河流水質(zhì)評價方法綜述

摘要：本文對常用的河流水質(zhì)評價方法進行了評述，按照確定性、不確定的方法分類，逐個分析了單因子法、綜合指數(shù)法、分級評價法及模糊評價法、灰色評價法等方法的優(yōu)缺點，并進行了小結(jié)和展望，供參考。

關(guān)鍵詞：河流；水質(zhì)評價；方法

中圖分類號：X824 文獻標識碼：A文章編號：1674-0432（2012）-07-0226-2

水質(zhì)評價是按照一定的標準、指標和方法，根據(jù)水的用途對水域的質(zhì)量狀況進行定性或定量的評定。按照水的特性，水質(zhì)評價方法可分為以生物種群與水質(zhì)的關(guān)系進行評價的生物學評價方法和以物理、化學監(jiān)測為主的監(jiān)測指標評價方法。后者以數(shù)學方法分類居多，如單因子法、指數(shù)法、模糊評價法、灰色理論法、人工法等；按照水質(zhì)級別的確定原則，可分為確定性方法和不確定性方法[1]。確定性方法的特點是原理清晰、計算簡便，但評價結(jié)果偏于概括；不確定性方法結(jié)合數(shù)學理論和計算機技術(shù)，可進行大量運算并處理較復雜問題，評價結(jié)果更加真實客觀，但不確定性方法的理論復雜，適用性不如確定性方法廣泛。因此，在實際工作中確定性方法被更多使用。本文重點對基于數(shù)學統(tǒng)計的理化監(jiān)測指標評價方法進行分析，供參考。

1 確定性評價方法

1.1 單因子評價法

眾多確定性方法中，單因子評價法是一種操作簡便、評價結(jié)果偏于安全且目前被廣泛采用的綜合評價方法。單因子評價法又稱“一票否決法”，是將各指標濃度代表值與評價標準逐項對比，以單項評價最差項目的類別作為水質(zhì)類別，是地表水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)規(guī)定的評價方法。該方法能夠明確指出水質(zhì)問題的所在，直接了解水質(zhì)狀況與評價標準之間的關(guān)系，有利于提出針對性的保護與治理措施，但評價結(jié)果過于嚴格，各評價指標沒有聯(lián)系，不能綜合的反映水環(huán)境質(zhì)量狀況。

研究人員針對單因子評價法的不足進行了適當改進。徐祖信(2005)將單因子法與水質(zhì)指標的濃度值作量綱化處理，提出Pi=X1X2X3模式的單因子水質(zhì)標識指數(shù)法，以類似編碼的形式標識水質(zhì)信息。水質(zhì)標識指數(shù)法結(jié)合水質(zhì)標準對水質(zhì)狀況進行定性評價，也可對同一類別的水質(zhì)指標進行定量比較，給出的信息較為全面，但未突出不同污染物對水質(zhì)的影響，忽略各指標之間的聯(lián)系[2]。程文濤等(2007)選擇毒性重、危害大的指標按照單因子法評價，實行一票否決制；對其他理化指標、營養(yǎng)性指標等采用多指標綜合評價方法中的算術(shù)平均法，一定程度上克服了單因子法的片面性[3]。

1.2 綜合指數(shù)法

在20世紀60-70年代，綜合指數(shù)法有著較多的研究和應用，國內(nèi)外已提出幾十種不同模式，比較典型的有指數(shù)模式、內(nèi)梅羅模式等。綜合指數(shù)法以其概念清晰、計算簡單的優(yōu)點，在水質(zhì)評價實踐中被廣泛采用[4]。其基本思路是將其污染物的代表值與評價標準比較，得到各污染物的指數(shù)，再采用各種數(shù)學方法計算得到綜合指數(shù)。常用的指數(shù)方法有疊加指數(shù)、算術(shù)平均指數(shù)、加權(quán)平均指數(shù)、最大值指數(shù)等方法。

1.2.1 疊加指數(shù)法 計算公式為：

疊加指數(shù)計算簡單、意義明確，直接反映污染指標與評價標準的數(shù)量關(guān)系，適用于評價指標一致的水體之間比較，但忽略不同污染物對水質(zhì)影響程度的差別。

1.2.2 算術(shù)平均指數(shù)法 又稱綜合污染指數(shù)，

計算公式為：

該指數(shù)解決了因參評指標個數(shù)不同對指數(shù)的影響，但仍未考慮不同污染物的權(quán)重問題。

1.2.3 加權(quán)平均指數(shù)法 加權(quán)型指數(shù)可以有針對性的突出某種污染物的作用，使用的關(guān)鍵還在于權(quán)重的確定，如流量加權(quán)、河段長度加權(quán)、湖泊面積加權(quán)等，也有通過德爾菲法確定的。

計算公式為：

加權(quán)平均指數(shù)具有較強的適應能力，但不同的權(quán)重確定方法可能會降低加權(quán)指數(shù)法的可比性。

丁冉等[5]提出的改進的分級評分法從數(shù)學形式上是一種加權(quán)平均指數(shù)。該法依照國家標準將水質(zhì)類別分別賦予固定的評分值、權(quán)重，其計算公式為：

TS為總分值，Si為單項指標分值，wi為權(quán)重值。TS能夠得出水質(zhì)類別，較直觀的看出水體污染程度，賦權(quán)中突出污染嚴重指標的影響。

1.2.4 最大值指數(shù)法 即內(nèi)梅羅指數(shù)法，計算公式為：

該方法考慮最大值對水環(huán)境質(zhì)量的影響，在一定程度上彌補算術(shù)平均模式的不足。內(nèi)梅羅水質(zhì)污染指數(shù)的特點在于數(shù)學過程簡捷、運算方便、物理概念清晰，在加權(quán)過程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響，是較為成熟、運用廣泛的指數(shù)法之一。最大分指數(shù)項計算重復，過分夸大了最大項的作用，掩蓋了其他污染指數(shù)的貢獻。丁雪卿等(2010)對過于突出最大污染因子對水質(zhì)污染的影響和未考慮權(quán)重因素等方面進行了改進[6-7]，但各種賦權(quán)的方法還需根據(jù)實際情況進行選擇。

1.3 分級評分法

分級評分法是將評價指標的代表值與各類水體分級標準分別進行對照比較，確定其單項的污染分級，然后進行等級指標的綜合疊加，綜合評價水體的類別或等級。比較典型的分級評分法包括布朗(R.M.Brown)水質(zhì)指數(shù)、羅斯(S.L.Ross)水質(zhì)指數(shù)、W值水質(zhì)指數(shù)以及百分制分級法等[8]。布朗等選取9項評價指標，采用德爾菲法賦予權(quán)重，計算水質(zhì)指數(shù)WQI=∑WiPi。在此基礎(chǔ)上，羅斯剔除受地球化學影響的指標，選取BOD、DO、氨氮、懸浮物等4項直接具體的反映水體污染狀況，并分別賦予權(quán)重。這兩種方法評價指標是確定的，不能滿足不同的評價需求。由于在評分尺度上具有很大的任意性，羅斯水質(zhì)指數(shù)法一般僅適用初步評價。

W值水質(zhì)指數(shù)將各評價指標的分值轉(zhuǎn)換為的表達式，最后評價結(jié)果為SWJ-C，其中 ，Wj為污染級別，C為超標項數(shù)。藍琳等(2007)借鑒隸屬度的概念，對各指標的分級類別進行了修正，更加客觀的反映水質(zhì)類別，但該法計算較為繁瑣[9]。

2 不確定性評價方法

水質(zhì)類別的界定具有一定區(qū)間范圍，指標濃度包含在同一級別內(nèi)的不同水體，其真實污染狀況可能有所不同，如濃度值靠近類別上限和下限的兩類水體，僅以一個確定性指標進行歸類。為解決這個問題，20世紀80年代以來，一些不確定性理論方法的出現(xiàn)為水質(zhì)評價新模式的產(chǎn)生提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持，比較有代表性的有模糊評價法、灰色評價法等。

2.1 模糊評價法

模糊評價法是基于模糊數(shù)學理論的一種不確定性評價方法，用模糊數(shù)學集中隸屬函數(shù)來描述水質(zhì)分級的界限，評價結(jié)果更接近于實際情況，因此在我國水質(zhì)評價中得到了大量的研究和應用。由于水質(zhì)變化具有連續(xù)性特點，與分級標準相互聯(lián)系并具有模糊性，模糊評價法合理的體現(xiàn)了水體污染程度不確定的特點。模糊評價法主要適用于各個評價因子超標情況接近，不存在單因子否決的情況，評價出發(fā)點是為了體現(xiàn)不同評價因子對水質(zhì)的綜合影響，但計算復雜，不易操作，不能確定主要污染因子，有可能掩蓋有毒有機物、重金屬等對人體健康和生態(tài)環(huán)境威脅較大的污染物的影響。模糊數(shù)學用于水質(zhì)綜合評價的方法主要有模糊聚類法、模糊貼近度法、模糊距離法等[10]。

如何確定權(quán)重是模糊評價法中的關(guān)鍵問題，直接影響評價結(jié)果。污染加權(quán)法是目前采用較多的權(quán)重確定方法，對污染貢獻大的指標獲得較大的權(quán)重。它考慮了個體指標的特征，多個評價指標的相互聯(lián)系卻無法描述，可能使評價結(jié)果出現(xiàn)均化、失真和跳躍等情況[11-12]。鄒志紅等(2005)通過對“熵”的計算確定權(quán)重，就是根據(jù)各項監(jiān)測指標值的差異程度反映其提供信息量大小，確定各指標的權(quán)重[13]。熵權(quán)法比加權(quán)法容易計算，將同一監(jiān)測指標的多個監(jiān)測斷面結(jié)合確定權(quán)重，可削弱異常值的影響。田景環(huán)等(2005)提出最優(yōu)權(quán)法，通過尋找權(quán)向量的最優(yōu)解來確定各指標的權(quán)重，可以避免確定評價指標權(quán)重時的主觀任意性，增加評價結(jié)果的分辨性，易于分類[14]。

2.2 灰色評價法

灰色評價法以灰色理論分析方法為基礎(chǔ)，把水質(zhì)評價指標視為灰色系統(tǒng)的灰離散函數(shù)進行分析?；疑到y(tǒng)原理應用于水質(zhì)評價的基本思路與模糊評價法相似，先計算水體水質(zhì)各指標實測濃度與各級水質(zhì)標準的關(guān)聯(lián)度，再根據(jù)關(guān)聯(lián)度來確定水體水質(zhì)級別?；疑u價法體現(xiàn)了水環(huán)境系統(tǒng)的不確定性，可根據(jù)關(guān)聯(lián)度的數(shù)值對同類水體的水質(zhì)進行比較，具有排序明確和可比性強等優(yōu)點，但其缺點是計算復雜，也存在信息丟失和分辨率低等問題，需在實際應用中進一步改進[15-16]。

綜上所述，從文獻中對于指數(shù)法、分級評價法、模糊評價法、灰色評價法等有著較為成熟的研究，但仍沒有找出一種公認的、統(tǒng)一的水質(zhì)評價體系。各類水質(zhì)評價方法都根據(jù)各自需求來確定最終的水質(zhì)分級和隸屬情況，缺乏共同標準。因此在實際應用中，需要根據(jù)具體的監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價目的選擇合適的評價方法，使評價結(jié)果滿足管理需要，反映水體的實際情況。

3 結(jié)語

水環(huán)境系統(tǒng)是充滿不確定性因素、變化復雜的系統(tǒng)，客觀上評價指標的屬性值可能存在著多種狀態(tài)。而現(xiàn)有評價方法實際上都是某一狀態(tài)下根據(jù)給定水質(zhì)指標測值下的水質(zhì)狀況進行評價，這與水環(huán)境系統(tǒng)的不確定性特征存在較大差距。隨著計算機、網(wǎng)絡通信和自動化等應用技術(shù)進步，運用地理信息系統(tǒng)實現(xiàn)評價模型查詢和運算的自動化、智能化，以及評價結(jié)果的直觀可視化，是水質(zhì)評價模型的發(fā)展方向。完善和提高各種評價方法的適用性是當前亟需開展研究的問題。為了更為真實、準確地反映水環(huán)境質(zhì)量狀況，需要考慮水質(zhì)指標的多種狀態(tài)特征。如何從隨機不確定性角度評價水體質(zhì)量狀況可能成為今后水質(zhì)評價研究的趨向。

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作者簡介：劉成（1981-），男，湖北武漢人，大學本科，長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心工程師，從事水資源質(zhì)量評價工作。