單因子評價法和改進的灰色關聯度在水質評價中的應用

宋日文

1 引言

黃壁莊水庫作為國家一級水源保護區，良好的水質狀況是農業用水、工業用水、環境用水及生活用水的充分保障；隨著庫區周圍經濟的不斷發展及人類活動的影響，水庫水質受到一定的破壞，污染物含量超標已經嚴重影響水庫的供水情況，因此對黃壁莊水庫進行持續的生態監測及合理的水質評價，對于改善庫區水質狀況，制定水庫治理措施方案具有一定的支撐作用。

地表水水質評價是指參照地表水水質標準，并選取一定的水質參數及評價方法，對水庫、河流、湖泊、沼澤、海洋等水體的質量及有效利用價值進行評定。良好的水質評價是確定水體的水質類別、確保不同部門用水安全、合理充分利用水資源的重要保證依據[1]。近年來，隨著研究方法的不斷創新，多種不同的水質評價方法逐漸涌現出來[2]，其中，單因子評價法[3]、內梅羅指數法[4]、灰色評價法[5]、主成分分析法[6]等被廣泛應用于各個學術領域。本文在前人的研究基礎上，采用單因子評價法、灰色評價中的灰色關聯度分析法以及改進的灰色關聯度分析法分別對黃壁莊水庫滹沱河與南甸河的匯合口、冶河河口、石津干渠取水口、庫區中心1、庫區中心2等五個監測點不同時期的污染物含量進行分析，并確定黃壁莊水庫的水質類別。不同的評價方法評價結果不同，但造成污染的主要原因不盡相同，為總氮含量的嚴重超標。

2 監測點布置及水樣分析方法

2.1 監測斷面的布設

黃壁莊水庫位于河北省鹿泉市黃壁莊鎮的滹沱河干流上，是以防洪為主，并同時兼顧農田灌溉、城市生活用水、環境用水、工業發電的大型水利樞紐工程。黃壁莊水庫與上游崗南水庫控制流域面積2.34萬km2，水庫主要入庫河流為滹沱河、冶河、南甸河。近年來，上游河流遭受不同程度的污染，同時入庫水量減少，黃壁莊水庫水體受到一定的污染破壞，為有效合理的保護利用水資源，治理水庫污染狀況，基于一定的布設原則，在水庫的不同水域，進水區、深水區、庫中心，按照水體類別和功能設置監測垂線。布設滹沱河與南甸河的匯合口、冶河河口、石津干渠取水口、庫區中心1、庫區中心2等五個監測點，見圖1；同時五個監測點采取GPS進行相應定位，經緯度數據見表1。

圖1 黃壁莊水庫監測點布置圖

表1 黃壁莊水庫監測點經緯度

2.2 取樣及水樣分析

于2014年9月、2014年12月、2015年4月、2015年8月等時間點分別在1號、2號、3號、4號、5號監測點進行水樣采集。選取高錳酸鹽（MnO4-）、硫酸鹽（SO42-）、總氮（TN）、總磷（TP）作為水質污染指標進行水質評定。不同水質指標的測定方法不同，高錳酸鹽（MnO4-）的測定選取酸性法；硫酸鹽（SO42-）的測定選取硫酸鋇比濁法；總氮（TN）的測定選取堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；總磷（TP）的測定選取過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法。

3 評價方法

3.1 單因子評價法

單因子評價法是指將所評價污染因子實測值與地表水環境質量標準值及飲用水標準限值進行對比，以確定水質的類別。確定方法為在所有所選污染指標中選取水質最差類別作為水體的水質類別[7]。單因子評價法因其方便、簡單明了，可清晰且直觀的對比實測值與標準值被學術界廣泛應用。然而單因子評價法也存在一定的缺陷，此方法僅能評價對比分析判定水質類別，無法定量分析水質監測值；同時單因子評價法僅對污染嚴重的因子充分考慮，存在忽略其他污染因子的現象。

3.2 灰色關聯度評價法

灰色關聯度評價法作為灰色評價法的一種水質綜合評價方法，主要評價思路為，分別計算不同污染因子的實測濃度值與不同等級地表水環境質量標準的關聯程度，關聯度的大小決定水質的類別。關聯度越大，表明水體越接近此類水水質類別。

3.2.1 評價等級標準的確定

評價因子為高錳酸鹽（MnO4-）、硫酸鹽（SO42-）、總氮（TN）、總磷（TP），同時采取地表水環境質量標準及集中式生活飲用水地表水源地補充項目標準作為水質標準。則因子集為{MnO4-、SO42-、TP、TN}，標準集為{Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類}，不同污染因子的水質等級標準詳見表2及表3。

表2 地表水環境質量標準限值

表3 集中式生活飲用水地表水源地補充項目標準限值

3.2.2 灰色關聯度評價步驟

（1）原始矩陣的建立

實測值矩陣的建立：某河流或水庫存在m個水質監測斷面，并且每個監測斷面存在n個水質評價因子，以此可得實測值矩陣。

標準值矩陣的建立：依據各個監測斷面的污染因子依次進行水質標準排序作為行，并以不同污染因子的水質標準等級作為列。

（2）實測陣與標準陣的歸一化

對于數值越小，水質越好的污染因子，實測陣與標準陣的歸一化為：式中，Si（K）為第 k（k=1,2,3……n）個水質評價因子的第 i（i=1,2,3……p）級水質標準；Xj（K）為第k（k=1,2,3……n）個水質評價因子的第j（j=1,2,3…….m）斷面的實測濃度值。

（3）歸一化后實測值矩陣及標準值矩陣

（4）絕對差及關聯離散函數的計算

式中，△ji(k)為第 k（k=1,2,3……n）個水質評價因子在第 j（j=1,2,3……m）斷面與第i（i=1,2,3……p）級水質標準的差值；bi(k)為歸一化后第k（k=1,2,3……n）個水質評價因子的第i（i=1,2,3……p）級水質標準；aj(k)為歸一化后第 k（k=1,2,3……n）個水質評價因子的第j（j=1,2,3……m）斷面的實測濃度值；ξji(k)為第k（k=1,2,3……n）個水質評價因子在第j（j=1,2,3……m）斷面與第i（i=1,2,3……p）級水質標準的的離散程度。

（5）關聯度的計算

式中，rji為關聯度；Wj(k)為第 k（k=1,2,3……n）個水質評價因子在第第j（j=1,2,3……m）斷面所占權重。

（6）水質類別的最終判斷

式中，r為水體水質類別。

4 結果分析

4.1 單因子評價法評價結果

（1）空間變化

本文依據監測時間的不同，將2014年9月定義為秋季，2014年12月為冬季，2015年4月為春季，2015年8月為夏季。經采用單因子評價法在不同的監測時間對不同斷面的污染因子進行水質評價可得，秋季除冶河河口及石津干渠取水口水質類別為Ⅴ類、Ⅳ類外，其他斷面均為劣Ⅴ類；冬季各個斷面水質均較差，劣Ⅴ類水較多；夏季與春季劣Ⅴ類水相對較少，但水質仍較差。經空間變化分析，由于總氮含量的嚴重超標致使各個斷面不同監測時間水質均較差，總氮為主要污染影響因子。詳見表4。

表4 單因子評價法在空間上水質評價結果

（2）時間變化

此次將同一監測時間不同斷面的實測數據進行平均化處理，采用算數平均值數據進行時間變化的水質分析。由表5可得，秋季、冬季、春季均為劣Ⅴ類水，夏季為Ⅴ類水；同時由于黃壁莊水庫為一級水源保護區，水質類別需保證在Ⅱ類水以內，因此從超標倍數分析，總氮春季超標為5.57；冬季超標倍數為5.48；秋季超標倍數為3.18；夏季超標倍數為2.68。經上分析，從春季至冬季水質類別由好到差依次為夏季＞秋季＞冬季＞春季。

表5 單因子評價法在時間上水質評價結果

4.2 傳統灰色關聯度評價結果

基于灰色關聯度的評價思路及評價步驟，傳統的灰色關聯度對權重的分析為：

式中，Wj(k)為污染因子所占權重；K為水質污染因子的總個數。

（1）空間變化

由于篇幅原因，僅對2014年9月水質評價結果進行列表。由表6可得，2014年9月各個監測斷面的水質類別均為Ⅱ類水，且主要污染因子均為總氮。2014年12月各個斷面的水質類別均為Ⅲ類水，除庫區中心2主要污染因子為高錳酸鹽外，其他斷面污染因子均為總氮。2015年4月各個監測斷面的水質類別均為Ⅰ類水，且主要污染因子均為總氮。2015年8月各個斷面的水質類別均為Ⅲ類水，除石津干渠取水口要污染因子為高錳酸鹽外，其他斷面污染因子均為總氮。經上空間分析來看，不同監測時間點各個斷面水質均較好，但主要污染因子仍為總氮。

表6 傳統灰色關聯度評價法空間上水質評價結果

（2）時間變化

從時間上分析，春季評價結果為Ⅰ類水，秋季和夏季為Ⅱ類水，冬季為Ⅲ類水。水質較好，基本達到飲用水標注Ⅱ類水的要求，但主要污染因子仍為總氮。詳見表7。

表7 傳統灰色關聯度評價法時間上水質評價結果

4.3 改進灰色關聯度評價結果

傳統的灰色關聯度評價方法對權重的比例分析為均勻分配，然而此種比例分配方式不能將污染嚴重的因子充分體現，故此次對灰色關聯度評價法的改進以綜合考慮各個污染因子所占比重為目的，試圖使得評價結果更合理，更貼近水庫真實的水質狀況。改進的灰色關聯度各個污染因子所占比重為：

式中，為第k個水質評價因子標準值的平均值；C′K為第j斷面第k個水質評價因子實測值占標準值的比例。

（1）空間變化

空間變化上權重比例以2014年9月各個斷面為例，見表8。

表8 不同污染因子所占權重

經采用改進的灰色關聯度評價法對黃壁莊水庫水質進行評價，由表9可得2014年9月滹沱河與南甸河的匯合口監測斷面為Ⅴ類水；冶河河口監測斷面為Ⅱ類水；石津干渠取水口監測斷面為Ⅱ類水；庫區中心1、庫區中心2監測斷面為Ⅴ類水；由權重比例分析主要污染因子為總氮。2014年12月除庫區中心2監測斷面為Ⅳ類水外，其他斷面均為Ⅴ類水；主要污染因子為總氮。2015年4月除庫區中心1、庫區中心2監測斷面為Ⅳ類水外，其他斷面均為Ⅴ類水；主要污染因子為總氮。2015年8月滹沱河與南甸河的匯合口監測斷面為Ⅳ類水；冶河河口監測斷面為Ⅴ類水；石津干渠取水口監測斷面為Ⅲ類水；庫區中心1監測斷面為Ⅳ類水；庫區中心2監測斷面為Ⅴ類水；主要污染因子為總氮。

表9 改進的灰色關聯度評價法空間上水質評價結果

（2）時間變化

從時間上分析，不同污染因子所占權重比例以總氮為最大，因此總氮為主要污染因子。見表10。同時春季、夏季、秋季、冬季均為Ⅴ類水，水質較差，見表11。

表10 不同污染因子所占權重

表11 改進的灰色關聯度評價法在時間上水質評價結果

4.4 結果分析

經采用以上三種方法對黃壁莊水庫進行水質評價，確定不同方法下的水質類別。不同的評價方法確定的水質類別不同，從空間變化上，單因子評價法評價結果各個監測斷面水質基本為Ⅳ類水以上；傳統灰色關聯度法評價結果水質較好基本為Ⅱ類水左右；改進的灰色關聯度法評價結果既存在水質較好的Ⅱ類水，同時存在水質較差的Ⅴ類水。從時間變化上，單因子評價法評價結果春季、夏季、秋季、冬季基本均為劣Ⅴ類水；傳統灰色關聯度評價法評價結果春季、夏季、秋季、冬季水質相對較好；改進的灰色關聯度評價結果春季、夏季、秋季、冬季均為Ⅴ類水。

由于總氮含量的嚴重超標，采用單因子評價法對水質分析時，往往依賴于總氮的含量而忽略其他其他污染因子，致使總氮對水質評價結果起主導性作用。傳統的灰色關聯度評價法對各個污染指標往往“一視同仁”，對各個污染指標權重進行平均分配，充分考慮各個污染因子的綜合作用，但不同污染因子破壞水體的程度不一致，因此筆者認為平均分配比例權重較不合理。改進的灰色關聯度在傳統灰色關聯度基礎上進行相應修正，重新對各個污染因子進行比例分配，使得評價結果更為合理，更符合實際情況。

5 結論

本文通過采用單因子評價法、傳統灰色關聯度評價法及改進的灰色關聯度評價法分別對不同監測時間、不同監測斷面的高錳酸鹽指數、硫酸鹽、總磷、總氮進行水質分析，得出空間分布及時間分布上的水質變化情況。單因子評價法重點考慮突出污染因子的影響；傳統灰色關聯度未認識到不同污染因子對水質影響不同，權重詮釋存在偏差，使得此方法得出的水質評價結果相對較好，相對低估了污染的嚴重性；改進的灰色關聯度評價法因對污染因子權重進行重新比例分析，相比傳統灰色關聯度更貼合實際，相比單因子評價法更綜合考慮不同污染因子的綜合作用，因此改進的灰色關聯度在一定程度上可操作性較強。

[1]朱媛媛,田進軍,李紅亮,江秋楓,劉琰.丹江口水庫水質評價及水污染特征[J].農業環境科學學報,2016,(01):139-147.

[2]王維,紀枚,蘇亞楠.水質評價研究進展及水質評價方法綜述[J].科技情報開發與經濟,2012,(13):129-131.

[3]徐祖信.我國河流綜合水質標識指數評價方法研究 [J].同濟大學學報(自然科學版),2005,(04):482-488.

[4]李小麗,黎小東,敖天其.改進內梅羅指數法在西充河水質評價中的應用[J/OL].人民黃河,2016,38(08):65-68.

[5]李勇,劉德深,陳曉波.灰色聚類法在地表水水質評價中的問題探討[J].科技信息,2009,(11):21-23.

[6]劉臣輝,呂信紅,范海燕.主成分分析法用于環境質量評價的探討[J].環境科學與管理,2011,36(03):183-186.

[7]徐祖信.我國河流單因子水質標識指數評價方法研究 [J].同濟大學學報(自然科學版),2005,(03):321-325.