水環境質量現狀評價方法

古小超， 王 雲

(1.天津市生態環境監測中心，天津 300191;2.聯合赤道環境評價有限公司，天津 300042)

1 水環境質量現狀評價方法

隨著經濟的發展和城鎮化的推進，水資源已成為決定地區發展的關鍵因素之一。科學的水環境質量現狀評價能夠客觀、公正地反映水資源現狀，并在預防和治理水體污染方面發揮作用。因此，選擇合適的方法對水環境質量現狀評價尤為重要。水環境質量評價是對區域內水環境的環境因素進行分析，選擇相應的參考指標參數，例如水質指標、水質標準等，并利用特定的科學方法和技術手段對水的用途價值做出相應的分析，得到評定結果，準確反映水質污染現狀，明確水質變化發展規律，以期為水質的污染控制和水質功能區劃設計提供可靠的科學發展依據。當前應用較多的水環境質量評價方法主要有綜合水質標識指數法［1］、主成分分析法［2］、灰色聚類法［3］和灰色關聯分析［4］等。

2 綜合水質標識指數法

綜合水質標識指數法(water quality identification index，WQI)是對河流綜合水質狀況進行評價的一種分析方法［5］，該方法參考《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)［6］對水中污染物進行分類，在此基礎上計算單因子水質指數。單因子水質標識指數總和的平均值是由代表水質類別與功能區劃設定類別比較結果、參加整體水質評價指標中劣于功能區標準的水質指標個數組成［7-8］。首先計算單因子水質標識指數:

式中:Pi為第i項單因子水質指數;X1為第i項指標的水質類別;X2為監測值在X1類水質變化區間所處位置(按照四舍五入原則計算);X3為水質類別與功能區劃分類別的比較結果。

然后，計算綜合水質標識指數:

式中:X3為水質類別與功能區劃設定類別的比較結果;X4為參加整體水質評價的指標中，劣于功能區標準的水質指標的個數。

采用綜合水質標識指數法能夠全面研究河流不同時段的環境特征，對水質做出綜合、合理的評價。胡成等［5］采用綜合水質指標指數法對渾河進行分析，發現總磷是對整條渾河影響較大的污染物，氨氮污染加重，化學需氧量呈減輕趨勢。郭明明［7］采用綜合水質指標指數法對彭越浦的水質狀況進行評價發現，2003年綜合水質指標指數從1993年的9.648降低到5.904，污染指數出現大幅下降。谷建強［1］等在青山湖水質評價中也采用了綜合水質標識指數法，發現2009年的綜合水質指標指數最大，2013年較好，期間呈現U型變化。綜合水質標識指數法可以較為完整地標識水質類別，實現定性分析和定量分析的統一，但也存在著可能掩蓋超標污染物的情形，在實際應用中受到了一定的限制。

3 主成分分析法

主成分分析法采用幾個綜合指標代替多指標，通過減少過多的變量降低分析的復雜性［9］。首先，對原始數據進行標準化處理，消除量綱對其的影響;其次，進行相關矩陣的計算;然后，計算相關矩陣的特征值和特征向量;最后，計算各主成分得分的方差貢獻率，進而定量計算出采樣點的污染程度［2，9-11］。其計算見式(3):

將其進行標準化，得到式(4):

計算矩陣的特征值和特征向量，并將其p個特征根按大小順序排列，計算貢獻率:

最后，確定m值，篩選出主要因子。

主成分分析法能夠通過綜合分析產生彼此互補、相關的新指標，從而反映水質情況。魯斐等［12］采用主成分分析法評價遼河水質，發現通江口橋處的有機污染物最為嚴重，硝酸鹽氮和生化需氧量對河流造成的影響較小。對鄱陽湖水質的評價也采用了該種方法［13］，分析1991—2006年鄱陽湖的水質變化發現，2006年的水質最差，1997年的水質最好;對2008年鄱陽湖監測斷面的分析發現，鄱陽湖水質好于入湖區域水質，說明鄱陽湖污染主要是受外源污染。王維等［14］將主成分分析法應用于北大港水庫的水質分析中，發現化學需氧量的影響最大，其次為總氮和總磷。隨著計算機技術的發展，可利用統計學軟件SPSS進行大量的數據處理，使主成分分析法在水質評價應用方面具有可靠性和推廣性，但也存在著一定的主觀性和隨意性。

4 灰色聚類法

灰色聚類法［15］是指按照研究對象的親疏關系，反映樣品間的內在組合關系的一種多元統計關系。假設有k個監測點，每個監測點有i個指標，每個指標有c個灰類，k個監測點的i個指標即可構成矩陣［16］，如式(6)所示:

其中，dki為k個聚類樣本第i個聚類指標初始值，k∈［1，2，…，n］，i∈［1，2，…，m］。

針對灰色聚度法對水質進行評價，需要首先建立灰度白化函數，灰類為1時:

灰類為 j(j=2，3，…，c-1)時:

灰類為c時:

然后，計算聚類權并對灰類進行無量綱化處理:

計算第i個污染指標第j個灰類的無量綱數:

其中，Sij為第i個污染指標第j個灰類的灰數;S0i為第i個污染指標參考標準。

聚類系數見式(12):

最后，以等級h為變量，計算加權平均數來評價δij的權值，計算樣本所隸屬的等級:

灰色聚類法可以對部分信息未知或不確定的水環境系統進行評價，劉芳［17］通過灰色聚類法對揚州市內古運河某斷面進行了評價，發現1年中有7個月的水質為Ⅳ類和Ⅴ類，分別是1月、2月、4月、5月、7月、9月和10月，Ⅳ類和Ⅴ類水占58.33%，可以看出該運河水質不容樂觀。周全超等［18］對同里古鎮的水質評價也采用灰色聚類法，發現在進口泵站、小東溪、會川橋和東新橋4個斷面的水質均為Ⅴ類水，水質狀況較差。趙光影等［19］采用灰色聚類法開展地表水環境質量評價，發現七臺河市監測斷面均未達到水質功能區的要求。灰色聚度法能夠客觀、準確地評價水質，克服在水環境中很多信息不明的情況下評價標準過于明確帶來的影響。

5 灰色關聯分析

灰色關聯分析通過分析關聯度來量化系統內評價因素的相互聯系，根據空間曲線的接近程度來判斷聯系的緊密程度，進而對水質進行定量評價［20］。假設實測樣本序列為:

共有m個，包含n個評價參數。

標準序列:

共有s個，包含n個評價參數。關聯系數見式(16):

關聯度的計算見式(17):

然后，對關聯度進行排序，根據最大關聯度的值來確定水質標準［21-23］。

該方法考慮了水質評價標準的區間形式，劉景蘭等［24］在對七里海濕地進行分析評價時采用灰色關聯法，發現其水質已經受到嚴重污染，評價的8個斷面中有7個為Ⅴ類水，水環境修復迫在眉睫。于洪濤等［22］采用灰色關聯法對南水北調中線澧河進行了評價，結果顯示澧河上游孤石灘水庫和中游河口斷面水質均為Ⅱ類水，漯河市一座水廠的取水口水質為Ⅰ類水，與單指標評價結果一致。但分析過程中，灰色關聯分析對數據的要求較高，數據需要滿足一定的相似度。

對比分析綜合水質標識指數法、主成分分析法、灰色聚類法和灰色關聯分析這4種水質分析評價方法［6，11，25］，見表 1。

表1 水質分析評價方法比較Tab.1 Comparison of water quality analysis and evaluation methods

6 結語

環境質量評價的可靠性，主要取決于監測數據的準確性和水環境質量評價方法的科學性。綜合水質標識指數法、主成分分析法、灰色聚類法和灰色關聯分析，在對水質進行分析和評價中應用較為普遍，但是也存在一定的局限性。為了更科學合理地對水質進行評價，可以在現有評價方法的基礎上進行改進和完善，以更好地評價水質現狀。

① 在原有評價方法的基礎上，考慮評價過程中水質污染物的綜合作用，例如氮、磷在水生態環境中是否會相互影響。對水質評價等級進行細化，使水質現狀的描述更為準確，為后續環境治理提供依據。

② 快速發展的計算機、通訊和自動監測等技術，在水環境質量評價中具有較好的應用前景。例如MIKE、Pload等模擬軟件的發展和GIS在數據分析、空間查詢和空間模型建立方面的應用，將計算機、通訊和自動監測等技術更多地應用到水環境質量評價中，必將大大簡化人工監測和評價。

③ 目前，水環境質量評價的研究領域還缺乏一個認知度高、認可性高的水環境質量評價數學模型。因此，架構能獲得更加真實、準確、更具備決策性的評價結果的水質量評價數學模型，是下一步深入研究的方向。