不同评价方法对水库水质评价的适应性

花瑞祥张永勇++刘威++杨逸航

摘要：目前水体水质评价方法众多，如何筛选合适方法对水质状况进行科学评价，是环境保护中一项基础性和重要性工作。以广东省某水库2008年-2013年水质监测数据为基础，利用单因子评价法、综合污染指数法、模糊综合评判法和灰色关联分析法对水库水质进行了评价，对比分析了这四种方法评估结果的合理性以及存在的缺陷。研究表明：（1）不同方法的评价结果存在较大差异。灰色关联分析法评价的水质状况最好，模糊综合评判法的评价结果与其他方法评估结果的一致性最高。（2）不同方法受权重的影响也存在较大差异。灰色关联分析法受权重影响最小，而模糊综合评判法受权重影响最大。（3）灰色关联分析法则适用于初级使用者；模糊综合评判法适用于相关知识和经验丰富的人群；单因子评估法适用于流域最严格水资源管理；综合污染指数法仅能确定水体是否污染，但不能确定具体水质级别，可以作为一种补充方法。（4）为准确评估水体水质级别，减少权重和方法对结果的影响，建议采用多种评估方法进行综合分析。

关键词：水质评价；单因子评价法；综合污染指数法；模糊综合评判法；灰色关联分析法；适用性分析；水库

中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：16721683（2016）06018307

随着社会经济和城市化的快速发展，剧烈人类活动的扰动造成了河湖水环境恶化严重[1]。水环境综合评价与防治已成为我国流域管理中关键内容之一，也是环境水文学研究的重点方向之一[25]。自20世纪80年代开始，我国将单因子评价法作为国家统一方法对主要河湖水系水质状况进行了评价。该方法使用简单，不确定性较小，但评价结果过于严厉，表现为过保护[6]。多指标综合评估法是目前水质评价中最常用手段，如污染指数法[78]，模糊综合评判法[910]，灰色系统评价法[1112]，人工神经网络法[13]，水质标识法[1415]等。但综合水质评价结果的适用性和不确定性一直是探讨的热点问题。目前的研究主要是针对研究区实际情况，采用多种指标和多种方法对水质进行综合评估[1618]。杨磊磊等[19]利用桦甸市5个监测断面数据分别采用传统、改进的内梅罗污染指数法及模糊综合法对水质数据进行了评估及其适用性分析，结果发现内梅罗指数法更适用于掌握水体被污染的程度、模糊综合评判法更适用于评价水体功能及水质类型。李名升等[20]利用190个国控断面水质监测数据对单因子评价法、灰色关联分析、模糊综合评判等7种评价方法的适用性和局限性进行实证研究，结果发现分级评分法和单因子评价法的结果差异较大、物元可拓法对权重变化较为敏感。因此，水质评价结果受评价方法、赋权方法等多种因素的影响。如何分析不同评价方法的适应性、筛选合适的方法仍需根据实际情况进一步研究。

本文选取广东省某水库作为研究对象，分别利用四种常用的水质评价方法，即：单因子评价法、综合污染指数法、模糊综合评判法和灰色关联分析法，对该水库2008年-2013年月和季度等不同时间尺度水质进行评价，探讨了不同评价方法和赋权方法对水质结果的影响；最终得出四种方法优缺点及其适用范围。

1数据与方法

1.1研究区概况和数据收集

研究水库为广东省南部某城市重要的供水水库。该市属于亚热带海洋性气候，年平均气温为 224 ℃，多年平均降水量达1 837 mm。但由于降雨时空分布不均，暴雨集中；加之境内河流水库蓄水能力非常有限，使得该城市可利用的水资源量很少。水库集水面积为64 km2，总库容为9 950万m3，正常蓄水位下水面面积约115 km2，属于中型水库，具有城市供水、调蓄和防洪三大功能。水库的主要污染源为工业和生活污水，主要超标指标为总氮。根据地表水环境质量标准（GB 3838-2002）地表水水域环境功能和保护目标，该水库是水源地二级保护区，水质目标为Ⅲ类。

研究收集了水库库心监测断面从2008年-2013年共6年169组水质数据，除极少月份只有1组监测数据外，其余月份都有2～3组监测数据。监测指标包括锰、总磷、硝酸盐（以N计）、氨氮、铁、总氮和高锰酸盐指数。原始数据的统计描述见表1。本研究分别以月平均和季度平均观测值为基础，评估了研究水库各月份和各季度水质变化规律。

1.2水质评价方法

[BT4]1.2.1单因子评价法

单因子评价法通过将各水质指标监测结果与所测水域水功能保护目标进行比较，确定各评价指标的水质类别，最终以最差指标对应的水质类别作为所评价水体的水质类别。该方法是目前我国地表水环境质量标准规定的水质评价方法。

[BT4]1.2.2综合污染指数法

综合污染指数法根据计算方法的不同可以分为多种类型，常见的有代数叠加型综合污染指数、加权平均型综合污染指数、幂指数型综合污染指数和向量模法综合污染指数。本文采用的是加权平均型综合污染指数，加权平均综合污染指数表示为：

P=∑[DD（]n[]i=1[DD）]ωiIi=∑[DD（]n[]i=1[DD）]ωi[JB<2（][SX（]Ci[]Si[SX）][JB>2）][JY]（1）

式中：P为综合污染指数；n为参与综合水质评价的单项水质指标数；ωi为第i项指标的权重；Ii为第i项指标的单项污染指数；Ci为单项水质指标的实测浓度；Si为与水域功能类别对应的单项水质指标浓度限值。

[BT4]1.2.3模糊综合评判法

由于水环境中客观存在着大量模糊和不确定的因素，模糊综合评判法[19]在水质评价中引入了模糊数学的概念，由监测数据确立各指标对各级水质标准的隶属度集，形成隶属度矩阵，再把指标的权重集与隶属度矩阵相乘，得到综合评判集，表明评价水体水质对各级标准的隶属程度，其中值最大的元素所对应的类别即为水体评价类别。

[BT4]1.2.4灰色关联分析法

灰色关联分析法[5]引进了灰色系统理论，以水质监测断面的监测数据为参考数列[ X0（t） ]，以水质评价标准的各级数据为比较数列[ Xi（t） ]，通过计算参考数列与比较数列的关联系数，然后对关联系数进行加权求关联度，最后按关联度大小排序，关联度最大的即断面的水质为该级别。

1.3权重计算方法

模糊综合评判法、灰色关联分析法和综合污染指数法都需要对各评价的水质指标赋以权重。目前赋权方法较多，如污染物浓度超标法、等权重法、专家打分法、主成分分析法、熵值法等；其中污染物浓度超标法是水质评价中最常用的权重确定方法之一[20]。本文用来计算权重ωi，即按照各评判指标超标情况进行加权，超标越多，权重值越大；针对水质指标数值越大则水质越好的情况，其权重为1/ωi。具体计算如下：

ωi=[SX（]xi[JB<2/][AKs-]i0[]∑[DD（]n[]i=1[DD）]xi[JB<2/][AKs-]i0[SX）]，i=1，2，…，n[JY]（2）

[AKs-]i0=[SX（]1[]k[SX）]∑[DD（]k[]j=1[DD）]sij，i=1，2，…，n；j=1，2，…，k[JY]（3）

式中：ωi为第i个水质指标的权重；xi为第i个指标的实测值；sij为第i个指标的第j级水质的评价标准值；[AKs-]i0为第i个指标的各级评价标准的均值；k为水质评价分级总数。

1.4水质分级标准

研究选取锰、高锰酸盐指数、氨氮、硝酸盐（以N计）、总磷、铁和总氮作为评价指标。高锰酸盐指数、氨氮、总磷和总氮的分级标准采用最新的《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）。由于《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中没有锰、铁和硝酸盐（以N计）的分级标准，但是为了考虑重金属污染的影响，使评价指标更加全面、研究采用《地表水环境质量标准》（GB 3838-88）作为锰、铁和硝酸盐（以N计）的分级标准。具体分级标准见表2。

利用水质综合污染指数来判别污染程度是相对的，可将水体分为清洁（污染指数≤1）、轻污染（1<污染指数≤2）、污染（2<污染指数≤3.9）和重污染（污染指数>3.9）四类。

2结果与分析

2.1水质评价结果

[BT4]2.1.1各月份水质评价结果

各月份水质结果，见图1。由图1可知，单因子评价法的评价结果为8个月份（1月-7月和12月）的水质类别为Ⅴ类水，其余4个月份（8月-11月）为Ⅳ类水。综合污染指数法的评价结果为8个月份（1月-7月和12月）的水质污染程度为轻污染，其余4个月份水质污染程度为清洁；各月份水质变化与单因子评价法的结果相似。模糊综合评判法的评价结果为仅1个月份（5月）水质最差，为Ⅴ类水，其余月份均为Ⅳ类水。而利用灰色关联分析法评价结果的差异性较大，其中有2个月份（5月-6月）为Ⅴ类水，2个月份（1月和4月）为Ⅳ类水，4个月份（2月-3月、7月和12月）为Ⅲ类水，2个月份（8月-10月）为Ⅱ类水，1个月份（11月）为I类水。

2.1.2各季度水质评价结果

春季水质评价结果见图2（a）。单因子评价法的结果均为Ⅴ类水；而综合污染指数法的结果也均为轻污染，结果的年际变化与单因子评价法的结果一致。模糊综合评判法的结果显示只2010年为Ⅴ类水，其余年份都为Ⅳ类水。而灰色关联分析法的各年份评价结果的差异性最大，有2年（2008年和2013年）春季为Ⅲ类水、3年（2009年、2011年和2012年）为Ⅳ类水，1年（2010年）为Ⅴ类水。

夏季水质评价结果见图2（b）。单因子评价法的结果有2年（2011年和2012年）为Ⅳ类水，其余4年为Ⅴ类水。综合污染指数法除2012年结果为清洁外，其余5年均是轻污染。模糊综合评判法的结果为2008年最差（Ⅴ类水）、2012年最优（Ⅲ类水）、其余4年（2009年-2011年、2013年）为Ⅳ类水。灰色关联分析法的2008年-2013年水质的评价结果均不同，依次为Ⅴ类、Ⅲ类、Ⅲ类、Ⅲ类、Ⅰ类和Ⅳ类。

[JP+1]秋季水质评价结果见图2（c）。单因子评价法的评价结果为2008年-2009年为Ⅴ类水，而其余4年为Ⅳ类水。综合污染指数法的结果为2008年、2009年和2013年为轻污染，而其余3年（2010年-2012年）为清洁。模糊综合评判法的结果为仅2011年为Ⅲ类水，其他5年为Ⅳ类水。灰色关联分析法的结果为也仅有2011年为Ⅱ类水，2008年和2009年为Ⅳ类水，2010年、2012年和2013年为Ⅲ类水。

[JP2]冬季水质评价结果如图2（d）所示。单因子评价法的结果为2008年、2009年和2012年共3年为Ⅴ类水，其余年份为Ⅳ类水。综合指数法的评价结果也是2008年、2009年和2012年为轻污染，其余年份为清洁，评价结果的年际变化与单因子评价法的结果一致。模糊综合评判法结果中有3年（2008年、2010年和2011年）为Ⅳ类水、2年（2009年和2012年）为Ⅴ类水、而仅1年（2013年）为Ⅲ类水。灰色关联分析法的结果差异性最大，2008年-2013年水质级别依次为Ⅲ类、Ⅴ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅰ类。[FL）]

2.2评价结果分析

2.2.1评价结果比较

综合污染指数法用一个指数来表示整体的水环境水平，而且可以通过比较污染指数的大小来判断同一类别不同水体的污染程度，但是综合污染指数法不能确定水质类别。因此无法将综合污染指数法[HJ]的结果与其他方法的结果进行直接比较。图3所示为单因子评价法、模糊综合评判法和灰色关联分析法两两比较的结果。从图3可以看出，模糊综合评判法与单因子评价法所得结果一样的比例有44%，结果相差一个等级的比例为56%，因此所有的评价结果相差都不超过一个等级。

灰色关联分析法与单因子评价法的结果相差比较大。两种方法所得评价结果相同的比例仅占14%；有39%的评价结果相差一个等级；而其余47%的结果相差两个等级及以上。两种评价方法最多相差三个等级，如在评价11月份和2012年夏季水质时，单因子评价法的结果为Ⅳ类水，而灰色关联分析法的结果为Ⅰ类水。

模糊综合评判法与灰色关联分析法所得结果等级相同的比例占33%，相差一个等级的比例为47%，相差两个等级的比例为17%，评价结果最大相差了三个等级，占3%。在评价11月份水质时，模糊综合评判法的结果为Ⅳ类水，而灰色关联分析法的结果为Ⅰ类水。在本次应用研究中，结果表明利用灰色关联分析法所得的评价等级要优于模糊综合评判法；利用灰色关联分析法所得的评价等级差异性较大，灰色关联分析法对水质指标浓度的变化反应更加敏感，即存在较小的差异会使得灰色关联分析法的评价结果发生较大的改变，而模糊综合评判法对水质指标变化的反应则没有那么敏感。

由于不同水质评价方法的结果并不完全一样，而综合污染指数法无法判断水质类别，本文根据单因子评价法、模糊综合评判法和灰色关联分析法的评价结果来确定最终各月份和季度的水质级别。具体确定标准为：当三种方法中有两种及以上方法的评价结果相同，则该结果作为本次评价的水质级别；当三种方法的评价结果都不一样时，将三种评价方法的中间结果作为本次评价的最终水质级别。结果表明：模糊综合评判法的评价结果与最终水质类型一致的比例最高，达到97%，而且剩余3%的差异性仅为一个级别。其次是单因子评价法，比例为47%，剩余53%的差异性也为一个级别。最差的是灰色关联分析法，比例仅为36%，且其他结果与最终水质类型差别较大，其中20%的结果与最终结果差二、三级。具体统计结果见表3。

2.2.2权重影响分析

本文采用污染物浓度超标法赋权的评估结果与常用的等权重法的评估结果进行了比较。结果表明，两种权重确定方法对三种水质评价方法的结果都有一定的影响。灰色关联分析法受权重影响最小，36组评价数据中有13组因为权重的改变而使得评价结果发生了变化，并且只有4组数据的评价结果相差超过了一个等级；综合污染指数法评价的36组数据中有21组发生了改变；模糊综合评判法受权重影响最大，36组数据的评价结果都发生改变，且大多数评价结果相差三个等级。两种赋权方法对评价结果的影响见表4。

两种赋权方法对结果影响的主要原因是：污染[JP2]物浓度超标法重点关注超标指标，超标越多，权重值越大，因此浓度极值对权重影响很大；而等权重法是将所有评估的水质指标同等对待。在本文研究的水库中，锰、氨氮和硝酸盐（以N计）的浓度较低，均小于Ⅰ类水的标准；但总氮的浓度超标严重，最高浓度超过了V类水标准。浓度超标法确定的总氮平均权重为061，是等权重法的44倍（图4）。由于总氮等少数指标严重超标引起权重的分配发生很大的改变，从而影响模糊综合评判法的相对隶属度、灰色关联分析法的关联度，直接影响到最终的评价结果。此外，模糊综合评判法和灰色关联分析法对污染物浓度超标法权重分配的敏感程度也不同。在模糊综合评判法计算中，权重矩阵和隶属度矩阵均由实测水质指标直接确定，均受超标指标的影响很大，尤其是在少数水质指标严重超标时；而在灰色关联分析法中，首先需将实测水质指标和各级水质标准归一化处理，分别形成参考数列和比较数列，然后利用权重矩阵计算参考数列和比较数列的关联度矩阵，因此评价结果受超标因子的影响比模糊综合评判法要小。但在水质指标均不超标时，模糊综合评判法和灰色关联分析法的评价结果受权重的影响都较小[21]。

3结论

水质评价结果受不同评价方法、权重以及不同数据来源等影响，结果的差异性较大。本文比较了单因子评价法、模糊综合评判法、灰色关联分析法和综合污染指数法四种评价方法，以及污染物浓度超标法和等权重法两个赋权方法对广东某水库水质评价结果的影响。结果表明：灰色关联分析法评价的水质状况最好，单因子评价法所得的评价等级最差。模糊综合评判法的评价结果与其他方法的评价结果的一致性最高，但是受权重的确定影响最大。综合污染指数法只能确定水体的污染程度，而不能确定水体的类型。对于权重影响来看，模糊综合评判法的结果受权重影响最大；灰色关联分析法的结果受权重影响最小；单因子评价法则不受权重的影响。受采样数据的限制，本研究并未对不同站点的数据、水质优劣程度不同时等其他情况分析评价结果的不确定性，今后要加强这方面的研究。

在实际应用中，水质评价方法的确定应该参考当地水质保护和水资源开发目标，以及使用人员的经验等。例如，对于水源地、水生态脆弱地区的水质评价，可以选择单因子评价法来实现水资源的最严格管理和保护；而对于下游的经济开发区、灌溉区的水质评价，可以选择灰色关联分析法来进行评价，从而实现水资源开发利用最大化；若使用者具备丰富的相关知识、对权重的确定比较有经验，建议采用模糊综合评判法，否则采用灰色关联或多种方法综合评价。但为准确评估水体水质级别，减少权重和方法对结果的影响，建议采用多种评估方法进行综合分析。

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