水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)方法

古小超， 王 雲(yún)

(1.天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津 300191;2.聯(lián)合赤道環(huán)境評(píng)價(jià)有限公司，天津 300042)

1 水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)方法

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，水資源已成為決定地區(qū)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。科學(xué)的水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)能夠客觀、公正地反映水資源現(xiàn)狀，并在預(yù)防和治理水體污染方面發(fā)揮作用。因此，選擇合適的方法對(duì)水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)尤為重要。水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是對(duì)區(qū)域內(nèi)水環(huán)境的環(huán)境因素進(jìn)行分析，選擇相應(yīng)的參考指標(biāo)參數(shù)，例如水質(zhì)指標(biāo)、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等，并利用特定的科學(xué)方法和技術(shù)手段對(duì)水的用途價(jià)值做出相應(yīng)的分析，得到評(píng)定結(jié)果，準(zhǔn)確反映水質(zhì)污染現(xiàn)狀，明確水質(zhì)變化發(fā)展規(guī)律，以期為水質(zhì)的污染控制和水質(zhì)功能區(qū)劃設(shè)計(jì)提供可靠的科學(xué)發(fā)展依據(jù)。當(dāng)前應(yīng)用較多的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法主要有綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法［1］、主成分分析法［2］、灰色聚類法［3］和灰色關(guān)聯(lián)分析［4］等。

2 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法(water quality identification index，WQI)是對(duì)河流綜合水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種分析方法［5］，該方法參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)［6］對(duì)水中污染物進(jìn)行分類，在此基礎(chǔ)上計(jì)算單因子水質(zhì)指數(shù)。單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)總和的平均值是由代表水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別比較結(jié)果、參加整體水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)中劣于功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)指標(biāo)個(gè)數(shù)組成［7-8］。首先計(jì)算單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù):

式中:Pi為第i項(xiàng)單因子水質(zhì)指數(shù);X1為第i項(xiàng)指標(biāo)的水質(zhì)類別;X2為監(jiān)測(cè)值在X1類水質(zhì)變化區(qū)間所處位置(按照四舍五入原則計(jì)算);X3為水質(zhì)類別與功能區(qū)劃分類別的比較結(jié)果。

然后，計(jì)算綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù):

式中:X3為水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果;X4為參加整體水質(zhì)評(píng)價(jià)的指標(biāo)中，劣于功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

采用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法能夠全面研究河流不同時(shí)段的環(huán)境特征，對(duì)水質(zhì)做出綜合、合理的評(píng)價(jià)。胡成等［5］采用綜合水質(zhì)指標(biāo)指數(shù)法對(duì)渾河進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)總磷是對(duì)整條渾河影響較大的污染物，氨氮污染加重，化學(xué)需氧量呈減輕趨勢(shì)。郭明明［7］采用綜合水質(zhì)指標(biāo)指數(shù)法對(duì)彭越浦的水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，2003年綜合水質(zhì)指標(biāo)指數(shù)從1993年的9.648降低到5.904，污染指數(shù)出現(xiàn)大幅下降。谷建強(qiáng)［1］等在青山湖水質(zhì)評(píng)價(jià)中也采用了綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法，發(fā)現(xiàn)2009年的綜合水質(zhì)指標(biāo)指數(shù)最大，2013年較好，期間呈現(xiàn)U型變化。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法可以較為完整地標(biāo)識(shí)水質(zhì)類別，實(shí)現(xiàn)定性分析和定量分析的統(tǒng)一，但也存在著可能掩蓋超標(biāo)污染物的情形，在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定的限制。

3 主成分分析法

主成分分析法采用幾個(gè)綜合指標(biāo)代替多指標(biāo)，通過減少過多的變量降低分析的復(fù)雜性［9］。首先，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除量綱對(duì)其的影響;其次，進(jìn)行相關(guān)矩陣的計(jì)算;然后，計(jì)算相關(guān)矩陣的特征值和特征向量;最后，計(jì)算各主成分得分的方差貢獻(xiàn)率，進(jìn)而定量計(jì)算出采樣點(diǎn)的污染程度［2，9-11］。其計(jì)算見式(3):

將其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到式(4):

計(jì)算矩陣的特征值和特征向量，并將其p個(gè)特征根按大小順序排列，計(jì)算貢獻(xiàn)率:

最后，確定m值，篩選出主要因子。

主成分分析法能夠通過綜合分析產(chǎn)生彼此互補(bǔ)、相關(guān)的新指標(biāo)，從而反映水質(zhì)情況。魯斐等［12］采用主成分分析法評(píng)價(jià)遼河水質(zhì)，發(fā)現(xiàn)通江口橋處的有機(jī)污染物最為嚴(yán)重，硝酸鹽氮和生化需氧量對(duì)河流造成的影響較小。對(duì)鄱陽湖水質(zhì)的評(píng)價(jià)也采用了該種方法［13］，分析1991—2006年鄱陽湖的水質(zhì)變化發(fā)現(xiàn)，2006年的水質(zhì)最差，1997年的水質(zhì)最好;對(duì)2008年鄱陽湖監(jiān)測(cè)斷面的分析發(fā)現(xiàn)，鄱陽湖水質(zhì)好于入湖區(qū)域水質(zhì)，說明鄱陽湖污染主要是受外源污染。王維等［14］將主成分分析法應(yīng)用于北大港水庫的水質(zhì)分析中，發(fā)現(xiàn)化學(xué)需氧量的影響最大，其次為總氮和總磷。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可利用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，使主成分分析法在水質(zhì)評(píng)價(jià)應(yīng)用方面具有可靠性和推廣性，但也存在著一定的主觀性和隨意性。

4 灰色聚類法

灰色聚類法［15］是指按照研究對(duì)象的親疏關(guān)系，反映樣品間的內(nèi)在組合關(guān)系的一種多元統(tǒng)計(jì)關(guān)系。假設(shè)有k個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)有i個(gè)指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)有c個(gè)灰類，k個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的i個(gè)指標(biāo)即可構(gòu)成矩陣［16］，如式(6)所示:

其中，dki為k個(gè)聚類樣本第i個(gè)聚類指標(biāo)初始值，k∈［1，2，…，n］，i∈［1，2，…，m］。

針對(duì)灰色聚度法對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要首先建立灰度白化函數(shù)，灰類為1時(shí):

灰類為 j(j=2，3，…，c-1)時(shí):

灰類為c時(shí):

然后，計(jì)算聚類權(quán)并對(duì)灰類進(jìn)行無量綱化處理:

計(jì)算第i個(gè)污染指標(biāo)第j個(gè)灰類的無量綱數(shù):

其中，Sij為第i個(gè)污染指標(biāo)第j個(gè)灰類的灰數(shù);S0i為第i個(gè)污染指標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)。

聚類系數(shù)見式(12):

最后，以等級(jí)h為變量，計(jì)算加權(quán)平均數(shù)來評(píng)價(jià)δij的權(quán)值，計(jì)算樣本所隸屬的等級(jí):

灰色聚類法可以對(duì)部分信息未知或不確定的水環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，劉芳［17］通過灰色聚類法對(duì)揚(yáng)州市內(nèi)古運(yùn)河某斷面進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)1年中有7個(gè)月的水質(zhì)為Ⅳ類和Ⅴ類，分別是1月、2月、4月、5月、7月、9月和10月，Ⅳ類和Ⅴ類水占58.33%，可以看出該運(yùn)河水質(zhì)不容樂觀。周全超等［18］對(duì)同里古鎮(zhèn)的水質(zhì)評(píng)價(jià)也采用灰色聚類法，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)口泵站、小東溪、會(huì)川橋和東新橋4個(gè)斷面的水質(zhì)均為Ⅴ類水，水質(zhì)狀況較差。趙光影等［19］采用灰色聚類法開展地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)七臺(tái)河市監(jiān)測(cè)斷面均未達(dá)到水質(zhì)功能區(qū)的要求。灰色聚度法能夠客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)水質(zhì)，克服在水環(huán)境中很多信息不明的情況下評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)過于明確帶來的影響。

5 灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析通過分析關(guān)聯(lián)度來量化系統(tǒng)內(nèi)評(píng)價(jià)因素的相互聯(lián)系，根據(jù)空間曲線的接近程度來判斷聯(lián)系的緊密程度，進(jìn)而對(duì)水質(zhì)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)［20］。假設(shè)實(shí)測(cè)樣本序列為:

共有m個(gè)，包含n個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)序列:

共有s個(gè)，包含n個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)。關(guān)聯(lián)系數(shù)見式(16):

關(guān)聯(lián)度的計(jì)算見式(17):

然后，對(duì)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序，根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度的值來確定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［21-23］。

該方法考慮了水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)間形式，劉景蘭等［24］在對(duì)七里海濕地進(jìn)行分析評(píng)價(jià)時(shí)采用灰色關(guān)聯(lián)法，發(fā)現(xiàn)其水質(zhì)已經(jīng)受到嚴(yán)重污染，評(píng)價(jià)的8個(gè)斷面中有7個(gè)為Ⅴ類水，水環(huán)境修復(fù)迫在眉睫。于洪濤等［22］采用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)南水北調(diào)中線澧河進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示澧河上游孤石灘水庫和中游河口斷面水質(zhì)均為Ⅱ類水，漯河市一座水廠的取水口水質(zhì)為Ⅰ類水，與單指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果一致。但分析過程中，灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)數(shù)據(jù)的要求較高，數(shù)據(jù)需要滿足一定的相似度。

對(duì)比分析綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法、主成分分析法、灰色聚類法和灰色關(guān)聯(lián)分析這4種水質(zhì)分析評(píng)價(jià)方法［6，11，25］，見表 1。

表1 水質(zhì)分析評(píng)價(jià)方法比較Tab.1 Comparison of water quality analysis and evaluation methods

6 結(jié)語

環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的可靠性，主要取決于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的科學(xué)性。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法、主成分分析法、灰色聚類法和灰色關(guān)聯(lián)分析，在對(duì)水質(zhì)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)中應(yīng)用較為普遍，但是也存在一定的局限性。為了更科學(xué)合理地對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以在現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善，以更好地評(píng)價(jià)水質(zhì)現(xiàn)狀。

① 在原有評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，考慮評(píng)價(jià)過程中水質(zhì)污染物的綜合作用，例如氮、磷在水生態(tài)環(huán)境中是否會(huì)相互影響。對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行細(xì)化，使水質(zhì)現(xiàn)狀的描述更為準(zhǔn)確，為后續(xù)環(huán)境治理提供依據(jù)。

② 快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)、通訊和自動(dòng)監(jiān)測(cè)等技術(shù)，在水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中具有較好的應(yīng)用前景。例如MIKE、Pload等模擬軟件的發(fā)展和GIS在數(shù)據(jù)分析、空間查詢和空間模型建立方面的應(yīng)用，將計(jì)算機(jī)、通訊和自動(dòng)監(jiān)測(cè)等技術(shù)更多地應(yīng)用到水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中，必將大大簡化人工監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。

③ 目前，水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究領(lǐng)域還缺乏一個(gè)認(rèn)知度高、認(rèn)可性高的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型。因此，架構(gòu)能獲得更加真實(shí)、準(zhǔn)確、更具備決策性的評(píng)價(jià)結(jié)果的水質(zhì)量評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，是下一步深入研究的方向。