改进的综合水质标识指数法及其应用

2017-05-16周密,马振

水力发电 2017年3期

关键词：水质评价权重水质

周密,马振

(河海大学水文水资源学院,江苏南京210098)

改进的综合水质标识指数法及其应用

周密,马振

(河海大学水文水资源学院,江苏南京210098)

综合水质标识指数法能够表达丰富的水质信息,但其评价过程忽略了现实水环境中不同评价指标的重要性差异,且评价结果不够直观明了。针对这一问题,对综合水质标识指数法进行改进,用污染贡献率法设定初定权数,结合加权主成分分析,对不同评价指标进行赋权,并将评价结果转换成百分制。与单因子评价法、传统综合水质标识指数法相比,改进后的综合水质标识指数法评价结果更加客观合理,简单直观,便于量化水质。

水质评价；标识指数；单因子评价；主成分分析；百分制

0 引言

在水环境的综合整治中,水质评价是一项重要的基础工作,既是水环境整治的起始环节,又是水环境整治的末端环节。在起始环节,通过水质评价,对水质状况做出科学合理的分析,才能有针对性地运用水环境决策支持系统,制定合理的水环境治理规划；在末端环节,通过科学合理的水质评价,才能准确评价水环境整治的效果,总结水环境治理的经验,为持续推动水环境综合治理奠定良好的基础[1-2]。水质评价的结果不仅应提供水质类别、污染程度等,还应反映水质状况的时空变化[3]。因此,良好的水质评价方法应具有客观合理、量化水质、简单适用、易于传播等特点[4]。

国内外关于水质评价方法的讨论从20世纪60年代开始一直延续至今。但迄今为止,仍然没有一个公认和通用的综合水质评价方法[5],给水质评价工作带来了极大的不便。我国规定地表水环境质量应进行单因子评价[6],但单因子评价法一票否决的原则表现为过保护,不够客观合理。综合污染指数法简单易用,但不能直接判断综合水质类别[7]。模糊数学法、灰色系统法、人工神经网络法[8]等在水质评价中的运用,体现了环境中存在的模糊性和不确定性[9],但计算繁琐,且不能直观比较不同评价样本综合水质污染程度的大小,也不能评价黑臭水体。

徐祖信提出的综合水质标识指数法[10],不仅能对包括黑臭水体在内的水质信息做出客观合理的定性和定量评价,还可以用于对不同评价样本污染程度的比较,但其评价过程忽略了不同评价指标的影响不同,且评价结果不够通俗直观。刘玲花等[11]指出基于百分制的加拿大环境部长理事会水质指数(CCMEWQI)[12]通俗易懂,是一种值得推荐的水质评价方法。本文以此为出发点,对综合水质标识指数法进行改进,并通过与常用水质评价方法的比较,以期探求一种客观合理、简单直观、易于推广的水质评价方法。

1 评价方法

1.1 综合水质标识指数法

综合水质标识指数WQII由整数部分和小数部分组成,表达式如下

WQII=X1.X2X3X4

(1)

式中，X1.X2为综合水质指数，由计算获得；X3、X4为标识码，可根据X1、X2判断得出。其中，X1为综合水质类别；X2为综合水质在X1类水质变化区间内的污染程度，数字越大表示污染程度越严重；X3为劣于水环境功能区目标的评价指标个数；X4为综合水质类别与水环境功能区类别的比较结果，由1位或2位有效数字组成。

X1.X2由各单因子水质指数算得，公式如下

(2)

式中，wi为各指标权重值；Pi为各指标的单因子水质指数；n为参与综合水质评价的单项水质指标总数。

通过综合水质指数X1.X2,可以判定综合水质类别。评判标准见表1。

表1 基于综合水质指数的综合水质评判标准

1.2 主成分分析法

主成分分析法是一种对多指标进行降维处理,转化为少数综合性指标的多元统计分析方法[13]。传统的主成分分析是从原指标的变异程度和相互关系出发,不反映现实中原指标重要程度上的差异[14]。如果原指标的重要程度存在较大差异,可以运用主成分分析法加以赋权,使综合评价更符合实际[15]。张龙玲等[16]将主成分分析法用在水质评价指标的赋权上,并做出改进：在主成分计算前,先将标准化的数据赋予主观权重,然后求协方差矩阵,并根据协方差矩阵的特征向量,计算各评价指标的信息贡献率,最后求出各指标权重。权重计算步骤如下：

(1)对原始水质数据矩阵A=(aij)m×n进行标准化,公式如下

(3)

式中,Zij为标准化后的数据；aij(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)为第i个样本的第j个评价指标的观测值,m为样本数,n为评价指标个数；μj为第j个指标的样本均值；Sj为第j个指标的样本均方差。

(2)对标准化后的数据进行主观赋权,公式如下

(4)

(4)将前Q个特征向量进行绝对值变换后,以信息贡献率为权重,求各指标的权重wk(k=1,2,…,n)。即

(5)

式中,wk为各水质指标的权重。

1.3 改进的综合水质标识指数法

1.3.1 权重的改进

传统的综合水质标识指数法(以下简称“WQII法”)在计算综合水质指数时,各单因子水质指数权重相同,由算术平均算得,这样忽略了不同水体水质评价指标间存在的重要性差异,且对高浓度的水质指标污染影响有掩盖作用。张龙玲等根据加权的主成分分析法,考虑样本间离散程度带来的数据信息量不同及水质指标间的重要性差异,计算各评价指标的权重,但其在计算过程中,水质评价指标初定的权数矩阵由主观赋予,具有较大的随意性。本研究采用污染贡献率法对此做出改进,将由污染贡献率法算得的权重作为初定权数。

污染贡献率法又称为超标倍数法,即根据各水质指标的单项污染指数来确定权重[17],计算公式如下

(6)

式中,Ij为第j项水质评价指标的污染指数；Cj为第j项水质评价指标实测浓度；Soj为与水域功能类别对应的第j项水质指标的浓度限值。

1.3.2 评价结果的改进

WQII法能够较全面评价水质状况,但水质评价结果由整数位和小数点后3位或4位有效数字组成,不够直观。因此,本研究在WQII法的基础上,将其评价结果按照一定规则转化为直观的百分制形式。改进的综合水质标识指数(以下简称“DWQI”)表达如下

DWQI=Y1Y2.Y3Y4

(7)

式中,Y1Y2为改进的综合水质指数；Y3、Y4为标识码，其计算方法和意义与WQII法的X3、X4相同。

改进的综合水质指数Y1Y2由传统综合水质指数X1.X2算得，公式如下

Y1Y2=110-10×X1.X2

(8)

式中,常数110是为了让计算结果在百分制的基础上变化。

通过DWQI的整数部分Y1Y2,可以判定综合水质类别。判定关系见表2。

表2 基于改进的综合水质指数的水质类别判定

2 案例研究

2.1 数据选取

本文采用江苏省南京市秦淮河东山站2011年～2012年连续监测的24个月的水质数据作为水质样本,选取溶解氧(DO)、高锰酸钾指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、总氮(TN)等5项作为评价指标。秦淮河是长江下游的1条重要支流,在江宁东山镇分为2支,一支为秦淮新河,一支流入南京城区。秦淮河江宁东山段起于牛首山河口,止于江宁上坊门桥,全长8.5 km,水功能区划属于工业、景观娱乐用水,水环境功能区目标是Ⅳ类水[18]。

2.2 评价过程

首先,利用加权主成分分析法计算各评价指标的重要性权重。其中,加权主成分分析法的初定权数由污染贡献率法确定。由于秦淮河东山段的总氮严重超标,是主要污染物,故由污染贡献率法确定的初定权数中总氮所占比例最大,初定权数w=(0.062,0.106,0.256,0.107,0.469)。用初定权数对标准化后的原始数据进行加权后,计算其协方差矩阵,并求特征向量和累计贡献率(见表3)。根据累计贡献率,确定主成分个数,并根据式(5)计算各评价指标的重要性权重wk,wk=(0.054,0.036,0.285,0.029,0.596),分别代表DO、CODMn、NH3-N、TP、TN的权重。

表3 主成分分析过程

利用WQII法计算各评价指标的单因子水质指数,根据式(2)计算X1.X2。其中,各评价指标的权重采用由改进的加权主成分分析法算得的权重wk。根据式(8)计算Y1Y2,并进一步计算Y3、Y4,根据式(7)得到DWQI指数。

2.3 评价结果

将DWQI法的评价结果与单因子评价法、WQII法的评价结果进行对比。对比结果见表4。从表4可知：

(1)研究区24个月的水质样本用单因子评价法评价多数为劣Ⅴ类水；用WQII法评价多数为Ⅳ类水和Ⅲ类水；用DWQI法评价结果相对分散,多数为Ⅴ类和劣Ⅴ类不黑臭水体。

(2)DWQI法的评价结果更为客观合理。单因子评价法的评价结果表现为过保护；WQII法将各评价指标的重要性视为一致,不能客观反映水质的真实状况,评价结果过于宽松；DWQI法的评价结果介于两者之间,充分考虑了水质样本数据的分布特征以及不同评价指标的重要性差异,且对劣Ⅴ类水质能实现是否黑臭的判断,评价结果更为准确、客观。

(3)DWQI指数能够反映综合水质类别、水质污染程度、水环境功能区达标情况、黑臭水体判断及综合水质变化程度等关键信息,且更加直观明了。以2012年9月的评价结果为例,WQII指数为2.800,DWQI指数为85.00,虽然两者的评价结果均为Ⅱ类水,但DWQI指数更符合公众的评分习惯,易于接受,有利于决策和公众认知。

表4 3种评价方法评价结果对比

3 结语

本文针对传统的综合水质标识指数法忽略了水质数据本身的分布特征,以及不同评价指标重要性差异的问题,提出在用加权主成分分析法计算水质评价指标的权重时,先用污染贡献率法计算各指标的权重作为初定权数,得出以下结论：

(1)改进的综合水质标识指数法既考虑了水质数据本身的分布特征,又考虑了不同评价指标的客观重要性差异,避免了主观赋权带来的随意性,使评价结果更加客观合理。

(2)改进后的综合水质标识指数以百分制为基础,实现了与传统综合水质标识指数和我国地表水水域环境功能分类的一一对应,评价结果简单明了,易于传播。

(3)改进的综合水质标识指数法比单因子评价法和传统综合水质标识指数法更具优势,可以作为一种通用的水质评价方法进一步推广。

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(责任编辑杨健)

Improved Comprehensive Water Quality Identification Index Method and Its Application

ZHOU Mi, MA Zhen

(College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China)

The comprehensive water quality identification index method can express abundant water quality information, but it ignores the importance difference of different evaluation index and the evaluation result is not obvious enough. To solve this problem, the comprehensive water quality identification index method is improved, in which, the initial weight is determined by using over-standard method and weighted Principal Component Analysis is used to give weights to each evaluation index. Besides, the evaluation result is expressed based on hundred mark system. Comparing to single factor evaluation method and traditional comprehensive water quality identification index method, the improved method is more objective and reasonable, and easy to quantify water quality．

water quality evaluation; identification index; single factor evaluation; Principal Component Analysis; hundred mark system