加權歐氏距離法對湟水河監測斷面的水質綜合評價

李秀慶，謝占川，侯恩卿，楊 娜，李小玲，楊 林

（1.青海師范大學化學系，青海西寧810008；2.青海省環境監測中心站，青海西寧810007）

水質綜合評價是以定性的方式對水環境的總體狀況做出評價，為水資源污染的控制和管理提供科學依據。隨著新的數學方法在分類學中的廣泛應用，新的水質綜合評價方法層出不窮，如模糊數學法［1－2］、灰色系統理論法［3－4］、物元理論與可拓集合法等［5－6］。較常用的有灰色聚類法、模糊綜合指數法等，但灰聚類法和模糊綜合指數法的計算過程都相當復雜，增加了評價工作的難度。作者以湟水河流域各斷面的水質為研究對象，選擇基本能反映各斷面的水質狀況的監測指標化學需氧量（COD），生化需氧量（BOD5），揮發酚，氨氮（NH3－N），氰化物（CN－），石油類，六價鉻（Cr6＋）7項指標。在確定評價空間的基礎上，以水質標準中的Ⅰ級水質作為n維空間的基本點或參照點結合權重計算出每個待評單元以及水質標準中其他各級水質與“原點”的加權歐式距離，將待評斷面劃分為不同的水質級別，從而建立了適合水質綜合評價的加權歐式距離綜合評價模型，為水質綜合評價提供了一種新的方法和思路。

1 加權歐氏距離綜合評價方法

1.1 評價空間距離模型

水質綜合評價，必須考慮不同污染因子對水質影響程度的不同，即污染因子的權重。利用加權歐式距離模型對水質進行綜合評價的原理為：對于某一個待評價單元（即某個監測斷面在某個監測時間的各污染因子的監測值），根據污染因子的污染貢獻率計算其權重，該權重對于每個監測值都不同，所以稱為變權。另外，在根據污染貢獻率計算權重時，考慮到DO，pH數據與其他污染因子不同濃度越高污染越小，有些非常規測定或濃度變化不大的未考慮，故根據監測指標和數據選擇了表中的7項，建立以各個污染因子為坐標軸的7維空間，以水質標準中的Ⅰ級濃度限制為參照點，然后結合污染因子的權重系數計算每個待評價單元以及水質評價標準中其他各級別水質與“原點”間的變權歐式距離，并將后者作為劃分每個待評價單元水質級別的標準的計算步驟［7－9］。

1.2 評價空間

設有i個評價單元或監測斷面（i＝1，2，…m），j個評價因子或監測指標或污染因子（j＝1，2，…n）；k為5級水質標準（k＝1，2，…5）；實測樣本矩陣為C，cij（i＝1，2，…m；j＝1，2，…n）為第i個評價單元第j個污染因子的實測濃度值。根據國家規定的水質分級標準，設含有n個污染因子的5級水質標準矩陣為B，其中bjk（j＝1，2，…n；k＝1，2，…n）為第j個污染因子的第k級標準濃度限值。將C中的每一行和B中的每一列均看作以n個污染因子為坐標的歐式空間中的點。

1.3 空間坐標的確定

以水質標準中的Ⅰ級水質作為n維空間的參照點，結合權重計算出每個待評單元以及水質標準中其他各級水質與“原點”的加權歐式距離，空間距離到Ⅰ級水質標準的距離為“1”，將其他待評價監測斷面劃分為不同的水質級別，從而建立了適合水質綜合評價的加權歐式距離模型。令Q為加權后的評價空間，CW為實測污染因子加權。即：

1.4 加權歐氏距離綜合評價指數的確定

以Ⅰ級水質作為基本點與原點距離為“1”，結合權重計算出每個待評單元以及水質標準中其他各級水質與“原點”的加權歐式距離，將此加權歐式距離定義為加權歐氏距離綜合評價指數PI。

2 數據來源

在地面水環境質量標準的多項監測指標中，水環境質量標準采用地面水環境質量標準（GB3838－2002）。依據地面水水域使用目的和保護目標劃分為五類。湟水河水質監測數據來源是依據青海省環境監測中心站提供的某年湟水河水質監測分析報告和青海省環境保護局的環境質量報告書。湟水河水質監測數據及5級水質標準見表1。

3 結果與討論

3.1 綜合評價指數PI的計算

選擇湟水河國控斷面和省控斷面扎麻隆、西鋼橋、新寧橋等15個斷面，選擇監測指標為COD、BOD5、揮發酚、NH3－N、CN－、石油類、Cr6＋，應用該方法計算PI進行綜合評價，結果見表1。

3.2 PI曲線對監測斷面的水質分析

以5級地面水環境質量標準，根據PI值可清楚地反映每個監測斷面的水質狀況，每個監測斷面的PI與水質標準的對比曲線見圖1。

圖1 湟水河監測斷面及5級水質標準PI值

3.3 PI分析驗證

通過PI曲線圖可直觀地分析出1號（扎麻隆）水質優良，水質不到2級，因為扎麻隆是湟水河的源頭，是對照斷面，分析結果符合實際；3、4號屬于4級水質，因為湟水河流過了西寧鋼廠等工業區，河水受到污染，水質變差，符合實際；通過3、4、5、6、7、8、9號斷面可以看出，水體自凈的過程；根據10、11、 12、13、14、15號斷面的PI值，可以分析湟水河各支流入河口的污染狀況及對河水的影響。

表1 湟水河水質監測數據及5級水質標準

3.4 評價方法的對比

模糊綜合指數方法及變權歐式距離模型都是變權的評價方法，其權重的計算方法充分體現了超標污染物對水質的影響。灰色聚類法則認為若某個污染因子在水質標準中的標準值越小，則水質對其越敏感，該因子所占權重也就越大，并根據不同的水質類別確定相應級別的各污染指標的權重。這種權重計算方法顯然沒有考慮超標污染物對水質的損害，所以，灰色聚類法評價水質容易偏輕。PI指數法綜合評價水質計算簡單，結果直觀，評價明顯，而且可觀察各監測斷面和整體河流的水質變化狀況，具有良好的應用價值。

4 結語

通過加權歐式距離模型的應用，以及將其評價結果與灰色聚類法、模糊綜合指數法的評價結果進行比較，驗證了加權歐式距離模型應用于水質綜合評價的科學性和合理性。加權歐式距離模型不僅全面考慮了各污染因子，而且強調了超標污染物對水質的影響，便于對水質進行因子分析。該模型形象、直觀、方便、準確率較高，能夠較完整地反映水環境污染程度，適用于水質綜合評價，為水質綜合評價提供了一種新的方法和思路。

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