水环境质量现状评价方法

古小超， 王 雲

(1.天津市生态环境监测中心，天津 300191;2.联合赤道环境评价有限公司，天津 300042)

1 水环境质量现状评价方法

随着经济的发展和城镇化的推进，水资源已成为决定地区发展的关键因素之一。科学的水环境质量现状评价能够客观、公正地反映水资源现状，并在预防和治理水体污染方面发挥作用。因此，选择合适的方法对水环境质量现状评价尤为重要。水环境质量评价是对区域内水环境的环境因素进行分析，选择相应的参考指标参数，例如水质指标、水质标准等，并利用特定的科学方法和技术手段对水的用途价值做出相应的分析，得到评定结果，准确反映水质污染现状，明确水质变化发展规律，以期为水质的污染控制和水质功能区划设计提供可靠的科学发展依据。当前应用较多的水环境质量评价方法主要有综合水质标识指数法［1］、主成分分析法［2］、灰色聚类法［3］和灰色关联分析［4］等。

2 综合水质标识指数法

综合水质标识指数法(water quality identification index，WQI)是对河流综合水质状况进行评价的一种分析方法［5］，该方法参考《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)［6］对水中污染物进行分类，在此基础上计算单因子水质指数。单因子水质标识指数总和的平均值是由代表水质类别与功能区划设定类别比较结果、参加整体水质评价指标中劣于功能区标准的水质指标个数组成［7-8］。首先计算单因子水质标识指数:

式中:Pi为第i项单因子水质指数;X1为第i项指标的水质类别;X2为监测值在X1类水质变化区间所处位置(按照四舍五入原则计算);X3为水质类别与功能区划分类别的比较结果。

然后，计算综合水质标识指数:

式中:X3为水质类别与功能区划设定类别的比较结果;X4为参加整体水质评价的指标中，劣于功能区标准的水质指标的个数。

采用综合水质标识指数法能够全面研究河流不同时段的环境特征，对水质做出综合、合理的评价。胡成等［5］采用综合水质指标指数法对浑河进行分析，发现总磷是对整条浑河影响较大的污染物，氨氮污染加重，化学需氧量呈减轻趋势。郭明明［7］采用综合水质指标指数法对彭越浦的水质状况进行评价发现，2003年综合水质指标指数从1993年的9.648降低到5.904，污染指数出现大幅下降。谷建强［1］等在青山湖水质评价中也采用了综合水质标识指数法，发现2009年的综合水质指标指数最大，2013年较好，期间呈现U型变化。综合水质标识指数法可以较为完整地标识水质类别，实现定性分析和定量分析的统一，但也存在着可能掩盖超标污染物的情形，在实际应用中受到了一定的限制。

3 主成分分析法

主成分分析法采用几个综合指标代替多指标，通过减少过多的变量降低分析的复杂性［9］。首先，对原始数据进行标准化处理，消除量纲对其的影响;其次，进行相关矩阵的计算;然后，计算相关矩阵的特征值和特征向量;最后，计算各主成分得分的方差贡献率，进而定量计算出采样点的污染程度［2，9-11］。其计算见式(3):

将其进行标准化，得到式(4):

计算矩阵的特征值和特征向量，并将其p个特征根按大小顺序排列，计算贡献率:

最后，确定m值，筛选出主要因子。

主成分分析法能够通过综合分析产生彼此互补、相关的新指标，从而反映水质情况。鲁斐等［12］采用主成分分析法评价辽河水质，发现通江口桥处的有机污染物最为严重，硝酸盐氮和生化需氧量对河流造成的影响较小。对鄱阳湖水质的评价也采用了该种方法［13］，分析1991—2006年鄱阳湖的水质变化发现，2006年的水质最差，1997年的水质最好;对2008年鄱阳湖监测断面的分析发现，鄱阳湖水质好于入湖区域水质，说明鄱阳湖污染主要是受外源污染。王维等［14］将主成分分析法应用于北大港水库的水质分析中，发现化学需氧量的影响最大，其次为总氮和总磷。随着计算机技术的发展，可利用统计学软件SPSS进行大量的数据处理，使主成分分析法在水质评价应用方面具有可靠性和推广性，但也存在着一定的主观性和随意性。

4 灰色聚类法

灰色聚类法［15］是指按照研究对象的亲疏关系，反映样品间的内在组合关系的一种多元统计关系。假设有k个监测点，每个监测点有i个指标，每个指标有c个灰类，k个监测点的i个指标即可构成矩阵［16］，如式(6)所示:

其中，dki为k个聚类样本第i个聚类指标初始值，k∈［1，2，…，n］，i∈［1，2，…，m］。

针对灰色聚度法对水质进行评价，需要首先建立灰度白化函数，灰类为1时:

灰类为 j(j=2，3，…，c-1)时:

灰类为c时:

然后，计算聚类权并对灰类进行无量纲化处理:

计算第i个污染指标第j个灰类的无量纲数:

其中，Sij为第i个污染指标第j个灰类的灰数;S0i为第i个污染指标参考标准。

聚类系数见式(12):

最后，以等级h为变量，计算加权平均数来评价δij的权值，计算样本所隶属的等级:

灰色聚类法可以对部分信息未知或不确定的水环境系统进行评价，刘芳［17］通过灰色聚类法对扬州市内古运河某断面进行了评价，发现1年中有7个月的水质为Ⅳ类和Ⅴ类，分别是1月、2月、4月、5月、7月、9月和10月，Ⅳ类和Ⅴ类水占58.33%，可以看出该运河水质不容乐观。周全超等［18］对同里古镇的水质评价也采用灰色聚类法，发现在进口泵站、小东溪、会川桥和东新桥4个断面的水质均为Ⅴ类水，水质状况较差。赵光影等［19］采用灰色聚类法开展地表水环境质量评价，发现七台河市监测断面均未达到水质功能区的要求。灰色聚度法能够客观、准确地评价水质，克服在水环境中很多信息不明的情况下评价标准过于明确带来的影响。

5 灰色关联分析

灰色关联分析通过分析关联度来量化系统内评价因素的相互联系，根据空间曲线的接近程度来判断联系的紧密程度，进而对水质进行定量评价［20］。假设实测样本序列为:

共有m个，包含n个评价参数。

标准序列:

共有s个，包含n个评价参数。关联系数见式(16):

关联度的计算见式(17):

然后，对关联度进行排序，根据最大关联度的值来确定水质标准［21-23］。

该方法考虑了水质评价标准的区间形式，刘景兰等［24］在对七里海湿地进行分析评价时采用灰色关联法，发现其水质已经受到严重污染，评价的8个断面中有7个为Ⅴ类水，水环境修复迫在眉睫。于洪涛等［22］采用灰色关联法对南水北调中线澧河进行了评价，结果显示澧河上游孤石滩水库和中游河口断面水质均为Ⅱ类水，漯河市一座水厂的取水口水质为Ⅰ类水，与单指标评价结果一致。但分析过程中，灰色关联分析对数据的要求较高，数据需要满足一定的相似度。

对比分析综合水质标识指数法、主成分分析法、灰色聚类法和灰色关联分析这4种水质分析评价方法［6，11，25］，见表 1。

表1 水质分析评价方法比较Tab.1 Comparison of water quality analysis and evaluation methods

6 结语

环境质量评价的可靠性，主要取决于监测数据的准确性和水环境质量评价方法的科学性。综合水质标识指数法、主成分分析法、灰色聚类法和灰色关联分析，在对水质进行分析和评价中应用较为普遍，但是也存在一定的局限性。为了更科学合理地对水质进行评价，可以在现有评价方法的基础上进行改进和完善，以更好地评价水质现状。

① 在原有评价方法的基础上，考虑评价过程中水质污染物的综合作用，例如氮、磷在水生态环境中是否会相互影响。对水质评价等级进行细化，使水质现状的描述更为准确，为后续环境治理提供依据。

② 快速发展的计算机、通讯和自动监测等技术，在水环境质量评价中具有较好的应用前景。例如MIKE、Pload等模拟软件的发展和GIS在数据分析、空间查询和空间模型建立方面的应用，将计算机、通讯和自动监测等技术更多地应用到水环境质量评价中，必将大大简化人工监测和评价。

③ 目前，水环境质量评价的研究领域还缺乏一个认知度高、认可性高的水环境质量评价数学模型。因此，架构能获得更加真实、准确、更具备决策性的评价结果的水质量评价数学模型，是下一步深入研究的方向。