水环境质量评价

水环境质量评价水环境质量评价 摘要 摘要 水环境质量评价是关于水环境质量现状和变化的理论 方法及其应 用技术的科学 是水环境科学工作者认识水环境 保护水环境资源的基础 而 随着人口的急剧增加和经济的快速发展 人类对水资源的需求不断增加 开发 力度与不断增强 使得自然界所固有的水文循环过程受到严重的扰动 水资源 自然循环的通量和再生能力也遭到不同的程度的改变 并出现了一系列的诸如 水位下降 水质污染等水资源 水环境问题 所以 如何对水资源的合理开发 利用以及河流生态系统的管理具有了重要意义 变成了项开拓性的工作 关键字 水环境质量关键字 水环境质量 河流生态河流生态 开发利用开发利用 管理管理 保护保护 一 水环境质量评价概述一 水环境质量评价概述 水环境质量评价 就是通过一定的数理方法与手段 对某一水环境区域进 行环境要素分析 对其作出定量描述通过水环境质量评价 摸清区域水环境质 量发展趋势及其变化规律 为区域环境系统的污染控制规划及区域环境系统工 程方案的制定提供依据 水环境由地表水环境与地下水环境组成 包括河流 湖泊 水库 海洋 沼 泽 冰川 泉水 浅层和深层地下水等 水环境是最易受人类活动影响和破坏 的地域 它同其它环境要素如土壤环境 生物环境 大气环境等构成了一个有机 的综合体 它们互相影响 互相联系 互相制约 当改变或破坏某一区域的水 环境状况时 必然引起其它环境要素的变化 就水体组成部分而言 水环境是指水体中的水组份 底质组份 水生生物组 份和微生物组份的联合体 它们是又独立又互相依存的关系 人们要促进与其它 环境要素间保持协调一致 从自然规律看 在各种自然地理要素作用下形成的水循环 是流域复合生态系 统的主要控制性因素 对人为产生的物理与化学干扰极为敏感 上游地区干扰水 循环系统 会迅速传递到下游社会经济和生态系统 流域内任何地点的水土开发利 用 都会影响全流域生态系统平衡状态 流域的水循环规律的改变可能引起在资 源 环境 生态方面的一系列不利效应 流域产流机制改变 在同等降水条件下 水资源总量呈逐步递减趋势 径流减少导致水环境容量减少 水质等级降低 水 盐关系失衡等问题等等 评价的目的主要是准确地反映目前的水体质量和污染状况 弄清水体质量 变化发展的规律 找出流域的主要污染问题 为水污染治理 水功能区划以及 水环境管理提供依据 所以重视水环境的保护与研究是很有必要的 2 评价方法评价方法 环境质量评价结果的可靠程度一方面取决于监测数据的准确性 另一方面依 赖于科学的评价方法 包括技术的选择 近年来 对水环境质量评价方法的研究 相当活跃 各种方法的研究都是为了更客观 更准确地反映水体水质的实际情况 水质评价结果的合理性取决于监测数据的准确性和评价方法的科学性 根 据评价方法采用的数学方法不同 主要有以下几种方法 1 1 单因子污染指数法 单因子污染指数法是将某种污染物实测浓度与该种污染物的评价标准进行 比较以确定水质类别的方法 现行的 地表水环境质量标准 GB3838 2002 中明确规定 地表水环境质量评价应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 优点 操作最为简单 可直接了解水质状况与评价标准之间的关系 对水 体水质从严要求 能够确保水体安全 缺点 有时会由于过于严格的要求把水域使用功能评价得偏低 各评价参 数之间互不联系 不能全面反映水体污染的综合情况 2 2 水质综合污染指数法 污染指数评价法是用水体各监测项目的监测结果与其评价标准之比作为该 项目的污染分指数 然后通过各种数学手段将各项目的分指数综合而得到该水体 的污染指数 以此代表水体的污染程度 对分指数的处理不同 使水质评价污染指数存在着不同的形式 包括简单 叠加指数 算术平均值指数 均方根指数 最大值指数 内梅罗指数等 1 简单叠加指数 选定若干评价参数 将各参数的实际浓度 Ci 和其相应地评价标准浓度 Coi 相比 求出各参数的分指数 然后将各分指数加和 优点 综合反映出各种污染物对水质的影响 缺点 结果受评价参数多少的影响 无法区别不同污染物的影响 可比性不高 2 算术平均值指数 计算原理与比值法相同 将分指数和除以参加评价的项数 n 优点 结果不受评价参数项数的影响 缺点 可能掩盖高浓度参数或污染参数的影响 3 最大值指数 亦称内梅罗指数 该方法特点是在计算式中含有评价参数中最大的分指数 项 1 n i i oi C PI C 1 1 n i i oi C PI nC 优点 充分重视某污染物出现的最大浓度值的影响 缺点 在污染物波动大时 可能出现一个由最大值决定的高峰 反映不出其他 污染指数的贡献 4 加权平均指数 根据污染物对环境影响作用的不同 人为地引入加权值 Wi 优点 考虑了不同污染物对水质影响的不同 构思合理 缺点 结果低于最大分指数 当超标严重时 会掩盖污染问题 准确而客观的 权重值难以获取 5 混合加权模式 Ii 为分指数 1 为诸 Ii 1 求和 2 为所有 Ii 求和 1Wi1 1 2Wi2 1 优点 运用客观赋权法 具有一定的合理性 强调了超标指数的影响 缺点 当超标指数过大或超标项多时 评价结果会明显增大 3 3 基于模糊理论的水环境评价法 由于水体环境本身存在大量的不确定因素 各个项目的级别划分 标准确 定都具有模糊性 因此 模糊数学在水质综合评价中得到广泛应用 具有代表 性的方法有 模糊综合评判法 模糊概率法 模糊综合指数法等 其中应用较 多的是模糊综合评判法 这种方法根据各污染物的超标情况进行加权 但污染 物毒性与浓度不成简单的比例关系 因此 这种加权不一定符合实际情况 从 理论上讲 模糊评价法体现了水环境中客观存在的模糊性和不确定性 符合客 观规律 具有一定的合理性 但从目前的研究情况来看 采用线性加权平均极 型得到的评判集易出现失真 失效 跳跃等现象 存在水质类别判断不准或结 果不可比的问题 可操作性较差 4 4 基于灰色系统理论的水环境评价法 由于水环境质量数据都是在有限的时间和空间内监测得到的 信息是不完 全的或不确切的 因此 可将水环境系统视为一个灰色系统 即部分信息已知 部分信息未知或不确知的系统 据此对水环境进行综合评价 基于灰色系统理 论的水质评价法通过计算评价水质中各因子的实测浓度与各级水质标准的关联 22 ii oioi CC PI CC 最大平均 11 oi nn ii ii ii oi CC PIWW CC 1122iiii PIW IW I 1 1 1 i ii i I WI I 1 2 i ii i I WI I 所有 度大小确定评价水质的级别 根据同类水体与该类标准水体的关联度大小还可 以进行优劣比较 水质综合评价的灰色系统方法有灰色聚类法 灰色贴近度分 析法 灰色关联评价法等 灰色评价法体现了水环境系统的不确定性 在理论上是可行的 虽然分辨 率低 但具有简单 可比的优点 而且由于影响水环境的变化因素不断增多 不断变化 水环境的不确定性逐渐增加 所以灰色评价法在水环境质量评价中 应用日益广泛 5 5 基于人工神经网络的水环境评价法 人工神经网络是一种由大量处理单元组成的非线性自适应的动力学系统 具有学习 联想 容错和抗干扰功能 具有客观性 应用人工神经网络进行水 环境评价 首先将水环境标准作为 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 由已掌握知识信息的网络对它们进行评价 这个过程类似人脑的思维过程 因 此可模拟人脑解决某些有模糊性和不确定性的问题 人工神经网络用于水质评 价有可允许的大量供调节参数和全息联想功能及自组织 自学习 自适应和容 错的能力 缺点是对于协同性较差的样本 评价结果易出现均化现象 目前水质评价中应用较广泛的是 BP 网络 即反向传播模型 它的基本原理 是利用最陡坡降法的概念 把误差函数最小化 将网络输出的误差逐层向输入 层逆向传播并分摊给各层单元 从而获得各层单元的参考误差 进而调整人工 神经元网络相应的连接权 直到网络的误差达到最小化 6 6 水质指数法 综合指数评价法是对各污染指标的相对污染指综合水质标识指数 可以表 达河流总体的综合水质信息 综合水质标识指数由整数位和三位或四位小数位组成 结构为 Iwq X1 X2X3X4 X1 X2 由计算获得 X1 为水体总体的水质类别 X2 为水质在 X1 类水质变化 区间内所处位置 从而实现在同类水质中进行优劣比较 X3 和 X4 根据比较结果得到 X3 为参与水质评价的评价因子中 劣于水环境功 能区目标的单项指标个数 X4 为水质类别与水体功能区类别的比较结果 X1 X2 的计算公式如下 式中 m 为参加综合水质评价的水质单项因子的数目 Pi 为第 i 个评价因子的 单因子水质标识指数 优点 综合水质标识指数法结合了国家标准规定的水质类别 可以对水质类别 进行定性评价 考虑了水质污染程度的比较 可以在同一类水的水质指标中进 行定量比较 可以判别河流水体是否黑臭 缺点 每项评价因子的权重是相等的 计算量较大 1212 1 1 m m i XXPPP m 7 7 水体富营养化评价方法 水体富营养化评价是对水体富营养化发展过程中某一阶段营养状况的定量 描述 通过对具有水体富营养化代表性指标的调查 判断该水体的营养状态及 预测其发展趋势 水体富营养化评价涉及到相当多的状态变量 要挑选能反映生态系统中影 响富营养化状态主要因子 包括物理 化学 生物等环境要素进行综合的评价 评价方法有特征法 参数法 生物指标参数法 营养状况指数法 数学评 价法等 三 人类活动与水质三 人类活动与水质 对水质的认识人类已经经历一个世纪 在这段时间内 工业化国家在不同 阶段出现不同的水质问题 随着工业化进程的加快和人口的不断增加 水资源 量需求增大 水质要求增高 水体的使用功能对人类的发展具有重大意义 因 而一直是人类关心的重点问题之一 与此同时 从很早以来 选择最合适的方 法对生活污水 工业废水 采矿尾水和农业灌溉回水进行处理 排放 输送和 消减 也是人类无法回避的问题 虽然绝大部分全球性水质恶化与人类活动有关 但自然事故和环境灾害也 可能导致局部的 严重的水环境退化 例如台风 泥石流 暴雨 冰川破裂 湖泊非季节性翻转等事例 一些自然事故因人类活动而加剧 如森林垦荒区因 暴雨引起的水土流失 水质状况修复费力耗时 且要实现修复目标绝非易事 如 三江三河 治理即是最好的例证 人类正面临着水污染的严峻挑战 地球上水占 70 的面积 其中海水占 97 3 可用淡水只有 2 7 在近 3 淡水中 77 2 存在雪山冰川中 22 4 为 土壤中和地下水 降水与地表水渗入 只有 0 4 为地表水 地表水指河流 湖泊 冰川等水体 但是人口数量的几何增长 现代工业废水的乱排乱放 城 市垃圾 农村农药喷洒等等 造成本来已是极少的淡水资源加剧短缺 无法为 人所用 据统计 目前水中污染物已达 2 千多种 2221 主要为有机化学物 碳化物 金属物 其中自来水里有 765 种 190 种对人体有害 20 种致癌 23 种疑癌 18 种促癌 56 种致突变 肿瘤 4 水环境评价方法发展趋势水环境评价方法发展趋势 随着计算机 通讯和自动监测技术的发展 运用地理信息系统 GIS 实现评 价模型查询和运算的自动化 以及评价结果的可视化 是水质评价模型的发展 方向 GIS 技术应用于水环境质量评价与管理方面 可以在数据采集 空间查询 空间分析与模型分析等方面提供服务 尤其是在水质预测预警方面 将 GIS 技术结合水环境预测模型 运用模型 准确 直观地预测水环境质量变化趋势 并且将可能造成的环境风险可视化 5 结语结语 随着学习了