三种水质评价方法运用于江安河水质分析对比

夏茁文 陈宇

摘要：为调查江安河水质状况，采用单因子评价法、集对分析法及对数型幂函数普适指数公式对江安河3个断面进行水质评价，并对结果进行对比，同时分析3种方法的优缺点。基于江安河三天的水质监测数据，对江安河3个断面进行水质评价，评价结果表明：江安河氨氮指标严重超标，超标指数高达2.83。青春广场白石桥、江安水闸断面污染较重。单因子评价法能直观反映水质因子超标情况，但无法全面反映水质整体状况;集对分析法能同时处理评价标准的确定性与评价因子权重的不确定性问题，但确定水质等级时以选择最大联系度来评定，而弱化其他较大联系度;对数型幂函数普适指数公式计算简单，能同时对地表水21项指标进行等级评定，但评价结果较为保守。

关键词：单因子评价法;集对分析法;对数型幂函数普适指数公式

中图分类号：X824 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）04-00-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.04.007

Abstract：In order to investigate the water quality of Jiangan River， three simple and practical water quality evaluation methods，namely single-factor evaluation method，set pair analysis method and logarithmic power function universal index formula，were used to evaluate the water quality of three sections of Jiangan River. The results were compared and the advantages and disadvantages of the three methods were analyzed simultaneously.Based on the water quality monitoring data of Jiangan River for three days， the water quality evaluation was carried out on three sections of Jiangan River.The evaluation results show that：the ammonia nitrogen index of Jiangan River was seriously exceeded， and the over-index was as high as 2.83. The Baishiqiao and Jiangan sluice sections of Youth Square are heavily polluted.The single factor evaluation method can directly reflect the water quality factor exceeding the standard，but it can not fully reflect the overall condition of the water quality;the set analysis method can simultaneously deal with the uncertainty of the evaluation criteria and the uncertainty of the evaluation factor weight，but the maximum selection when determining the water quality level The degree of connection is used to assess，while weakening other large degrees of connection; the logarithmic power function universal index formula is simple to calculate， and can simultaneously rank 21 indicators of surface water， but the evaluation results are conservative.

Key words：Single factor evaluation method;Set pair analysis method;Logarithmic power function universal index formula

水质现状评价是水环境质量评价的一个方面，是计算水环境容量和规划水资源系统的基础，有其独特的重要性[1]。自20世纪60年代以来，国内外就不断有文献讨论水质评价的方法并已开发出几十种。目前，水质评价类型一般分为单因子评价法和综合评价法，相比来说，单因子评价法能直观反映水质超标组分和污染区域，而综合评价法更能全面反映水质整体状况。综合评价法主要包括水质标识指数法、模糊综合评价法[2，3]、集对分析法[4，5]和对数型幂函数普适指数公式[6，7]等。不同的评价方法在同一研究区可能会得到不同的水质评价结果，而且不同评价方法各有优点与不足，因此如何选择合适的评价方法以及验证方法的有效性非常重要。本文选用单因子指数评价法、集对分析法和对数型幂函数普适指数公式3种常用的且计算简便的水质评价法对河流水质进行评价，并对评价结果进行对比，分析3種水质评价方法的优缺点，以期为城市河流水质评价方法的应用提供实例支撑。

1 基本理论与方法

1.1 单因子指数评价法

单因子指数评价方法的思想是对每个水质指标单独进行评价，利用统计及模式计算得出各水质指标的超标率、超标倍数和水质指数等项结果，并将水质最差的单项指标所属类别来确定水体综合水质类别。

水质因子的标准指数≤1时，表明该水质因子在评价水体中的浓度符合水域功能及水环境质量标准的要求。

1.2 集对分析法

我国学者赵克勤在1989年首次提出集对分析（Set pair analysis）这一概念，其本质是将确定性分析和不确定性分析相结合， 用于描述和处理综合集成问题的一种全新的系统分析方法。所谓集对，是指具有一定联系的两个集合所组成的对子。从系统科学角度看，系统内的任两个组成部分，系统与环境、系统与人等，都可以在一定条件下看成是集对的例子。集对分析的基本思路[5]84是：在一定的问题背景下对所论两个集合所具有的特性作同异反分析并加以度量刻画，得出这两个集合在所论问题背景下的同异反联系度表达式，并推广到系统由m>2个集合组成时的情况，在此基础上深入展开有关系统的联系、预测、控制、仿真、演化、突变等问题的研究。

水质评价实际上是具有确定性的评价标准与评价因子权重的不确定性相结合的决策过程，而集对分析法提供了一个处理确定性与不确定性的较好方法。在集对分析中，将确定性分成“同一”与“对立”两个方面，将不确定性称为“异”，从同、异、反3个方面分析事物，认为同、异、反3者互相联系、影响和制约，又在一定条件下互相转化[9]。

根据问题A的需要，对集对B展开分析，共得到N个特性，其中有S个特性为集对中的两个集合共有，有P个特性相对立，其余的F=N-S-P个特性既不对立，又不同一，称为差异。S/N为这两个集合在问题A下的同一度，或用a表示;F/N为这两个集合在问题A下的差异度，或用b表示;P/N为这两个集合在问题A下的对立度，或用c表示。在上述背景下的同异反联系度表示为[5]84。

式中：μ为联系度;i为差异不确定系数，在[-1，1]区间视不同情况取值，有时仅起差异标记作用;j为对立度系数，计算时恒取值-1，有时仅起对立标记作用。而联系度μ一般情况下表示等于右边的式子，特殊情况下才是1个数值，此时称为联系数[5]84。

确定准确的联系度是决策结果可信的关键，集对分析法有别于隶属度法，它是一种“宽域式”的函数结构，能充分提高信息的利用率，保证综合结果的可信性。基于集对分析的基本思路，在用于水环境评价时，将待评价水体的指标与评价标准视为1个集对。假定有N个评价指标和不同的评价等级，则由式（6）扩展的联系度一般形式为[10]

对数型幂函数形式的普适指数式中，参数a和b是根据21项指标进行优化得到的。由于用规范值（j=1，2，…，21）表示的21项指标是“等效”的，因此，普适式不仅可以用于21项指标的地表水水质评价，也适用于少于21项指标的某几项指标组合的评价，以及单项指标的评价。

2 江安河水质现状评价

2.1 研究区域及数据

江安河始于都江堰，止于双流华阳，是与府河、南河、沙河齐名的成都市4大水系之一，途中流经东升、文星、白家、华阳5镇，都江堰市、温江区、双流县和武侯区等地，贯穿成都南北。流经双流县的河段，长32.15km，河底宽50～70m，河床比降2.5‰，多年平均流量13.4。江安河作为双流县县境河流，系都江堰灌溉河道，长期以来存在氨氮超标问题。张祺等[12]对江安河四川大学江安校区段的研究表明，利用单因子评价按《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类标准定性评价江安河水质，氨氮、总磷、高锰酸盐指数均有超标的情况。因此本研究着重选择对江安河四川大学江安校区段水质进行研究。根据水质采样规程以及采样的实际情况与需要，采样断面布设于水电试验场旁、江安校区青春广场白石桥处、江安水闸处，取样断面的布设情况如图1。为避免取样的偶然性，分别于5月6日、5月7日、5月8日三天对进行取样，选择pH、DO、、TP、5项污染指标进行监测分析，三天的监测结果见表2。

2.2.1 单因子评价法评价结果

按照我国《地表水环境标准》（GB 3838-2002）中依据地表水水域的水环境功能与保护目标的功能区对象划分，以Ⅲ类水为标准对实验数据结果进行单因子指数分析，将表2各数据分别代入式（1）、（2）、（3）、（4）和式（5）得到表3评价结果。

由表6和图2可见，不同水质评价方法应用于同一河流相同断面时，得出的评价结果会有差异。在第一天的评价结果中，单因子评价法和对数型幂函数普适指数公式评价的结果为Ⅲ级，而集对分析法评价的结果为Ⅱ级。结合实际情况分析，在5月6日，上游来水量较低，江安河水闸处于半开状态，河流流量处于正常状态，污染物浓度较低，综合考虑将其定为Ⅲ级较为合理。单因子评价法与集对分析法在5月7、8两日的评价结果一致为Ⅴ级，而对数型幂函数普适指数公式评价结果为Ⅲ级，因持续降雨，在5月7日，上游来水量增加，上游的污染物被水流携带至研究区，导致水质评价结果偏低，因此评价等级为Ⅴ级较为合理。可以看出，对数型幂函数普适指数公式的评价结果趋于保守，河流流量的变化对评价结果影响不大。

3 结论

本文通过采用单因子评价法、集对分析法和对数型幂函数普适指数公式分别对江安河不同监测时间、不同监测断面的溶解氧、高锰酸盐指数、总磷和氨氮进行水质分析，得出具体水质评价等级，结果表明3种方法都能在一定程度上反映水体水质情况，说明3种方法都可用于河流水质评价。单因子评价法重点考虑突出污染因子的影响，给出具体污染因子的超标倍数，计算方便，可清晰且直观的对比实测值与标准值，但忽略了整体水质评价结果;集对分析法能对整体水质进行客观评价，但有时会忽略个别权重较小但存在超标现象的指标;对数型幂函数普适指数公式以具体的指数值连续性地描述水质状况， 其评价结果能直观地反映属于某级污染的不同程度。集对分析法和对数型幂函数普适指数公式都能对水质进行定量评价，数值越大，水质越差。当选用多种水质评价方法对同一条河流进行评价时，如果出现不一致结果，则需结合实际情况与各评价指标在水质等级评定中出现的权重大小综合判定最终的水质等级。

参考文献

[1]郭劲松，王红，龙腾锐.水资源水质评价方法分析与进展[J].重庆环境科学，1999，21（6）：1-3+9.

[2]邹志红，孙靖南，任广平.模糊评价因子的熵权法赋权及其在水质评价中的应用[J].环境科学学报，2005，25（4）：552-556.

[3]曾永，樊引琴，王丽伟等.水质模糊综合评价法与单因子指数评价法比较[J].人民黄河，2007，29（2）：45+65.

[4]邱林，唐红强，陈海涛等.集对分析法在地下水水质评价中的应用[J].节水灌溉，2007（1）：13-15.

[5]童英伟，刘志斌，常欢.集对分析法在河流水质评价中的应用[J].安全与环境学报，2008，8（6）：84-86.

[6]汪嘉杨，王文圣，李祚泳.地面水水质评价的对数型幂函数普适指数公式[J].四川大学学报（工程科学版），2011，43（3）：12-17.

[7]李祚泳，王嘉杨，郭淳.富营养化评价的对数型幂函数普适指数公式[J].环境科学学报，2010，30（3）：664-672.

[8]ISBN978-7-5111-1728-1，《环境影响评价技术方法》[S].

[9]陆洲，马涛.地下水环境质量评价的一种新方法——集对分析法[J].环境保护科学，2005，31（5）：53-55.

[10]王栋，朱元甡，赵克勤.基于集对分析和模糊集合论的水体营养化评价模型的应用研究[J].HYDROLOGY，2004，24（3）：9-13+41.

[11]刘慧，龚士良.集对分析及在地下水环境质量评价中的应用[J]，工程勘察，2000（5）：16-18.

[12]张祺，徐山琳，陈啸，等.四川大学江安校区景观水体水质特征分析[J].四川环境，2014，33（4）：83-89.

收稿日期：2020-02-29

作者簡介：夏茁文（1996-），男，汉族，硕士研究生，研究方向为水力学及河流动力学。