加权欧氏距离法对湟水河监测断面的水质综合评价

李秀庆，谢占川，侯恩卿，杨 娜，李小玲，杨 林

（1.青海师范大学化学系，青海西宁810008；2.青海省环境监测中心站，青海西宁810007）

水质综合评价是以定性的方式对水环境的总体状况做出评价，为水资源污染的控制和管理提供科学依据。随着新的数学方法在分类学中的广泛应用，新的水质综合评价方法层出不穷，如模糊数学法［1－2］、灰色系统理论法［3－4］、物元理论与可拓集合法等［5－6］。较常用的有灰色聚类法、模糊综合指数法等，但灰聚类法和模糊综合指数法的计算过程都相当复杂，增加了评价工作的难度。作者以湟水河流域各断面的水质为研究对象，选择基本能反映各断面的水质状况的监测指标化学需氧量（COD），生化需氧量（BOD5），挥发酚，氨氮（NH3－N），氰化物（CN－），石油类，六价铬（Cr6＋）7项指标。在确定评价空间的基础上，以水质标准中的Ⅰ级水质作为n维空间的基本点或参照点结合权重计算出每个待评单元以及水质标准中其他各级水质与“原点”的加权欧式距离，将待评断面划分为不同的水质级别，从而建立了适合水质综合评价的加权欧式距离综合评价模型，为水质综合评价提供了一种新的方法和思路。

1 加权欧氏距离综合评价方法

1.1 评价空间距离模型

水质综合评价，必须考虑不同污染因子对水质影响程度的不同，即污染因子的权重。利用加权欧式距离模型对水质进行综合评价的原理为：对于某一个待评价单元（即某个监测断面在某个监测时间的各污染因子的监测值），根据污染因子的污染贡献率计算其权重，该权重对于每个监测值都不同，所以称为变权。另外，在根据污染贡献率计算权重时，考虑到DO，pH数据与其他污染因子不同浓度越高污染越小，有些非常规测定或浓度变化不大的未考虑，故根据监测指标和数据选择了表中的7项，建立以各个污染因子为坐标轴的7维空间，以水质标准中的Ⅰ级浓度限制为参照点，然后结合污染因子的权重系数计算每个待评价单元以及水质评价标准中其他各级别水质与“原点”间的变权欧式距离，并将后者作为划分每个待评价单元水质级别的标准的计算步骤［7－9］。

1.2 评价空间

设有i个评价单元或监测断面（i＝1，2，…m），j个评价因子或监测指标或污染因子（j＝1，2，…n）；k为5级水质标准（k＝1，2，…5）；实测样本矩阵为C，cij（i＝1，2，…m；j＝1，2，…n）为第i个评价单元第j个污染因子的实测浓度值。根据国家规定的水质分级标准，设含有n个污染因子的5级水质标准矩阵为B，其中bjk（j＝1，2，…n；k＝1，2，…n）为第j个污染因子的第k级标准浓度限值。将C中的每一行和B中的每一列均看作以n个污染因子为坐标的欧式空间中的点。

1.3 空间坐标的确定

以水质标准中的Ⅰ级水质作为n维空间的参照点，结合权重计算出每个待评单元以及水质标准中其他各级水质与“原点”的加权欧式距离，空间距离到Ⅰ级水质标准的距离为“1”，将其他待评价监测断面划分为不同的水质级别，从而建立了适合水质综合评价的加权欧式距离模型。令Q为加权后的评价空间，CW为实测污染因子加权。即：

1.4 加权欧氏距离综合评价指数的确定

以Ⅰ级水质作为基本点与原点距离为“1”，结合权重计算出每个待评单元以及水质标准中其他各级水质与“原点”的加权欧式距离，将此加权欧式距离定义为加权欧氏距离综合评价指数PI。

2 数据来源

在地面水环境质量标准的多项监测指标中，水环境质量标准采用地面水环境质量标准（GB3838－2002）。依据地面水水域使用目的和保护目标划分为五类。湟水河水质监测数据来源是依据青海省环境监测中心站提供的某年湟水河水质监测分析报告和青海省环境保护局的环境质量报告书。湟水河水质监测数据及5级水质标准见表1。

3 结果与讨论

3.1 综合评价指数PI的计算

选择湟水河国控断面和省控断面扎麻隆、西钢桥、新宁桥等15个断面，选择监测指标为COD、BOD5、挥发酚、NH3－N、CN－、石油类、Cr6＋，应用该方法计算PI进行综合评价，结果见表1。

3.2 PI曲线对监测断面的水质分析

以5级地面水环境质量标准，根据PI值可清楚地反映每个监测断面的水质状况，每个监测断面的PI与水质标准的对比曲线见图1。

图1 湟水河监测断面及5级水质标准PI值

3.3 PI分析验证

通过PI曲线图可直观地分析出1号（扎麻隆）水质优良，水质不到2级，因为扎麻隆是湟水河的源头，是对照断面，分析结果符合实际；3、4号属于4级水质，因为湟水河流过了西宁钢厂等工业区，河水受到污染，水质变差，符合实际；通过3、4、5、6、7、8、9号断面可以看出，水体自净的过程；根据10、11、 12、13、14、15号断面的PI值，可以分析湟水河各支流入河口的污染状况及对河水的影响。

表1 湟水河水质监测数据及5级水质标准

3.4 评价方法的对比

模糊综合指数方法及变权欧式距离模型都是变权的评价方法，其权重的计算方法充分体现了超标污染物对水质的影响。灰色聚类法则认为若某个污染因子在水质标准中的标准值越小，则水质对其越敏感，该因子所占权重也就越大，并根据不同的水质类别确定相应级别的各污染指标的权重。这种权重计算方法显然没有考虑超标污染物对水质的损害，所以，灰色聚类法评价水质容易偏轻。PI指数法综合评价水质计算简单，结果直观，评价明显，而且可观察各监测断面和整体河流的水质变化状况，具有良好的应用价值。

4 结语

通过加权欧式距离模型的应用，以及将其评价结果与灰色聚类法、模糊综合指数法的评价结果进行比较，验证了加权欧式距离模型应用于水质综合评价的科学性和合理性。加权欧式距离模型不仅全面考虑了各污染因子，而且强调了超标污染物对水质的影响，便于对水质进行因子分析。该模型形象、直观、方便、准确率较高，能够较完整地反映水环境污染程度，适用于水质综合评价，为水质综合评价提供了一种新的方法和思路。

［1］ 杨 林，李小玲.模糊数学在湟水流域水质综合评价中的应用［J］.中国环境监测，2000，6：68－71.

［2］ Sasikumar K，Mujumdar PP.Application of fuzzprobability in water quality management of a river syste［J］.Systems Science，2000，31（5）：575－597.

［3］ 刘金英，杨天行，李 明，等.一种加权绝对灰色关度及其在密云水库水质评价中的应用［J］.吉林大学报：地球科学版，2005，35（7）：54－58.

［4］ Sun XL，Tan YM，Xu XC.Matter Element Extension Evaluating Model Based on Synthesi Weights and Approach Degree and its Application［C］.The 2nd International Conference on Bioinformatics anBiomedical Engineering.Shanghai，China：Inst of Eleand Elec Eng ComputerSociety，2008.

［5］ 张龙云，曹升乐.物元可拓法在黄河水质评价中的应用［J］.山东大学学报：工学版，2007，3（6）：91－96.

［6］ Kodazh，Kara S，Latioglu F，et al.A new hybrid classifier system：Information gain－based artificiaimmune recognition system［J］.Experimental Techniques，2007，31（6）：36－43.

［7］ 张庆庆，许月萍，牛少凤，等.变权欧式距离模型在水质综合评价中的应用［J］.中山大学学报，2010，29（5）：141－145.

［8］ Mohamed S，Abdelkrim L，Alib H，et al.A segmentation method to handwritten word recognition［J］.Neural Network－World，2007，17（3）：225－236.

［9］ Ruzanski E，Hansen JHL，Meyerhoff J，et al.Stress level classification of speech using Euclideadistancemetrics in a novelhybridmulti－dimensional feature space［C］.2006IEEE International Conferencon Acoustics，Speech，and Signal Processing.Toulouse：Institute of Electrical and Electronics EngineerInc，2006.