水环境质量评价中的几种方法.pdf

第6 2 卷第3 期 2010 年8 月 有色金属 N O i l f e I T O I I SM e t a l s V 0 1 ．6 2 ，N o ．3 A u g ．2010 水环境质量评价中的几种方法 初征 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要通过理论阐述及实例分析，对指数法、模糊综合评判法、灰色聚类法和物元分析法等四种常用的水环境质量评价方 法进行比较分析，并对各种评价方法的优点和不足做出总结。结果表明，物元分析法的评价结果更趋台理。 关键词环境工程；水环境质量评价；指数法；模糊综合评判法；灰色聚类法；物元分析法 中图分类号X 8 2 4文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 3 0 1 6 0 0 3 随着社会的发展，水环境污染已经对人类社会 的可持续发展带来严重的威胁，因此水环境质量评 价也成为环境质量评价中的一项重要内容。通过一 定的数理方法与手段，对区域水环境质量状况做出 定量描述，摸清区域水环境质量发展趋势及其变化 规律，从而为水资源开发、利用和保护提供重要的科 学依据。目前在水质评价中已经形成了一些比较成 熟的评价方法，如指数法、模糊综合评判法、灰色聚 类法、物元分析法等。用文献[ 1 ] 中的数据，采用不 同评价方法对沙坪河流域水体水质进行评价，并对 各种方法的评价结果作对比分析。 l 水环境质量评价方法 1 ．1 指数法1 水环境质量评价指数法是根据水质组分浓度相 对于其环境质量标准的大小来判断水环境质量状 况。指数评价法可分为单因子污染指数法和水质综 合污染指数法，单因子污染指数表示单项污染物对 水质污染影响的程度，水质综合污染指数表示多项 污染物对水质综合污染的影响程度。 单因子污染指数法是将每种单一因子的实测浓 度与评价标准作比较，选择其中最差级别作为该区 域的水质状况类别的评价方法。该方法的缺点是只 考虑了水体单个因子的影响，无法反映水环境的整 体污染情况。 水质综合污染指数法是指在求出各个单一因子 污染指数的基础上，再经过数学运算得到一个水质 收稿日期2 0 1 0 0 1 0 4 作者简介初征 1 9 8 2 一 ，女，沈阳市人，助理工程师，硕士，主要 从事环境影响评价等方面的研究。 综合污染指数，据此评价水质，并对水质进行分类的 方法。水质综合污染指数法能反应水体整体的污染 情况，弥补了单因子指数法只考虑单个因子影响的 不足，但综合污染指数法将各因子的影响均一化，掩 盖了主要污染因子的作用。此外，水质综合污染指 数法是对整体水质做出的定量描述，综合污染指数 的比较只能在同一类别水体中进行，也可以进行年 际比较，但不同类别的水体之间缺少可比性。 1 ．2 模糊综合评判法 模糊综合评判法已成为水质评价的一种常用方 法，是定量研究水环境质量的一种有效手段。首先 对各因子进行评价，然后考虑各因子在总体中的地 位配以适当权重，在此基础上用模糊概念进行推理， 经过运算得出评价结果。模糊综合评判法利用隶属 函数描述水质分界线，通过函数关系，把描述水质污 染问题的现状监测值，转化为反映水质优劣程度的 质量值，其评价结果是以一个模糊集合来表示。 模糊综合评判法通常采用“取大、取小”的运算 法则，这是一种“主因素突出型”的方法，而在污染 因素较多，各污染因子权重较少时，这种取大、取小 运算将会丢失很多有用的信息。此外，模糊综合评 判法一般采用线性加权平均模型得到评判集，使评 判结果易出现失真、失效、均化、跳跃等现象，存在水 质类别判断不准确或者结果不可比的问题，因此在 应用该方法进行水质综合评价时还需进一步解决权 重合理分配和可比性问题“ “1 。 1 ．3 灰色聚类法 灰色聚类法是利用灰色系统理论进行水质评价 的一种方法。灰色聚类分析是充分利用已知信息， 将灰色系统淡化、白化，将聚类对象在不同聚类指标 下，按灰类进行归纳，以判断该聚类对象属于哪一 万方数据 第3 期 初征z k 环境质量评价中的几种方法 类，最终得到评价结果“ o 。与模糊综合评判法一 样，灰色聚类法也引用了权重概念，而且权重隐含在 各类分级标准中，使评价结果更加贴近水环境质量 实际情况。 与其他评价方法相比，灰色聚类法不仅注意到 水质分级界限的模糊性，而且不同的级别都有不同 的聚类权，避免了用～个固定基准的不合理之 处∞o ，克服了受单个因子影响较大的局限。然而采 用该方法在环境质量评价中也存在信息丢失问题， 因此在实际应用中还需进一步对其加以改进，从而 提高评价结果的准确性。 1 ．4 物元分析法 物元分析理论是由我国学者蔡文创立的，将水 质标准、评价指标及其特征值作为物元，对评价标准 及实测数据做归一化处理后，得到了模型的经典域、 节域、权重及关联度，建立了水环境质量评价的物元 模型【7 。。利用物元分析方法，可以建立事物多指标 性能参数的质量评定模型，并能以定量的数值表示 评定结果，从而能够较完整地反映事物质量的综合 水平，并易于用计算机进行编程处理”。。 模糊综合评判法、灰色聚类法等两种方法虽然 考虑了水环境质量评价的模糊性和不确定性，但模 糊数学中的隶属度与灰色聚类中的白化值的取值范 围均在0 ～l 之间变化，如隶属度与白化值均为I 时，就不能进一步体现出集合或系统内的变化，即两 种理论都无法体现出级别区间内变化的特征。物元 分析引入了可拓集合的概念，使得关联函数的取值 范围超出了0 ～1 的限制，得以扩展到整个实数域。 当监测值在评价级别区间外时，关联函数值为负。 当监测值在评价级别区间内时，关联函数值为正。 显然这种处理方法考虑了级别区间内外的变化特 征，在物理意义上可达到更加精确刻划。 除指数法外，其余三种方法从评价步骤上看基 本一致。先依据监测值与评价标准之间的关系确定 隶属度或白化值、关联度，然后依照指标间相对重要 性确定各指标的权重，再进行数学运算得到评判向 量，以向量中值最大所对应级别作为所属级别，因此 也体现了这些方法在思想上的一致性渖。。 2实例分析 引用文献[ 1 ] 中的数据，分别采用物元分析法、 灰色聚类法和单因子指数法对沙坪河流域水质进行 现状评价，并结合文献[ 1 ] 采用的模糊综合评判法 的评价结果作对比分析。 2 ．1 评价指标与评价标准 评价中选取了溶解氧、化学耗氧量、生化需氧 量、氨氮、挥发酚等5 个参数作为评价因子。评价标 准采用G B 3 8 3 8 - 2 0 0 2 地表水环境质量标准，如表 l 所示。沙坪河流域水质监测结果见表2 。 表1水环境质量评价指标及评价 标准／ m g L “ T a b l e1 E v a l u a t i n gi n d i c a t o r sa n ds t a n d a r do f w a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t ya s s e s s m e n t 表2 沙坪河流域水质监测值／ m g L 。1 T a b l e2S u r f a c ew a t e rq u a l i t ym e a s u r e m e n t 监测断面D OC O D 。，B O D 5H H j N挥发酚 龙口河 4 ．4 52 3 ．4 52 ．30 ．2 7 20 ．0 1 1 桃源医院6 ．12 2 ．4 53 ．1 50 ．3 1 30 ．0 2 5 玉桥0 ．7 5 3 ．8I ．10 ．9 3 50 ．0 3 8 沙坪水闸 1 ．6 52 8 ．5 51 ．3 50 ．6 5 60 ．0 1 5 2 ．2 评价结果比较 四种评价方法的评价结果如表3 所示。 表3 不同评价方法的评价结果 T a b l e3R e s u l t so fd i f f e r e n te v a l u a t i n gm e t h o d s 由表3 可以看出，由于不同水质评价方法原则 制定的差异性，评价结果会经常出现不一致。单因 子指数法是选择最差级别作为区域水质状况类别， 因此各点位的评价结果均为V 类水体。然而该方法 没有考虑水质分级界限的模糊性，丢失了模糊信息， 不能客观地反映水质的实际状况。灰色聚类法和模 糊综合评判法虽然克服了单因子评价法中受个别因 素影响较大的缺陷，但这两种方法的“降半梯形”的 函数构造形式和基于评价标准的因子权重确定方 法，容易造成评价结果的平均化‘1 ”1 1 。。如采用模糊 综合评判法对龙口河断面一、二等级的综合评价结 果均为0 ．1 4 3 ，对玉桥断面二、三等级的综合评价结 果均为0 ．0 7 8 ，无法反映区域水质的实际状况。物 薹|噼|宝叭J 仉m n m O 坫5 O 5 O n O ，●2 3 3 4 6 加 5 5 O O O ●●2 3 4 o 6 5 3 2 7 级级级级级 ●ⅡⅢⅣV 万方数据 1 6 2 有色金属第6 2 卷 元分析法的评价结果与模糊综合评判法相比，有两 个断面不同，而与灰色聚类法的评价结果相比只有 一个断面不同，且只相差一级，其余三个断面的评价 结果均一致。在物元分析法的计算中，由于关联函 数可以取负值，因此可以综合各种因素信息全面地 分析待评对象属于某一等级的程度，使评价结果更 接近于实际情况，比较客观地反映了水体水质状况。 3结论 结合实例，分别采用单因子污染指数法、灰色聚 类法及物元分析法对沙坪河流域水环境质量进行评 参考文献 价，并与模糊综合评判法的评价结果进行比较。结 果表明，不同评价方法的评价结果并不一致。单因 子污染指数法的评价结果均为V 类水体，物元分析 法的评价结果与模糊综合评判法相比，有两个断面 不同，而与灰色聚类法的评价结果相比只有一个断 面不同，且只相差一级，其余三个断面的评价结果均 一致，使评价结果更接近于实际情况，比较客观地反 映了水体水质状况。在具体应用中，还需依据实际 情况选择较为合适的评价方法，从而为环境决策提 供较为可靠的科学依据。 [ 1 ] 郜慧，金辉．模糊综合评判法在沙坪河流域水质评价中的应用[ j ] ．人民珠江，2 0 0 5 ， 6 5 0 5 l ，7 1 ． [ 2 ] 白云鹏，陈永健．常用水环境质量评价方法分析[ J ] ．河北水利，2 0 0 7 ， 6 1 8 1 9 ． [ 3 ] 蒋火华，梁德华，吴贞丽．河流水环境质量综合评价方法比较研究[ J ] ．干旱环境监测，2 0 0 0 ，1 4 3 1 3 9 1 4 2 ． [ 4 ] 孙燕玲．水环境质量评价方法浅析[ J ] ．山西化工，2 0 0 7 ，2 7 5 6 5 6 7 ． [ 5 ] 袁东，付大友．聚类分析在水环境质量评价中的应用进展[ J ] ．四川轻化工学院学报，2 0 0 3 ，1 6 3 5 0 一5 5 ． [ 6 ] 周林飞，许士国，孙万光．基于灰色聚类法的扎龙湿地水环境质量综合评价[ J ] ．大连理工大学学报，2 0 0 7 ，4 7 2 2 4 0 2 4 5 ． [ 7 ] 蔡文．物元模型及其应用[ M ] ．北京科学技术文献出版社，1 9 9 4 5 1 0 ． [ 8 ] 韩家悦，吕海峰，门宝辉．物元分析法在水环境质量评价应用中的初探[ J ] ．南水北调与水利科技，2 0 0 5 ，3 2 3 3 3 5 ．4 0 ． [ 9 ] 沈珍瑶，谢彤芳．环境质量评价中若干评价方法的比较[ J ] ．干旱环境监测，1 9 9 8 ，1 2 1 2 5 2 7 ． [ 1 0 ] 薛巧英．水环境质量评价方法的比较分析[ J ] ．环境保护科学，2 0 0 4 ，3 0 4 6 4 6 7 ． [ 1 1 ] 赵卫，刘景双，孔凡娥．物元模型及其在区域水环境质量评价中的应用[ J ] ．云南环境科学，2 0 0 6 ，2 5 2 4 0 4 3 ． D i s c u s s i o no nW a t e rE n v i r o n m e n tQ u a l i t yA s s e s s m e n tM e t h o d s C H UZ h e n g B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e 析n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h r o u g ht h e o r e t i c a le x p l a n a t i o na n d c a s ea n a l y s i s ，t h ec o m m o nm e t h o d so fw a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t y a s s e s s m e n t ，s u c h a se x p o n e n te v a l u a t i o n ，f u z z ys y n t h e t i ce v a l u a t i o nm e t h o d ，g r e yc l u s t e r i n gm e t h o da n dm a t t e r e l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ，a r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，a n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ed e s c r i b e d ．T h e r e s u l t ss h o wt h a tt h em a t t e re l e m e n ta n a l y s i sm e t h o dc o u l dg e tb e t t e ra g r e e m e n tw i t hp r a c t i c a lw a t e re n v i r o n m e n t a l q u a l i t yt h a nt h a tt h eo t h e rm e t h o d s ． K e y w o r d s e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ；w a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t ya s s e s s m e n t ；e x p o n e n te v a l u a t i o n ；f u z z y s y n t h e t i ce v a l u a t i o nm e t h o d ；g r e yc l u s t e r i n gm e t h o d ；m a t t e re l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d 万方数据