三種水質評價方法運用于嘉陵江漢中段水質分析對比

宋英鴻，吳來奇，蔣丹哲

（漢中水文水資源勘測中心,陜西 漢中 723000）

現(xiàn)階段水質評價方法多樣,而且不同評價方法各有優(yōu)點與不足,因此本文將采用單因子評價法、綜合水質標識指數(shù)法、灰色聚類法三種方法對2022 年嘉陵江漢中段水質進行評價分析,并對比分析這三種方法。

1 研究概況及數(shù)據(jù)

嘉陵江是長江上游左岸一級支流,有東西兩源,東源為陜西省寶雞鳳縣北面秦嶺代王山西側大南溝,西源出自天水寨子山,稱西漢水。嘉陵江干支流水質監(jiān)測斷面在漢中段設有白水江、略陽、燕子砭、小廠、封家壩、香樹坪、西淮壩、廣坪,依據(jù)斷面情況以及監(jiān)測實際情況,本文將主干上游白水江、中游略陽、下游燕子砭三個斷面作為分析對象。依據(jù)2022 年全年水質監(jiān)測項目高錳酸鹽指數(shù)CODMn、化學需氧量CODGr、總磷TP、氨氮NH3-N、溶解氧DO 檢測數(shù)據(jù),采用三種分析方法對每月水質進行分析評價,數(shù)據(jù)見表1。

2 評價方法與計算

2.1 單因子評價法

水質按照《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838-2002）評價,以白水江為例,評價結果見表2。

表2 單因子評價法評價結果

2.2 綜合水質標識指數(shù)法

2.2.1 方法原理

此方法是對水中污染物進行分類,對各項指標進行綜合評價,可以避免單因子對評價造成影響,綜合水質標識指數(shù)的基本構成是：

式中：X1為綜合水質級別；X2為水質類別變化范圍內(nèi)所處的實際位置；X3為水質類別未達標監(jiān)測目標的數(shù)量；X4為綜合水質與監(jiān)測目標對比結果。

X1.X2是用來反映水環(huán)境狀況,X3X4是用來判斷水體的水質指標和綜合水質類別達標情況。綜合水質指數(shù)對應的綜合水質類別通過X1.X2反應,見表3[1],其中X1.X2數(shù)值越大,綜合水質越差。

表3 綜合水質指數(shù)對應的綜合水質類別

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

DO 評價方式有特殊性,其值越大,水質狀況越好,為與其他監(jiān)測項目評價時保持一致性,因此計算其水質因子的時候,將《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838-2002）中,濃度值判定方法轉變?yōu)椴伙柡投扰卸╗2],見表4。

表4 溶解氧不飽和度評價水質類別

計算2022 年1 月～12 月白水江、略陽、燕子砭溶解氧不飽和度值,以白水江為例,見表5。

2.2.3 結果計算

根據(jù)式（1）計算2022 年1 月～12 月白水江、略陽、燕子砭各水質項目的WQI 值,其中溶解氧水質因子參考表4、表5,各計算結果按表3 進行評價,評價結果見表6。

表6 綜合水質標識指數(shù)法評價結果

2.3 灰色聚類法

該方法是將水質斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)標準化之后,以白化函數(shù)為基礎,按照灰類進行類別系數(shù)分配,通過聚類系數(shù),判斷所屬的灰類,并進行最終水質類別評價。

2.3.1 數(shù)據(jù)標準化處理

（1）樣本標準化處理

因各監(jiān)測項目量綱不統(tǒng)一,需標準化處理樣本數(shù)值,設有i=1,2,3,…n 個聚類對象,j=1,2,3,…m 個聚類指標,計算公式如下：

式中：Xij為數(shù)據(jù)標準化值；Sij為實測值；Sj為聚類指標所參考的標準值,本文根據(jù)監(jiān)測斷面目標水質類別確定各聚類指標的標準值。

以白水江為例,根據(jù)公式（2）標準化樣本值,見表7。其中DO 按表4 評價。

表7 2022 年1 月～12 月白水江標準化樣本值

（2）灰類標準化處理

設有k=1,2,3,…k 個聚類灰數(shù),根據(jù)式（3）進行灰類標準化處理,見表8。

表8 白水江灰類標準處理結果

式中：γjk為第j 個指標k 個灰類的標準化值；Cjk為第j 個指標k 個灰類的灰數(shù)；Sj為j 指標參考標準值。

根據(jù)白水江目標水質類別Ⅲ類,灰類標準化結果見表8。

2.3.2 確定白化函數(shù)

本文選取典型的白化函數(shù)模型[3]。

當k=1 時,白化函數(shù)為：

當k=2,3,4 時,白化函數(shù)為：

當k=5 時,白化函數(shù)為：

2.3.3 計算聚類系數(shù)

根據(jù)以次按照式（7）、式（8）、式（9）,計算各樣本的聚類系數(shù)。

式中：ηjk為灰類權重值；θjk為灰類聚類權；ωik為第i 個聚類對象隸屬第k 灰類的程度。

以白水江為例,聚類系數(shù)見表9。

表9 2022 年1 月～12 月白水江聚類系數(shù)

按照最大隸屬原則,ωik中最大值為樣本隸屬的灰類,稱對象i 屬于灰類k。按灰色聚類法,評價結果見表10。

表10 灰色聚類法評價結果

3 結論與分析

對比3 種方法評價結果,見圖1～圖3。

圖1 2022 年1 月～12 月白水江水質評價對比圖

圖2 2022 年1 月～12 月略陽水質評價對比圖

圖3 2022 年1 月～12 月燕子砭水質評價對比圖

從圖中可以看出,2022 年白水江、略陽、燕子砭水質均為Ⅰ、Ⅱ類,水質狀況穩(wěn)定。結合表6、表10,分析如下：

（1）采用單因子評價法時,Ⅱ類居多,同一水質用單因子評價時為Ⅱ類,但用綜合水質標識法、灰色聚類法分別進行分析時,有可能為Ⅰ類,比如4 月白水江水質類別。

（2）采用綜合水質標識法進行評價時,由于白水江、略陽、燕子砭水質情況良好,其分析結果總體偏優(yōu),無法提供有效信息。

（3）灰色聚類法與綜合水質標識法具有同樣的問題,評價結果總體偏優(yōu),但灰色聚類法在分析時,計算了水質斷面在各灰類的聚類系數(shù),見表10,因此當水質評價類別相同時,可根據(jù)聚類系數(shù)對比同一類別的水質優(yōu)良情況。比如白水江1 月和2 月水質類別均為Ⅰ類,但其聚類系數(shù)分別為0.866,0.945,說明白水江2 月水質優(yōu)于1 月。

通過以上分析,可得出對嘉陵江漢中段水質進行常規(guī)水質評價時,可采取單因子評價法,簡單易行,并且對結果要求更嚴格。但是需要進一步分析同一類別的水質狀況時,可采取灰色聚類法,比較水質優(yōu)良狀況。