單因子評價法和改進的灰色關(guān)聯(lián)度在水質(zhì)評價中的應(yīng)用

宋日文

1 引言

黃壁莊水庫作為國家一級水源保護區(qū)，良好的水質(zhì)狀況是農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、環(huán)境用水及生活用水的充分保障；隨著庫區(qū)周圍經(jīng)濟的不斷發(fā)展及人類活動的影響，水庫水質(zhì)受到一定的破壞，污染物含量超標(biāo)已經(jīng)嚴(yán)重影響水庫的供水情況，因此對黃壁莊水庫進行持續(xù)的生態(tài)監(jiān)測及合理的水質(zhì)評價，對于改善庫區(qū)水質(zhì)狀況，制定水庫治理措施方案具有一定的支撐作用。

地表水水質(zhì)評價是指參照地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，并選取一定的水質(zhì)參數(shù)及評價方法，對水庫、河流、湖泊、沼澤、海洋等水體的質(zhì)量及有效利用價值進行評定。良好的水質(zhì)評價是確定水體的水質(zhì)類別、確保不同部門用水安全、合理充分利用水資源的重要保證依據(jù)[1]。近年來，隨著研究方法的不斷創(chuàng)新，多種不同的水質(zhì)評價方法逐漸涌現(xiàn)出來[2]，其中，單因子評價法[3]、內(nèi)梅羅指數(shù)法[4]、灰色評價法[5]、主成分分析法[6]等被廣泛應(yīng)用于各個學(xué)術(shù)領(lǐng)域。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，采用單因子評價法、灰色評價中的灰色關(guān)聯(lián)度分析法以及改進的灰色關(guān)聯(lián)度分析法分別對黃壁莊水庫滹沱河與南甸河的匯合口、冶河河口、石津干渠取水口、庫區(qū)中心1、庫區(qū)中心2等五個監(jiān)測點不同時期的污染物含量進行分析，并確定黃壁莊水庫的水質(zhì)類別。不同的評價方法評價結(jié)果不同，但造成污染的主要原因不盡相同，為總氮含量的嚴(yán)重超標(biāo)。

2 監(jiān)測點布置及水樣分析方法

2.1 監(jiān)測斷面的布設(shè)

黃壁莊水庫位于河北省鹿泉市黃壁莊鎮(zhèn)的滹沱河干流上，是以防洪為主，并同時兼顧農(nóng)田灌溉、城市生活用水、環(huán)境用水、工業(yè)發(fā)電的大型水利樞紐工程。黃壁莊水庫與上游崗南水庫控制流域面積2.34萬km2，水庫主要入庫河流為滹沱河、冶河、南甸河。近年來，上游河流遭受不同程度的污染，同時入庫水量減少，黃壁莊水庫水體受到一定的污染破壞，為有效合理的保護利用水資源，治理水庫污染狀況，基于一定的布設(shè)原則，在水庫的不同水域，進水區(qū)、深水區(qū)、庫中心，按照水體類別和功能設(shè)置監(jiān)測垂線。布設(shè)滹沱河與南甸河的匯合口、冶河河口、石津干渠取水口、庫區(qū)中心1、庫區(qū)中心2等五個監(jiān)測點，見圖1；同時五個監(jiān)測點采取GPS進行相應(yīng)定位，經(jīng)緯度數(shù)據(jù)見表1。

圖1 黃壁莊水庫監(jiān)測點布置圖

表1 黃壁莊水庫監(jiān)測點經(jīng)緯度

2.2 取樣及水樣分析

于2014年9月、2014年12月、2015年4月、2015年8月等時間點分別在1號、2號、3號、4號、5號監(jiān)測點進行水樣采集。選取高錳酸鹽（MnO4-）、硫酸鹽（SO42-）、總氮（TN）、總磷（TP）作為水質(zhì)污染指標(biāo)進行水質(zhì)評定。不同水質(zhì)指標(biāo)的測定方法不同，高錳酸鹽（MnO4-）的測定選取酸性法；硫酸鹽（SO42-）的測定選取硫酸鋇比濁法；總氮（TN）的測定選取堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；總磷（TP）的測定選取過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法。

3 評價方法

3.1 單因子評價法

單因子評價法是指將所評價污染因子實測值與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值及飲用水標(biāo)準(zhǔn)限值進行對比，以確定水質(zhì)的類別。確定方法為在所有所選污染指標(biāo)中選取水質(zhì)最差類別作為水體的水質(zhì)類別[7]。單因子評價法因其方便、簡單明了，可清晰且直觀的對比實測值與標(biāo)準(zhǔn)值被學(xué)術(shù)界廣泛應(yīng)用。然而單因子評價法也存在一定的缺陷，此方法僅能評價對比分析判定水質(zhì)類別，無法定量分析水質(zhì)監(jiān)測值；同時單因子評價法僅對污染嚴(yán)重的因子充分考慮，存在忽略其他污染因子的現(xiàn)象。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)度評價法

灰色關(guān)聯(lián)度評價法作為灰色評價法的一種水質(zhì)綜合評價方法，主要評價思路為，分別計算不同污染因子的實測濃度值與不同等級地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)程度，關(guān)聯(lián)度的大小決定水質(zhì)的類別。關(guān)聯(lián)度越大，表明水體越接近此類水水質(zhì)類別。

3.2.1 評價等級標(biāo)準(zhǔn)的確定

評價因子為高錳酸鹽（MnO4-）、硫酸鹽（SO42-）、總氮（TN）、總磷（TP），同時采取地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及集中式生活飲用水地表水源地補充項目標(biāo)準(zhǔn)作為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。則因子集為{MnO4-、SO42-、TP、TN}，標(biāo)準(zhǔn)集為{Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類}，不同污染因子的水質(zhì)等級標(biāo)準(zhǔn)詳見表2及表3。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值

表3 集中式生活飲用水地表水源地補充項目標(biāo)準(zhǔn)限值

3.2.2 灰色關(guān)聯(lián)度評價步驟

（1）原始矩陣的建立

實測值矩陣的建立：某河流或水庫存在m個水質(zhì)監(jiān)測斷面，并且每個監(jiān)測斷面存在n個水質(zhì)評價因子，以此可得實測值矩陣。

標(biāo)準(zhǔn)值矩陣的建立：依據(jù)各個監(jiān)測斷面的污染因子依次進行水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)排序作為行，并以不同污染因子的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等級作為列。

（2）實測陣與標(biāo)準(zhǔn)陣的歸一化

對于數(shù)值越小，水質(zhì)越好的污染因子，實測陣與標(biāo)準(zhǔn)陣的歸一化為：式中，Si（K）為第 k（k=1,2,3……n）個水質(zhì)評價因子的第 i（i=1,2,3……p）級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；Xj（K）為第k（k=1,2,3……n）個水質(zhì)評價因子的第j（j=1,2,3…….m）斷面的實測濃度值。

（3）歸一化后實測值矩陣及標(biāo)準(zhǔn)值矩陣

（4）絕對差及關(guān)聯(lián)離散函數(shù)的計算

式中，△ji(k)為第 k（k=1,2,3……n）個水質(zhì)評價因子在第 j（j=1,2,3……m）斷面與第i（i=1,2,3……p）級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的差值；bi(k)為歸一化后第k（k=1,2,3……n）個水質(zhì)評價因子的第i（i=1,2,3……p）級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；aj(k)為歸一化后第 k（k=1,2,3……n）個水質(zhì)評價因子的第j（j=1,2,3……m）斷面的實測濃度值；ξji(k)為第k（k=1,2,3……n）個水質(zhì)評價因子在第j（j=1,2,3……m）斷面與第i（i=1,2,3……p）級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的的離散程度。

（5）關(guān)聯(lián)度的計算

式中，rji為關(guān)聯(lián)度；Wj(k)為第 k（k=1,2,3……n）個水質(zhì)評價因子在第第j（j=1,2,3……m）斷面所占權(quán)重。

（6）水質(zhì)類別的最終判斷

式中，r為水體水質(zhì)類別。

4 結(jié)果分析

4.1 單因子評價法評價結(jié)果

（1）空間變化

本文依據(jù)監(jiān)測時間的不同，將2014年9月定義為秋季，2014年12月為冬季，2015年4月為春季，2015年8月為夏季。經(jīng)采用單因子評價法在不同的監(jiān)測時間對不同斷面的污染因子進行水質(zhì)評價可得，秋季除冶河河口及石津干渠取水口水質(zhì)類別為Ⅴ類、Ⅳ類外，其他斷面均為劣Ⅴ類；冬季各個斷面水質(zhì)均較差，劣Ⅴ類水較多；夏季與春季劣Ⅴ類水相對較少，但水質(zhì)仍較差。經(jīng)空間變化分析，由于總氮含量的嚴(yán)重超標(biāo)致使各個斷面不同監(jiān)測時間水質(zhì)均較差，總氮為主要污染影響因子。詳見表4。

表4 單因子評價法在空間上水質(zhì)評價結(jié)果

（2）時間變化

此次將同一監(jiān)測時間不同斷面的實測數(shù)據(jù)進行平均化處理，采用算數(shù)平均值數(shù)據(jù)進行時間變化的水質(zhì)分析。由表5可得，秋季、冬季、春季均為劣Ⅴ類水，夏季為Ⅴ類水；同時由于黃壁莊水庫為一級水源保護區(qū)，水質(zhì)類別需保證在Ⅱ類水以內(nèi)，因此從超標(biāo)倍數(shù)分析，總氮春季超標(biāo)為5.57；冬季超標(biāo)倍數(shù)為5.48；秋季超標(biāo)倍數(shù)為3.18；夏季超標(biāo)倍數(shù)為2.68。經(jīng)上分析，從春季至冬季水質(zhì)類別由好到差依次為夏季＞秋季＞冬季＞春季。

表5 單因子評價法在時間上水質(zhì)評價結(jié)果

4.2 傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度評價結(jié)果

基于灰色關(guān)聯(lián)度的評價思路及評價步驟，傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)度對權(quán)重的分析為：

式中，Wj(k)為污染因子所占權(quán)重；K為水質(zhì)污染因子的總個數(shù)。

（1）空間變化

由于篇幅原因，僅對2014年9月水質(zhì)評價結(jié)果進行列表。由表6可得，2014年9月各個監(jiān)測斷面的水質(zhì)類別均為Ⅱ類水，且主要污染因子均為總氮。2014年12月各個斷面的水質(zhì)類別均為Ⅲ類水，除庫區(qū)中心2主要污染因子為高錳酸鹽外，其他斷面污染因子均為總氮。2015年4月各個監(jiān)測斷面的水質(zhì)類別均為Ⅰ類水，且主要污染因子均為總氮。2015年8月各個斷面的水質(zhì)類別均為Ⅲ類水，除石津干渠取水口要污染因子為高錳酸鹽外，其他斷面污染因子均為總氮。經(jīng)上空間分析來看，不同監(jiān)測時間點各個斷面水質(zhì)均較好，但主要污染因子仍為總氮。

表6 傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度評價法空間上水質(zhì)評價結(jié)果

（2）時間變化

從時間上分析，春季評價結(jié)果為Ⅰ類水，秋季和夏季為Ⅱ類水，冬季為Ⅲ類水。水質(zhì)較好，基本達到飲用水標(biāo)注Ⅱ類水的要求，但主要污染因子仍為總氮。詳見表7。

表7 傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度評價法時間上水質(zhì)評價結(jié)果

4.3 改進灰色關(guān)聯(lián)度評價結(jié)果

傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)度評價方法對權(quán)重的比例分析為均勻分配，然而此種比例分配方式不能將污染嚴(yán)重的因子充分體現(xiàn)，故此次對灰色關(guān)聯(lián)度評價法的改進以綜合考慮各個污染因子所占比重為目的，試圖使得評價結(jié)果更合理，更貼近水庫真實的水質(zhì)狀況。改進的灰色關(guān)聯(lián)度各個污染因子所占比重為：

式中，為第k個水質(zhì)評價因子標(biāo)準(zhǔn)值的平均值；C′K為第j斷面第k個水質(zhì)評價因子實測值占標(biāo)準(zhǔn)值的比例。

（1）空間變化

空間變化上權(quán)重比例以2014年9月各個斷面為例，見表8。

表8 不同污染因子所占權(quán)重

經(jīng)采用改進的灰色關(guān)聯(lián)度評價法對黃壁莊水庫水質(zhì)進行評價，由表9可得2014年9月滹沱河與南甸河的匯合口監(jiān)測斷面為Ⅴ類水；冶河河口監(jiān)測斷面為Ⅱ類水；石津干渠取水口監(jiān)測斷面為Ⅱ類水；庫區(qū)中心1、庫區(qū)中心2監(jiān)測斷面為Ⅴ類水；由權(quán)重比例分析主要污染因子為總氮。2014年12月除庫區(qū)中心2監(jiān)測斷面為Ⅳ類水外，其他斷面均為Ⅴ類水；主要污染因子為總氮。2015年4月除庫區(qū)中心1、庫區(qū)中心2監(jiān)測斷面為Ⅳ類水外，其他斷面均為Ⅴ類水；主要污染因子為總氮。2015年8月滹沱河與南甸河的匯合口監(jiān)測斷面為Ⅳ類水；冶河河口監(jiān)測斷面為Ⅴ類水；石津干渠取水口監(jiān)測斷面為Ⅲ類水；庫區(qū)中心1監(jiān)測斷面為Ⅳ類水；庫區(qū)中心2監(jiān)測斷面為Ⅴ類水；主要污染因子為總氮。

表9 改進的灰色關(guān)聯(lián)度評價法空間上水質(zhì)評價結(jié)果

（2）時間變化

從時間上分析，不同污染因子所占權(quán)重比例以總氮為最大，因此總氮為主要污染因子。見表10。同時春季、夏季、秋季、冬季均為Ⅴ類水，水質(zhì)較差，見表11。

表10 不同污染因子所占權(quán)重

表11 改進的灰色關(guān)聯(lián)度評價法在時間上水質(zhì)評價結(jié)果

4.4 結(jié)果分析

經(jīng)采用以上三種方法對黃壁莊水庫進行水質(zhì)評價，確定不同方法下的水質(zhì)類別。不同的評價方法確定的水質(zhì)類別不同，從空間變化上，單因子評價法評價結(jié)果各個監(jiān)測斷面水質(zhì)基本為Ⅳ類水以上；傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度法評價結(jié)果水質(zhì)較好基本為Ⅱ類水左右；改進的灰色關(guān)聯(lián)度法評價結(jié)果既存在水質(zhì)較好的Ⅱ類水，同時存在水質(zhì)較差的Ⅴ類水。從時間變化上，單因子評價法評價結(jié)果春季、夏季、秋季、冬季基本均為劣Ⅴ類水；傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度評價法評價結(jié)果春季、夏季、秋季、冬季水質(zhì)相對較好；改進的灰色關(guān)聯(lián)度評價結(jié)果春季、夏季、秋季、冬季均為Ⅴ類水。

由于總氮含量的嚴(yán)重超標(biāo)，采用單因子評價法對水質(zhì)分析時，往往依賴于總氮的含量而忽略其他其他污染因子，致使總氮對水質(zhì)評價結(jié)果起主導(dǎo)性作用。傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)度評價法對各個污染指標(biāo)往往“一視同仁”，對各個污染指標(biāo)權(quán)重進行平均分配，充分考慮各個污染因子的綜合作用，但不同污染因子破壞水體的程度不一致，因此筆者認(rèn)為平均分配比例權(quán)重較不合理。改進的灰色關(guān)聯(lián)度在傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度基礎(chǔ)上進行相應(yīng)修正，重新對各個污染因子進行比例分配，使得評價結(jié)果更為合理，更符合實際情況。

5 結(jié)論

本文通過采用單因子評價法、傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度評價法及改進的灰色關(guān)聯(lián)度評價法分別對不同監(jiān)測時間、不同監(jiān)測斷面的高錳酸鹽指數(shù)、硫酸鹽、總磷、總氮進行水質(zhì)分析，得出空間分布及時間分布上的水質(zhì)變化情況。單因子評價法重點考慮突出污染因子的影響；傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度未認(rèn)識到不同污染因子對水質(zhì)影響不同，權(quán)重詮釋存在偏差，使得此方法得出的水質(zhì)評價結(jié)果相對較好，相對低估了污染的嚴(yán)重性；改進的灰色關(guān)聯(lián)度評價法因?qū)ξ廴疽蜃訖?quán)重進行重新比例分析，相比傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)度更貼合實際，相比單因子評價法更綜合考慮不同污染因子的綜合作用，因此改進的灰色關(guān)聯(lián)度在一定程度上可操作性較強。

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