加權(quán)歐氏距離法對(duì)湟水河監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

李秀慶，謝占川，侯恩卿，楊 娜，李小玲，楊 林

（1.青海師范大學(xué)化學(xué)系，青海西寧810008；2.青海省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，青海西寧810007）

水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)是以定性的方式對(duì)水環(huán)境的總體狀況做出評(píng)價(jià)，為水資源污染的控制和管理提供科學(xué)依據(jù)。隨著新的數(shù)學(xué)方法在分類學(xué)中的廣泛應(yīng)用，新的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法層出不窮，如模糊數(shù)學(xué)法［1－2］、灰色系統(tǒng)理論法［3－4］、物元理論與可拓集合法等［5－6］。較常用的有灰色聚類法、模糊綜合指數(shù)法等，但灰聚類法和模糊綜合指數(shù)法的計(jì)算過(guò)程都相當(dāng)復(fù)雜，增加了評(píng)價(jià)工作的難度。作者以湟水河流域各斷面的水質(zhì)為研究對(duì)象，選擇基本能反映各斷面的水質(zhì)狀況的監(jiān)測(cè)指標(biāo)化學(xué)需氧量（COD），生化需氧量（BOD5），揮發(fā)酚，氨氮（NH3－N），氰化物（CN－），石油類，六價(jià)鉻（Cr6＋）7項(xiàng)指標(biāo)。在確定評(píng)價(jià)空間的基礎(chǔ)上，以水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ級(jí)水質(zhì)作為n維空間的基本點(diǎn)或參照點(diǎn)結(jié)合權(quán)重計(jì)算出每個(gè)待評(píng)單元以及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中其他各級(jí)水質(zhì)與“原點(diǎn)”的加權(quán)歐式距離，將待評(píng)斷面劃分為不同的水質(zhì)級(jí)別，從而建立了適合水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的加權(quán)歐式距離綜合評(píng)價(jià)模型，為水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)提供了一種新的方法和思路。

1 加權(quán)歐氏距離綜合評(píng)價(jià)方法

1.1 評(píng)價(jià)空間距離模型

水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，必須考慮不同污染因子對(duì)水質(zhì)影響程度的不同，即污染因子的權(quán)重。利用加權(quán)歐式距離模型對(duì)水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的原理為：對(duì)于某一個(gè)待評(píng)價(jià)單元（即某個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在某個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間的各污染因子的監(jiān)測(cè)值），根據(jù)污染因子的污染貢獻(xiàn)率計(jì)算其權(quán)重，該權(quán)重對(duì)于每個(gè)監(jiān)測(cè)值都不同，所以稱為變權(quán)。另外，在根據(jù)污染貢獻(xiàn)率計(jì)算權(quán)重時(shí)，考慮到DO，pH數(shù)據(jù)與其他污染因子不同濃度越高污染越小，有些非常規(guī)測(cè)定或濃度變化不大的未考慮，故根據(jù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)和數(shù)據(jù)選擇了表中的7項(xiàng)，建立以各個(gè)污染因子為坐標(biāo)軸的7維空間，以水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ級(jí)濃度限制為參照點(diǎn)，然后結(jié)合污染因子的權(quán)重系數(shù)計(jì)算每個(gè)待評(píng)價(jià)單元以及水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中其他各級(jí)別水質(zhì)與“原點(diǎn)”間的變權(quán)歐式距離，并將后者作為劃分每個(gè)待評(píng)價(jià)單元水質(zhì)級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算步驟［7－9］。

1.2 評(píng)價(jià)空間

設(shè)有i個(gè)評(píng)價(jià)單元或監(jiān)測(cè)斷面（i＝1，2，…m），j個(gè)評(píng)價(jià)因子或監(jiān)測(cè)指標(biāo)或污染因子（j＝1，2，…n）；k為5級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（k＝1，2，…5）；實(shí)測(cè)樣本矩陣為C，cij（i＝1，2，…m；j＝1，2，…n）為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j個(gè)污染因子的實(shí)測(cè)濃度值。根據(jù)國(guó)家規(guī)定的水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)含有n個(gè)污染因子的5級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)矩陣為B，其中bjk（j＝1，2，…n；k＝1，2，…n）為第j個(gè)污染因子的第k級(jí)標(biāo)準(zhǔn)濃度限值。將C中的每一行和B中的每一列均看作以n個(gè)污染因子為坐標(biāo)的歐式空間中的點(diǎn)。

1.3 空間坐標(biāo)的確定

以水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ級(jí)水質(zhì)作為n維空間的參照點(diǎn)，結(jié)合權(quán)重計(jì)算出每個(gè)待評(píng)單元以及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中其他各級(jí)水質(zhì)與“原點(diǎn)”的加權(quán)歐式距離，空間距離到Ⅰ級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的距離為“1”，將其他待評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)斷面劃分為不同的水質(zhì)級(jí)別，從而建立了適合水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的加權(quán)歐式距離模型。令Q為加權(quán)后的評(píng)價(jià)空間，CW為實(shí)測(cè)污染因子加權(quán)。即：

1.4 加權(quán)歐氏距離綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的確定

以Ⅰ級(jí)水質(zhì)作為基本點(diǎn)與原點(diǎn)距離為“1”，結(jié)合權(quán)重計(jì)算出每個(gè)待評(píng)單元以及水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中其他各級(jí)水質(zhì)與“原點(diǎn)”的加權(quán)歐式距離，將此加權(quán)歐式距離定義為加權(quán)歐氏距離綜合評(píng)價(jià)指數(shù)PI。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

在地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的多項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)中，水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)采用地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838－2002）。依據(jù)地面水水域使用目的和保護(hù)目標(biāo)劃分為五類。湟水河水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源是依據(jù)青海省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站提供的某年湟水河水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析報(bào)告和青海省環(huán)境保護(hù)局的環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書。湟水河水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及5級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

3 結(jié)果與討論

3.1 綜合評(píng)價(jià)指數(shù)PI的計(jì)算

選擇湟水河國(guó)控?cái)嗝婧褪】財(cái)嗝嬖槁?、西鋼橋、新寧橋?5個(gè)斷面，選擇監(jiān)測(cè)指標(biāo)為COD、BOD5、揮發(fā)酚、NH3－N、CN－、石油類、Cr6＋，應(yīng)用該方法計(jì)算PI進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果見表1。

3.2 PI曲線對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)分析

以5級(jí)地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)PI值可清楚地反映每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)狀況，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的PI與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比曲線見圖1。

圖1 湟水河監(jiān)測(cè)斷面及5級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)PI值

3.3 PI分析驗(yàn)證

通過(guò)PI曲線圖可直觀地分析出1號(hào)（扎麻?。┧|(zhì)優(yōu)良，水質(zhì)不到2級(jí)，因?yàn)樵槁∈卿宜拥脑搭^，是對(duì)照斷面，分析結(jié)果符合實(shí)際；3、4號(hào)屬于4級(jí)水質(zhì)，因?yàn)殇宜恿鬟^(guò)了西寧鋼廠等工業(yè)區(qū)，河水受到污染，水質(zhì)變差，符合實(shí)際；通過(guò)3、4、5、6、7、8、9號(hào)斷面可以看出，水體自凈的過(guò)程；根據(jù)10、11、 12、13、14、15號(hào)斷面的PI值，可以分析湟水河各支流入河口的污染狀況及對(duì)河水的影響。

表1 湟水河水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及5級(jí)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

3.4 評(píng)價(jià)方法的對(duì)比

模糊綜合指數(shù)方法及變權(quán)歐式距離模型都是變權(quán)的評(píng)價(jià)方法，其權(quán)重的計(jì)算方法充分體現(xiàn)了超標(biāo)污染物對(duì)水質(zhì)的影響。灰色聚類法則認(rèn)為若某個(gè)污染因子在水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)值越小，則水質(zhì)對(duì)其越敏感，該因子所占權(quán)重也就越大，并根據(jù)不同的水質(zhì)類別確定相應(yīng)級(jí)別的各污染指標(biāo)的權(quán)重。這種權(quán)重計(jì)算方法顯然沒(méi)有考慮超標(biāo)污染物對(duì)水質(zhì)的損害，所以，灰色聚類法評(píng)價(jià)水質(zhì)容易偏輕。PI指數(shù)法綜合評(píng)價(jià)水質(zhì)計(jì)算簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀，評(píng)價(jià)明顯，而且可觀察各監(jiān)測(cè)斷面和整體河流的水質(zhì)變化狀況，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)加權(quán)歐式距離模型的應(yīng)用，以及將其評(píng)價(jià)結(jié)果與灰色聚類法、模糊綜合指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了加權(quán)歐式距離模型應(yīng)用于水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的科學(xué)性和合理性。加權(quán)歐式距離模型不僅全面考慮了各污染因子，而且強(qiáng)調(diào)了超標(biāo)污染物對(duì)水質(zhì)的影響，便于對(duì)水質(zhì)進(jìn)行因子分析。該模型形象、直觀、方便、準(zhǔn)確率較高，能夠較完整地反映水環(huán)境污染程度，適用于水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，為水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)提供了一種新的方法和思路。

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