三種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法運(yùn)用于嘉陵江漢中段水質(zhì)分析對(duì)比

宋英鴻，吳來(lái)奇，蔣丹哲

（漢中水文水資源勘測(cè)中心,陜西 漢中 723000）

現(xiàn)階段水質(zhì)評(píng)價(jià)方法多樣,而且不同評(píng)價(jià)方法各有優(yōu)點(diǎn)與不足,因此本文將采用單因子評(píng)價(jià)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法、灰色聚類法三種方法對(duì)2022 年嘉陵江漢中段水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析,并對(duì)比分析這三種方法。

1 研究概況及數(shù)據(jù)

嘉陵江是長(zhǎng)江上游左岸一級(jí)支流,有東西兩源,東源為陜西省寶雞鳳縣北面秦嶺代王山西側(cè)大南溝,西源出自天水寨子山,稱西漢水。嘉陵江干支流水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面在漢中段設(shè)有白水江、略陽(yáng)、燕子砭、小廠、封家壩、香樹(shù)坪、西淮壩、廣坪,依據(jù)斷面情況以及監(jiān)測(cè)實(shí)際情況,本文將主干上游白水江、中游略陽(yáng)、下游燕子砭三個(gè)斷面作為分析對(duì)象。依據(jù)2022 年全年水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目高錳酸鹽指數(shù)CODMn、化學(xué)需氧量CODGr、總磷TP、氨氮NH3-N、溶解氧DO 檢測(cè)數(shù)據(jù),采用三種分析方法對(duì)每月水質(zhì)進(jìn)行分析評(píng)價(jià),數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2 評(píng)價(jià)方法與計(jì)算

2.1 單因子評(píng)價(jià)法

水質(zhì)按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）評(píng)價(jià),以白水江為例,評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法

2.2.1 方法原理

此方法是對(duì)水中污染物進(jìn)行分類,對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),可以避免單因子對(duì)評(píng)價(jià)造成影響,綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的基本構(gòu)成是：

式中：X1為綜合水質(zhì)級(jí)別；X2為水質(zhì)類別變化范圍內(nèi)所處的實(shí)際位置；X3為水質(zhì)類別未達(dá)標(biāo)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的數(shù)量；X4為綜合水質(zhì)與監(jiān)測(cè)目標(biāo)對(duì)比結(jié)果。

X1.X2是用來(lái)反映水環(huán)境狀況,X3X4是用來(lái)判斷水體的水質(zhì)指標(biāo)和綜合水質(zhì)類別達(dá)標(biāo)情況。綜合水質(zhì)指數(shù)對(duì)應(yīng)的綜合水質(zhì)類別通過(guò)X1.X2反應(yīng),見(jiàn)表3[1],其中X1.X2數(shù)值越大,綜合水質(zhì)越差。

表3 綜合水質(zhì)指數(shù)對(duì)應(yīng)的綜合水質(zhì)類別

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

DO 評(píng)價(jià)方式有特殊性,其值越大,水質(zhì)狀況越好,為與其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目評(píng)價(jià)時(shí)保持一致性,因此計(jì)算其水質(zhì)因子的時(shí)候,將《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）中,濃度值判定方法轉(zhuǎn)變?yōu)椴伙柡投扰卸╗2],見(jiàn)表4。

表4 溶解氧不飽和度評(píng)價(jià)水質(zhì)類別

計(jì)算2022 年1 月～12 月白水江、略陽(yáng)、燕子砭溶解氧不飽和度值,以白水江為例,見(jiàn)表5。

2.2.3 結(jié)果計(jì)算

根據(jù)式（1）計(jì)算2022 年1 月～12 月白水江、略陽(yáng)、燕子砭各水質(zhì)項(xiàng)目的WQI 值,其中溶解氧水質(zhì)因子參考表4、表5,各計(jì)算結(jié)果按表3 進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 灰色聚類法

該方法是將水質(zhì)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化之后,以白化函數(shù)為基礎(chǔ),按照灰類進(jìn)行類別系數(shù)分配,通過(guò)聚類系數(shù),判斷所屬的灰類,并進(jìn)行最終水質(zhì)類別評(píng)價(jià)。

2.3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

（1）樣本標(biāo)準(zhǔn)化處理

因各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目量綱不統(tǒng)一,需標(biāo)準(zhǔn)化處理樣本數(shù)值,設(shè)有i=1,2,3,…n 個(gè)聚類對(duì)象,j=1,2,3,…m 個(gè)聚類指標(biāo),計(jì)算公式如下：

式中：Xij為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值；Sij為實(shí)測(cè)值；Sj為聚類指標(biāo)所參考的標(biāo)準(zhǔn)值,本文根據(jù)監(jiān)測(cè)斷面目標(biāo)水質(zhì)類別確定各聚類指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。

以白水江為例,根據(jù)公式（2）標(biāo)準(zhǔn)化樣本值,見(jiàn)表7。其中DO 按表4 評(píng)價(jià)。

表7 2022 年1 月～12 月白水江標(biāo)準(zhǔn)化樣本值

（2）灰類標(biāo)準(zhǔn)化處理

設(shè)有k=1,2,3,…k 個(gè)聚類灰數(shù),根據(jù)式（3）進(jìn)行灰類標(biāo)準(zhǔn)化處理,見(jiàn)表8。

表8 白水江灰類標(biāo)準(zhǔn)處理結(jié)果

式中：γjk為第j 個(gè)指標(biāo)k 個(gè)灰類的標(biāo)準(zhǔn)化值；Cjk為第j 個(gè)指標(biāo)k 個(gè)灰類的灰數(shù)；Sj為j 指標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)白水江目標(biāo)水質(zhì)類別Ⅲ類,灰類標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果見(jiàn)表8。

2.3.2 確定白化函數(shù)

本文選取典型的白化函數(shù)模型[3]。

當(dāng)k=1 時(shí),白化函數(shù)為：

當(dāng)k=2,3,4 時(shí),白化函數(shù)為：

當(dāng)k=5 時(shí),白化函數(shù)為：

2.3.3 計(jì)算聚類系數(shù)

根據(jù)以次按照式（7）、式（8）、式（9）,計(jì)算各樣本的聚類系數(shù)。

式中：ηjk為灰類權(quán)重值；θjk為灰類聚類權(quán)；ωik為第i 個(gè)聚類對(duì)象隸屬第k 灰類的程度。

以白水江為例,聚類系數(shù)見(jiàn)表9。

表9 2022 年1 月～12 月白水江聚類系數(shù)

按照最大隸屬原則,ωik中最大值為樣本隸屬的灰類,稱對(duì)象i 屬于灰類k。按灰色聚類法,評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 灰色聚類法評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)論與分析

對(duì)比3 種方法評(píng)價(jià)結(jié)果,見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 2022 年1 月～12 月白水江水質(zhì)評(píng)價(jià)對(duì)比圖

圖2 2022 年1 月～12 月略陽(yáng)水質(zhì)評(píng)價(jià)對(duì)比圖

圖3 2022 年1 月～12 月燕子砭水質(zhì)評(píng)價(jià)對(duì)比圖

從圖中可以看出,2022 年白水江、略陽(yáng)、燕子砭水質(zhì)均為Ⅰ、Ⅱ類,水質(zhì)狀況穩(wěn)定。結(jié)合表6、表10,分析如下：

（1）采用單因子評(píng)價(jià)法時(shí),Ⅱ類居多,同一水質(zhì)用單因子評(píng)價(jià)時(shí)為Ⅱ類,但用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)法、灰色聚類法分別進(jìn)行分析時(shí),有可能為Ⅰ類,比如4 月白水江水質(zhì)類別。

（2）采用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)法進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),由于白水江、略陽(yáng)、燕子砭水質(zhì)情況良好,其分析結(jié)果總體偏優(yōu),無(wú)法提供有效信息。

（3）灰色聚類法與綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)法具有同樣的問(wèn)題,評(píng)價(jià)結(jié)果總體偏優(yōu),但灰色聚類法在分析時(shí),計(jì)算了水質(zhì)斷面在各灰類的聚類系數(shù),見(jiàn)表10,因此當(dāng)水質(zhì)評(píng)價(jià)類別相同時(shí),可根據(jù)聚類系數(shù)對(duì)比同一類別的水質(zhì)優(yōu)良情況。比如白水江1 月和2 月水質(zhì)類別均為Ⅰ類,但其聚類系數(shù)分別為0.866,0.945,說(shuō)明白水江2 月水質(zhì)優(yōu)于1 月。

通過(guò)以上分析,可得出對(duì)嘉陵江漢中段水質(zhì)進(jìn)行常規(guī)水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí),可采取單因子評(píng)價(jià)法,簡(jiǎn)單易行,并且對(duì)結(jié)果要求更嚴(yán)格。但是需要進(jìn)一步分析同一類別的水質(zhì)狀況時(shí),可采取灰色聚類法,比較水質(zhì)優(yōu)良狀況。