供水型水庫水質評價方法分析

摘要：水庫，尤其是供水型水庫，對經濟發展和國計民生有重要作用，因此做好供水型水庫水質分析評價工作至關重要。為了科學合理地選擇評價方法，本文對比分析不同類型水質評價方法，闡述其優缺點。分析結果顯示，需因地制宜地選擇評價方法和選取水質指標，綜合多種評價方法進行判斷。其中，單因子分析法簡單直接，但不利于整體情況的分析；層次分析法對整體水質情況的分析較為全面，但易受到主觀因素影響；主成分分析法對于單一水質指標的分析更為準確；綜合水質指數法和內梅羅法的評價結果相對更加全面。

關鍵詞：供水型水庫；水質分析；水質評價；綜合水質指數法；層次分析法

引言

水質評價是基于實際監測數據，通過選擇適合的評價指標和評價方法，以水環境質量標準為依據，采用數學方法對水質進行定性定量評價的方法[1]。作為水質管理重要措施之一，水質評價可以真實有效地反映水體質量及變化趨勢，具有確定水質污染狀況、判別水質類別、識別主要污染物和解析水質時空變化等作用，能夠為水質監管、水環境防治方案的制定提供指導性意見，達到水資源的保護和可持續開發利用的目的。作為飲用水水源地，供水型水庫保護不但關乎國計民生，而且對臨近城市的經濟發展、居民生活和環境協調發展起重要作用，因此做好水質評價工作至關重要。

1國內外水質評價研究進展

1.1 國外水質評價

水質評價是保障水質安全、水資源合理利用的前提，也是做好河流、湖庫等有效管理和污染防治工作的基礎。20世紀60年代美國學者最早提出水體質量評價水質指數（QI）的概念，開始了研究水質評價方法的歷程。1969年美國頒布《國家環境政策法》，標志著美國的水質評價進入制度化時代。1970年水環境質量指數法（WQI）被提出，該方法通過對單項及綜合水環境質量指數的計算，將水質狀況量化，實現對水質的劃分。1974 年，NEMEROW[2]在對河流水污染進行分析時提出了NEMEROW指數法，由于計算過程簡單方便而得到廣泛應用，成為國內外水質評價的最常用方法之一。在此后，各個國家不斷對水質評價的方法進行研究、補充和發展。為對各單因子評分進行加權值綜合分析，形成了一系列基于單因子判別的確定性水質綜合評價方法，如內梅羅污染指數法[3]。隨著計算機技術的快速發展，不僅提高了數據處理的效率，而且衍生出了一系列（模糊數學法、人工神經網絡法等）更加科學的水質評價方法，水質評價的整體水平有了質的飛躍。在針對神經網絡水質模型的分析與證實中，VANDENBERGHE V等[4]發現BP神經網絡模型在全部神經網絡水質模型中應用最多且精準度最高。

1.2 國內水質評價

我國的水環境質量評價工作起步較晚，始于1973年第一次對北京西郊環境質量的評價，但后期發展迅速，各方法逐步完善以適應多樣的水體類型，整體的評價水平也在不斷趨于科學合理。如，相關學者曾提出基于BP神經網絡的水質評價模型在磨水河的應用；在針對中國湖南省的水體情況調查中，應用了結合模糊綜合評價法和熵值法所建立的水安全評價模型，得到了當地水體情況較安全的結論[5]。

由于水環境是受多種污染因素和變量影響的多元體系，具有高度的動態性、復雜性和綜合性，加之監測數據收集不完全的影響，因此如何在水環境存在模糊和不確定性問題的條件下，提高水質評價精度，成為我國現階段水質評價研究的關鍵。基于此，本文以供水型水庫這一受多因素影響且較為復雜的系統為對象，分析常用水質評價方法的優缺點及發展趨勢，以期為研究者們選用合理的指標、科學的評價方法提供指導意義。

2常用水質評價方法比較分析

長期以來，許多的評價方法經研究提出，目前常應用于水環境質量評價的方法有單因子評價法、主成分分析法、模糊聚類法、BP神經網絡法、綜合水質指數法和層次分析法等。但由于水環境的復雜性，各方法具有相應的特征和一定的局限性，因此在實際水質評價過程中，需要將多種方法結合，并進行分析比較以得到更科學合理的結果。

2.1 單因子指數法

2.1.1概述

單因子指數法，是以國家《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）為根據，將各監測指標的實測值與國家規定的相應指標標準限值進行比較，確定各指標的水質類別，再以該監測斷面中最差的水質指標數值類別作為該斷面的最終數值類別[6]。

2.1.2 計算方法

單因子指數的計算方法見式（1）。

式中 Pi—單因子污染指數；Ci—第i項指標的實際濃度測量值；Co—第i項指標的評價標準限值。

當Pi≤1，表明該項指標達標；當Pi＞1，表明該項指標超標；Pi越大，該指標污染程度越嚴重。

2.1.3 小結

單因子水質評價法是最為直接、簡單明了的水質評價方法，能較直觀地看出超標項目及超標倍數，但評價結果會受到極端指標的影響，不利于全面反映水質狀況。寧陽明等[7]在運用單因子指數法對長江黃石段三峽斷面和風波港斷面進行評價后，得出了單因子評價法可確保水體安全， 但不能客觀反映河流綜合水質情況的結論。

2.2 主成分分析法

2.2.1概述

主成分分析法在水質評價指標選取與水環境質量評價工作中應用廣泛，其利用降維的思想，將多個復雜變量集成、簡化為少數幾個綜合變量，通過識別并篩選出主要污染因子，并在此基礎上對水質綜合指標進行量化排序[8]，減少了工作復雜度，既能在極大程度保留原始信息數據的基礎上有效減少主觀誤差對評價結果的影響，還能客觀地確定各個指標的權數，避免了傳統水質分析方法的主觀隨意性，因此可全面地分析水體污染程度和主要污染類別，以及較好地反映污染物排放對水質的影響，同時還可表明來自河流的營養物質量、有機污染水平和季節變化的相關性[9][10]。

2.2.2 計算方法

①對測得數據和各類水質標準進行標準化處理，消除不同指標間量綱等因素的影響，按式（2）計算。

式中 —第i個水質指標的第j個原始數據；

—水質指標的平均值；" "—水質指標的標準差。

②利用數據標準化后的矩陣求解相關系數矩陣R=（rst）M×N，按式（3）計算。

式中 —第X個與第t個指標數據的相關系數； —第i個指標數據的標準化值； —第t個指標數據的標準化值。

③計算相關系數的特征值和特征向量，根據解釋方差和貢獻率確定主成分個數。

④根據主成分的載荷矩陣，結合轉化公式計算特征值所對應的得分系數矩陣，即式（4）。

式中 —得分系數矩陣中第i個主成分第j個指標的數值； —載荷矩陣中第i個主成分第j個指標的數值； —各主成分的特征值。

⑤將方差貢獻率作為權重計算各主成分的綜合得分，按式（5）、式（6）計算。

式中 —各主成分的得分；" " "—第i 個指標的第j個標準化數值；F —主成分的綜合得分。

2.2.3 小結

為了滿足水質評價工作更深層次的研究需要，主成分分析法在水庫等多因子系統的定量評價中得到了廣泛應用和深入發展。如，在對白洋淀入淀河流進行水質監測時，馬愷等[11]使用了主成分分析法將原本11項水質指標減少為4個主成分，減小了工作進行的難度。但在實際應用中，主成分分析法雖對某項單一污染源的分析更為準確，卻不能全面反映水質狀況。基于此，朱永軍等[12]將主成分分析法進行改進并與人工神經網絡相結合，提出了PCA-BP神經網絡水質評價模型，使評價結果更為客觀真實。劉清園等[13]利用SPSS軟件對主成分分析法做出改進，使其能夠在盡可能少丟失原始數據的基礎上進行合理的水質評價。

2.3 層次分析法

2.3.1概述

層次分析法（簡稱“AHP法”），屬于不確定性綜合水質評價方法，是一種將層次化與系統化結合的多目標決策分析方法，先通過把問題進行層次化分解成若干子系統，按目標層、準則層和方案層建立層次結構模型，再通過建立判斷矩陣與一致性檢驗得到各層的權重，然后根據權重值確定最終排序。與其他評價方法相比，層次分析法綜合考慮了權重對評價因子、評價因子對水質的貢獻與因子間的相互聯系，能全面地反映出水環境質量的綜合狀況，且具有較好的邏輯性、系統性、準確性和實用性[14]。

2.3.2 計算方法

①構建層次結構模型，將水庫水質作為層次分析的目標層，將水質類別（Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類）作為準則層，將水樣監測指標（pH、總氮、氨氮、溶解氧、氯化物、氟化物、硫酸鹽等）作為方案層，并根據這3個層次建立水庫水質層次結構模型，如圖1所示。

②構造判斷矩陣，確定判斷矩陣的最大特征值，按式（7）計算。

③對判斷矩陣進行一致性檢驗，按式（8）、式（9）計算。

式中 —判斷矩陣一致性指標； —判斷矩陣平均隨機一致性指標； —判斷矩陣隨機一致性指標；k —判斷矩陣階數。

④計算權重，確定總體水質類別排序。

2.3.3 小結

AHP法關鍵在于判斷矩陣的建立和一致性的檢驗，其計算過程相對繁瑣，為了克服傳統層次分析法在權重確定過程中的一些弊端，以及增加評價結果的科學性和可靠性，不少學者在原有基礎上提出了拓展。張德彬[15]引用模糊層次分析法確定主觀權重，并將客觀賦權（熵權法）和主觀賦權（FAHP）基于博弈論思想進行組合賦權，同時兼顧主、客觀權重，提高了賦權的科學性；閆濱等[16]研究采取主客觀結合的組合賦權形式，彌補了單一賦權方式的不足；周燦等[17]使用了模糊層次分析法，通過熵權法對層次分析法進行修正，使得權重賦值更加準確。

2.4 水環境質量指數法

2.4.1概述

水環境質量指數法（WQI）的核心在于通過1個能夠代表整體水質的無量綱數來表示水體水質情況，根據計算結果將水質情況分為“非常差”“差”“中等”“好”“極好”5個等級，綜合反映水環境質量狀況。該方法避免了個別水質污染指標對整體水質評價的影響，綜合了水體綜合水質類別、水體污染程度和水質變化趨勢分析3方面，既可作定性分析，又可作定量評價，且評價結果直觀合理，在湖庫和河流水質評價中具有可參考性[18][19]。

2.4.2 計算方法

WQI的計算方法見式（10）。

式中 n —水質指標總數； —各指標的歸一化數值； —各指標的權重，各指標的權重按照對水質的影響程度大小進行確定，從小至大指標權重依次為1～5。

2.4.3 小結

近年來，提高WQI的評價效率和準確性成為學者們研究的熱點。如，將因子分析法、聚類分析法等與WQI相結合，均取得了良好效果；在水源水庫評價中。夏櫻[20]應用改進的綜合水質指數法（CWQI），并結合上海市水源水庫面臨的水質風險及水質特點，檢驗了該方法的適用性。在WQI的基礎上，學者們還提出了WQImin，選取３～５個關鍵參數對同一水體進行評價，相比其他水質評價方法便捷高效，且與WQI呈高度線性相關，能夠較好地反映WQI變化。葉焰中等[21]在對茜坑水庫的評價中應用了WQImin，得到了其有利于降低水庫水質評價成本、提高效率的結論。

2.5 內梅羅指數法

2.5.1 概述

內梅羅指數是一種突出最大值、多因子計權型的環境質量指數。內梅羅指數法評價結果能較為全面地反映各指標的協同作用和水體污染狀況，且計算方法簡便，概念明了。但在進行評價時，由于突出了最大污染指數，導致容易夸大個別超標指數的影響，忽視個別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。同時，由于對各污染指標權重的因素考慮不足，故而在僅有個別指標超標的情況下評價結果較為悲觀[22]。

2.5.2 計算方法

內梅羅指數法的計算方法見式（11）、式（12）、式（13）。

式中 —各水質指標的實測值； —各水質指標的標準值； " — 的平均值；Fmax— 中的最大值；n—參與評價的水質指標數量；N—內梅羅污染指數。

2.5.3 小結

為了減少上述缺點對水質評價結果的影響，學者們做出了相應改進。李蘇等[23]在權重確定環節將層次分析法與主成分分析法相結合進行組合賦權，從而削弱了污染濃度小但影響大的指標對整體水質分析的影響；吳喜軍等[24]在黃河干流水質評價中使用了改進的內梅羅指數法，使所得的評價結果克服了傳統方法偏于主觀性、結果過于嚴格的弊端，較傳統的內梅羅指數法具有更好的可比性。

2.6 基本原理和優缺點

表1為上述5種水質評價方法的基本原理及優缺點比較。

3討論

在常用的水質評價方法中，單因子分析法比較簡單直接，但不利于整體情況的分析；主成分分析法對單一指標的分析更為準確；層次分析法雖然能較為全面地反映整體水質情況，但易受到主觀因素影響；綜合水質指數法和內梅羅指數法的評價結果則相對更加全面。

結語

綜上所述，水質評價方法各有優劣，目前尚未形成受廣泛認可的、統一的水庫水質評價方法，研究者們需因地制宜地選擇評價方法和選取水質指標，綜合多種評價方法的結果進行判斷，以期得出水庫水質綜合分析結果，得到最優方案。

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作者簡介

葉國平（1988—），男，漢族，浙江湖州人，本科，高級工程師，研究方向為水利工程建設管理。

通信作者

葉金磊（2003—），男，漢族，浙江寧波人，本科，研究方向為水庫水環境保護與管理。