代入(7)、(8)、(9)相應的隸屬函數表達式，方可求得各污染因子的隸屬函數矩陣.以2014年三峽斷面和風波港斷面為例，該隸屬函數矩陣如下：

2014年三峽斷面：

2014年風波港斷面：

同理可求2015年—2018年兩個斷面的灰色白化權函數矩陣，在此不逐一列出.

3.3.4 計算各指標的聚類權 將表7中的無量綱灰類值(yik)代入式(10)求出各污染因子的聚類權(ηij)，結果見表8.

表8 各指標的聚類權(ηij)

3.3.5 求聚類系數和聚類結果 三峽斷面和風波港斷面的聚類系數見表9，根據最大隸屬度原則找出最大元所對應的灰類，即是兩個河流斷面的水質類別.其中，除2015年風波港斷面屬于Ⅱ類(輕度污染)之外，2014年—2018年兩個斷面水質均屬于Ⅰ類(未污染).根據表9中最大元對應的聚類系數可知，三峽斷面2017年和2018年聚類系數最大，均為0.285，2014年聚類系數最小，為0.250；風波港斷面2016和2018年聚類系數最大，均為0.290，2015年聚類系數最小，為0.215.2014年和2015年，三峽斷面的聚類系數大于風波港斷面，2016年—2018年，風波港斷面的聚類系數大于三峽斷面.

表9 兩個斷面聚類系數和聚類結果

3.4 結果對比分析

運用傳統、改進內梅羅污染指數法和灰色聚類法分析2014年—2018年長江黃石段三峽斷面和風波港斷面水質污染狀況.通過研究，有以下發現.

兩個斷面的傳統、改進內梅羅污染指數法的評價結果均為Ⅲ類，但傳統、改進內梅羅污染指數值存在差異，這是由于改進內梅羅污染指數法考慮了各評價因子的權重，克服了傳統內梅羅污染指數法過于突出污染濃度大的評價因子的作用和未考慮各評價因子的權重這一缺點，較為客觀地反映河流水質狀況，但該方法仍局限于對河流水質等級的評價，結果見表3和表5.

灰色聚類法的評價結果除2015年風波港斷面屬于Ⅱ類(輕度污染)之外，2014年—2018年兩個斷面水質均屬于Ⅰ類(未污染).灰色聚類法首先對分級標準值(即灰類值Sik)進行無量綱化處理，再根據無量綱灰類值(yik)計算各指標的聚類權(ηij)，這使得各指標不同級別的聚類權不同，因而更為精確可靠.同時，該方法不僅對河流水質進行等級劃分，而且能夠判斷河流水質狀況和污染程度，較前兩種方法更進一步評價河流水體.因此，灰色聚類法的評價結果優于傳統、改進內梅羅污染指數法的評價結果.

4 結論

傳統內梅羅污染指數法計算過程簡單，運用范圍廣，其特點是突出污染濃度最大的評價因子對河流水質的影響，適用于檢測河流主要污染物，但該方法未考慮評價指標權重因素和對低濃度指標評價有限，不利于對河流水質做出全面均衡的評價.

改進內梅羅污染指數法考慮了各評價因子在河流水質中所占的權重，一定程度上提高了對某些污染濃度小而危害大的毒理指標的評價，適用于檢測河流有毒有害物質，較傳統內梅羅污染指數法更為客觀全面評價河流水質，但該方法的截然型分級標準易造成污染程度值相差較小的兩個河流水體分屬不同的級別，而污染程度值較大的卻可能處于同一級別.