三種水質(zhì)評價方法運用于江安河水質(zhì)分析對比

夏茁文 陳宇

摘要：為調(diào)查江安河水質(zhì)狀況，采用單因子評價法、集對分析法及對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式對江安河3個斷面進(jìn)行水質(zhì)評價，并對結(jié)果進(jìn)行對比，同時分析3種方法的優(yōu)缺點。基于江安河三天的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對江安河3個斷面進(jìn)行水質(zhì)評價，評價結(jié)果表明：江安河氨氮指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，超標(biāo)指數(shù)高達(dá)2.83。青春廣場白石橋、江安水閘斷面污染較重。單因子評價法能直觀反映水質(zhì)因子超標(biāo)情況，但無法全面反映水質(zhì)整體狀況;集對分析法能同時處理評價標(biāo)準(zhǔn)的確定性與評價因子權(quán)重的不確定性問題，但確定水質(zhì)等級時以選擇最大聯(lián)系度來評定，而弱化其他較大聯(lián)系度;對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式計算簡單，能同時對地表水21項指標(biāo)進(jìn)行等級評定，但評價結(jié)果較為保守。

關(guān)鍵詞：單因子評價法;集對分析法;對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式

中圖分類號：X824 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）04-00-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.04.007

Abstract：In order to investigate the water quality of Jiangan River， three simple and practical water quality evaluation methods，namely single-factor evaluation method，set pair analysis method and logarithmic power function universal index formula，were used to evaluate the water quality of three sections of Jiangan River. The results were compared and the advantages and disadvantages of the three methods were analyzed simultaneously.Based on the water quality monitoring data of Jiangan River for three days， the water quality evaluation was carried out on three sections of Jiangan River.The evaluation results show that：the ammonia nitrogen index of Jiangan River was seriously exceeded， and the over-index was as high as 2.83. The Baishiqiao and Jiangan sluice sections of Youth Square are heavily polluted.The single factor evaluation method can directly reflect the water quality factor exceeding the standard，but it can not fully reflect the overall condition of the water quality;the set analysis method can simultaneously deal with the uncertainty of the evaluation criteria and the uncertainty of the evaluation factor weight，but the maximum selection when determining the water quality level The degree of connection is used to assess，while weakening other large degrees of connection; the logarithmic power function universal index formula is simple to calculate， and can simultaneously rank 21 indicators of surface water， but the evaluation results are conservative.

Key words：Single factor evaluation method;Set pair analysis method;Logarithmic power function universal index formula

水質(zhì)現(xiàn)狀評價是水環(huán)境質(zhì)量評價的一個方面，是計算水環(huán)境容量和規(guī)劃水資源系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有其獨特的重要性[1]。自20世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外就不斷有文獻(xiàn)討論水質(zhì)評價的方法并已開發(fā)出幾十種。目前，水質(zhì)評價類型一般分為單因子評價法和綜合評價法，相比來說，單因子評價法能直觀反映水質(zhì)超標(biāo)組分和污染區(qū)域，而綜合評價法更能全面反映水質(zhì)整體狀況。綜合評價法主要包括水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、模糊綜合評價法[2，3]、集對分析法[4，5]和對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式[6，7]等。不同的評價方法在同一研究區(qū)可能會得到不同的水質(zhì)評價結(jié)果，而且不同評價方法各有優(yōu)點與不足，因此如何選擇合適的評價方法以及驗證方法的有效性非常重要。本文選用單因子指數(shù)評價法、集對分析法和對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式3種常用的且計算簡便的水質(zhì)評價法對河流水質(zhì)進(jìn)行評價，并對評價結(jié)果進(jìn)行對比，分析3種水質(zhì)評價方法的優(yōu)缺點，以期為城市河流水質(zhì)評價方法的應(yīng)用提供實例支撐。

1 基本理論與方法

1.1 單因子指數(shù)評價法

單因子指數(shù)評價方法的思想是對每個水質(zhì)指標(biāo)單獨進(jìn)行評價，利用統(tǒng)計及模式計算得出各水質(zhì)指標(biāo)的超標(biāo)率、超標(biāo)倍數(shù)和水質(zhì)指數(shù)等項結(jié)果，并將水質(zhì)最差的單項指標(biāo)所屬類別來確定水體綜合水質(zhì)類別。

水質(zhì)因子的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)≤1時，表明該水質(zhì)因子在評價水體中的濃度符合水域功能及水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2 集對分析法

我國學(xué)者趙克勤在1989年首次提出集對分析（Set pair analysis）這一概念，其本質(zhì)是將確定性分析和不確定性分析相結(jié)合， 用于描述和處理綜合集成問題的一種全新的系統(tǒng)分析方法。所謂集對，是指具有一定聯(lián)系的兩個集合所組成的對子。從系統(tǒng)科學(xué)角度看，系統(tǒng)內(nèi)的任兩個組成部分，系統(tǒng)與環(huán)境、系統(tǒng)與人等，都可以在一定條件下看成是集對的例子。集對分析的基本思路[5]84是：在一定的問題背景下對所論兩個集合所具有的特性作同異反分析并加以度量刻畫，得出這兩個集合在所論問題背景下的同異反聯(lián)系度表達(dá)式，并推廣到系統(tǒng)由m>2個集合組成時的情況，在此基礎(chǔ)上深入展開有關(guān)系統(tǒng)的聯(lián)系、預(yù)測、控制、仿真、演化、突變等問題的研究。

水質(zhì)評價實際上是具有確定性的評價標(biāo)準(zhǔn)與評價因子權(quán)重的不確定性相結(jié)合的決策過程，而集對分析法提供了一個處理確定性與不確定性的較好方法。在集對分析中，將確定性分成“同一”與“對立”兩個方面，將不確定性稱為“異”，從同、異、反3個方面分析事物，認(rèn)為同、異、反3者互相聯(lián)系、影響和制約，又在一定條件下互相轉(zhuǎn)化[9]。

根據(jù)問題A的需要，對集對B展開分析，共得到N個特性，其中有S個特性為集對中的兩個集合共有，有P個特性相對立，其余的F=N-S-P個特性既不對立，又不同一，稱為差異。S/N為這兩個集合在問題A下的同一度，或用a表示;F/N為這兩個集合在問題A下的差異度，或用b表示;P/N為這兩個集合在問題A下的對立度，或用c表示。在上述背景下的同異反聯(lián)系度表示為[5]84。

式中：μ為聯(lián)系度;i為差異不確定系數(shù)，在[-1，1]區(qū)間視不同情況取值，有時僅起差異標(biāo)記作用;j為對立度系數(shù)，計算時恒取值-1，有時僅起對立標(biāo)記作用。而聯(lián)系度μ一般情況下表示等于右邊的式子，特殊情況下才是1個數(shù)值，此時稱為聯(lián)系數(shù)[5]84。

確定準(zhǔn)確的聯(lián)系度是決策結(jié)果可信的關(guān)鍵，集對分析法有別于隸屬度法，它是一種“寬域式”的函數(shù)結(jié)構(gòu)，能充分提高信息的利用率，保證綜合結(jié)果的可信性。基于集對分析的基本思路，在用于水環(huán)境評價時，將待評價水體的指標(biāo)與評價標(biāo)準(zhǔn)視為1個集對。假定有N個評價指標(biāo)和不同的評價等級，則由式（6）擴展的聯(lián)系度一般形式為[10]

對數(shù)型冪函數(shù)形式的普適指數(shù)式中，參數(shù)a和b是根據(jù)21項指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化得到的。由于用規(guī)范值（j=1，2，…，21）表示的21項指標(biāo)是“等效”的，因此，普適式不僅可以用于21項指標(biāo)的地表水水質(zhì)評價，也適用于少于21項指標(biāo)的某幾項指標(biāo)組合的評價，以及單項指標(biāo)的評價。

2 江安河水質(zhì)現(xiàn)狀評價

2.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

江安河始于都江堰，止于雙流華陽，是與府河、南河、沙河齊名的成都市4大水系之一，途中流經(jīng)東升、文星、白家、華陽5鎮(zhèn)，都江堰市、溫江區(qū)、雙流縣和武侯區(qū)等地，貫穿成都南北。流經(jīng)雙流縣的河段，長32.15km，河底寬50～70m，河床比降2.5‰，多年平均流量13.4。江安河作為雙流縣縣境河流，系都江堰灌溉河道，長期以來存在氨氮超標(biāo)問題。張祺等[12]對江安河四川大學(xué)江安校區(qū)段的研究表明，利用單因子評價按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)定性評價江安河水質(zhì)，氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)均有超標(biāo)的情況。因此本研究著重選擇對江安河四川大學(xué)江安校區(qū)段水質(zhì)進(jìn)行研究。根據(jù)水質(zhì)采樣規(guī)程以及采樣的實際情況與需要，采樣斷面布設(shè)于水電試驗場旁、江安校區(qū)青春廣場白石橋處、江安水閘處，取樣斷面的布設(shè)情況如圖1。為避免取樣的偶然性，分別于5月6日、5月7日、5月8日三天對進(jìn)行取樣，選擇pH、DO、、TP、5項污染指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測分析，三天的監(jiān)測結(jié)果見表2。

2.2.1 單因子評價法評價結(jié)果

按照我國《地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）中依據(jù)地表水水域的水環(huán)境功能與保護(hù)目標(biāo)的功能區(qū)對象劃分，以Ⅲ類水為標(biāo)準(zhǔn)對實驗數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行單因子指數(shù)分析，將表2各數(shù)據(jù)分別代入式（1）、（2）、（3）、（4）和式（5）得到表3評價結(jié)果。

由表6和圖2可見，不同水質(zhì)評價方法應(yīng)用于同一河流相同斷面時，得出的評價結(jié)果會有差異。在第一天的評價結(jié)果中，單因子評價法和對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式評價的結(jié)果為Ⅲ級，而集對分析法評價的結(jié)果為Ⅱ級。結(jié)合實際情況分析，在5月6日，上游來水量較低，江安河水閘處于半開狀態(tài)，河流流量處于正常狀態(tài)，污染物濃度較低，綜合考慮將其定為Ⅲ級較為合理。單因子評價法與集對分析法在5月7、8兩日的評價結(jié)果一致為Ⅴ級，而對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式評價結(jié)果為Ⅲ級，因持續(xù)降雨，在5月7日，上游來水量增加，上游的污染物被水流攜帶至研究區(qū)，導(dǎo)致水質(zhì)評價結(jié)果偏低，因此評價等級為Ⅴ級較為合理。可以看出，對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式的評價結(jié)果趨于保守，河流流量的變化對評價結(jié)果影響不大。

3 結(jié)論

本文通過采用單因子評價法、集對分析法和對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式分別對江安河不同監(jiān)測時間、不同監(jiān)測斷面的溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷和氨氮進(jìn)行水質(zhì)分析，得出具體水質(zhì)評價等級，結(jié)果表明3種方法都能在一定程度上反映水體水質(zhì)情況，說明3種方法都可用于河流水質(zhì)評價。單因子評價法重點考慮突出污染因子的影響，給出具體污染因子的超標(biāo)倍數(shù)，計算方便，可清晰且直觀的對比實測值與標(biāo)準(zhǔn)值，但忽略了整體水質(zhì)評價結(jié)果;集對分析法能對整體水質(zhì)進(jìn)行客觀評價，但有時會忽略個別權(quán)重較小但存在超標(biāo)現(xiàn)象的指標(biāo);對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式以具體的指數(shù)值連續(xù)性地描述水質(zhì)狀況， 其評價結(jié)果能直觀地反映屬于某級污染的不同程度。集對分析法和對數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式都能對水質(zhì)進(jìn)行定量評價，數(shù)值越大，水質(zhì)越差。當(dāng)選用多種水質(zhì)評價方法對同一條河流進(jìn)行評價時，如果出現(xiàn)不一致結(jié)果，則需結(jié)合實際情況與各評價指標(biāo)在水質(zhì)等級評定中出現(xiàn)的權(quán)重大小綜合判定最終的水質(zhì)等級。

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收稿日期：2020-02-29

作者簡介：夏茁文（1996-），男，漢族，碩士研究生，研究方向為水力學(xué)及河流動力學(xué)。