基于多種方法的太湖綜合水質(zhì)評價比較

胡雅杰，馬 靜，黃國情

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

基于多種方法的太湖綜合水質(zhì)評價比較

胡雅杰1，馬 靜1，黃國情2

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

水污染是太湖主要的水環(huán)境問題之一，準(zhǔn)確合理地評價太湖水質(zhì)狀況對該地區(qū)水環(huán)境治理具有至關(guān)重要的作用。利用單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法、綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法、改進的綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法及基于污染物權(quán)重的灰色關(guān)聯(lián)分析法對2004—2013年典型斷面的水質(zhì)進行評價，水質(zhì)單項指標(biāo)評價表明太湖東部及東南部污染較嚴(yán)重且主要污染物為NH3－N，與該地區(qū)水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀一致，綜合水質(zhì)評價表明近年來太湖水質(zhì)呈逐年轉(zhuǎn)好的趨勢；對比研究結(jié)果表明，綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)和改進的綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)更接近太湖水質(zhì)的真實情況，其中改進的綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法考慮了最差污染因子對綜合水質(zhì)的影響，克服了單項指標(biāo)算術(shù)平均帶來的誤差，能真實反映流域的污染狀況，為水環(huán)境治理工作提供更可靠的依據(jù)。

太湖；水污染；單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法；綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法；灰色關(guān)聯(lián)分析法

胡雅杰，馬靜，黃國情.基于多種方法的太湖綜合水質(zhì)評價比較［J］.水利水運工程學(xué)報，2015（5）：67－74.（HU Ya?jie，MA Jing，HUANG Guo?qing.Comprehensive evaluation of water quality in Taihu Lake based on variousmethods［J］.Hydro?Science and Engineering，2015（5）：67－74.）

綜合評價水環(huán)境質(zhì)量，全面把握流域水環(huán)境污染特征是水環(huán)境治理的重要基礎(chǔ)性工作［1］，對構(gòu)建流域水環(huán)境治理綜合理論體系，保障流域生態(tài)環(huán)境安全和社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要的意義。目前，常用的水質(zhì)評價方法主要有單因子指數(shù)法、污染指數(shù)法、模糊綜合指數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等［2－7］，上述方法雖在河流綜合水質(zhì)評價研究中得到廣泛應(yīng)用，但不能判斷水體是否黑臭、綜合水質(zhì)是否達到水功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)及水質(zhì)單項指標(biāo)超標(biāo)個數(shù)等。為解決上述問題，徐祖信［8－9］在單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法的基礎(chǔ)上提出了綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法，可直觀合理地評價水體的綜合水質(zhì)，但該指數(shù)的計算采取單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)的算術(shù)平均值，弱化了最差單項水質(zhì)指標(biāo)對綜合水質(zhì)的影響。為體現(xiàn)最差因子的影響，基于內(nèi)梅羅指數(shù)的計算思想提出改進的綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法，綜合考慮單因子標(biāo)志指數(shù)的平均值和最大值來計算綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)，以期對水體水質(zhì)作出更客觀合理的評價。

太湖流域位于我國東南沿海中部，是我國人口密度最大、經(jīng)濟發(fā)展最快的地區(qū)之一。豐富的水資源為該區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件。然而經(jīng)濟及人口的快速增長和城市化進程的加速使該地區(qū)用水量激增，廢污水排放量增加，造成水體污染及富營養(yǎng)化，水域生態(tài)系統(tǒng)及功能受到破壞，水污染治理已成為該地區(qū)的重點問題。作為沿湖城鎮(zhèn)的重要水源地和數(shù)萬公頃農(nóng)田的灌溉水源，太湖水污染成為流域社會經(jīng)濟發(fā)展的制約因素。因此，合理評價太湖水質(zhì)對水資源與水環(huán)境管理工作的準(zhǔn)確定位具有十分重要的意義。陳潤等［2，10－12］利用單因子評價法、改進的模糊綜合評價法、內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法對太湖水質(zhì)進行評價，取得了一定的成果。為比較分析不同方法在太湖水質(zhì)評價中的評價效果，以國家地表水標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）為基礎(chǔ)，采用單因子標(biāo)志指數(shù)法、綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法、改進的綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法及基于污染物權(quán)重的灰色關(guān)聯(lián)分析法對太湖水質(zhì)做出評價及對比分析，尋求更適合該地區(qū)水質(zhì)評價的方法，為流域水資源與水環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

以國家環(huán)境保護部公布的全國主要流域重點斷面水質(zhì)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以太湖為研究對象，選取的水質(zhì)監(jiān)測重點斷面主要包括江蘇無錫沙渚、宜興蘭山嘴、蘇州西山，浙江湖州新塘港、嘉興王江涇，上海青浦急水港，斷面分布如圖1所示，水質(zhì)監(jiān)測項目主要包括DO，CODMn，NH3－N，選取2004—2013年共10年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計分析法計算得到水質(zhì)單項指標(biāo)的年均濃度，如表1所示。

圖1 重點斷面分布Fig.1 Distribution of the typical sections

表1 太湖水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.1 Monitoring data of water quality in Taihu Lake （mg·L－1）

1.2 研究方法

1.2.1 單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法 單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法是綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法的基礎(chǔ)［8］，由一位整數(shù)、兩位小數(shù)組成，即

式中：qi為水質(zhì)指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)；a1為第i項水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別；a2為實測數(shù)據(jù)在a1類水質(zhì)區(qū)間所處的位置；a3為水質(zhì)類別劣于水功能區(qū)達標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的差值。其中a2的計算分兩種情況，若a1隨水質(zhì)指標(biāo)濃度的增加而增加，則有：

若a1隨水質(zhì)指標(biāo)濃度的增加而減小，則：

式中：a1上和a1下分別為a1類水質(zhì)的上限值和下限值。

1.2.2 綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法 綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法在單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法的基礎(chǔ)上，參考水質(zhì)評價指標(biāo)中劣于水功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)指標(biāo)個數(shù)和水質(zhì)類別劣于水功能區(qū)達標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的差值來綜合評價水體的水質(zhì)狀況［9］，計算式為：

式中：Iwq為綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)；x1.x2通過單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)的平均值表示，q1，q2，…，qm為水質(zhì)指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)；x3為參加水質(zhì)評價的單項水質(zhì)指標(biāo)劣于水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)個數(shù)；x4為綜合水質(zhì)類別劣于水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的差值。綜合水質(zhì)好于或達到水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，則x4＝0；若水質(zhì)類別劣于水功能區(qū)達標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)且x2≠0，則x4＝x1－g；若x2＝0，則x4＝x1－g－1，g為水功能區(qū)水質(zhì)達標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。因此，綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)總體上包含兩部分，即綜合水質(zhì)指數(shù)x1.x2和標(biāo)志碼x3，x4。以Iwq＝5.422為例，綜合水質(zhì)類別中x1.x2x3x4的意義說明如表2。

表2 綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)的意義說明Tab.2 Significances of comprehensive water quality identification indexes

1.2.3 改進的綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法 內(nèi)梅羅指數(shù)是一種兼顧極值的計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，該方法特別考慮了污染最嚴(yán)重的因子，在加權(quán)過程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響，計算式為：

式中：fmax為單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)最大者；fave為單因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)平均值。

根據(jù)這一思想，以單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)為基礎(chǔ)，對綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法進行改進［13］，其結(jié)構(gòu)仍為Iwq＝x1.x2x3x4，x3和x4的意義與綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法一致，但x1.x2根據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)計算式改進為：

式中：qmax為單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)中的最大值；qave為單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)的平均值。

1.2.4 基于污染物權(quán)重的灰色關(guān)聯(lián)分析法 灰色關(guān)聯(lián)是實物或系統(tǒng)因子之間的不確定關(guān)聯(lián)，通過序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密。在水質(zhì)評價的應(yīng)用中，水質(zhì)實測值作為參考序列，水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)作為比較序列，以國家地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002）為依據(jù)。選取兩者之間關(guān)聯(lián)度最大值所對應(yīng)的水質(zhì)作為評價水體的水質(zhì)。在計算過程中，為體現(xiàn)不同因子對斷面水質(zhì)的貢獻，引入污染物權(quán)重wi。

設(shè)水質(zhì)實測值Si（k）（k＝1，2，…，n；i≥1）為參考數(shù)列，水質(zhì)等級對應(yīng)的濃度Qj（k）（j＝1，2，…，m）為比較數(shù)列。在水質(zhì)評價過程中，為消除量綱在比較分析中的影響，需對Si（k）和Qj（k）進行數(shù)據(jù)歸一化處理。根據(jù)國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838—2002），歸一化變化公式分兩種情況計算［6］。若水質(zhì)因子的等級隨濃度的增加而增加，則認為Si（k）和Qj（k）為正相關(guān)關(guān)系，其歸一化計算式如下：

若水質(zhì)因子的等級隨濃度的增加而減小，則認為Si（k）和Qj（k）為負相關(guān)關(guān)系，其歸一化計算式如下：

式中：Q1（k）為I類水質(zhì)對應(yīng)的指標(biāo)濃度，Qmax（k）為V類水質(zhì)對應(yīng)的指標(biāo)濃度。選取歸一化后數(shù)據(jù)Si′（k）中的任一樣本向量，求取樣本向量與比較數(shù)列Q ′（k）對應(yīng)因子的絕對差值，如式（12）所示。

找出矩陣中δmin和δmax，計算關(guān)聯(lián)系數(shù)如式（13）所示，其中ρ為分辨系數(shù)，通常取0.5［7］。

2 結(jié)果分析

2.1 太湖水質(zhì)評價結(jié)果

2.1.1 水質(zhì)單項指標(biāo)評價結(jié)果 根據(jù)國家環(huán)境保護部公布的實測數(shù)據(jù)，利用式（1）～（3）單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法對監(jiān)測斷面水質(zhì)單項指標(biāo)進行評價（如圖2），可直觀快速地反映出各斷面水質(zhì)單項指標(biāo)的污染狀況。

對比可知，無錫沙渚、蘇州西山、宜興蘭山嘴、湖州新塘港的水質(zhì)單項指標(biāo)污染狀況類似，均存在DO水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)最小、CODmn和NH3－N水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)明顯大于DO的現(xiàn)象，但三項指標(biāo)的類別均好于IV類，說明監(jiān)測斷面水質(zhì)污染程度較輕，且以CODmn和NH3－N污染為主。相比之下，東部及東南部的青浦急水港和嘉興王江涇水體污染較嚴(yán)重，其中青浦急水港DO和CODmn的水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)雖較小，但NH3－N水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)很大，是該斷面的主要污染物，近年來NH3－N污染得到了有效控制，截至2013年該指標(biāo)類別好于V類；嘉興王江涇三項指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)均較大，說明該斷面水體污染程度較嚴(yán)重。

總體來看，太湖青浦急水港和嘉興王江涇主要污染物為NH3－N，其他斷面的主要污染物為CODmn和NH3－N，這與當(dāng)?shù)厮w富營養(yǎng)化、藻類頻發(fā)的狀況一致。在今后的污染治理中仍需以解決該地區(qū)水體富營養(yǎng)化問題為導(dǎo)向進行水環(huán)境治理。

圖2 太湖流域典型斷面單因子水質(zhì)指數(shù)Fig.2 Single?factor identification indexes of typical sections of Taihu Lake basin

2.1.2 水質(zhì)綜合評價結(jié)果 在水質(zhì)單項指標(biāo)評價結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法、改進的綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法對太湖的綜合水質(zhì)進行評價，結(jié)果如表3所示?？傮w來看，太湖水質(zhì)呈逐年轉(zhuǎn)好的趨勢。其中無錫沙渚、蘇州西山、宜興蘭山嘴和湖州新塘港的水質(zhì)相對較好，2004—2013年水質(zhì)類別基本好于III類，且相對較穩(wěn)定。青浦急水港和嘉興王江涇的綜合水質(zhì)類別較差，劣于III類，評價前期2004年的水質(zhì)最差，水質(zhì)類別甚至劣于V類。從水質(zhì)演化的角度來看，太湖各斷面水質(zhì)呈逐年轉(zhuǎn)好的趨勢，尤其青浦急水港的水質(zhì)類別由2004年的V類轉(zhuǎn)為2013年的III類，水質(zhì)轉(zhuǎn)好趨勢明顯，而嘉興王江涇的水質(zhì)雖有好轉(zhuǎn)，但2013年水質(zhì)為IV類，仍存在嚴(yán)重的水污染問題。

表3 基于多種方法的綜合水質(zhì)評價結(jié)果Tab.3 Evaluation results of comprehensive water quality

（續(xù)表）

2.2 結(jié)果對比分析

幾種水質(zhì)評價的計算依據(jù)存在差異。綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法以單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)的算術(shù)平均值為計算依據(jù)，改進的綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法以單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)的算術(shù)平均值及最大值為計算依據(jù)，灰色關(guān)聯(lián)分析法以歸一化處理后的實測水質(zhì)數(shù)據(jù)與國家地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)度為計算依據(jù)，得到的評價結(jié)果在水環(huán)境治理中的指導(dǎo)意義存在一定程度的差異，結(jié)果對比如表3和圖3所示，3種計算方法的評價結(jié)果趨勢一致。其中綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法和改進的綜合標(biāo)志指數(shù)法可得到具體的水質(zhì)類別數(shù)值，與灰色關(guān)聯(lián)分析法相比，前兩者不僅可得到水質(zhì)類別，更進一步得到水質(zhì)類別所處的位置和超標(biāo)程度及超標(biāo)污染物的個數(shù)，如2004年嘉興王江涇的綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)為5.132，表示該斷面的水質(zhì)類別為V類，綜合水質(zhì)在V類水中位于距下限值10%的位置，其中3項水質(zhì)指標(biāo)劣于水功能區(qū)達標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，綜合水質(zhì)劣于水功能區(qū)達標(biāo)水質(zhì)2個類別，相比之下，評價結(jié)果更為詳細，對水環(huán)境治理工作的指導(dǎo)意義更明顯。

圖3 水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價結(jié)果對比Fig.3 Comparisons between two water quality identificationindexes

對比結(jié)果可知，改進的綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)大于綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)，這是由于前者充分考慮了水質(zhì)單項指標(biāo)中最差單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)對綜合水質(zhì)的影響，突出了水質(zhì)最差因子的限制作用，如2004年上海青浦斷面，根據(jù)實測數(shù)據(jù)資料，NH3－N的單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)高達7.37，屬于嚴(yán)重超標(biāo)，在充分考慮了最大單因子標(biāo)志指數(shù)后，改進的綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)評價結(jié)果為6.229，水質(zhì)類別劣于V類，明顯大于綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)4.831，較真實地反映了青浦斷面的污染狀況。

總體來看，綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法結(jié)果指向類別低的水質(zhì)，因此對于存在某項水質(zhì)指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)的情況時，改進的綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)克服了單項指標(biāo)算術(shù)平均帶來的誤差，更能真實地反映水質(zhì)狀況。

3 結(jié) 語

基于單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法的水質(zhì)單項指標(biāo)評價中，2004—2013年太湖地區(qū)水質(zhì)差異性較大，東部及東南部的上海青浦和浙江嘉興污染較嚴(yán)重，而江蘇省內(nèi)3個斷面及浙江湖州水質(zhì)較好，流域內(nèi)主要污染物為NH3－N。在水質(zhì)綜合評價中，3種水質(zhì)綜合評價方法均能在一定程度上反映太湖流域的水質(zhì)狀況，其中綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法結(jié)果指向類別低的水質(zhì)，而改進的綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法突出了最差限制因子，綜合考慮最差單因子水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)對水體綜合水質(zhì)的影響，在一定程度上減小了單因子指數(shù)算術(shù)平均造成的評價誤差，其結(jié)果指向類別高的水質(zhì)，因此存在水質(zhì)單項指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)情況時，改進的綜合水質(zhì)標(biāo)志指數(shù)法更能真實地反映水質(zhì)狀況，為水環(huán)境治理工作提供更真實可靠的依據(jù)。但綜合水質(zhì)的評價結(jié)果中尚不能清晰明確地給出流域內(nèi)各斷面最主要的污染物，因此在水環(huán)境治理過程中應(yīng)全面考慮水質(zhì)單項指標(biāo)污染評價及綜合水質(zhì)污染評價，為確定評價水體的主要污染物，更進一步有重點有針對性地指導(dǎo)流域水污染治理提供依據(jù)。

在綜合水質(zhì)評價過程中，單項水質(zhì)指標(biāo)作為計算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，參與計算的指標(biāo)通過算術(shù)平均及最差限制因子對評價結(jié)果產(chǎn)生影響，因此水質(zhì)指標(biāo)個數(shù)及數(shù)值監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間尺度均會對評價結(jié)果產(chǎn)生影響，理論上水質(zhì)指標(biāo)個數(shù)越多越能真實反映水體水質(zhì)類別，監(jiān)測數(shù)據(jù)時間尺度越小越能接近評價階段的水質(zhì)變化過程，因此在評價研究中應(yīng)根據(jù)實測數(shù)據(jù)及評價目的合理選擇參與評價的指標(biāo)個數(shù)及時間尺度，為更好地指導(dǎo)水污染治理提供更準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

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Com prehensive evaluation of water quality in Taihu Lake based on variousmethods

HU Ya?jie1，MA Jing1，HUANG Guo?qing2
（1．China Institute ofWater Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2．Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

Water pollution is one of the important problems ofwater environment in Taihu Lake basin.To evaluate the water quality of the watershed exactly and reasonably is vital to grasp the characteristic of water pollution and water environmentalmanagement.Single?factor identification index was used to evaluate the pollution status of a single element of typical sections.The original and the improved methods of comprehensive identification index and grey incidence analysis based on pollutant weight were used to evaluate the integrated water quality from 2004 to 2013.The analysis results show that the water pollution of east and southeast in Taihu Lake basin wasmore serious and themain pollutantwas NH3－N，which was in accordance with the situation of eutrophication，so the leading managementwas to reduce thewater eutrophication.Therewere some differences among the results of differentwater quality evaluationmethods，which could reflect thewater quality in Taihu Lake basin.The results of comprehensive water quality identification index and grey incidence analysis preferred the lower quality，and those of the improved comprehensive water quality identification index combined with the influence of the worst pollutant preferred the integrated water quality to overcome the error caused by the algebraic average of a single index in order to reflect the pollution ofwatershed veritably.

Taihu Lake basin；water pollution；single?factor identification index；comprehensive identification index；grey incidence analysis

X824

A

1009－640X（2015）05－0067－08

10.16198／j.cnki.1009－640X.2015.05.009

2014－05－21

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201201073）；環(huán)境保護項目“水環(huán)境資產(chǎn)核算與資產(chǎn)負債表編制技術(shù)方法研究”

胡雅杰（1987—），女，河南商丘人，博士研究生，主要從事水資源管理、生態(tài)水文相關(guān)研究。

E?mail：huyj118＠163.com