（水文学及水资源专业论文）区域地表水水环境质量评价研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 i l i i ii ii iii ii lul ii iu l y 19 0 2 0 9 6 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 脊爹涌 日期： 加if 年牛月，7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 一虢朱试炳 师签z 勿阻 蹶训年k 月r 夕日 勘j 严气月帕 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中全文 发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。 学位论文作者签名： 齐试繇 日期：弘f f 年毕月，e l 艚溯躲别劢修l 黝f q 月伟 摘要 区域地表水水环境质量评价是水文学及水资源科学的重要组成部分，是水资 源规划、开发、利用、保护和管理的基础工作，可为国民经济和社会发展提供有 关水资源及水环境方面的决策依据。 本文论述了当前国内外常用的水质评价方法的应用状况以及水质评价工作 中存在的问题和不足；全面分析了水环境质量评价的理论体系；并重点探讨了基 于复杂理论的水质评价方法在区域地表水水质综合评价中的应用。主要包含以下 内容： ( 1 ) 归纳总结了区域地表水水质评价的思路、方法及程序。从评价依据及 标准、评价因子的选取及权重的确定、评价代表值的确定、方法的选择等方面， 提出了较为科学全面的评价理论体系。 ( 2 ) 在综合考虑当前多种水质评价模型，分析不同评价方法的适用范围和 优缺点的基础上，选用了t o p s i s 法和物元分析评价模型，介绍这两种综合评价 模型的原理及构建过程，并在实际运用中对这两种评价方法进行改进。主要以三 峡水库重庆段为例来说明所选模型的可行性，论证模型的适用性。对不同方法的 评价结果进行对比分析，研究表明两种评价方法得出的断面水质类别基本一致， 个别监测断面用物元分析法综合评价的水质类别略差于t o p s i s 法。评价结果显 示研究区域地表水水体干流段丰水期水质较差，干流各监测断面水质基本超过i i i 类水质标准；而支流各监测断面水质较好，基本满足水质目标管理的要求。 ( 3 ) 区域主要污染物的趋势分析研究及原因分析。从整体上来看，2 0 0 8 年 三峡水库重庆段干流段水质污染程度丰水期重于平水期和枯水期，所选水质指标 浓度含量沿程大体呈下降变化趋势。采用季节性k e n d a l l 检验法对研究区域的主 要污染指标总磷、高锰酸盐指数和石油类进行水质趋势分析。结果显示库区江段 水质参数浓度趋势以下降变化为主，表明库区江段总体水质状况6 年来基本趋于 好转。 关键词：水环境质量评价；t o p s i s 法；熵值法；物元分析模型；水质趋势分析； 三峡水库重庆段 a b s t r a c t r e g i o n a ls u r f a c ew a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t ya s s e s s m e n ti sa i li m p o r t a n tp a r to f h y d r o l o g ya n dw a t e rr e s o u r c e s ，a n di ti st h eb a s i cw o r ko fp l a n n i n g ，d e v e l o p m e n t ， u t i l i z a t i o n ，p r o t e c t i o n a n d m a n a g e m e n t o fw a t e rr e s o u r c e i t p r o v i d e s t h e d e c i s i o n m a k i n go fw a t e rr e s o u r c e sa n dw a t e re n v i r o n m e n tf o rn a t i o n a le c o n o m i ca n d s o c i a ld e v e l o p m e n t t h i s p a p e rr e l a t e st o t h ea p p l i c a t i o ns t a t u s ，p r o b l e m sa n di n s u f f i c i e n c yo f r e 舀o n a ls u r f a c ew a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o nm e t h o di nd o m e s t i ca n df o r e i g n i th a sa c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h et e c h n i c a lf r a m e w o r ko fw a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t y a s s e s s m e n t ，a n di ti sd i s c u s s e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no ft h eq u a l i t ya s s e s s m e n tm e t h o d s b a s e do nc o m p l e xt h e o r y , i tm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t ( 1 ) i ti ss u m m a r i z e dt h a ts t r a t e g y , m e t h o d s ，a n dp r o c e d u r e so ft h er e g i o n a l s u r f a c ew a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n ，i nt e r m so fe v a l u a t i o ns t a n d a r d ，t h es e l e c t i o no f e v a l u a t i o nf a c t o r s ，w e i g h t d e t e r m i n a t i o n ，r e p r e s e n t a t i v ev a l u es e l e c t i o na n d t h e m e t h o de t c a n dt h es c i e n t i f i ct h e o r e t i c a ls y s t e mo ft h ec o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n ti s p r o p o s e d ( 2 ) o nt h eb a s i so ft h ec o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no fw a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o n m o d e l ，a n dt h ea n a l y s i so ft h ed i f f e r e n te v a l u a t i o nm e t h o da n di t sa d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s t h ei m p r o v e dt o p s i sm e t h o da n dm a t t e r - e l e m e n te v a l u a t i o nm o d e l a r es e l e c t e d ，t h ep r i n c i p l ea n dc o n s t r u c t i o n p r o c e s so ft h et w oc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm o d e l sa r ed e s c r i b e d a n dt h e nt h em o d e l sa r ea p p l i e do ne v a l u a t i n gt h e w a t e rq u a l i t yo ft h ec h o n g q i n gs e c t i o no ft h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i rt od e m o n s t r a t e i t s f e a s i b i l i t y a n da p p l i c a b i l i t y i ti si n t i m a t e dt h a tt h ed i f f e r e n tm e t h o d so f c o m p a r a t i v ea n a l y s i sh a sc o h e r e n c et or e s u l t s ，e x c e p tt h eg r a d eo fw a t e rq u a l i t yo f s o m em o n i t o r i n gs e c t i o n si sl o w e rb yt h em e t h o do fm a t t e r - e l e m e n te v a l u a t i o nm o d e l t h a nt h ei m p r o v e dt o p s i s a n di ti ss h o w e dt h a tt h ew a t e rq u a l i t yi nt h em a i n s t r e a m o ft h es u r v e yr e g i o ni sw o r s e ，a n dt h eg r a d eo fm o s to ft h ew a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g s e c t i o n si se x c e e di i i ，b u tt h ew a t e rq u a l i t yi nt h et r i b u t a r yr i v e rs e c t i o ni sg e n e r a l l yi n g o o dc o n d i t i o n ，a n dr e a c ht h em a n a g e m e n tg o a lo fw a t e rq u a l i t y ( 3 ) t h ev a r i a t i o nt r e n do fw a t e rq u a l i t ya n di t si n f l u e n c ef a c t o r sw e r ea n a l y z e d t h ew a t e rq u a l i t yi s g e n e r a l l yw o r s ei nt h eh i g h w a t e rp e r i o dt h a ni nt h ed r o u g h t p e r i o da n dt h el e v e lp e r i o d ，a n dt h ed e n s i t yv a r i a t i o nt r e n do ft h es e l e c t e dw a t e r q u a l i t yi n d e x e si n t h r e ew a t e rp e r i o dp r i m a r ys h o w e dad e c r e a s i n gt r e n d i ti s a n a l y s e d o nw a t e rq u a l i t yt r e n do ft h ec o n c e n t r a t i o n so ft o t a lp h o s p h o r u s 、 p e r m a n g a n a t ei n d e xa n do i lt y p ei nt h es u r v e yr e g i o nu s i n gt h em e t h o do fs e a s o n a l k e n d a l lt e s t t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec o n c e n t r a t i o n st r e n dp r i m a r ys h o w e da d e c r e a s i n gc h a n g e ，i n d i c t i n gt h a tt h ew a t e rq u a l i t yo ft h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i rw a s g e t t i n gb e t t e ri ng e n e r a ld u r i n gt h ep a s ts i xy e a r s k e y w o r d s ：e v a l u a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t y ；t o p s i s ：e n t r o p yw e i g h t m e t h o d ：m a t t e r e l e m e n ta n a l y s i s ；t r e n da n a l y s i so nw a t e rq u a l i t y ；c h o n g q i n gs e c t i o n o ft h et h r e eg o r g er e s e r v o i r 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究目的及意义2 1 2 国内外水环境质量评价的研究现状2 1 2 1 水质评价分类2 1 2 2 水质评价依据和标准体系3 1 2 3 水质评价方法5 1 2 4 我国水质评价中的不足及国外水质评价工作的经验1 0 1 3 研究方法及内容1 1 1 4 论文技术路线1 1 第二章研究区域概况1 3 2 1 自然环境概况1 3 2 1 1 地理位置1 3 2 1 2 地质地貌特征1 3 2 1 3 气候特征1 4 2 2 水环境状况：1 4 2 2 1 主要河流水系1 4 2 2 2 水资源开发利用现状1 5 2 3 社会经济状况1 6 2 4 本章小结1 6 第三章区域地表水水质评价框架体系1 7 3 1 主要污染源调查与评价1 7 3 2 水质监测及数据处理分析1 9 3 3 研究区域评价断面概况2 0 3 4 评价因子选取方法及权重确定2 2 3 4 1 综合提炼指标因子方法2 3 3 4 2 主成分分析法2 4 3 4 3 主成分分析选取评价指标方法的s p s s 实现2 5 3 4 4 评价因子权重的确定2 9 3 5 评价代表值的确定3 1 3 6 本章小结3 1 第四章基于复杂理论的水质评价方法及在水环境综合评价中的应 用3 2 4 1t o p s i s 法原理3 2 4 2 改进的t o p s i s 法综合评价模型应用实例3 2 4 2 1 构造多目标决策矩阵3 2 4 2 2 形成规范化决策矩阵3 3 4 2 3 构造规范化加权矩阵3 4 4 2 4 确定参考样本3 5 4 2 5 计算相对接近度及分析判别3 5 4 3 运用改进的t o p s i s 法评价结果与分析3 6 4 3 1 干流断面评价结果与分析3 6 4 3 2 支流断面评价结果与分析3 6 4 4 物元分析模型在水质综合评价中的应用研究3 7 4 4 1 物元3 8 4 4 2 确定评价的物元集3 8 4 4 3 距和关联函数值4 0 4 4 4 综合关联度4 0 4 4 5 评定等级4 l 4 5 物元分析模型评价结果与分析4 2 4 5 1 干流断面物元分析模型评价结果4 2 4 5 2 支流断面物元分析模型评价结果4 3 4 6 两种方法综合评价结果对比分析4 4 4 7 本章小结4 5 第五章区域地表水污染物趋势分析研究4 6 5 1 库区重庆段水质参数空间变化趋势分析4 6 5 2 库区重庆段主要污染物的时序趋势变化4 8 5 2 1 国内外水质趋势检验方法4 8 5 2 2 季节性k e n d a l l 检验数学模型4 9 5 2 3 趋势分析水质资料的选取5 1 5 2 4 水质参数浓度趋势结果及分析5 1 5 2 5 总体水质变化趋势分析5 4 5 3 污染治理措施建议5 4 5 4 本章小结5 5 第六章结论和建议5 7 6 i 结论5 7 6 i i 论文主要研究结论5 7 6 1 2 论文的创新点5 8 6 2 存在问题及建议5 8 6 3 展望5 9 致谢6 0 参考文献6 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 。1 研究背景 在当代社会生活中，我国水环境存在的主要问题为水资源短缺、水质污染造 成的水质性缺水问题严重，水环境的矛盾日益突出。如何合理有效地利用水资源 以及更好地地保护水环境，是摆在我们面前的一个难题，也是解决社会经济发展 的瓶颈问题。为了解地表水环境现状、确定污染类型，以便准确指出水体污染程 度及和反映未来的发展趋势，掌握影响本地区水环境质量的主要污染因子；为科 学地保护水资源提供方向性、原则性的指导和建议，需要对水体水质状况进行判 别并进一步确定区域地表水水质管理目标。因而，水环境质量评价成为环保和水 利学者所密切关注的问题。 水环境质量评价( 又称水质评价) ，是根据水体的用途，按照一定的评价参 数、质量标准和评价方法，对水域的水质或水域综合体的质量进行定性或定量评 定的过程。本文所论及的区域地表水水环境评价范围为三峡水库回水淹没涉及影 响范围水域( 即三峡水库1 7 5 m 正常蓄水的回水影响范围) 中重庆区域范围内的 河段，主要包括库区长江干流，以及支流嘉陵江、乌江、小江、御临河和大宁河 回水水域。 重庆市地处长江上游的三峡库区及其影响区，三峡水库从建成到不同水位蓄 水，由天然河道演变成为一个狭长的河道型水库，库区一级支流水位大幅抬升， 水流的流速减缓，各项水文要素均发生了很大变化。而这些水文要素的变化相应 地会带来水环境要素的改变，从而影响库区污染物的稀释、扩散以及局部水环境 复杂化。另一方面，受自然环境及历史条件的影响，三峡库区的城镇、工矿企业 多沿江河分布。长江及其支流既是城市生活和工业企业生产的取水源，同时也是 纳污水体；随着库区经济的快速发展，城镇化水平的不断提高，用水量明显增加， 工业废水和生活污水的排放量逐年增大，加大了库区水资源和水环境的承载压 力。此外，三峡库区重庆段的沿江垃圾堆放由此产生的水环境问题也不容忽视， 蓄水后这些垃圾淹没在水中，垃圾中的有机污染物将使库区水中的化学需氧量值 和重金属含量升高。库区及其影响区部分河段水体水质已由i i i i i 类逐渐趋向i 一类，湖库水质呈现富营养化变化，加上生态环境恶化趋势尚未得到有效遏制， 部分地区水域功能呈明显下降趋势，有的甚至到了不能利用的程度。水环境问题 已成为影响库区社会、经济与环境可持续发展的重要因素，其水质变化的问题引 起许多学者的关注。 2 第一章绪论 1 1 2 研究目的及意义 水质评价是水污染控制规划研究的前提，评价的结果可以为水质模型及其参 数的识别提供信息；也是计算河流水环境容量、水域纳污能力及水资源系统规划 管理的需要。 近年来，重庆市社会经济发展迅猛的同时，水资源开发利用、水环境综合整 治等方面均有较大投入。为适应实际变化情况，遵照相关法律法规和政府规定， 适用“最严格的水资源管理 和“三条红线”等水资源和水功能区管理办法，满 足管理要求，科学合理地进行长江重庆段水环境质量评价，提出相应的水质保护 管理目标，对于实现水资源可持续利用，保障社会、经济与环境可持续发展具有 十分重要的意义。 本文从系统理论的观点出发，在对区域自然和社会经济环境现状调查的基础 上，结合区域污染源调查、评价和水质监测等。通过采用建立水质综合评价模型， 主要对地表水( 河流) 水环境质量进行综合评价研究。将不同综合评价方法的评 价结果进行对比分析，采用不同的评价方法，评价结果将有一定程度的差别。根 据评价研究结果和主要污染物的分布特征及趋势分析，客观地反映了库区重庆段 水环境质量状况与水质变化特征，为三峡水库水资源利用保护和管理监督提供参 考依据。在此基础上有针对性的提出区域水污染控制对策和建议，为水质管理目 标的实现和相关部门的管理规划提供参考依据。 1 2 国内外水环境质量评价的研究现状 1 2 1 水质评价分类 2 0 世纪初，国内外一些河流水质日趋恶化，用水安全得不到保证，水质问题 越来越受到人们的重视，水质评价工作也随着发展起来。水环境质量评价按不同 类型及含义主要分为以下几类，如表1 1 所示。 水质现状评价是预测评价的前提条件，也是累积影响评价的基础。现状评价 既可以是月度评价，也可以是季度评价，还可以是年度评价。月度水质现状评价， 要结合图表描述该月总体水质状况。并找出该月的主要污染因子及水质污染比较 严重的河流或断面。季度现状评价同月度水质现状评价基本类似。年度水质现状 评价是结合图表描述本年度总体水质状况。评价重点是主要超标因子的确定、超 标率的计算、污染源分析、水质污染趋势分析和水环境容量分析等；关注单个因 子的污染程度和多因子综合评价；评价结果一般是给出水质的好坏程度，分析主 要的环境问题及污染成因，并提出对策建议。 第一章绪论 3 表1 1 水质评价分类表 t a b l e l 1c l a s s i f i c a t i o no fq u a l i t ya s s e s s m e n t 分类依据含义主要特征 对湖泊、海洋、河口、水库、河流针对不同的水域有不同 评价对象或 不同水域 河段、地下水的水质评价的特征 范围不同 描述区域内水质的时空状态，一般主要识别影响水质条件 流域或区域 分水期进行评价及污染源的评价 的因素和过程 对过去近几年水质状况进行评价，主要关注水质及其影响 回顾评价 揭示水域水质污染的发展变化因素的时空趋势分析 根据近期水质监测资料，对水体的主要关注水质问题，评 评价时段 现状评价 水质现状进行评价价时段短，针对基准年 为预测未来的水质状况，给予定量主要关注污染源预测和 预测评价 或定性的描述水质演化模拟 饮用水源、灌溉养殖用水、工业用按不同用途有不同的方 针对不同用途进行 水及娱乐景观用水等的水质评价法、标准 1 2 2 水质评价依据和标准体系 水质评价要根据具体待评价水体的用途、功能等选用不同的水质标准。进行 水环境质量评价，需建立起有关环境中各种污染物的容许含量和污染源排放污染 物的数量和浓度等的环境标准。我国在综合分析自然环境特征、环境污染控制的 技术水平、经济条件和社会管理要求的基础上，相继制定、颁布并实施了一系列 环境标准。为环境质量评价工作的顺利开展提供了较完备的评价标准体系。我国 环境标准体系，可概括为“五类三级”，如图1 1 所示。 图1 1 我国环境标准体系 f i 9 1 1s y s t e mo fe n v i r o n m e n t a ls t a n d a r d si nc h i n a 4 第一章绪论 由于环境系统及问题的复杂性，以及随着经济发展和科学技术进步，新的环 境问题也会不断出现，现有评价标准体系中没有包括的项目也可能需要进行评 价，在进行必要的科学对比分析的前提下可参考国外有关环境标准进行。本文主 要介绍涉及与水质评价有关的水环境标准及依据。 ( 1 ) 水环境标准 水环境标准主要有水环境质量标准和水污染物排放标准及方法标准。其标准 体系结构如表1 2 。 表1 2 水环境标准体系结构 t a b l e l 2t h es y s t e mc o n f o r m a t i o no fw a t e re n v i r o n m e n ts t a n d a r d 作 类别标准适用范围 用 地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) ： 江河湖库等地表水域 水体类型地下水质量标准( g b l 4 8 4 8 - 9 ) ； 一般地下水 水 海水水质标准( g b 3 0 9 7 - 1 9 9 7 ) 管辖的海域 环 目 境 生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 - - - 2 0 0 6 ) 城乡供生活饮用的集中 质 式给水和分散式给水 标 且 以景观、疗养、度假和娱 里 水的用途 景观娱乐用水水质标准( g b l 2 9 4 1 - 9 1 )乐为目的的江、河、湖、 标 准 库等或其中一部分 渔业水质标准( g b l1 6 0 7 - 8 9 ) 渔业用水区 农田灌溉水质标准( g b5 0 8 4 - 9 2 ) 农田灌溉用水 水 污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 )污染物最高允许排放浓 污 综合 城镇污水处理厂污染物排放标准度及部分行业最高允许 染 ( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 排放量 措 物 如造纸工业水污染物排放标准按不同行业规定执行 排 行业标准 施 ( g b 3 5 4 4 - 2 0 0 1 ) 放 标 适用于地方 准 地方标准 严于国家标准 实 水质采样、样品保存和管理技术等。保证数据的可比性和准 旌 分析方法标准如：水质采样技术指导( g b l 2 9 9 8 - 9 1 )确性 手 段 水质分析方法标准 和 标准样本标准水质标准样品标准和标准参考物质标准保证监测数据可靠性 方基础标准 词汇、术语、导则、规范等统一规范 法 收费标准排污收费标准经济手段实施措施 。_ - 。_ _ 。i _ 。_ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l - - - - l _ l - - i l _ l _ _ l _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ - i _ _ _ _ _ - _ _ _ i - _ i _ _ _ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ - _ _ 。_ - - _ _ _ _ - _ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ - 一 第一章绪论 5 各种类型的水质标准是根据水质要求和废水排放容许浓度，对一些水质指标 所作出的定量规范，是评价水环境质量和开展水环境、水资源保护工作的法定依 据。水体污染的控制可通过排放标准和环境水质标准两种办法来实现。水环境质 量标准是为控制和消除污染物对水质的影响，根据水环境总目标和近期目标而提 出的。水污染物排放标准是为满足水环境标准的要求，对排污浓度、数量所规定 的最高允许值，实行浓度控制与总量控制相结合的原则。 ( 2 ) 相关法律法规及技术导则 国内有关水环境评价方面的法律法规主要有： 中华人民共和国水法； 华人民共和国水污染防治法； 中华人民共和国海洋环护法； 中华人民共和国环境影响评价法 中华人民共和国环境保护法 相关技术导则主要有： 地表水资源质量评价技术规程( s l 3 9 5 2 0 0 7 ) ； 环境影响评价技术导则地面水环境； 水资源评价导则( s i _ t 2 3 8 1 9 9 9 ) 1 2 3 水质评价方法 自r k h o r t o n 和j a c o b s 于2 0 世纪6 0 年代提出水体质量评价的水质指数概 念和公式以来【1 1 ，国内外就不断有探讨水质评价的方法理论并运用在地表水或地 下水的水质评价中【2 1 。水环境质量评价结果的可靠程度一方面取决于检测数据的 准确性，另一方面依赖于科学的评价方法，评价方法是环境质量评价理论的核，t l , 。 目前，国内外已出现很多经常使用的水环境质量评价方法，主要分为确定性水质 评价模型和基于复杂理论的水质评价模型。 ( 1 ) 确定性水质评价方法 确定性水质评价方法归纳起来主要分为单因子评价法和综合指数评价法。 1 ) 单因子评价法 单因子评价法是现行国家水质标准中已确定的悲观评价原则方法，即以各评 价因子的监测结果与该因子的评价标准比较，确定每个评价因子的水质类别，以 其中的最差类别作为水体( 或断面) 的综合水质级别。地表水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 _ 2 0 0 2 ) 中对水质评价的要求为根据应实现的水域功能类别选取相应 类别标准进行单因子评价，评价结果应说明水质达标情况，超标的应说明超标项 目及超标倍数。由此可见，单因子评价方法为最基本的评价方法。其缺点是由此 确定的水质类别结果较为悲观，也不利于不同断面水体水质的对比分析。 6 第一章绪论 2 ) 综合指数评价法 2 0 世纪6 卜7 0 年代研究和应用较多的水质评价方法中大多数属于指数评价 法，国内外比较有代表性的有以下几种。 布朗水质指数( 美国) 。r m b r o w 等于1 9 7 0 年提出了水质现状评价的质 量指数法( w q i ) 1 3 】。计算公式为： w q i = 罗矾q ( 1 1 ) 符 公式中q i 水质参数的质量评分；w i 为水质参数的权系数。布朗水质指数中 为不同的水体的水质对比提供一个标准方法。 内梅罗法( 美国) 。n ln e m e r o w 在其河流污染的科学分析一书中提 出的一种水质指数的计算方法，并对纽约州的一些地面水水质状况和的污染程度 进行了指数计算和分析【4 1 。某一种水用途j 的分指数r f 的计算公式： p i ，j 。 ( 1 2 ) c i 为水中污染物i 的实测浓度；l i 为水中污染物i 作j 用途时的水质标准。 考虑水的一切用途的总的污染指数p i 计算公式为： p 1 一罗肜f p 一 ( 1 3 ) 内梅罗污染指数法兼顾考虑平均值和最高值，考虑了不同类的水用途对整个 评价区域水体的影响，但受到人为干扰因素的影响较大。 r o s s 水质指数( 英国) 。1 9 7 7 年，s lr o s s 在总结以前的一些水质指数 的基础上对英国的克鲁德河的干、支流进行了水质评价的研究，提出了一种较简 明的水质指数计算方法【5 l 。其计算公式如下： w q i 。荟a 善眠 ( 1 4 ) _ l r o s s 水质指数剔除不必要的水质因子选项，直接具体反映水体污染状况， 其不足是在评价尺度上有较大的任意性。 水质质量系数法。我国水质评价始于2 0 世纪5 0 年代。1 9 7 5 年，我国 学者在北京西郊环境质量评价工作中提出了水质质量系数法，计算公式为： p 一耋 5 ， c i 为i 污染物的实测值，n 为评价指标项数，c s ，i 为i 污染物在地表水中的 最高允许标准1 6 1 。 有机污染指数法( 我国) 。鉴于上海地区黄浦江等河流水质受有机污染突 出的问题，提出“有机污染综合评价值 的概念。计算公式如下： 第一章绪论 7 彳；里盟+ 鱼堕+ 巡! 二丝一一d o i ( 1 1 3 ) 月暑一十一十一 上 b o d o c o d on h 3 一nod o o 有机污染综合评价值可以用来综合说明水质受有机污染的情况，适用于受有 机污染较严重的水体。 除以上表列出的几种比较有代表性的方法外，还有叠加型指数法、均值型指 数法川、混合加权指数法、向量模式、分指数平方和的方根法等。综合指数评价 法计算简单，便于操作，结果表达简洁，在国内外水质评价实践中至今仍为人们 大量采用。缺点是没有完善统一的环境质量分级体系，不能与水环境质量标准统 一起来，缺乏可比性，今后在实际使用中应不断检验、修订并逐步完善。 ( 2 ) 基于复杂理论的水质评价方法研究综述 近年来，一些不确定性、非线性理论方法的出现和计算机技术的推广应用， 为新的水质评价方法的产生提供了理论和技术支持。各种基于复杂理论的评价方 法相继应用在水环境质量评价中【8 】。主要有随机理论、模糊理论、灰色理论、多 目标决策理想点法、物元分析法、人工神经网络法等。现在，各种水质评价方法 几乎成为所有水环境质量综合评价中不可或缺的重要内容。各种综合评价方法及 各种优缺点和适用范围如下。 1 ) 模糊评价法 由于水环境系统本身有着各种不确定性因素的存在，如水质项目的级别划 分、评价标准的确定等都具有模糊性。因此，模糊数学在水质综合评价中得到广 泛应用。应用较多的是模糊综合评判法【9 j ，其基本思路为： 由监测数据建立各指标因子对各级标准的隶属度集，形成隶属度矩阵； 各因子的权重集与隶属度矩阵相乘得到模糊积； 获得综合评判矩阵，表明评价水体水质对各级水质标准的隶属程度； 表征综合水质级别。 模糊综合评价合成过程中常用的取大取小算法可能会导致信息丢失过多，使 评判结果易出现均化、失真、失效、跳跃等现象。文献( 潘峰等，2 0 0 2 ；陈守煜 等，1 9 9 1 ) 基于相对隶属度的理念对模糊评价法进行改进，提出了模糊模式识别 模型，该模型在评价中较好地克服了模糊综合评价法评价结果均值化倾向，使评 价结果的分辨率大幅提高，成为近年来环境评价领域发展较快的一种模糊评价方 法。此外还有模糊贴近度法、模糊距离法等应用于水质评价中。 2 ) 灰色评价法 水环境系统是广义的能量系统，系统内部的作用机制往往是相当复杂的，难 以定量。监测数据所提供的信息( 量化信息、非量化信息) 只能反映一定时空内的 环境质量现状。同时信息参数也是部分己知、部分未知，即灰色的【1 0 l 。为此， 将灰色系统的方法应用于水质的综合评价是合理和可行的。目前主要有灰色关联 8 第一章绪论 分析法、灰色模式识别模型、灰色聚类法和灰色局势决策法等。其中灰色关联分 析法概念清楚，应用方便，可操作性强，灰色关联分析的计算步骤为： 确定参考序列和比较序列分别为x 。 ) 和x ；伍) ( k = 1 ，2 ，m ；i = 1 ，2 ，n ) ， 并对参考序列和比较序列进行无量纲处理； 计算参考序列和比较序列的灰色关联系数亭k ，) ； 计算某一时刻的实测值与评价标准值之间的关联度，得到关联度矩阵； 关联序优劣比较，某一时刻实测值与各水质级别标准值之间关联度的大 小，确定该水质所属水质级别。 灰色关联分析的特点是对数据容量大小和分布要求不高且计算量小、关联序 和关联矩阵等这些关系以趋势分析为原理的，不会出现与定性分析结构不一致的 量化关系。但存在评价值趋于均化、分辨率不高的缺点。不少学者针对灰色关联 分析法存在不同层次的缺陷进行改进，提高了评价结果的分辨率和精度。文献【1 1 】 提出了量化影响河流水质的随机不确定性与灰色不确定性的水质超标灰色随机 风险率概念，建立了水质超标灰色随机风险率评价模型。文献 1 2 1 在灰色关联度 理论的基础上，参照模糊识别模式理论，提出了水质评价的灰色模式识别模型。 文献 1 3 1 提出的灰色局势决策法通过建立效果测度函数，注意到了分级标准等级 界限的模糊性，能够建立白化函数，使非量化信息转化为量化信息，避免了模糊 评价法信息丢失较多的缺陷，提高了信息的使用效率，从而使评价结果更接近实 际情况。 3 ) 数理统计法 s y l v e s t e r 于2 0 世纪6 0 、7 0 年代以多元回归技术评价了河流水质状况【1 4 】。 近年来，国内陆续有研究学者采用数理统计方法评价水质状况，综合运用几种统 计方法也不断用于对流域水环境的综合评价研究中。需要指出的是，数理统计法 往往需要大量的实测数据支撑，对水质样本容量较小的情形则不太适用。 4 ) 物元分析法 在水质评价中，各单项水质指标评价结果往往是不相容的。由蔡元教授创立 的物元分析原理，对这种不相容问题能够给予很好地解决。利用物元分析方法， 可以建立事物多指标性能参数的质量评定模型，并能以定量的数值表示评定结 果，从而能够较完整地反映事物质量的综合水平【1 5 l 。将该方法用于湖泊和地表 水的水质评价研究，得到了较合理的评价结果，是一种值得推广应用的评价方法。 5 ) 投影寻踪综合评价法 2 0 世纪7 0 年代，确e dm a l l 提出多元数据分析的投影寻踪( p r o j e c t i o np u r s u i t p p ) 方、法【1 6 j ，投影寻踪是一种探索性数据分析的有效方法，主要用来分析和处理 高维数据。基于投影寻踪技术的评价方法其主要步骤如下。 第一章绪论 9 构造投影数据：利用计算机技术，通过某种组合，把高维数据投影到低维 ( 1 3 维) 子空间上； 构造投影指标函数并优化投影指标函数：通过极小化某个投影指标，寻找 能反映出高维数据的结果或特征的投影； 指标权重的获取； 样本分类：在低维空间上分析数据结构； 评价待测样本。 建立水质评价模型其优点是采用了大样本数据，解决以往模型因样本量过小 而影响模型精度的问题，且能根据数据本身寻求各影响指标的客观权重，同时又 能根据决策者的偏好进行评价；因而对水质等级分辨率更高及避免人为赋权的影 响，是一种值得推荐的水质评价方法。 由于投影寻踪是一种新的数据分析思维模式，因此，只需将这种新思维与传 统数据分析方法，如回归分析、聚类分析、判别分析、时序分析等相结合，就会 产生很多新的评价方法【1 7 l 。如利用投影寻踪、遗传算法、插值型曲线和水质评 价标准，为水质综合评价建立了一种新的数学模型一遗传投影寻踪插值模型。 6 ) 多目标决策理想点法 比较有代表性的是t o p s i s 法( 逼近理想点排序方法) 。t o p s i s 法( t e c h n i q u e f o ro r d e rp r e f e r e n c eb ys i m i l a r i t yt oi d e a ls o l u t i o n ) 是一种比较常用而且很有效率 的多目标决策方法，是系统工程中有限方案多目标决策分析的一种常用技术。自 从2 0 世纪8 0 年代h w a n g c l 等人提出后，由于其原理简单，便于理解运用， 很快引起经济、管理部门等的广泛关注，近年来也被用于多指标的综合评价，可 以用来解决带有时间因素的多对象的综合评判。在污染治理方案优选、环境质量 综合评价等实际工作中取得了较为满意的结梨1 8 j 。 7 ) 人工神经网络法 8 0 年代后期，人工神经网络以其具有自学习、自组织、较好的容错性和特 有的非线性适应性信息处理能力，受到众多领域学者的关注。其突出优点是具 有自学习功能、用人工神经网络的反馈网络可以实现的联想存储功能和高 速寻找优化解的能力。通过模拟大脑神经网络处理、记忆信息的方式进行 信息处理，可以解决某些具有模糊性和不确定性问题。因此，应用人工神经网 络进行水质评价，先将水质标准作为“学习样本 ，经过自适应、自组织的多次 训练后，网络具有了对学习样本的记忆联想能力，然后将实测资料输入网络系统， 由已掌握