多因子水质评价方法及其在三峡库区中的应用

多因子水质评价方法及其对三峡库区水质的评价陈永灿1郑敬云韩菲刘昭伟摘要本文利用的灰关联评价法和多目标决策评价法属于多因子综合评价方法，能同时进行多个环境质量因子、多个对象的综合评价，并能确定环境质量评价对象所属的级别和不同评价对象间质量的优劣；它与单因子评价方法相比，评价结果更加全面、直观。本文采用上述方法对三峡库区典型断面的水质进行评价，评价结果表明库区总体水质良好，符合地表水II类水体的功能要求。该评价方法对河流的水质评价分析具有良好的适应性。一、前言目前，大量的工业废水和生活污水直接或者仅经过简单处理后排入江河、湖泊或者海洋，以期利用江河、湖泊和海洋环境水体的输移、稀释和自净的能力以达到净化污水的目的。然而江河、湖泊和海洋的自净能力是有限的，污水过量排放和不合理排放都会对水生态环境造成极大破坏。因而，对水体环境作出正确的评价和预测具有重要的实用价值。水质评价是人类科学地认识水环境的重要途径，是水资源保护工作的一个重要组成部分。水质评价方法有监测指数评价法和生物学水质评价法［1］两类。生物学评价法包括指示生物法、生物指数法、多样性指数法等；一般来说，河流水体、湖泊水库在水质评价中多采用监测指数评价法计算各类指数进行评价，它包括单因子评价法和多因子评价法。本着实用性和直接为三峡库区水环境管理服务的原则，本文采用灰关联评价法和多目标决策评价法对三峡库区的水质进行现状评价。二、灰关联评价法［2,3］从环境要素因子层起，逐一进行每个因子与环境质量标准的距离分析，说明它隶属于相应的环境质量等级。，其中关联性最密切的序列就是所要评价的级别，这就是水环境质量评价中的关联分析原理。灰关联评价就是依据灰数列间几何相似的序化分析与关联测度，来量化不同层次中多个序列相对某一级别质量序列的关联性。关联度愈高，就说明该样本序列隶属的关系愈贴近，这就是综合评价的信息和依据。水环境质量标准中水质级别的划分是相对的，存在一定的模糊概念。对于一系列水环境质量指标，完全存在着对其中某一群指标属于L［级水，而另外某1北京清华大学水利水电工程系些群指标属L级水（L丰L）另外，无论是空间还是时间的取样，都是不连续的，样本信212息并不完全或充分。从监测数据中提炼出大多数接近的那类水环境质量级别信息，就需要进行监测序列与各级标准序列间的关联分析或隶属关系的分析，灰序列的关联分析实质为灰色系统中多个序列（离散数列）之间接近度的序列分析，即根据离散数据之间几何相似程度来判断关联性大小。(1)进行灰关联分析首先需构造符合关联分析的评价矩阵X，记为(1)X二jxn-X11X21X…12X…22•・・・X一1nX2nXX…Xj1j2jn矩阵（1）表示环境质量群体对应于n个环境质量因子与j个时空点的样本矩阵，它描述了水环境系统中环境质量因子在不同时间和空间上的变化情况。对应不同水环境质量群体，可以选择相应水环境质量标准集，如地面水体质量标准通过适当的分析和内插，来构造质量标准矩阵S，记为LxnS11S21LxnS11S21S12S22S1nS2n(2)SSl1l2Slmi矩阵（2）表示在水环境质量群体中，不同环境质量因子对应的水质级别标准值。其中，L可以是整数（如L二1，2级，..），也可以是非整数（如L二1.0，1.1，1.2级，…）在水质评价过程中，收集的水环境系统信息，包括反映水体质量状况的各种参量和指标值。考虑到各种水质指标的量级可能不完全相同，如重金属类汞（Hg）和溶解氧（DO）而各个水质指标的单位也不尽一样，如细菌数（个/I）和BOD5（mg/l）等。因此，采用灰色系统关联分析进行评价，有必要首先将样本矩阵X和标准矩阵S的元素进行归一化处理，转变

为［0，1］内取值。对于某一环境质量因子，1级水质标准值在S矩阵中对应的元素为1.0,L+1级子分类Lxn水质标准值在S中对应元素为0。这样，其他级别水质标准值在S中对应元素取值采用LxnLxn线性插值或分段线性插值等方法，使其取值(即标准质量数)均在［0，1］之间。本文采用《地表水环境质量标准》(GHZB1—1999)作为分类评价标准，确定L二5，定义水体级别为I级、II级、山级、IV级、V级、超V级(>V级)，其中I级标准值为1.0,11级标准值为0.875,11级标准值为0.625,1V级标准值为0.375,V级标准值为0.125，超V级标准值为0。这样，对于某—环境质量因子归一化质量标准矩阵B为：B=1.00.8750.6250.3750.125》(3)5x1实测浓度样本矩阵X同样也需要进行归—化处理，本文采用分段线性插值的方法来实现：首先判断实测浓度指标值X..位于相应水质标准中的水质级别k,然后进行分段线性插值，归ij—化后样本矩阵记为A，则有k=1,X<Sij1ia(i,j)a(i,j)=0.25(X—S)1.0+ijk-L,iS—S0.25(Xt%)0.75+j——S—S0.25(X—S—1，i)0.5+ijS—S(4)0.25+曲(Xj-L)S—Skik—1,ik=2~5,S<X<Skiijk—1,ik=6,S<X5iij经过上述预处理后，采用每月的实测水质序列作为归一化母序列矩阵A的元素，每级水质标准序列作为子序列矩阵B。对于每一个母序列，分别求出其与各级水质标准L子序列的绝对差矩阵A(L)。具体的实现方法是，取第j个空间(如某个断面不同时段)的监测样本向量a=i,a，…，a［为参考序列(母序列)，j=1,2,..,m。令B矩阵行向量为子jj1j2jn序列，即b={b,b，…，b},L=1~5，对固定的L(如先令L=1)，分别计算对应评LL1L2Ln价指标的绝对差A.(L)和关联离散函数J.(L)。由于被评价的要素取值均在［0,1］区间。因jnjn此，可用参数更少并且为同标度的关联离散函数，定义((#)(maxz|neJ),(minzneJ(maxz|neJ),(minzneJ')mnmnnn={+,Z+,•…Z+i12m|neJ')

一，Z一，—Z-i12m(minzIneJ),(maxzmnmnnnm=1,2,—,(L+j)m=1,2,…,(L+j)(14)根据多目标决策的基本原理，本文采用欧几里得范数作为距离的测度，计算某个可行方S+mm=1,2,—,(L+j)S+mm=1,2,—,(L+j)S-=諾0—Z->m.miii=1(15)(16)本文定义相对接近度C*，来描述某一可行方案相对于理想方案的距离，并根据每个可行m=1,2,…，Lm=1,2,…，L+j(17)TOC\o"1-5"\h\zC*=牛0<c*<1mS-+S+mmm对于式(16)，如果Zm为理想解则相应的C*=1如果Zm为负理想解则相应的C*=0。mmmmZm愈靠近理想解，C*愈接近于1；反之，Zm愈接近负理想解，C*愈接近于0。这样，可以mmmm对C*进行排序，确定出相应方案的满意解。m在水质评价中，把每个评价因子的监测值和每级的标准值分别看作评价方法的决策方案，根据该方法得出某一断面不同时段以及相应评价因子标准值的综合评价值C*，然后对该综合评价值的大小进行排序，便可确定相应时段的水质级别以及不同时段的环境综合质量优劣比较。四、三峡库区的水质现状评价针对目前三峡库区的水环境现状及水体功能的要求，本文采用库区江段的重庆寸滩、涪陵清溪场两个水质断面1995年的水质监测数据，以及国家环保总局最新实施的《地表水环境质量标准》(GHZB1—1999)作为分类评价标准，进行库区现状水质评价。根据水体质量评价的要求，应该选取在水体污染中起主要作用，对环境、生物、人体及社会经济危害性大的参数作为主要评价对象。本文选择毒物因子和综合因子等两组因子群对寸滩、清溪场以及万县断面的水质进行评价。毒物因子指标选取亚硝酸盐(NO2-)、氰化物(CN-)、挥发酚、铜(Cu)、砷(As)、镉(Gd)、六价铬(Cr6+)、铅(Pb)等；综合因子指标选取氧平衡因子、营养盐类因子以及毒物因子。其中氧平衡因子选取高锰酸盐指数(CODMn)、溶解氧(DO)、生化需氧量(bod5)等，营养盐类因子选取硝酸盐(N03-)、氨氮(NH3-N)等，毒物因子选取亚硝酸盐(N02-)、氰化物(CN-)、挥发酚、铜(Cu)、砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr6+)、铅(Pb)等。因为国家环保部门在制定水质标准时，水质评价因子的重要性已经隐含在分级标准值中，因此本文采用由分级标准值来确定权重，对于效益型因子(如D0等)和成本型因子(如CODMn、Cd、挥发酚、Cr6+等)的重要性系数W计算公式为fsS效益型因子成本型因子(18)nfsS效益型因子成本型因子(18)n,1式(17)中，W表示为第n个因子的重要性系数，S、S、S、S分别代表n,1n,2n,4n,5相应评价因子在水质标准中I级、II级、IV级、V级的标准值。在计算评价因子重要性系数时，如果W>10.0,则取W=10.0。确定献，采用的相对重要性值一般小于2.0，为了取值的合理性，本论文采用直线压缩的方法对因子的重要性系数进行线性处理，同时也不改变“重要性评定”排序，具体实现方法是：由点P(1,1)、P(10,2)两点确定一条直线PP,然后对因子重要性系数在直线PP插值，计算相应因子的相对重要性指标值I，即I=1.0+2.0—1.0(W-1.0)

10.0—1.0(19)=丄(W+8.0)9根据因子的相对重要性指标值I，即可确定因子的权重值®，其计算公式为IW=”I(i)(20)i=1根据寸滩、清溪场两个水质监测断面的实测数据，分别采用灰关联和多目标评价方法，对相应断面的毒物因子和综合因子进行了三峡库区的水质状况评价，具体结果如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示。

份月别级质水图1毒物因子灰关联评价水质级别图五四三二一O别级质水IIIIIIIIIII23456789101112月份3毒物因子多目标决策评价水质级别图0.970.920.820.77级0.87质水727272998877000000级质水o987份月别级质水图1毒物因子灰关联评价水质级别图五四三二一O别级质水IIIIIIIIIII23456789101112月份3毒物因子多目标决策评价水质级别图0.970.920.820.77级0.87质水727272998877000000级质水o98765432图2综合因子灰关联评价水质级别图五四三别级质水o123456789101112月份图4综合因子多目标决策评价水质级别图月份20份月2图5毒物因子多目标决策评价水质变化曲线图6综合因子多目标决策评价水质变化曲线针对水质监测断面的毒物因子（选取亚硝酸盐、氰化物、挥发酚、铜、砷、镉、铬、铅等因子）和综合因子（选取高锰酸盐指数、溶解氧、生化需氧量、硝酸盐、氨氮、亚硝酸盐氰化物、挥发酚、铜、砷、镉、铬、铅等因子）进行了水质状况评价，可以得出以下几个结论：1）总体上分析，三峡库区段现状水质是良好的，丰水期（6、7、8月）库区水质略差，其中7月份的水质较差，平水期和枯水期（5、9、12月）水质较好，水体质量呈季节性变化；2）无论是从毒物因子还是从综合因子的评价结果评价，各个断面的水质状况符合II类水体要求，水质良好，满足三峡库区水体功能要求；3）采用灰关联评价方法与多目标决策评价方法，评价结果基本上是一致的，能够正确反映库区水质状况，同时，多目标决策评价方法能够反映水质的时空变化，但是多目标决策评价模型却有可能夸大了未检出指标值对评价结果的影响。五、结语本文采用灰关联评价法和多目标决策法等有代表性的多因子水质评价方法，对三峡库区水质影响较大的重庆寸滩以及涪陵清溪场等颇有代表性的监测断面进行了水质评价研究，所建立的评价方法数学模型可方便地应用于河流的水质现状评价分析，同时也适用于一般的环境质量指数综合评价，与传统的综合指数评价方法相比，它们具有以下几个优点：1）原理简单，能同时对多个环境质量因子、多个对象进行评价，评价符合客观实际；2）不仅能够确定环境质量评价对象所属的级别，还能进行不同评价对象间质量的优劣比较，从而分析评价水体的水质变化与环境质量状况；3）采用环境质量标准本身确定各个评价因子的权重，方法简便，结果可信度高。但是，本文采用的多因子评价数学模型，本质上采用的是单项水质指标的不同形式的迭加，在迭加过程中是将超标的因子与不超标的因子综合考虑，有可能掩盖了部分超标因子或未检出因子对评价结果的影响。对三峡库区的水质评价结果表明，库区总体水质良好，符合地表水II类水体功能的要求，水体质量随季节变化。该评价方法对实际河流水质评价分析具有良好的适应性。参考文献1．王蜀南、王