基于改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和灰色聚類法的水質(zhì)評價

寧陽明， 尹發(fā)能

(湖北師范大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院， 湖北 黃石 435002)

水環(huán)境質(zhì)量評價可根據(jù)評價目標(biāo)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、評價標(biāo)準(zhǔn)和計算方法判斷當(dāng)前水體污染狀況，為水環(huán)境利用和管理提供科學(xué)依據(jù)[1].目前，水環(huán)境質(zhì)量評價方法主要有指數(shù)評價法[2-3]、灰色系統(tǒng)評價法[4]、主成分分析法[5]、模糊綜合評價法[6-7]、物元可拓分析法[8]、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[9]等.其中，內(nèi)梅羅污染指數(shù)法其運(yùn)算過程簡單，易于操作，但未考慮各污染因子的權(quán)重問題；改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法通過計算權(quán)重，充分考慮各污染因子對水環(huán)境質(zhì)量的影響；灰色聚類法根據(jù)水環(huán)境系統(tǒng)灰色性特征，通過對污染因子進(jìn)行量化，從而判斷水環(huán)境質(zhì)量.鑒于此，本研究運(yùn)用傳統(tǒng)、改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和灰色聚類法對長江黃石段三峽斷面和風(fēng)波港斷面水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價.

1 水質(zhì)評價方法概述

1.1 傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

1974年美國敘拉古大學(xué)內(nèi)梅羅(N.L.Nemerow)教授在其所著的《河流污染科學(xué)分析》一書中，提出了內(nèi)梅羅污染指數(shù)法[10].該方法根據(jù)所選水質(zhì)指標(biāo)的實測濃度和標(biāo)準(zhǔn)值，分別計算內(nèi)梅羅污染指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)，與相應(yīng)的等級標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)相對照，即可得到評價等級.評價等級計算公式為：

Fi=Ci/Sij，i=1，2，3,…，n；j=1，2，3,…，m.

(1)

(2)

式中，Ci為第i類評價因子的實測濃度；Sij為第i類評價因子的第j類標(biāo)準(zhǔn)濃度；F最大為Fi的最大值；F平均為Fi的平均值；P傳統(tǒng)為傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù).

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅標(biāo)準(zhǔn)污染指數(shù)值分級如下：

Ⅰ：P標(biāo)準(zhǔn)<0.59；Ⅱ：0.59≤P標(biāo)準(zhǔn)<0.74；

Ⅲ：0.74≤P標(biāo)準(zhǔn)<1.00；Ⅳ：1.00≤P標(biāo)準(zhǔn)<3.50；

Ⅴ：3.50≤P標(biāo)準(zhǔn).

1.2 改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法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[11]，而改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法考慮了各污染因子在水質(zhì)評價中所占的權(quán)重，避免忽視某些因?qū)崪y濃度小而危害系數(shù)大的污染因子對水環(huán)境質(zhì)量的影響[12]，其計算公式為：

(3)

式中，F(xiàn)′為權(quán)重最大的污染因子對應(yīng)的F值.

一般情況下，地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中污染指標(biāo)的濃度越小，說明對水質(zhì)危害越大，兩者呈反比例的內(nèi)在關(guān)系[12].第i種污染因子的權(quán)重為：

(4)

ri=s最大/si，

(5)

式中，ri為第i種污染因子的相關(guān)性比值；si為各污染因子的標(biāo)準(zhǔn)值；s最大為第i種污染因子的最大標(biāo)準(zhǔn)值；m為評價污染因子的個數(shù).

改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)值分級如下：Ⅰ：P標(biāo)準(zhǔn)<0.55；Ⅱ：0.55≤P標(biāo)準(zhǔn)<0.69；Ⅲ：0.69≤P標(biāo)準(zhǔn)<1.00；Ⅳ：1.00≤P標(biāo)準(zhǔn)<3.53；Ⅴ：3.53≤P標(biāo)準(zhǔn).

1.3 灰色聚類法

灰色聚類包括灰色關(guān)聯(lián)聚類和灰色白化權(quán)函數(shù)聚類，灰色關(guān)聯(lián)聚類主要用于同類因素的歸并，以使復(fù)雜系統(tǒng)簡化，而灰色白化權(quán)函數(shù)聚類主要用于檢查觀測對象是否屬于事先設(shè)定的不同類別[13-14].本研究選用灰色白化權(quán)函數(shù)聚類，該方法能夠充分利用已知信息淡化未知信息，從而客觀真實反映系統(tǒng)本質(zhì)[15].灰色白化函數(shù)聚類具體步驟如下：

1.3.1 確定評價指標(biāo)和灰類值 根據(jù)長江黃石段三峽斷面和風(fēng)波港斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)( CODMn)、五日生化需氧量( BOD5)等污染因子作為評價河流斷面污染程度的聚類指標(biāo).參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3830-2002)，將河流水質(zhì)劃分為5類，長江黃石段以Ⅲ類地表水為標(biāo)準(zhǔn)，見表1.

表1 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)

1.3.2 灰類值無量綱化處理 在水環(huán)境質(zhì)量評價中，由于各聚類指標(biāo)的量綱不同，且劃分等級的區(qū)間大小也不同，因此需要對灰類值進(jìn)行無量綱化處理[16].其計算公式為：

(6)

1.3.3 建立灰色白化權(quán)函數(shù)[17]

1)當(dāng)k=1時，其隸屬度函數(shù)如下：

(7)

2)當(dāng)k=2，3，4時，其隸屬度函數(shù)如下：

(8)

3)當(dāng)k=5時，其隸屬度函數(shù)如下：

(9)

1.3.4 確定聚類權(quán) 水質(zhì)指標(biāo)閾值越大，對水質(zhì)影響越小，其相對權(quán)重就越小.因此，采用倒數(shù)法，其計算公式如下：

(10)

(11)

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

黃石江段(29° 94′～30° 05′N、115° 31′～115° 42′E)位于長江中游地區(qū)[18]，上起長江左岸回風(fēng)硯，下至長江右岸西塞山，是長江中下游重點治理河段[19]，其水環(huán)境質(zhì)量與沿岸居民生活和生產(chǎn)息息相關(guān).根據(jù)黃石市生態(tài)環(huán)境局網(wǎng)站(http://sthjj.huangshi.gov.cn/)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(見表2)，分別對2014年—2018年三峽斷面和風(fēng)波港斷面的水質(zhì)進(jìn)行評價，以期為長江黃石段水環(huán)境保護(hù)和利用提供科學(xué)依據(jù).

3 評價結(jié)果分析

3.1 傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

根據(jù)各污染因子的實測濃度，計算長江黃石段三峽斷面和風(fēng)波港斷面的傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)，得出評價結(jié)果，見表3.

2014年—2018年兩個斷面水質(zhì)內(nèi)梅羅污染指數(shù)均介于0.74～1.00之間，屬于Ⅲ類，符合長江黃石段地表水功能區(qū)劃要求.

表2 2014年—2018年三峽斷面和

注: 數(shù)據(jù)根據(jù)黃石市環(huán)境監(jiān)測站對2個斷面實測數(shù)據(jù)計算年平均值所得.

表3 2014年—2018年三峽斷面和風(fēng)波港斷面水質(zhì)傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)

3.2 改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)各污染因子權(quán)重值見表4.由表4可知，在各類標(biāo)準(zhǔn)中權(quán)重值最大的是氨氮.依據(jù)兩個斷面的實測濃度，計算其改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)，結(jié)果見表5.2014年—2018年兩個斷面水質(zhì)的P改進(jìn)值均介于0.69≤P標(biāo)準(zhǔn)<1.00，屬于Ⅲ類，符合長江黃石段地表水功能區(qū)劃要求.最大值均出現(xiàn)在2016年，分別是0.91，0.92.

表4 各污染因子的權(quán)重

表5 2014年—2018年三峽斷面和風(fēng)波港

3.3 灰色聚類法

3.3.1 確定評價指標(biāo)和水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn) 三峽斷面和風(fēng)波港斷面的評價指標(biāo)及監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3830-2002)，分級標(biāo)準(zhǔn)值Sik見表1，并確定水質(zhì)等級，見表6[20].

表6 水質(zhì)等級劃分

3.3.2 灰類值無量綱化處理 將長江黃石段三峽斷面和風(fēng)波港斷面各污染因子的灰類值代入公式(6)進(jìn)行無量綱化處理，結(jié)果見表7.

表7 無量綱灰類值(yik)

3.3.3 建立灰色白化權(quán)函數(shù) 將表2中各污染因子的監(jiān)測數(shù)據(jù)分別代入(7)、(8)、(9)相應(yīng)的隸屬函數(shù)表達(dá)式，方可求得各污染因子的隸屬函數(shù)矩陣.以2014年三峽斷面和風(fēng)波港斷面為例，該隸屬函數(shù)矩陣如下：

2014年三峽斷面：

2014年風(fēng)波港斷面：

同理可求2015年—2018年兩個斷面的灰色白化權(quán)函數(shù)矩陣，在此不逐一列出.

3.3.4 計算各指標(biāo)的聚類權(quán) 將表7中的無量綱灰類值(yik)代入式(10)求出各污染因子的聚類權(quán)(ηij)，結(jié)果見表8.

表8 各指標(biāo)的聚類權(quán)(ηij)

3.3.5 求聚類系數(shù)和聚類結(jié)果 三峽斷面和風(fēng)波港斷面的聚類系數(shù)見表9，根據(jù)最大隸屬度原則找出最大元所對應(yīng)的灰類，即是兩個河流斷面的水質(zhì)類別.其中，除2015年風(fēng)波港斷面屬于Ⅱ類(輕度污染)之外，2014年—2018年兩個斷面水質(zhì)均屬于Ⅰ類(未污染).根據(jù)表9中最大元對應(yīng)的聚類系數(shù)可知，三峽斷面2017年和2018年聚類系數(shù)最大，均為0.285，2014年聚類系數(shù)最小，為0.250；風(fēng)波港斷面2016和2018年聚類系數(shù)最大，均為0.290，2015年聚類系數(shù)最小，為0.215.2014年和2015年，三峽斷面的聚類系數(shù)大于風(fēng)波港斷面，2016年—2018年，風(fēng)波港斷面的聚類系數(shù)大于三峽斷面.

表9 兩個斷面聚類系數(shù)和聚類結(jié)果

3.4 結(jié)果對比分析

運(yùn)用傳統(tǒng)、改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和灰色聚類法分析2014年—2018年長江黃石段三峽斷面和風(fēng)波港斷面水質(zhì)污染狀況.通過研究，有以下發(fā)現(xiàn).

兩個斷面的傳統(tǒng)、改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評價結(jié)果均為Ⅲ類，但傳統(tǒng)、改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)值存在差異，這是由于改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法考慮了各評價因子的權(quán)重，克服了傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法過于突出污染濃度大的評價因子的作用和未考慮各評價因子的權(quán)重這一缺點，較為客觀地反映河流水質(zhì)狀況，但該方法仍局限于對河流水質(zhì)等級的評價，結(jié)果見表3和表5.

灰色聚類法的評價結(jié)果除2015年風(fēng)波港斷面屬于Ⅱ類(輕度污染)之外，2014年—2018年兩個斷面水質(zhì)均屬于Ⅰ類(未污染).灰色聚類法首先對分級標(biāo)準(zhǔn)值(即灰類值Sik)進(jìn)行無量綱化處理，再根據(jù)無量綱灰類值(yik)計算各指標(biāo)的聚類權(quán)(ηij)，這使得各指標(biāo)不同級別的聚類權(quán)不同，因而更為精確可靠.同時，該方法不僅對河流水質(zhì)進(jìn)行等級劃分，而且能夠判斷河流水質(zhì)狀況和污染程度，較前兩種方法更進(jìn)一步評價河流水體.因此，灰色聚類法的評價結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)、改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評價結(jié)果.

4 結(jié)論

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法計算過程簡單，運(yùn)用范圍廣，其特點是突出污染濃度最大的評價因子對河流水質(zhì)的影響，適用于檢測河流主要污染物，但該方法未考慮評價指標(biāo)權(quán)重因素和對低濃度指標(biāo)評價有限，不利于對河流水質(zhì)做出全面均衡的評價.

改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法考慮了各評價因子在河流水質(zhì)中所占的權(quán)重，一定程度上提高了對某些污染濃度小而危害大的毒理指標(biāo)的評價，適用于檢測河流有毒有害物質(zhì)，較傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法更為客觀全面評價河流水質(zhì)，但該方法的截然型分級標(biāo)準(zhǔn)易造成污染程度值相差較小的兩個河流水體分屬不同的級別，而污染程度值較大的卻可能處于同一級別.