三種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法運(yùn)用于江安河水質(zhì)分析對(duì)比

夏茁文 陳宇

摘要：為調(diào)查江安河水質(zhì)狀況，采用單因子評(píng)價(jià)法、集對(duì)分析法及對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式對(duì)江安河3個(gè)斷面進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)分析3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)?；诮埠尤斓乃|(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)江安河3個(gè)斷面進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明：江安河氨氮指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，超標(biāo)指數(shù)高達(dá)2.83。青春廣場(chǎng)白石橋、江安水閘斷面污染較重。單因子評(píng)價(jià)法能直觀反映水質(zhì)因子超標(biāo)情況，但無(wú)法全面反映水質(zhì)整體狀況;集對(duì)分析法能同時(shí)處理評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定性與評(píng)價(jià)因子權(quán)重的不確定性問(wèn)題，但確定水質(zhì)等級(jí)時(shí)以選擇最大聯(lián)系度來(lái)評(píng)定，而弱化其他較大聯(lián)系度;對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式計(jì)算簡(jiǎn)單，能同時(shí)對(duì)地表水21項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，但評(píng)價(jià)結(jié)果較為保守。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)我蜃釉u(píng)價(jià)法;集對(duì)分析法;對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式

中圖分類號(hào)：X824 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）04-00-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.04.007

Abstract：In order to investigate the water quality of Jiangan River， three simple and practical water quality evaluation methods，namely single-factor evaluation method，set pair analysis method and logarithmic power function universal index formula，were used to evaluate the water quality of three sections of Jiangan River. The results were compared and the advantages and disadvantages of the three methods were analyzed simultaneously.Based on the water quality monitoring data of Jiangan River for three days， the water quality evaluation was carried out on three sections of Jiangan River.The evaluation results show that：the ammonia nitrogen index of Jiangan River was seriously exceeded， and the over-index was as high as 2.83. The Baishiqiao and Jiangan sluice sections of Youth Square are heavily polluted.The single factor evaluation method can directly reflect the water quality factor exceeding the standard，but it can not fully reflect the overall condition of the water quality;the set analysis method can simultaneously deal with the uncertainty of the evaluation criteria and the uncertainty of the evaluation factor weight，but the maximum selection when determining the water quality level The degree of connection is used to assess，while weakening other large degrees of connection; the logarithmic power function universal index formula is simple to calculate， and can simultaneously rank 21 indicators of surface water， but the evaluation results are conservative.

Key words：Single factor evaluation method;Set pair analysis method;Logarithmic power function universal index formula

水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)是水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的一個(gè)方面，是計(jì)算水環(huán)境容量和規(guī)劃水資源系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有其獨(dú)特的重要性[1]。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外就不斷有文獻(xiàn)討論水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法并已開(kāi)發(fā)出幾十種。目前，水質(zhì)評(píng)價(jià)類型一般分為單因子評(píng)價(jià)法和綜合評(píng)價(jià)法，相比來(lái)說(shuō)，單因子評(píng)價(jià)法能直觀反映水質(zhì)超標(biāo)組分和污染區(qū)域，而綜合評(píng)價(jià)法更能全面反映水質(zhì)整體狀況。綜合評(píng)價(jià)法主要包括水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法[2，3]、集對(duì)分析法[4，5]和對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式[6，7]等。不同的評(píng)價(jià)方法在同一研究區(qū)可能會(huì)得到不同的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，而且不同評(píng)價(jià)方法各有優(yōu)點(diǎn)與不足，因此如何選擇合適的評(píng)價(jià)方法以及驗(yàn)證方法的有效性非常重要。本文選用單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法、集對(duì)分析法和對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式3種常用的且計(jì)算簡(jiǎn)便的水質(zhì)評(píng)價(jià)法對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析3種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為城市河流水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用提供實(shí)例支撐。

1 基本理論與方法

1.1 單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法

單因子指數(shù)評(píng)價(jià)方法的思想是對(duì)每個(gè)水質(zhì)指標(biāo)單獨(dú)進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用統(tǒng)計(jì)及模式計(jì)算得出各水質(zhì)指標(biāo)的超標(biāo)率、超標(biāo)倍數(shù)和水質(zhì)指數(shù)等項(xiàng)結(jié)果，并將水質(zhì)最差的單項(xiàng)指標(biāo)所屬類別來(lái)確定水體綜合水質(zhì)類別。

水質(zhì)因子的標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)≤1時(shí)，表明該水質(zhì)因子在評(píng)價(jià)水體中的濃度符合水域功能及水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2 集對(duì)分析法

我國(guó)學(xué)者趙克勤在1989年首次提出集對(duì)分析（Set pair analysis）這一概念，其本質(zhì)是將確定性分析和不確定性分析相結(jié)合， 用于描述和處理綜合集成問(wèn)題的一種全新的系統(tǒng)分析方法。所謂集對(duì)，是指具有一定聯(lián)系的兩個(gè)集合所組成的對(duì)子。從系統(tǒng)科學(xué)角度看，系統(tǒng)內(nèi)的任兩個(gè)組成部分，系統(tǒng)與環(huán)境、系統(tǒng)與人等，都可以在一定條件下看成是集對(duì)的例子。集對(duì)分析的基本思路[5]84是：在一定的問(wèn)題背景下對(duì)所論兩個(gè)集合所具有的特性作同異反分析并加以度量刻畫(huà)，得出這兩個(gè)集合在所論問(wèn)題背景下的同異反聯(lián)系度表達(dá)式，并推廣到系統(tǒng)由m>2個(gè)集合組成時(shí)的情況，在此基礎(chǔ)上深入展開(kāi)有關(guān)系統(tǒng)的聯(lián)系、預(yù)測(cè)、控制、仿真、演化、突變等問(wèn)題的研究。

水質(zhì)評(píng)價(jià)實(shí)際上是具有確定性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)因子權(quán)重的不確定性相結(jié)合的決策過(guò)程，而集對(duì)分析法提供了一個(gè)處理確定性與不確定性的較好方法。在集對(duì)分析中，將確定性分成“同一”與“對(duì)立”兩個(gè)方面，將不確定性稱為“異”，從同、異、反3個(gè)方面分析事物，認(rèn)為同、異、反3者互相聯(lián)系、影響和制約，又在一定條件下互相轉(zhuǎn)化[9]。

根據(jù)問(wèn)題A的需要，對(duì)集對(duì)B展開(kāi)分析，共得到N個(gè)特性，其中有S個(gè)特性為集對(duì)中的兩個(gè)集合共有，有P個(gè)特性相對(duì)立，其余的F=N-S-P個(gè)特性既不對(duì)立，又不同一，稱為差異。S/N為這兩個(gè)集合在問(wèn)題A下的同一度，或用a表示;F/N為這兩個(gè)集合在問(wèn)題A下的差異度，或用b表示;P/N為這兩個(gè)集合在問(wèn)題A下的對(duì)立度，或用c表示。在上述背景下的同異反聯(lián)系度表示為[5]84。

式中：μ為聯(lián)系度;i為差異不確定系數(shù)，在[-1，1]區(qū)間視不同情況取值，有時(shí)僅起差異標(biāo)記作用;j為對(duì)立度系數(shù)，計(jì)算時(shí)恒取值-1，有時(shí)僅起對(duì)立標(biāo)記作用。而聯(lián)系度μ一般情況下表示等于右邊的式子，特殊情況下才是1個(gè)數(shù)值，此時(shí)稱為聯(lián)系數(shù)[5]84。

確定準(zhǔn)確的聯(lián)系度是決策結(jié)果可信的關(guān)鍵，集對(duì)分析法有別于隸屬度法，它是一種“寬域式”的函數(shù)結(jié)構(gòu)，能充分提高信息的利用率，保證綜合結(jié)果的可信性?；诩瘜?duì)分析的基本思路，在用于水環(huán)境評(píng)價(jià)時(shí)，將待評(píng)價(jià)水體的指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)視為1個(gè)集對(duì)。假定有N個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和不同的評(píng)價(jià)等級(jí)，則由式（6）擴(kuò)展的聯(lián)系度一般形式為[10]

對(duì)數(shù)型冪函數(shù)形式的普適指數(shù)式中，參數(shù)a和b是根據(jù)21項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化得到的。由于用規(guī)范值（j=1，2，…，21）表示的21項(xiàng)指標(biāo)是“等效”的，因此，普適式不僅可以用于21項(xiàng)指標(biāo)的地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)，也適用于少于21項(xiàng)指標(biāo)的某幾項(xiàng)指標(biāo)組合的評(píng)價(jià)，以及單項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)。

2 江安河水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

2.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

江安河始于都江堰，止于雙流華陽(yáng)，是與府河、南河、沙河齊名的成都市4大水系之一，途中流經(jīng)東升、文星、白家、華陽(yáng)5鎮(zhèn)，都江堰市、溫江區(qū)、雙流縣和武侯區(qū)等地，貫穿成都南北。流經(jīng)雙流縣的河段，長(zhǎng)32.15km，河底寬50～70m，河床比降2.5‰，多年平均流量13.4。江安河作為雙流縣縣境河流，系都江堰灌溉河道，長(zhǎng)期以來(lái)存在氨氮超標(biāo)問(wèn)題。張祺等[12]對(duì)江安河四川大學(xué)江安校區(qū)段的研究表明，利用單因子評(píng)價(jià)按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)定性評(píng)價(jià)江安河水質(zhì)，氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)均有超標(biāo)的情況。因此本研究著重選擇對(duì)江安河四川大學(xué)江安校區(qū)段水質(zhì)進(jìn)行研究。根據(jù)水質(zhì)采樣規(guī)程以及采樣的實(shí)際情況與需要，采樣斷面布設(shè)于水電試驗(yàn)場(chǎng)旁、江安校區(qū)青春廣場(chǎng)白石橋處、江安水閘處，取樣斷面的布設(shè)情況如圖1。為避免取樣的偶然性，分別于5月6日、5月7日、5月8日三天對(duì)進(jìn)行取樣，選擇pH、DO、、TP、5項(xiàng)污染指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，三天的監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2.1 單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果

按照我國(guó)《地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）中依據(jù)地表水水域的水環(huán)境功能與保護(hù)目標(biāo)的功能區(qū)對(duì)象劃分，以Ⅲ類水為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行單因子指數(shù)分析，將表2各數(shù)據(jù)分別代入式（1）、（2）、（3）、（4）和式（5）得到表3評(píng)價(jià)結(jié)果。

由表6和圖2可見(jiàn)，不同水質(zhì)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于同一河流相同斷面時(shí)，得出的評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)有差異。在第一天的評(píng)價(jià)結(jié)果中，單因子評(píng)價(jià)法和對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式評(píng)價(jià)的結(jié)果為Ⅲ級(jí)，而集對(duì)分析法評(píng)價(jià)的結(jié)果為Ⅱ級(jí)。結(jié)合實(shí)際情況分析，在5月6日，上游來(lái)水量較低，江安河水閘處于半開(kāi)狀態(tài)，河流流量處于正常狀態(tài)，污染物濃度較低，綜合考慮將其定為Ⅲ級(jí)較為合理。單因子評(píng)價(jià)法與集對(duì)分析法在5月7、8兩日的評(píng)價(jià)結(jié)果一致為Ⅴ級(jí)，而對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅲ級(jí)，因持續(xù)降雨，在5月7日，上游來(lái)水量增加，上游的污染物被水流攜帶至研究區(qū)，導(dǎo)致水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果偏低，因此評(píng)價(jià)等級(jí)為Ⅴ級(jí)較為合理?？梢钥闯觯瑢?duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式的評(píng)價(jià)結(jié)果趨于保守，河流流量的變化對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響不大。

3 結(jié)論

本文通過(guò)采用單因子評(píng)價(jià)法、集對(duì)分析法和對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式分別對(duì)江安河不同監(jiān)測(cè)時(shí)間、不同監(jiān)測(cè)斷面的溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、總磷和氨氮進(jìn)行水質(zhì)分析，得出具體水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)，結(jié)果表明3種方法都能在一定程度上反映水體水質(zhì)情況，說(shuō)明3種方法都可用于河流水質(zhì)評(píng)價(jià)。單因子評(píng)價(jià)法重點(diǎn)考慮突出污染因子的影響，給出具體污染因子的超標(biāo)倍數(shù)，計(jì)算方便，可清晰且直觀的對(duì)比實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值，但忽略了整體水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果;集對(duì)分析法能對(duì)整體水質(zhì)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，但有時(shí)會(huì)忽略個(gè)別權(quán)重較小但存在超標(biāo)現(xiàn)象的指標(biāo);對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式以具體的指數(shù)值連續(xù)性地描述水質(zhì)狀況， 其評(píng)價(jià)結(jié)果能直觀地反映屬于某級(jí)污染的不同程度。集對(duì)分析法和對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式都能對(duì)水質(zhì)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，數(shù)值越大，水質(zhì)越差。當(dāng)選用多種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法對(duì)同一條河流進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，如果出現(xiàn)不一致結(jié)果，則需結(jié)合實(shí)際情況與各評(píng)價(jià)指標(biāo)在水質(zhì)等級(jí)評(píng)定中出現(xiàn)的權(quán)重大小綜合判定最終的水質(zhì)等級(jí)。

參考文獻(xiàn)

[1]郭勁松，王紅，龍騰銳.水資源水質(zhì)評(píng)價(jià)方法分析與進(jìn)展[J].重慶環(huán)境科學(xué)，1999，21（6）：1-3+9.

[2]鄒志紅，孫靖南，任廣平.模糊評(píng)價(jià)因子的熵權(quán)法賦權(quán)及其在水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（4）：552-556.

[3]曾永，樊引琴，王麗偉等.水質(zhì)模糊綜合評(píng)價(jià)法與單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法比較[J].人民黃河，2007，29（2）：45+65.

[4]邱林，唐紅強(qiáng)，陳海濤等.集對(duì)分析法在地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].節(jié)水灌溉，2007（1）：13-15.

[5]童英偉，劉志斌，常歡.集對(duì)分析法在河流水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，8（6）：84-86.

[6]汪嘉楊，王文圣，李祚泳.地面水水質(zhì)評(píng)價(jià)的對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2011，43（3）：12-17.

[7]李祚泳，王嘉楊，郭淳.富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)的對(duì)數(shù)型冪函數(shù)普適指數(shù)公式[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（3）：664-672.

[8]ISBN978-7-5111-1728-1，《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)方法》[S].

[9]陸洲，馬濤.地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的一種新方法——集對(duì)分析法[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2005，31（5）：53-55.

[10]王棟，朱元甡，趙克勤.基于集對(duì)分析和模糊集合論的水體營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用研究[J].HYDROLOGY，2004，24（3）：9-13+41.

[11]劉慧，龔士良.集對(duì)分析及在地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]，工程勘察，2000（5）：16-18.

[12]張祺，徐山琳，陳嘯，等.四川大學(xué)江安校區(qū)景觀水體水質(zhì)特征分析[J].四川環(huán)境，2014，33（4）：83-89.

收稿日期：2020-02-29

作者簡(jiǎn)介：夏茁文（1996-），男，漢族，碩士研究生，研究方向?yàn)樗W(xué)及河流動(dòng)力學(xué)。