地表水环境质量评价方法实证及适用性分析

2014-10-12康晓风林兰钰

中国环境监测 2014年6期

康晓风，林兰钰，李茜

中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

目前地表水水质评价方法为《地表水环境质量评价办法(试行)》，河流、流域(水系)水质评价依照断面个数采用2种方法:当河流、流域(水系)的断面总数少于5个时，计算河流、流域(水系)所有断面各评价指标浓度算术平均值，然后参照单个断面按照单因子评价法进行评价，可简称“均值法”;当河流、流域(水系)的断面总数在5个(含5个)以上时，采用断面水质类别比例法，根据评价河流、流域(水系)中各水质类别的断面数占河流、流域(水系)所有评价断面总数的百分比来评价其水质状况，可简称“断面比例法”。实际应用中，如果河流、流域(水系)的断面总数在5个(含5个)以上时，以上2种方法的评价结果往往会产生差异。

出于不同的评价目的，在水质评价中也经常采用数学分析方法，如灰色关联分析、模糊综合评价、神经网络分析等，但对评价结果的适用性及与单因子评价结果的比较、原因分析比较少见。该文在均值法和断面比例法基础上，引入灰色关联分析法、模糊综合评价法［1-3］，组合为均值-灰色关联分析法、灰色关联分析-断面比例法，均值-模糊综合评价法、模糊综合评价-断面比例法，对2013年全国七大水系水质进行评价［4］，并就评价结果进行比对和适用性分析，为不同条件下水环境质量评价方法的选取提供依据和参考。

1 评价方法与数据选取

1.1 均值法与断面比例法

河流断面水质类别评价采用单因子评价法，即根据评价时段内该断面参评的指标中类别最高的一项来确定。根据《地表水环境质量评价办法(试行)》，评价指标为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)表1中除水温、总氮、粪大肠菌群以外的21项指标。均值法、断面比例法均以此为基础。均值法计算河流、流域(水系)所有断面各评价指标浓度算术平均值，然后参照单个断面按照单因子评价法进行评价。均值法计算的Ⅰ、Ⅱ类水质为优，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ类分别对应良好、轻度污染、中度污染、重度污染。河流、流域(水系)水质类别比例与水质定性评价分级的对应关系见表1。

表1 河流、流域(水系)水质定性评价分级

1.2 灰色关联分析法

灰色关联分析法是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，亦即“灰色关联度”，作为衡量因素间关联程度的一种方法。在水质评价中，根据水质类别与断面数据的关联度进行分析，关联度最高的水质类别为监测断面的水质类别［5-6］。灰色关联分析的主要特点是不考虑各个评价指标的权重，即认为各个因子同等重要。

1.2.1 比较数列与参考数列的确定

水质分级标准数列即比较数列，设水质分级标准共分m级，评价因子有n个，则得到各级水体分级标准的比较数列{Cj(k)}:

所有监测值即参考数列，设实测值有h组，每个点选取评价因子相同，共有n个，则得到参考数列

1.2.2 数据的无量纲化处理

由于水质标准中各个指标的量级不同，必须在关联分析之前进行数据的无量纲化处理。目前在水质评价中使用的无量纲化方法主要有初值化变换、均值化变换、极差化变换等，本文采用最大最小值变换。

式中:max、min分别为同一指标下比较数列和参照数列的最大值、最小值。

1.2.3 绝对差Δij(k)的计算

由于评价标准并非一个数值，而是一个区间，传统关联分析中采用的点到点的计算方法是不合适的。因此采用一种基于点到区间距离的关联系数公式，定义绝对差为

式中:C'min(k)、C'max(k)分别为 Ci(k)中的最小值、最大值。

1.2.4 关联系数ξij(k)

在通过第1.2.3节处理得到的数列中，{Cj(k)}对{Si(k)}在第k点的关联系数定义为

式中:ρ为分辨系数，ρ∈［0，1］，其取值不同，分辨能力不同，值愈大，分辨能力愈强，但对整个顺序趋势无影响，一般取ρ=0.5。

1.2.5 关联度γij

综合各点k=1，2，…，m的关联系数，得整个数列{Si(k)}与比较数列{Cj(k)}的关联度γij为

式中:wj(k)为第j个断面中第k评价因子权重。

均值-灰色关联分析法是先计算各监测项目的平均值，然后用灰色关联分析确定水质类别。灰色关联分析-断面比例法是先用灰色关联分析法计算各个断面的水质类别，再按照断面比例法确定整体水质类别。

1.3 模糊综合评价法

综合模糊评价法一般包括5个步骤。

1)建立评价因素集，即确定参评因子集合。在水质评价中，就是由参与评价的n个指标的实际测定浓度组成，记为 U={u1，u2，…，un} 。

2)建立评价等级集，即确定评价结果的等级集合，根据相应的地表水环境质量标准建立等级集，记为 V={v1，v2，…，vm} 。

3)建立隶属度函数。模糊集合是用隶属函数描述的，以隶属函数为基础建立了模糊集合论，因此隶属函数在模糊数学中占有极为重要的地位。监测值为X的环境质量指标对各个环境质量级别的隶属度rij，即可以被评为j类环境质量的可能;n表示参与评价指标数，i=1，2，…，n;m表示环境质量级别数，j=1，2，…，m。将各单因素模糊评价集R的隶属度为行组成单因素评价矩阵，则可写出n×m的模糊矩阵R，表明每个评价因子与每级评价标准之间的模糊关系:

隶属度函数rij的计算方法见式(9)，其中sj为标准值。

4)确定各评价因子的权重。

5)建立综合评价矩阵，并进行综合评价。单因素模糊评价仅反映一个因子对评价对象的影响，而未反映所有因子综合影响，也就不能得出综合评价结果。模糊综合评价考虑所有因子的影响，将权重集A与单因素模糊评价矩阵 R相乘，得到各被评价对象的模糊综合评价集B=A*R。

式中bj为评价指标，它是综合考虑所有评价因子的影响时，评价因子对评价集中第j级等级的隶属程度。R的第i行表示所有因子取第i个评价等级的隶属程度;第j列表示第j个因子对各个评价等级的隶属程度。因此，每列元素再乘以相应的因子权数a，得出的结果就更能合理地反映所有因素的综合影响［7-9］。

按照单因子评价原则，各评价因子权重是相同的。

模糊综合评价的特点是以最优的评价因素值为基准，其评价值为1;其余欠优的评价因素依据欠优的程度得到相应的评价值。

均值-模糊综合评价法是先计算各监测项目的平均值，然后用模糊综合评价法确定水质类别。模糊综合评价-断面比例法是先用模糊综合评价法计算各个断面的水质类别，再按照断面比例法确定整体水质类别。

1.4 数据选取

选取2013年全国地表水长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河七大水系国控断面数据进行评价。监测频次为每月监测1次，年度评价以每年12次监测数据的算术平均值进行评价，对于少数因冰封期等原因无法监测的断面，一般应保证每年至少有8次以上(含8次)的监测数据参与评价。

分别用第1.1节至第1.3节中的3种方法计算水系水质类别。计算过程中，因pH无超标现象且计算方法特殊，采用其余20项指标进行计算和评价。

通过20项指标的计算结果与均值法、断面比例法相比，七大水系水质评价结果明显偏好，水质类别均为优。经分析系由灰色关联分析法、模糊综合评价法的与单因子评价法的系统误差形成，即水质较差的指标被水质较好的指标平滑，出现整体水质改善。因此按照单因子评价法结果不变为原则，遴选出高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、石油类、化学需氧量、总磷6个主要的超标指标进行计算和评价。

2 评价结果

2.1 均值法和断面比例法

根据均值法计算得到的各水系水质类别见表2。结合首要污染物的超标倍数，各水系水质由好到差依次为长江、珠江、辽河、淮河、松花江、黄河、海河。

表2 七大水系水质类别(均值法)

根据断面比例法计算得到的各水系水质类别见表3。除松花江、淮河以外，其他五大水系采用断面比例法和均值法评价结果均出现了1个级别的偏差，且变化方向不惟一。

表3 七大水系水质类别(断面比例法)

2.2 均值-灰色关联分析法和灰色关联-断面比例法

根据均值-灰色关联分析法和灰色关联-断面比例法计算得到的各水系水质类别见表4～表7:

表4 七大水系水质类别(均值-灰色关联分析法，20项指标)

表5 七大水系水质类别(灰色关联-断面比例法，20项指标)

表6 七大水系水质类别(均值-灰色关联分析法，6项指标)

表7 七大水系水质类别(灰色关联-断面比例法，6项指标)

由表4可见，依照关联度高低，各水系水质由好到差依次为长江、珠江、辽河、淮河、黄河、松花江、海河。与均值法相比，黄河、松花江的排名出现了变化。

由表5可见，与断面比例法评价结果相比，除珠江外，其他六大水系水质类别均提高1～3个级别。

由表6可见，与均值法相比，黄河、海河水质提高了2个级别，珠江、松花江、淮河提高了1个水质级别。依照评价结果和关联度高低，各水系水质由好到差依次为长江、珠江、辽河、淮河、松花江、黄河、海河，与均值法一致。结合表2、表4的计算结果，可以认为黄河水系氨氮污染较重，但除6项指标外的其余14项指标相对松花江水系污染较轻，因此表4中黄河水系的评价结果优于松花江水系。

由表7可见，与断面比例法相比，长江、松花江、海河水质提高了1个级别。与均值-灰色关联分析法相比，黄河、淮河、辽河水质下降了1个级别。