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四种水环境质量评价方法在六安市水库中的应用 赵前信 六安市环境监测中心站， 安徽 六安 237000 摘要 利用单因子评价法、 综合污染指数法、 灰色评价法和模糊数学法对 2012 年六安市水库监测数据进行全面、 客观 的水质评价。分析评价结果发现 综合污染指数法符合实际水质， 但是不能反映水质类别; 灰色评价法和模糊数学法 分辨率低。四种水环境质量评价方法中， 单因子评价法是最合适的方法， 综合污染指数法可作为补充， 灰色评价法和 模糊数学法， 可作为参考方法。 关键词 水环境质量评价;单因子评价法; 综合污染指数法; 灰色评价法; 模糊数学法; 水库 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201403027 APPLICATION OF FOUＲ KINDS OF WATEＲ QUALITY UATION IN ＲESEＲVOIＲS IN LU’ AN CITY Zhao Qianxin Lu’ an Environmental Monitoring Center， Lu’ an 237000，China AbstractThe monitoring data of reservoirs in Lu’ an city in 2012 was uated by using single factor uation ， water comprehensive pollution index ，gray uation and fuzzy uation in order to make a comprehensive and objective uation for the water environmental quality of the reservoirs in Lu’ an City． After the analysis and uation， it was found that water comprehensive pollution index was consistent with the water quality but it could not give the water quality grade，and the resolutions of gray uation and fuzzy uation were low． Among four kinds of water environmental quality assessment s， single factor uation was the most suitable one，water comprehensive pollution index could be used as a supplement one， gray uation and fuzzy uation could be used as reference s． Keywordswater environment quality assessment;single factor uation;water comprehensive pollution index;gray uation;fuzzy uation;reservoirs 收稿日期 2013 －07 －31 0引言 地表水环境质量直接影响着人们的生产、 生活质 量和身体健康， 各国都非常重视地表水水质的监测与 评价工作， 十分关注地表水环境质量评价结果。水环 境质量的定量化客观评价是水资源可持续利用的前 提， 是环境管理与决策的依据。客观的评价结果有赖 于科学的评价方法 ［ 1 ］。近年来， 国内外水环境质量评 价方法有多种且各有特色。在国内水质评价工作中， 主要有指数评价法 ［ 2 ］、 灰色评价法［ 3 －4 ］、 层次分析 法 ［ 5 ］、 模糊数学法［ 6 －7 ］、 密切值法［ 8 ］、 物元分析法［ 9 ］ 、 人 工神经网络评价法 ［ 10 ］、 GIS 评价法［ 11 ］等， 没有一种方 法是放之四海而皆准的。一个好的水环境质量评价方 法最主要应该具有准确性、 可比性和可行性等特点。 六安市位于安徽省西部， 大别山北麓， 地跨淮河、 长江两大流域， 地表水系发达。境内现建有大型水库 六座， 分别为梅山水库、 响洪甸水库、 佛子岭水库、 磨 子潭水库、 龙河口水库和白莲崖水库， 是重要水源保 护区和生态屏障区， 肩负着经济发展与生态环境保护 双重重任， 六大水库涉及近 2 500 万人的饮用水安 全。对六安市六大水库水质进行科学、 合理的评价对 于保障六安市饮用水安全以及水污染防治具有十分 重要的意义。选用目前水质评价中应用较为广泛的 单因子评价法、 水质综合污染指数法、 灰色评价法和 模糊数学法， 以六安市六大水库为对象， 通过对比分 析评价结果， 为六安市六大水库水环境质量评价方法 的选择提供参考。 311 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 1选用评价方法 1. 1单因子评价法 根据地表水环境质量标准中规定的污染指标限 值与监测值比较， 选取污染最严重指标的级别作为该 断面水质级别。目前我国环境质量报告书的编制常 用单因子评价法。 1. 2水质综合污染指数法 水质综合污染指数法是用各种污染物的相对污 染指数进行数学上的归纳和统计， 得出一个较简单的 代表水体污染程度的数值。常用的有幂指数法、 加权 平均法、 向量模法和算术平均法。这里介绍算术平均 法 ［12 ］。其表达式为 P 1 n∑ n i 1 pi 1 pi ci si 2 式中 P 为水质综合污染指数; pi为某污染物的分指 数; ci为评价因子的实测浓度值; s i为评价因子的评价 标准值， n 为评价指标的项目数。根据水质综合指数 来判别水体污染程度是相对的， 即对应其水体功能要 求评 价 其 污 染 程 度。此 处 针 对 六 大 水 库 选 取 GB 38382002地表水环境质量标准 ［13 ］Ⅲ类标准 值。依据 P 大小， 对照表 1 可确定水体的污染程度。 表 1综合污染指数 P 分级 Table 1The comprehensive pollution index P classification P 值 P ＜0. 2 0. 2≤P ＜0. 4 0. 4≤P ＜0. 7 0. 7≤P ＜1. 0 1. 0≤P ＜2. 0 P≥2. 0 污染 程度 清洁尚清洁轻污染中污染重污染严重污染 1. 3灰色评价法 水环境系统是一个多因素、 多层次的复杂系统， 水环境质量监测数据是在有限的时间和空间范围内 获得的， 包含已知的信息， 也有未知或不确定的信息， 可视为一个灰色系统。灰色评价法主要包括灰色关 联评价法、 灰色聚类法、 灰色贴近度分析法、 灰色决策 评价法等， 其中灰色关联评价法应用最为广泛［14 ］。 步骤如下 1确定比较序列和参考序列 以各评价因子的 实测值作为参考序列， 即 Αi k i 1， 2， Λ， n; k 1， 2， Λ， m ， 以 GB 38382002 中的标准值为比较序 列， 即 Bj k j 1， 2， Λ， p; k 1， 2， Λ， m。 2数据的无量纲化 由于各因素计量单位不同， 原始数据存在量纲和数量级上的差异， 不同的量纲和 数量级不便于比较， 或者比较时难以得出正确结论。 对各个监测点的水质评价而言， 各个水质的单位可能 不完全相同， 因此， 在计算关联度之前， 必须对监测的 数据和等级标准值进行无量纲化处理。 3求差序列 Δi kxi k－ xj k i 1， 2， Λ， n; j 1， 2， Λ， p 3 4关联系数计算 ξi k Δmin ρΔmax Δi k ρΔmax，ρ 取 0. 5， 4 Δmin min i min k xi k－ xj k 5 Δmax max i max k xi k－ xj k 6 5计算关联系数 ri 1 m∑ k 1 m ξi k i 1， 2， ， p 7 6关系度排序 根据计算出的样本序列与各级 标准序列的关联度， 找出各个关联度中的最大值， 其 对应的等级标准即为该监测点的水质等级。 1. 4模糊数学法 由于水环境中客观存在着大量模糊和不确定的 因素， 比如水质标准的确定， 级别的划分等， 因此模糊 评价法在水质评价中得到广泛的应用。一般步骤如 下 ［15 ］ 1建立对象集、 对象的因素集和评判集。对象 集 S { si︱i 1， 2， ， n} ， si表示第i 座水库; 对象 因素集 U { u1， u2， ， un} ， ui表示水质评价指标; 根 GB 38382002， 把湖库分为 5 个等级。 即评判集 V { Ⅰ， Ⅱ， Ⅲ， Ⅳ， Ⅴ} 。 2进行单因素评价， 建立模糊关系矩阵 Ｒ。由 于水质污染与水质分级都是模糊的， 因此通过隶属函 数求出各项参数对环境质量的隶属度来刻画分级界 限是合理的。若水环境质量指标以数值小为优， 隶属 函数采用偏小型分布。算法见式 8 UA x 1x ＜ a b － x b － a a ≤ x ≤ b 0 {} x ＞ b 8 若水环境质量指标是以数值大为优， 隶属函数采取偏 大型分布。算法见式 9 UA x 0 x ＜ a x － a b － a a ≤ x ≤ b 1 {} x ＞ b 9 411 环境工程 Environmental Engineering 3确定评价因素的权值， 即为 U 上的一个模糊 子集 A {a1， a2， ， an} 。 若评价因素为数值越大， 水环境越优， 则 ai bi ci ， bi表示评价指标多级标准浓 度的最小值， ci表示评价指标的实测浓度值; 若评价 因素为数值越小， 水环境越优， 则ai ci di ， ci表示评价 指标的实测浓度值， di表示评价指标多级标准浓度的 最大值。 为进行模糊复合运算， 须对单因子权重归一 化处理， 即 ai ai ∑ai 。 4进行综合评判， 结果为 B。 权重集 A 和模糊关 系矩阵 Ｒ 合成最后的综合评判结果 B， 公式为 B AＲ; 该运算遵循“相乘取小， 相加取大”的原则。 依 据 B 进行综合评判， 得出水库水环境质量的等级。 2应用实例 运用以上 4 种评价方法对 2012 年六安市六大 水库的水质进行评价。六安市六大水库共设置了 27 个监测点位， 其中梅山水库 5 个、 响洪甸水库 6 个、 佛子岭水库 5 个、 磨子潭水库 4 个、 龙河口水库 6 个、 白莲崖水库 1 个。本文数据来自六安市环境 监测中心站 2012 年例行监测数据， 每个水库利用 先点位平均后时间平均的方法计算得到年均值。 根据 2011 年 3 月环境保护部环办［ 2011］ 22 号地 表水环境质量评价办法 试行 规定， 地表水评价因 子选择 GB 38382002［13］表 1 中除水温、 总氮、 粪 大肠菌群以外的 21 项指标。本文在上述规定的基 础上选择溶解氧、 五日生化需氧量、 高锰酸盐指数、 化学需氧量、 氨氮、 总磷、 挥发酚和铅共八项指标进 行评价， 水环境质量评价标准见表 2。运用单因子 评价法、 综合污染指数法、 灰色评价法以及模糊数 学法分别对 2012 年六安市六大水库的监测数据进 行评价， 结果见表 3。 表 2地表水环境质量评价标准 Table 2Environmental quality standards for surface watermg/L 评价类别溶解氧化学需氧量高锰酸盐指数生化需氧量氨氮总磷挥发酚铅 Ⅰ7. 521530. 150. 010. 0020. 01 Ⅱ641530. 50. 0250. 0020. 01 Ⅲ562041. 00. 050. 0050. 05 Ⅳ3103061. 50. 10. 010. 05 Ⅴ21540102. 00. 20. 10. 1 表 3四种方法评价结果 Table 3The uation of four kinds s 水库评价方法 评价等级 ⅠⅡⅢⅣⅤ 水质类别污染程度超标因子 磨子潭单因子评价Ⅱ 综合污染指数尚清洁 灰色评价法0. 98180. 94330. 70710. 53840. 3459Ⅰ 模糊数学法0. 77570. 2243000Ⅰ 佛子岭水库单因子评价Ⅱ 综合污染指数尚清洁 灰色评价法0. 97940. 94480. 70760. 53840. 3458Ⅰ 模糊数学法0. 76540. 2346000Ⅰ 梅山水库单因子评价Ⅱ 综合污染指数尚清洁 灰色评价法0. 99870. 91880. 69540. 53270. 342659Ⅰ 模糊数学法0. 86640. 1336000Ⅰ 响洪甸水库单因子评价Ⅱ 综合污染指数尚清洁 灰色评价法0. 99370. 91650. 69320. 53090. 3413Ⅰ 模糊数学法0. 85990. 1401000Ⅰ 龙河口水库单因子评价Ⅱ 综合污染指数尚清洁 灰色评价法0. 98640. 90240. 68250. 52410. 3367Ⅰ 模糊数学法0. 86690. 2250000Ⅰ 白莲崖水库单因子评价Ⅱ 综合污染指数尚清洁 灰色评价法0. 99870. 92240. 69530. 53380. 3442Ⅰ 模糊数学法0. 88170. 1183000Ⅰ 511 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 3计算结果与分析 单因子评价结果显示 六大水库水质类别均为Ⅱ 类， 与实际水质状况符合， 可以确保六安市及周边地 区饮用水安全。单因子评价法的实质是选取污染最 严重指标的级别作为该断面的水质级别， 因此与其他 方法相比， 其水质评价结果是最差的， 表现为过保护。 水质越差， 单因子评价方法与其它方法所得结果差别 越大; 反之亦然， 当水环境质量为Ⅰ类时， 单因子评价 方法与其它方法所得结果完全吻合［1 ］。由数据可以 得出 2012 年六大水库单因子评价结果和灰色评价 法以及模糊数学法只相差一个等级。分析原因一是 因为水库水质本身较好， 其次是因为评价指标的选择 正确。2011 年之前湖库水质评价时， 选取总氮作为 评价指标。而在我国， 湖库总氮超标是很普遍的现 象， 总氮是否参与评价， 对湖库水质类别归属有很大 的影响， 总氮参与评价时， 单因子评价结果偏低。根 据环办［ 2011］ 22 规定， 现行地表水环境质量评价中 总氮不参与评价。这就使得单因子评价结果与其它 方法评价结果更为接近， 也更符合水库的实际水质， 其缺点是无法进行水库污染程度比较， 因而需要其它 方法进行补充。 单因子评价法过程简单， 无需复杂计算， 可以直 接了解水质状况与评价标准之间的关系， 给出各评价 因子的达标率、 超标率以及超标倍数等特征值。这种 评价方法最大的优点就是能确保水体的安全， 因此单 因子评价方法是目前最常用也是最成熟的方法， 在环 境管理中具有较强的指导性。 综合污染指数法结果显示 六大水库水质污染程 度均为尚清洁， 与实际水质情况吻合。污染指数法考 虑了污染因子的实测值和标准值， 用超标倍数表示评 价因子的污染程度， 进而反映水质状况， 但不能判断 综合水质类别。污染指数是一个连续变化的数值， 可 以反映水质的微小变化趋势。当水质在一个类别内 变化时， 利用类别法就无法判断水质变化情况， 而综 合污染指数法此时具有较好的适用性， 可以作为单因 子评价的有益补充。 灰色关联度分析法和模糊数学法评价结果显示 二者评价结果完全一致， 六大水库均为Ⅰ类水质。可 以看出灰色关联度分析法和模糊数学法较单因子评 价法和综合污染指数法乐观， 且分辨率低。用灰色评 价法进行水环境质量评价， 除理论上能体现水环境系 统的不确定性之外， 其评价结果具有明显的排序， 不 仅体现在水库内部评价指标间的排序， 还体现在水库 之间的排序， 具有一定的纵向与横向可比性， 是一种 较好的水质评价方法。在理论上， 模糊数学法体现了 水环境的不确定性和模糊性， 具有一定的合理性。灰 色关联度分析法和模糊数学法均具有以下特点 1 需对评价指标进行权重确定。权重的选择带有人为 因素， 影响评价结果。2需对各因子归属度矩阵与 因子权重集相乘， 得到一个评判向量。3分辨率低， 评价结果的水质类别不能完全反映国家水质控制标 准的要求。4计算过程相对复杂。因此灰色关联度 分析法和模糊数学法可作为六安市水库水质评价的 参考方法。 4结论 目前水环境质量评价方法有很多种， 没有一种放 之四海而皆准的方法， 每种方法都各有利弊， 需要不 断完善， 各种方法之间也可以相互补充。六安市水库 水质评价方法首选单因子评价法， 并以综合污染指数 法为补充。单因子评价方法与水库实际水质类别比 较符合， 能确保水体的安全， 且单因子评价方法简单 明了， 无复杂的计算过程， 但是单因子评价法不能反 映水库的污染程度。以综合污染指数法为补充可以 掌握水库的污染程度， 弥补单因子评价的不足。灰色 关联度分析法和模糊数学法结果相对乐观， 分辨率较 低， 但是能反映出水体中未知的、 模糊的和不确定的 信息， 可以作为六安市水库水质评价的一种参考。在 实际水质评价中， 为了避免各种评价方法存在的不 足， 可以选取几种方法结合起来， 使评价结果更为客 观、 科学， 能更好地为环境管理服务。 参考文献 ［1］李名升， 张建辉， 梁念， 等， 常用水环境质量评价方法分析与比 较［J］． 地理科学进展， 2012， 31 5 617- 624． ［2］薛巧英， 刘建明． 水污染综合指数评价方法与应用分析［J］． 环 境工程， 2004， 22 1 64- 69． ［3］汪万芬， 钱东升， 谭绿贵． 改进灰色关联分析法在淠河水环境质 量评价中的应用［ J］ ． 水资源与水工程学报， 2009， 20 2 57- 59． ［4］陈玲， 张成， 夏世斌， 等． 灰色关联度分析法在水质评价中的应 用［J］． 环境科学与管理， 2012， 37 2 162- 166． ［5］方燕， 党志良． 基于层次分析法的渭河流域水环境质量综合评 ［J］． 水资源与水工程学报， 2005， 16 1 45- 48． ［6］潘峰， 付强， 梁川． 模糊综合评价在水环境质量综合评价中的应 用研究［J］． 环境工程， 2002， 20 2 58- 61． ［7］汪万芬， 谭绿贵， 刘晓升． 基于模糊综合评价法的淠河水环境质 量评价［J］． 资源开发与市场， 2008， 24 5 410- 412． 下转第 120 页 611 环境工程 Environmental Engineering 包括废水项目、 废气项目、 废水重金属项目等多个项 目 的监测能力; 其次， 对各个考核样品的判定结果， 赋 予不同分值进行综合计算， 如“满意” 项目分值为 50 分 ， “有问题” 项目分值为 30 分 ， “不满意” 项目分值为 0 分。将各项目得分相加， 计算各实验室的综合得分 S 换算为百分制 ， 按照分数段对所有实验室的考核结 果进行分级， 评估每个实验室的综合能力， 其中 95≤S ≤100 为 “优” ， 80≤S ＜95 为 “良” ， 60≤S ＜80 为 “中” ， S ＜60 为 “不及格” 。实际应用中， 可根据一定的比例， 对 “满意 ” 、 “不满意 ” 、 “有问题” 三种结果进行赋分， 关 键是给予各实验室的综合得分应统一换算为百分制 后， 才可进一步评估各实验室的综合能力。能力验证 综合评价实例见表3， 综合得分 S 计算方法如下 S 100 na∑ n i 1 Si 式中 S 为综合得分 已换算为百分制 ; Si为单项目 得分; n 为项目个数; a 为满意项目的分值 50 。 表 3某次污染源监测能力验证综合评价结果实例 Table 3The example of the comprehensive uation result in a proficiency testing project in emission monitoring 能力验证 参加单位 项目 1 得分 项目 2 得分 项目 3 得分 项目 4 得分 综合得分 换算成 百分制 评价 结论 单位 150 00025不及格 单位 20 0303030不及格 单位 350 300040不及格 单位 430 0305055不及格 单位 550 5030065中 单位 650 5050075中 单位 750 0503065中 单位 850 30505090良 单位 950 50503090良 单位 1050 505050100优 注 参加单位 110 编号为中国环境监测总站组织的 2012 年国 控重点污染源监测能力验证活动中， 随机抽取的 10 家单位。 3结论 能力验证是判断和监控实验室能力的有效手段， 是实验室通过外部措施补充其内部质量控制方法的 技术， 是确保实验室质量管理体系持续改进的有效措 施之一。开展污染源监测能力验证工作对于规范污 染源监测工作， 提升污染源监测能力至关重要。在能 力验证过程中方案设计非常关键， 从技术和统计两个 方面着手， 对能力验证工作包含的每一个环节进行规 范， 确保能力验证顺利开展。在进行能力验证结果评 价时， 统一浓度的考核样品可直接使用 CNAS- GL 02 中的方法进行评价， 不同浓度的测试样品可采用归一 化法和相对误差法进行 Z 比分数计算， 然后再进行 评价。对于每个参加能力验证考核的单位， 测试多个 项目时， 可采用综合加权评价的方法 或采用均权 法 ， 综合考虑各个项目的能力验证分级评价结果进 行污染源监测综合能力评价。 参考文献 ［1］王承忠． 实验室间比对的能力验证及应用实例［J］ ． 理化检验 － 物理分册， 2009， 45 7 423- 430． ［2］张庆华， 李文龙， 马振珠， 等． CNCA － 05 － 08 能力验证方案设 计探讨［J］． 现代科学仪器， 2007 2 117． ［3］邢建， 池靖， 徐琳． 开展实验室能力验证是环境监测质量管理的 重要环节［J］． 现代测量与实验室管理， 2006 3 44． ［4］CNAS- GL 02 能力验证结果的统计处理和能力评价指南［S］． ［5］邢小茹， 马小爽， 田雯， 等． 实验室间比对能力验证中的两种稳 健统计技术探讨［J］． 中国环境监测， 2011， 27 4 4- 8． ［6］王承忠． 实验室间比对的能力验证及稳健统计技术［J］． 理化 检验 物理分册， 2004， 40 7 372- 376， 2005， 41 1 48- 51． 第一作者 李莉娜 1979 － ， 女， 工程师， 主要从事环境监测。lilina cnemc． cn 通讯作者 唐桂刚 1972 － ， 男， 高级工程师， 研究生， 主要从事环境监 测。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 tanggg cnemc． cn 上接第 116 页 ［8］薛文平， 刘兆丽， 孙衍宁， 等． 密切值法在地面水环境质量评价 中的应用［J］ ． 环境工程， 2003， 21 1 67- 69． ［9］马禄义， 李加军， 孙宝年， 等． 基于物元可拓法和偏好熵权的饮 用水源水质评价以天津市大港区为例［J］ ． 环境科学与技 术， 2010， 33 8 177- 181． ［ 10］郭庆春， 何振芳， 李力， 等． BP 神经网络在渭河水环境质量评价 中的应用［J］． 水土保持通报， 2011， 31 4 112- 115． ［ 11］吴秋兰， 梁勇， 白娟， 等． Web GIS 在水质信息系统中的应用研 究［J］． 测绘科学， 2008， 33 2 172- 174． ［ 12］牟春友， 徐坤． 在评价微污染水体中均值污染指数评价方法和 活性污染指数评价方法的比较［J］． 中国环境监测， 2009， 25 3 104- 106． ［ 13］GB 38382002 地表水环境质量标准［S］． ［ 14］邓聚龙． 灰色系统基本方法［M］． 武汉 华中理工大学出版社， 1987 31- 33. ［ 15］张小君， 徐中民， 宋晓谕， 等． 几种水环境质量评价方法在青海 湖入湖河流中的应［J］． 环境工程， 2013， 31 1 117- 121． 第一作者 赵前信 1982 － 女， 工程师， 主要研究方向为环境监测综合 技术。19296712 qq． com 021 环境工程 Environmental Engineering