地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法實(shí)證及適用性分析

康曉風(fēng)，林蘭鈺，李 茜

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

目前地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法為《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(試行)》，河流、流域(水系)水質(zhì)評(píng)價(jià)依照斷面?zhèn)€數(shù)采用2種方法:當(dāng)河流、流域(水系)的斷面總數(shù)少于5個(gè)時(shí)，計(jì)算河流、流域(水系)所有斷面各評(píng)價(jià)指標(biāo)濃度算術(shù)平均值，然后參照單個(gè)斷面按照單因子評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，可簡稱“均值法”;當(dāng)河流、流域(水系)的斷面總數(shù)在5個(gè)(含5個(gè))以上時(shí)，采用斷面水質(zhì)類別比例法，根據(jù)評(píng)價(jià)河流、流域(水系)中各水質(zhì)類別的斷面數(shù)占河流、流域(水系)所有評(píng)價(jià)斷面總數(shù)的百分比來評(píng)價(jià)其水質(zhì)狀況，可簡稱“斷面比例法”。實(shí)際應(yīng)用中，如果河流、流域(水系)的斷面總數(shù)在5個(gè)(含5個(gè))以上時(shí)，以上2種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果往往會(huì)產(chǎn)生差異。

出于不同的評(píng)價(jià)目的，在水質(zhì)評(píng)價(jià)中也經(jīng)常采用數(shù)學(xué)分析方法，如灰色關(guān)聯(lián)分析、模糊綜合評(píng)價(jià)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等，但對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的適用性及與單因子評(píng)價(jià)結(jié)果的比較、原因分析比較少見。該文在均值法和斷面比例法基礎(chǔ)上，引入灰色關(guān)聯(lián)分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法［1-3］，組合為均值-灰色關(guān)聯(lián)分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析-斷面比例法，均值-模糊綜合評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)-斷面比例法，對(duì)2013年全國七大水系水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)［4］，并就評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和適用性分析，為不同條件下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的選取提供依據(jù)和參考。

1 評(píng)價(jià)方法與數(shù)據(jù)選取

1.1 均值法與斷面比例法

河流斷面水質(zhì)類別評(píng)價(jià)采用單因子評(píng)價(jià)法，即根據(jù)評(píng)價(jià)時(shí)段內(nèi)該斷面參評(píng)的指標(biāo)中類別最高的一項(xiàng)來確定。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(試行)》，評(píng)價(jià)指標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)表1中除水溫、總氮、糞大腸菌群以外的21項(xiàng)指標(biāo)。均值法、斷面比例法均以此為基礎(chǔ)。均值法計(jì)算河流、流域(水系)所有斷面各評(píng)價(jià)指標(biāo)濃度算術(shù)平均值，然后參照單個(gè)斷面按照單因子評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。均值法計(jì)算的Ⅰ、Ⅱ類水質(zhì)為優(yōu)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ類分別對(duì)應(yīng)良好、輕度污染、中度污染、重度污染。河流、流域(水系)水質(zhì)類別比例與水質(zhì)定性評(píng)價(jià)分級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 河流、流域(水系)水質(zhì)定性評(píng)價(jià)分級(jí)

1.2 灰色關(guān)聯(lián)分析法

灰色關(guān)聯(lián)分析法是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度，亦即“灰色關(guān)聯(lián)度”，作為衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法。在水質(zhì)評(píng)價(jià)中，根據(jù)水質(zhì)類別與斷面數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，關(guān)聯(lián)度最高的水質(zhì)類別為監(jiān)測斷面的水質(zhì)類別［5-6］。灰色關(guān)聯(lián)分析的主要特點(diǎn)是不考慮各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，即認(rèn)為各個(gè)因子同等重要。

1.2.1 比較數(shù)列與參考數(shù)列的確定

水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)列即比較數(shù)列，設(shè)水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)共分m級(jí)，評(píng)價(jià)因子有n個(gè)，則得到各級(jí)水體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的比較數(shù)列{Cj(k)}:

所有監(jiān)測值即參考數(shù)列，設(shè)實(shí)測值有h組，每個(gè)點(diǎn)選取評(píng)價(jià)因子相同，共有n個(gè)，則得到參考數(shù)列

1.2.2 數(shù)據(jù)的無量綱化處理

由于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中各個(gè)指標(biāo)的量級(jí)不同，必須在關(guān)聯(lián)分析之前進(jìn)行數(shù)據(jù)的無量綱化處理。目前在水質(zhì)評(píng)價(jià)中使用的無量綱化方法主要有初值化變換、均值化變換、極差化變換等，本文采用最大最小值變換。

式中:max、min分別為同一指標(biāo)下比較數(shù)列和參照數(shù)列的最大值、最小值。

1.2.3 絕對(duì)差Δij(k)的計(jì)算

由于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并非一個(gè)數(shù)值，而是一個(gè)區(qū)間，傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析中采用的點(diǎn)到點(diǎn)的計(jì)算方法是不合適的。因此采用一種基于點(diǎn)到區(qū)間距離的關(guān)聯(lián)系數(shù)公式，定義絕對(duì)差為

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

1.2.4 關(guān)聯(lián)系數(shù)ξij(k)

在通過第1.2.3節(jié)處理得到的數(shù)列中，{Cj(k)}對(duì){Si(k)}在第k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)定義為

式中:ρ為分辨系數(shù)，ρ∈［0，1］，其取值不同，分辨能力不同，值愈大，分辨能力愈強(qiáng)，但對(duì)整個(gè)順序趨勢無影響，一般取ρ=0.5。

1.2.5 關(guān)聯(lián)度γij

綜合各點(diǎn)k=1，2，…，m的關(guān)聯(lián)系數(shù)，得整個(gè)數(shù)列{Si(k)}與比較數(shù)列{Cj(k)}的關(guān)聯(lián)度γij為

式中:wj(k)為第j個(gè)斷面中第k評(píng)價(jià)因子權(quán)重。

均值-灰色關(guān)聯(lián)分析法是先計(jì)算各監(jiān)測項(xiàng)目的平均值，然后用灰色關(guān)聯(lián)分析確定水質(zhì)類別。灰色關(guān)聯(lián)分析-斷面比例法是先用灰色關(guān)聯(lián)分析法計(jì)算各個(gè)斷面的水質(zhì)類別，再按照斷面比例法確定整體水質(zhì)類別。

1.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法

綜合模糊評(píng)價(jià)法一般包括5個(gè)步驟。

1)建立評(píng)價(jià)因素集，即確定參評(píng)因子集合。在水質(zhì)評(píng)價(jià)中，就是由參與評(píng)價(jià)的n個(gè)指標(biāo)的實(shí)際測定濃度組成，記為 U={u1，u2，…，un} 。

2)建立評(píng)價(jià)等級(jí)集，即確定評(píng)價(jià)結(jié)果的等級(jí)集合，根據(jù)相應(yīng)的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)建立等級(jí)集，記為 V={v1，v2，…，vm} 。

3)建立隸屬度函數(shù)。模糊集合是用隸屬函數(shù)描述的，以隸屬函數(shù)為基礎(chǔ)建立了模糊集合論，因此隸屬函數(shù)在模糊數(shù)學(xué)中占有極為重要的地位。監(jiān)測值為X的環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)對(duì)各個(gè)環(huán)境質(zhì)量級(jí)別的隸屬度rij，即可以被評(píng)為j類環(huán)境質(zhì)量的可能;n表示參與評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)，i=1，2，…，n;m表示環(huán)境質(zhì)量級(jí)別數(shù)，j=1，2，…，m。將各單因素模糊評(píng)價(jià)集R的隸屬度為行組成單因素評(píng)價(jià)矩陣，則可寫出n×m的模糊矩陣R，表明每個(gè)評(píng)價(jià)因子與每級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的模糊關(guān)系:

隸屬度函數(shù)rij的計(jì)算方法見式(9)，其中sj為標(biāo)準(zhǔn)值。

4)確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。

5)建立綜合評(píng)價(jià)矩陣，并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。單因素模糊評(píng)價(jià)僅反映一個(gè)因子對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的影響，而未反映所有因子綜合影響，也就不能得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。模糊綜合評(píng)價(jià)考慮所有因子的影響，將權(quán)重集A與單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣 R相乘，得到各被評(píng)價(jià)對(duì)象的模糊綜合評(píng)價(jià)集B=A*R。

式中bj為評(píng)價(jià)指標(biāo)，它是綜合考慮所有評(píng)價(jià)因子的影響時(shí)，評(píng)價(jià)因子對(duì)評(píng)價(jià)集中第j級(jí)等級(jí)的隸屬程度。R的第i行表示所有因子取第i個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬程度;第j列表示第j個(gè)因子對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬程度。因此，每列元素再乘以相應(yīng)的因子權(quán)數(shù)a，得出的結(jié)果就更能合理地反映所有因素的綜合影響［7-9］。

按照單因子評(píng)價(jià)原則，各評(píng)價(jià)因子權(quán)重是相同的。

模糊綜合評(píng)價(jià)的特點(diǎn)是以最優(yōu)的評(píng)價(jià)因素值為基準(zhǔn)，其評(píng)價(jià)值為1;其余欠優(yōu)的評(píng)價(jià)因素依據(jù)欠優(yōu)的程度得到相應(yīng)的評(píng)價(jià)值。

均值-模糊綜合評(píng)價(jià)法是先計(jì)算各監(jiān)測項(xiàng)目的平均值，然后用模糊綜合評(píng)價(jià)法確定水質(zhì)類別。模糊綜合評(píng)價(jià)-斷面比例法是先用模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算各個(gè)斷面的水質(zhì)類別，再按照斷面比例法確定整體水質(zhì)類別。

1.4 數(shù)據(jù)選取

選取2013年全國地表水長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河七大水系國控?cái)嗝鏀?shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。監(jiān)測頻次為每月監(jiān)測1次，年度評(píng)價(jià)以每年12次監(jiān)測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)于少數(shù)因冰封期等原因無法監(jiān)測的斷面，一般應(yīng)保證每年至少有8次以上(含8次)的監(jiān)測數(shù)據(jù)參與評(píng)價(jià)。

分別用第1.1節(jié)至第1.3節(jié)中的3種方法計(jì)算水系水質(zhì)類別。計(jì)算過程中，因pH無超標(biāo)現(xiàn)象且計(jì)算方法特殊，采用其余20項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)。

通過20項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果與均值法、斷面比例法相比，七大水系水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果明顯偏好，水質(zhì)類別均為優(yōu)。經(jīng)分析系由灰色關(guān)聯(lián)分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法的與單因子評(píng)價(jià)法的系統(tǒng)誤差形成，即水質(zhì)較差的指標(biāo)被水質(zhì)較好的指標(biāo)平滑，出現(xiàn)整體水質(zhì)改善。因此按照單因子評(píng)價(jià)法結(jié)果不變?yōu)樵瓌t，遴選出高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、石油類、化學(xué)需氧量、總磷6個(gè)主要的超標(biāo)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)。

2 評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1 均值法和斷面比例法

根據(jù)均值法計(jì)算得到的各水系水質(zhì)類別見表2。結(jié)合首要污染物的超標(biāo)倍數(shù)，各水系水質(zhì)由好到差依次為長江、珠江、遼河、淮河、松花江、黃河、海河。

表2 七大水系水質(zhì)類別(均值法)

根據(jù)斷面比例法計(jì)算得到的各水系水質(zhì)類別見表3。除松花江、淮河以外，其他五大水系采用斷面比例法和均值法評(píng)價(jià)結(jié)果均出現(xiàn)了1個(gè)級(jí)別的偏差，且變化方向不惟一。

表3 七大水系水質(zhì)類別(斷面比例法)

2.2 均值-灰色關(guān)聯(lián)分析法和灰色關(guān)聯(lián)-斷面比例法

根據(jù)均值-灰色關(guān)聯(lián)分析法和灰色關(guān)聯(lián)-斷面比例法計(jì)算得到的各水系水質(zhì)類別見表4～表7:

表4 七大水系水質(zhì)類別(均值-灰色關(guān)聯(lián)分析法，20項(xiàng)指標(biāo))

表5 七大水系水質(zhì)類別(灰色關(guān)聯(lián)-斷面比例法，20項(xiàng)指標(biāo))

表6 七大水系水質(zhì)類別(均值-灰色關(guān)聯(lián)分析法，6項(xiàng)指標(biāo))

表7 七大水系水質(zhì)類別(灰色關(guān)聯(lián)-斷面比例法，6項(xiàng)指標(biāo))

由表4可見，依照關(guān)聯(lián)度高低，各水系水質(zhì)由好到差依次為長江、珠江、遼河、淮河、黃河、松花江、海河。與均值法相比，黃河、松花江的排名出現(xiàn)了變化。

由表5可見，與斷面比例法評(píng)價(jià)結(jié)果相比，除珠江外，其他六大水系水質(zhì)類別均提高1～3個(gè)級(jí)別。

由表6可見，與均值法相比，黃河、海河水質(zhì)提高了2個(gè)級(jí)別，珠江、松花江、淮河提高了1個(gè)水質(zhì)級(jí)別。依照評(píng)價(jià)結(jié)果和關(guān)聯(lián)度高低，各水系水質(zhì)由好到差依次為長江、珠江、遼河、淮河、松花江、黃河、海河，與均值法一致。結(jié)合表2、表4的計(jì)算結(jié)果，可以認(rèn)為黃河水系氨氮污染較重，但除6項(xiàng)指標(biāo)外的其余14項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)松花江水系污染較輕，因此表4中黃河水系的評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)于松花江水系。

由表7可見，與斷面比例法相比，長江、松花江、海河水質(zhì)提高了1個(gè)級(jí)別。與均值-灰色關(guān)聯(lián)分析法相比，黃河、淮河、遼河水質(zhì)下降了1個(gè)級(jí)別。

2.3 均值-模糊綜合評(píng)價(jià)法和模糊綜合評(píng)價(jià)-斷面比例法

根據(jù)均值-模糊綜合評(píng)價(jià)法和模糊綜合評(píng)價(jià)-斷面比例法計(jì)算得到的各水系水質(zhì)類別見表8～表11。

表8 七大水系水質(zhì)類別(均值-模糊綜合評(píng)價(jià)法，20項(xiàng)指標(biāo))

表9 七大水系水質(zhì)類別(模糊綜合評(píng)價(jià)-斷面比例法，20項(xiàng)指標(biāo))

表10 七大水系水質(zhì)類別(均值-模糊綜合評(píng)價(jià)法)

表11 七大水系水質(zhì)類別(模糊綜合評(píng)價(jià)-斷面比例法)

由表8可見，依照隸屬度高低，各水系水質(zhì)由好到差依次為長江、珠江、遼河、淮河、松花江、黃河、海河，與均值法排名一致。

由表9可見，與灰色關(guān)聯(lián)-斷面比例法相比，珠江水系1個(gè)斷面評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅴ類水質(zhì)。

由表10可見，與均值法相比，黃河、珠江、遼河水質(zhì)提高了1個(gè)級(jí)別，松花江、淮河、海河提高了兩個(gè)水質(zhì)級(jí)別。依照評(píng)價(jià)結(jié)果和隸屬度高低，各水系水質(zhì)由好到差依次為長江、珠江、遼河、松花江、淮河、黃河、海河，與均值法相比，松花江、淮河水質(zhì)排名互換。

由表11可見，與斷面比例法相比，長江、黃河、淮河、遼河水質(zhì)提高了1個(gè)級(jí)別。松花江水質(zhì)提高了2個(gè)級(jí)別。與均值-模糊綜合評(píng)價(jià)法相比，黃河水質(zhì)提高了1個(gè)級(jí)別，淮河、海河、遼河水質(zhì)下降了1個(gè)級(jí)別。

3 結(jié)論與建議

大樣本量(七大水系所有國控?cái)嗝?情況下，現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法中采用斷面比例法和均值法的評(píng)價(jià)結(jié)果有5個(gè)水系出現(xiàn)了1個(gè)級(jí)別的偏差，且變化方向不唯一。

灰色關(guān)聯(lián)分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)于超標(biāo)指標(biāo)具有平滑作用，評(píng)價(jià)指標(biāo)越多，水質(zhì)提高越明顯。同等條件下，模糊綜合評(píng)價(jià)法水質(zhì)類別提高相對(duì)于灰色關(guān)聯(lián)分析法水質(zhì)提高得更多。

從評(píng)價(jià)結(jié)果看，引入灰色關(guān)聯(lián)分析法各大水系的水質(zhì)差別變得更小，而引入模糊綜合評(píng)價(jià)后雖然水質(zhì)類別也有所提高，但差別變化小于灰色關(guān)聯(lián)分析法。

在同一種評(píng)價(jià)方法下，模糊綜合評(píng)價(jià)法會(huì)更大程度保留不同水系間的水質(zhì)差別信息;在兩種評(píng)價(jià)方法對(duì)比時(shí)，模糊綜合評(píng)價(jià)法體現(xiàn)的差異性也與原來有較好的一致性，亦即其評(píng)價(jià)精度和適用性要高于灰色關(guān)聯(lián)分析法。

水系水質(zhì)評(píng)價(jià)中在引入數(shù)學(xué)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)盡可能選用共有的主要超標(biāo)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)，以避免項(xiàng)目過多造成水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果過高。

不同水系間進(jìn)行水質(zhì)比較時(shí)，可以考慮引入模糊綜合評(píng)價(jià)，以便得到較為明確的量化指標(biāo)。

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