几种水环境质量评价方法的应用研究

国家自然科学基金项目 91125019 国家自然科学基金面上项目 40971291 青海湖流域生态监测体系项目资助 几种水环境质量评价方法的应用研究 以青海湖入湖河流为例 张小君 1 徐中民2 宋晓谕2 葛劲松3 聂学敏3 1 西北师范大学 地理与环境科学学院 甘肃 兰州 730070 2 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所内陆河流域生态水文重点实验室 甘肃 兰州 730000 3 青海省环境监测中心站 青海 西宁 810007 摘要 从众多的水环境质量评价方法中 选取代表性的指数评价法 灰色评价法 层次分析法和模糊数学法进行介绍 然后 运用这些方法对青海湖入湖河流 2010 年监测数据进行评价 经过对比分析评价结果发现 单因子评价法过于悲观 水质综合 污染指数法具有不可比性 模糊数学法具有不准确性 最后得出结论 四种水环境质量评价方法中 灰色评价法和层次分析法 是最适合该流域的评价方法 指数评价法和模糊数学法可以作为其必要的补充 关键词 水环境质量评价 指数评价法 灰色评价法 层次分析法 模糊数学法 Application and Study of Several Water Quality Evaluation Method To take rivers flowing into Qinghai Lake as a case ZHANG Xiao Jun1 XU Zhong Min2 SONG Xiao Yu2 GE Jin Song3 NIE Xue Min3 1 Geography and Environment Science College of North West Normal University Lanzhou 730070 China 2 Laboratory of Watershed Hydrology and Ecology CCAREERI CAS Lanzhou 730000 China 3 Qinghai Province Environmental Monitoring Centre Xining 810007 China Abstract It was introduced exponent evaluation graded evaluation AHP and fuzzy evaluation from many of the water environment quality evaluation methods and then evaluated the monitoring data of rivers flowing into Qinghai Lake in 2010 by using these four above mentioned methods By comparison analysis and evaluation the author found that single factor evaluation method is too pessimistic water comprehensive pollution index is not comparable and fuzzy evaluation is not accurate So a conclusion was reached that among these four kinds of water environmental quality assessment methods grey evaluation and AHP are most suitable for the evaluation of this basin exponent evaluation and fuzzy evaluation can be used as its essential supplements Key words water environment quality assessment exponent evaluation graded evaluation AHP fuzzy evaluation 0 引言 水环境质量评价是环境质量评价的一项重要内容 目前人们普遍的认识水环境评价主 要是对水体的水质做出评价 水质评价是以水环境监测资料为基础 按照一定的评价标准 和评价方法 对水质要素进行定性和定量评价 江河水质评价主要是评价江河的污染程度 划分污染等级 明确污染类型 1 通过环境质量评价 弄清区域环境质量变化发展的规律 为 区域环境系统的污染控制规划及制定区域环境系统工程方案提供依据 只有在环境质量评价 的基础上才能进一步搞好环境区划和环境规划工作 2 水环境质量评价结果的可靠度主要 取决于准确的监测数据和科学的评价方法 近年来 国内外水环境质量评价方法多种多样 各种方法各有特色 在国内水质评价工作中 主要有指数评价法 3 灰色评价法 4 层次分 析法 5 模糊数学法 6 密切值法 7 物元分析法 8 人工神经网络评价法 9 GIS 评价法 10 等 这些方法中对于水环境质量评价没有一种方法是放之四海而皆准的 基于此 笔者 选取应用广泛的指数评价法 灰色评价法 层次分析法和模糊数学法 以青海湖入湖河流 为例 通过对比分析评价结果 为青海湖入湖河流水环境质量评价方法的选择提供理论依 据 1 评价方法介绍 1 1 指数评价法 1 1 1 单因子指数评价法 单因子评价法首先要确定该水体评价标准 将各参数浓度与评价标准相比 根据比值 是否大于 1 来评价该水体是否达到了相应的水质标准 并判定评价指标的水质类别 以最 差的水质类别作为水质综合评价的结果 11 1 1 2 水质综合指数评价法 水质综合污染指数法是用各种污染物的相对污染指数进行数学上的归纳和统计 得出 一个较简单的代表水体污染程度的数值 常用的有幂指数法 加权平均法 向量模法和算 术平均法 这里介绍算术平均法 12 其表达式为 其中 p 为水质 i i i n i i s c pp n p 1 1 综合污染指数 为某污染物的分指数 为评价因子的实测浓度值 为评价因子的评 i p i c i s 价标准值 n 为评价指标的项目数 根据水质综合指数来判别水体污染程度是相对的 即 对应其水体功能要求评价其污染程度 时为清洁 表明水质多数项目未检出 个2 0 p 别检出也在标准内 为尚清洁 表明检出值均在标准内 个别接近标准 4 02 0 p 为轻污染 表明个别项目检出值超过标准 为中污染 有两次检7 04 0 p17 0 p 出值超过标准 为重污染 表明相当一部分项目超过标准 为严重污染 表21 p2 p 明相当一部分检出值超过标准数倍或几十倍 1 2 灰色评价法 水环境系统是一个多因素 多层次的复杂系统 水环境质量监测数据是在有限的时间 和空间范围内获得的 该系统中有已知的信息 也有未知的或不确定的信息 可视为一个 灰色系统 灰色评价法主要包括灰色关联评价法 灰色聚类法 灰色贴近度分析法 灰色 决策评价法等 其中灰色关联评价法应用最为广泛 具体步骤如下 13 以影响水环境质量的因子为被比较序列 即 以 nxkxxxx 00000 2 1 地表水环境质量标准 GB3838 2002 中的标准值为比较序列 即 nxkxxxx iiiii 2 1 1 原始数据变换 为了便于分析 保证各因素具有等效性和同序性 因此需要对原 始数据进行处理 使之无量钢化和归一化 2 求差序列 nknikxkxk ii 2 1 2 1 00 3 计算关联系数 5 0 max maxmin 取 k k oi oi kxkx kxkx i ki i ki 0max 0min maxmax minmin 4 计算关联度 1 1 n k oioi k n r 5 关联度排序 1 3 层次分析法 层次分析法 Analytic Hierarchy Process 简称AHP 是美国运筹学家T L Saaty 教授于70年代初期提出的 它的特点是把复杂问题中的各种因素通过划分为相互联系的有 序层次 使之条理化 根据对一定客观现实的主观判断结构 主要是两两比较 把专家意见 和分析者的客观判断结果直接而有效地结合起来 将每个层次元素两两比较的重要性进行 定量描述 而后 利用数学方法计算反映每一层次元素的相对重要性次序的权值 通过所 有层次之间的总排序计算所有元素的相对权重并进行排序 用AHP方法对水环境质量进行 评价 基本步骤为 14 1 建立层次结构模型 将问题所包含的因素划分为不同层次 如目标层 准则层和方 案层等等 用框图形式说明各层次的递阶结构与因素的从属关系 2 构造判断矩阵 判断矩阵的构造方法是用评价因子的浓度与其对应的各个水环境质 量级别的标准值的差值的倒数作为标度 3 层次单排序 层次单排序就是求某一层次上各指标对其上层指标相对重要性的权重 一般计算方法采用方根法 设判断矩阵为B 阶数为n 为矩阵中第i行第j列元素 ij b ij b 具体计算步骤为 首先 计算判断矩阵每一行元素的乘积 其次 nibM n j iji 2 1 1 计算的n次方根 最后 将归一化 得 i M n ii MW i W 其中各分量 就是各指标相对于上层指标的重要性 T n n j j i i WWWW W W W 21 1 i W 程度 即相对权重 4 层次总排序 利用同一层次中所有层次单排序的结果值 就可以计算针对上一层次 本层次所有因素重要性的权值 这就是层次总排序 1 4 模糊数学法 由于水环境中客观的存在着大量模糊和不确定的因素 比如水质标准的确定 级别的 划分等 因此模糊评价法在水质评价中得到广泛的应用 模糊评价法主要包括模糊综合评 价法 模糊聚类法 模糊模式识别法等 其中模糊综合评价法运用最为广泛 用模糊综合 评价法进行水质评价大体可以分为以下几个步骤 15 16 1 建立对象集 对象的因素集和评判集 对象集为 表示 1 2 i Ss in i s 第 i 条河流 对象因素集为 表示水质评价指标 根据 地表水环 n uuuU 21 i u 境质量标准 GB3838 2002 把河流分为 5 个等级 即评判集 V 2 进行单因素评价 建立模糊关系矩阵 由于水质污染与水质分级都是模糊的 R 因此通过隶属函数求出各项参数对各级环境质量的隶属度来刻画分级界限是合理的 若水环境质量指标以数值小为优 隶属函数采用偏小型分布 算式为 bx bxa ab xb ax xuA 0 1 若水环境质量指标是以数值大为优 隶属函数采取偏大型分布 算式为 bx bxa ab ax ax xuA 1 0 3 确定评价因素的权值 即为 U 上的一个模糊子集 若评价因素 n aaaA 21 为数值越大 水环境越优 则 表示评价指标多级标准浓度的最小值 表示评 i i i c b a i b i c 价指标的实测浓度值 若评价因素为数值越小 水环境越优 则 表示评价指标 i i i d c a i c 的实测浓度值 表示评价指标多级标准浓度的最大值 为进行模糊复合运算 须对单因 i d 子权重归一化处理 即 i i i a a a 4 进行综合评判 结果为 权重集和模糊关系矩阵合成最后的综合评判结果 B A R 公式为 其中的运算遵循 相乘取小 相加取大 的原则 依据进行综 B RAB B 合评判 得出河流水环境质量的等级 2 应用实例 下面运用以上几种评价方法对青海湖入湖河流 2010 年的水质进行评价 青海湖流域 共设 17 个地表水监测点 监测区域范围涉及青海湖流域的共和县 刚察县和海晏县的多个 乡镇 在布哈河 泉吉河 沙柳河 哈尔盖河 甘子河 倒淌河 吉尔孟河 黑马河入湖 口之前各设置 1 个监测断面 在青海湖湖区内设置 9 个监测点 其中湖心 3 个 151 青海 湖渔场 鸟岛 江西沟码头 哈尔盖青海湖湖边 沙岛各设一个湖水水质监测点 本研究 水质数据来源于青海省环境监测中心站 2010 年度生态环境质量监测报告 数据真实可靠 水质 评 价 标 准 参 照 地 表 水 环 境 质 量 标 准 GB3838 2002 17 指标的 选取根据 地表水环境质量标准 GB3838 2002 其中环境因子达 30 个 常用的有 18 1 耗氧有机物及氧平衡指标类 DO COD 等 2 有毒及易积累物质类 挥发酚 氰化物 六价铬等 3 天然水体化学综合指标类 PH 等 以及根据本地区水环境使用 功能及污染特点选定的附加项 基于此分类 本文选取高锰酸盐指数 化学需氧量 总 P 总 N 挥发酚 5 项指标 水环境质量评价标准见表 1 运用单因子指数评价法 水质综 合污染指数评价法 灰色评价法 层次分析法以及模糊数学法分别对青海湖入湖河流 2010 年的监测数据进行计算 评价结果见表 2 表 1 水环境质量评价标准 mg L 评价别类 CODMnCOD 总P总挥发酚 2 150 020 20 002 4150 10 50 002 6200 210 005 10300 31 50 01 15400 420 1 表 2 代表性方法评价结果 评价等级河 流 评价 方法 水质 状况 超标 因子 超标 倍数 单因子评价法 综合污染指数法 灰色评价法0 90140 80220 67600 48340 2892 层次分析法0 43810 22830 18880 08950 0528 布 哈 河 模糊数学法0 2780 3100 59800 单因子评价法 综合污染指数法 灰色评价法0 90880 76140 60300 47680 2858 层次分析法0 61620 29680 09620 01790 0233 哈 尔 盖 河 模糊数学法0 3970 4310 43000 单因子评价法 综合污染指数法 灰色评价法0 90720 81240 66260 47820 2864 层次分析法0 61290 21790 09360 03880 0227 沙 柳 河 模糊数学法0 3950 4340 43300 单因子评价法 总氮2 22 倍 综合污染指数法 灰色评价法0 84540 77660 65060 55460 4576 层次分析法0 54830 30050 05780 03820 1023 黑 马 河 模糊数学法0 1640 165000 705 单因子评价法 总氮0 19 倍 综合污染指数法 灰色评价法0 74680 70600 65280 57280 4760 层次分析法0 50190 20370 15290 08780 0502 泉 吉 河 模糊数学法0 19500 6200 3600 单因子评价法 高锰酸盐 化学需氧 量 0 15 倍 0 8 倍 综合污染指数法 灰色评价法0 56000 62980 70260 68460 5320 层次分析法0 17860 16960 33910 16400 1464 倒 淌 河 模糊数学法0 0490 2130 2490 4000 486 单因子评价法 总氮0 23 倍 综合污染指数法 甘 子 河灰色评价法0 74500 71040 66520 57780 4782 层次分析法0 53180 18630 14150 09100 0494 模糊数学法0 3760 3760 4620 4600 单因子评价法 综合污染指数法 灰色评价法0 76900 74100 65900 53700 4580 层次分析法0 50920 21610 15600 07300 0462 吉 尔 孟 河 模糊数学法0 2480 350 58600 3 结果比较与分析 0 1 2 3 4 5 6 布哈河哈尔盖河沙柳河黑马河泉吉河倒淌河甘子河吉尔孟河 河流 评 价 等 级 单因子指数法水质综合污染指数法灰色评价法层次分析法模糊数学法 图 1 代表性水质评价方法的评价结果 上述 5 种方法的评价结果见图 1 单因子指数法的评价结果显示 8 条河流水质级别普遍偏低 主要原因是此方法选择 所有评价类别中的最差级别作为水体水质状况类别 将其它的水质类别弱化 次要原因是 河流水环境因子中有超标的 如表 3 所示 黑马河 泉吉河 甘子河总氮指标分别超出 2 22 倍 0 19 倍 0 23 倍 倒淌河高锰酸盐指数和化学需氧量分别超出了 0 15 倍和 0 8 倍 因此 从整体来看 单因子指数评价法与其它四种方法相比过于悲观 不能客观的反应水 体水质的综合实际情况 之所以目前使用的最多 是由于该法简单明了 可以直接了解水 质状况与评价标准之间的关系 给出各评价因子的达标率 超标率以及超标倍数等特征值 此外 这种评价方法最大的优点就是能确保水体的安全 水质综合污染指数评价结果显示 除黑马河和倒淌河为中污染外其余河流基本上都达 到了尚清洁状态 与单因子指数评价结果对比 相对乐观 原因是水质综合污染指数评价 法考虑了多项因子对河流的水质综合污染的影响程度 将污染分指数相加并求几何均值 与层次分析法和灰色评价法的评价结果对比 基本上略低一级 这种情况可能主要是由于 水质综合污染指数评价法将各因子的影响进行了均一化处理 掩盖了主要污染因子的作用 因此 水质综合污染指数评价法能反映河流整体的污染情况 但是 水质综合污染指数的 计算是基于不同类别标准的基础计算得到的 在不同的河流中 此方法缺乏可比性 适合 在同一水体中进行比较 灰色评价结果与层次分析法评价结果完全一致 两条评价等级线重合 评价结果显示 8 条河流中只有倒淌河为 级 即为轻污染 其余 7 条河流都为 级 即为清洁 可以看 出 采用灰色评价法进行水环境质量评价 除理论上能体现水环境系统的不确定性之外 其评价结果具有明显的排序 不仅体现在河流内部评价指标之间的排序 还体现在河流之 间的排序 具有一定的纵向与横向的可比性 是一种较好的水质评价方法 不足之处存在 均值化 计算较复杂 分辨率低 层次分析法本身就是一种定性和定量分析相结合的评价方法 具有较强的系统性 评 价结果与灰色评价结果高度一致 评价结果真实 对污染程度有较清晰的认识 能客观地 刻划多因素的共同作用 具有一定的参考价值 模糊综合评价结果与其它几种方法的评价结果基本上不一致 在理论上 模糊数学法 体现了水环境的不确定性和模糊性 具有一定的合理性 但从结合青海湖入湖河流的评价 结果看 存在水质判断类别不准的问题 原因在于复合运算过程中采用 相加取大 相乘 取小 的法则 这种法则会导致计算强调极值的作用 丢失较多有用的信息 另外 采用 线性加权平均模型来确定评判集 会使评判结果易出现失真 失效 均化 跳跃等现象 导致评价结果不准确 因此 模糊综合评价法在隶属函数的选择 权重的合理分配以及运 算法则方面还有待进一步完善 4 结论 目前 水环境质量的评价方法有数十种 每种方法都有各自的优缺点 都还需要进一 步的修正与完善 基于此 在评价时还需要结合水体的实际情况来确定最佳的评价方法 一个好的水环境质量评价方法最主要应该具有准确性 可比性和可行性等特点 通过运用 指数评价法 灰色评价法 层次分析法和模糊数学法对青海湖的入湖河流水环境质量进行 评价 考虑单因子评价法的过于悲观 水质综合污染指数法的不可比性以及模糊数学法的 不准确性 最后得出结论 灰色评价法和层次分析法是最佳的选择 指数评价法和模糊数 学法可以作为必要的补充 参考文献 1 彭文启 张祥伟 现代水环境质量评价理论与方法 M 化学工业出版社 2005 26 35 PENG Wen qi ZHANG Xiang wei Theory and method of Modern water environmental quality evaluation M Chemical Industry Press 2005 26 35 2 薛巧英 水环境质量评价方法的比较分析 J 环境保护科学 2004 30 124 64 67 Xue Qiao ying Comparison and analysis of the methods on water environment quality assessment J Environment Protection Science 2004 30 124 64 67 3 薛巧英 刘建明 水污染综合指数评价方法与应用分析 J 环境工程 2004 22 1 64 69 XUE Qiao ying LIU Jian ming Methods and Analyses of Water Pollution Comprehensive Index Assessment J Environmental Engineering 2004 22 1 64 69 4 秦昌波 郑丙辉 秦延文 等 渤海湾天津段海岸带水环境质量灰色关联度评价 J 环境科学研 究 2006 19 6 94 99 QIN Chang bo ZHENG Bing hui QINYan wen et al Gray Correlation Assessment of Water Environment Quality for Tianjin Coastal Zone in Bohai Bay J Research of Environmental Sciences 2006 19 6 94 99 5 方燕 党志良 基于层次分析法的渭河流域水环境质量综合评价 J 水资源与水工程学报 2005 16 1 45 48 FANG Yan DANG Zhi Liang Weihe river water environment quality assessment based on AHP J Journal of Water Resources Water Engineering 2005 16 1 45 48 6 童祯恭 方菊 谌贻胜 供水管网水质评价方法的探讨及其应用 J 环境科学与技术 2011 34 9 201 204 TONG Zhen gong FANG Ju CHEN Yi sheng Water Quality Assessment Method of Water Supply Pipe J Environmental Science Technology 2011 34 9 201 204 7 薛文平 刘兆丽 孙衍宁 等 密切值法在地面水环境质量评价中的应用 J 环境工程 2003 21 1 67 69 XUE Wen ping LIU Zhao li SUN Yan ning et al Application of Osculation Value Method in Assessment of Environmental Quality of Surface Water J Environmental Engineering 2003 21 1 67 69 8 马禄义 李加军 孙宝年 等 基于物元可拓法和偏好熵权的饮用水源水质评价 以天津市大港区为例 J 环境科学与技术 2010 33 8 177 181 Ma Lu yi LI Jia jun SUN Bao nian et al Water Quality Evaluation of Drinking Water Sources Based on Matter element Extension and Partial Entropy Weight A Case Study of Dagang Tianjin J Environmental Science Technology 2010 33 8 177 181 9 郭庆春 何振芳 李力 等 BP 神经网络在渭河水环境质量评价中的应用 J 水土保持通报 2011 31 4 112 115 GUO Qing chun HE Zhen fang LI Li et al Application of BP Neural Network on Water Environmental Quality Evaluation of Weihe River J Bulletin of Soil and Water Conservation 2011 31 4 112 115 10 吴秋兰 梁勇 白娟 等 Web GIS 在水质信息系统中的应用研究 J 测绘科学 2008 33 2 172 174 WUQiu lan LIANG Yong BAIJuan et al Research on water quality information system based on Web GIS J Science of Surveying and Mapping 2008 33 2 172 174 11 解莹 李叙勇 王慧亮 等 滦河流域上游地区主要河流水污染特征及评价 J 环 境 科 学 学 报 2012 32 3 645 653 XIE Y ing LI Xu yong WANG Hui liang et al Stream pollution analysis and hydrochemical assessment of the upper Luanhe Riv er Basin J Acta Scientiae Circumstantiae 2012 32 3 645 653 12 牟春友 徐坤 在评价微污染水体中均值污染指数评价方法和活性污染指数评价方法的比较 J 中国 环境监测 2009 25 3 104 106 MU Chun you XU Kun The Comparison of Light Pol