基于改进内梅罗污染指数法和灰色聚类法的水质评价

宁阳明， 尹发能

(湖北师范大学城市与环境学院， 湖北 黄石 435002)

水环境质量评价可根据评价目标的水质监测数据、评价标准和计算方法判断当前水体污染状况，为水环境利用和管理提供科学依据[1].目前，水环境质量评价方法主要有指数评价法[2-3]、灰色系统评价法[4]、主成分分析法[5]、模糊综合评价法[6-7]、物元可拓分析法[8]、模糊神经网络法[9]等.其中，内梅罗污染指数法其运算过程简单，易于操作，但未考虑各污染因子的权重问题；改进内梅罗污染指数法通过计算权重，充分考虑各污染因子对水环境质量的影响；灰色聚类法根据水环境系统灰色性特征，通过对污染因子进行量化，从而判断水环境质量.鉴于此，本研究运用传统、改进内梅罗污染指数法和灰色聚类法对长江黄石段三峡断面和风波港断面水环境质量进行评价.

1 水质评价方法概述

1.1 传统内梅罗污染指数法

1974年美国叙拉古大学内梅罗(N.L.Nemerow)教授在其所著的《河流污染科学分析》一书中，提出了内梅罗污染指数法[10].该方法根据所选水质指标的实测浓度和标准值，分别计算内梅罗污染指数和标准指数，与相应的等级标准指数相对照，即可得到评价等级.评价等级计算公式为：

Fi=Ci/Sij，i=1，2，3,…，n；j=1，2，3,…，m.

(1)

(2)

式中，Ci为第i类评价因子的实测浓度；Sij为第i类评价因子的第j类标准浓度；F最大为Fi的最大值；F平均为Fi的平均值；P传统为传统内梅罗污染指数.

传统内梅罗标准污染指数值分级如下：

Ⅰ：P标准<0.59；Ⅱ：0.59≤P标准<0.74；

Ⅲ：0.74≤P标准<1.00；Ⅳ：1.00≤P标准<3.50；

Ⅴ：3.50≤P标准.

1.2 改进内梅罗污染指数法

传统内梅罗污染指数法过于突出最大污染因子对水质污染的影响和未考虑权重因素[11]，而改进内梅罗污染指数法考虑了各污染因子在水质评价中所占的权重，避免忽视某些因实测浓度小而危害系数大的污染因子对水环境质量的影响[12]，其计算公式为：

(3)

式中，F′为权重最大的污染因子对应的F值.

一般情况下，地表水水质标准中污染指标的浓度越小，说明对水质危害越大，两者呈反比例的内在关系[12].第i种污染因子的权重为：

(4)

ri=s最大/si，

(5)

式中，ri为第i种污染因子的相关性比值；si为各污染因子的标准值；s最大为第i种污染因子的最大标准值；m为评价污染因子的个数.

改进内梅罗污染指数值分级如下：Ⅰ：P标准<0.55；Ⅱ：0.55≤P标准<0.69；Ⅲ：0.69≤P标准<1.00；Ⅳ：1.00≤P标准<3.53；Ⅴ：3.53≤P标准.

1.3 灰色聚类法

灰色聚类包括灰色关联聚类和灰色白化权函数聚类，灰色关联聚类主要用于同类因素的归并，以使复杂系统简化，而灰色白化权函数聚类主要用于检查观测对象是否属于事先设定的不同类别[13-14].本研究选用灰色白化权函数聚类，该方法能够充分利用已知信息淡化未知信息，从而客观真实反映系统本质[15].灰色白化函数聚类具体步骤如下：

1.3.1 确定评价指标和灰类值 根据长江黄石段三峡断面和风波港断面的监测数据，选取氨氮(NH3-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、高锰酸盐指数( CODMn)、五日生化需氧量( BOD5)等污染因子作为评价河流断面污染程度的聚类指标.参照《地表水环境质量标准》(GB3830-2002)，将河流水质划分为5类，长江黄石段以Ⅲ类地表水为标准，见表1.

表1 《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)

1.3.2 灰类值无量纲化处理 在水环境质量评价中，由于各聚类指标的量纲不同，且划分等级的区间大小也不同，因此需要对灰类值进行无量纲化处理[16].其计算公式为：

(6)

1.3.3 建立灰色白化权函数[17]

1)当k=1时，其隶属度函数如下：

(7)

2)当k=2，3，4时，其隶属度函数如下：

(8)

3)当k=5时，其隶属度函数如下：

(9)

1.3.4 确定聚类权 水质指标阈值越大，对水质影响越小，其相对权重就越小.因此，采用倒数法，其计算公式如下：

(10)

(11)

2 研究区概况和数据来源

黄石江段(29° 94′～30° 05′N、115° 31′～115° 42′E)位于长江中游地区[18]，上起长江左岸回风砚，下至长江右岸西塞山，是长江中下游重点治理河段[19]，其水环境质量与沿岸居民生活和生产息息相关.根据黄石市生态环境局网站(http://sthjj.huangshi.gov.cn/)的水质监测数据(见表2)，分别对2014年—2018年三峡断面和风波港断面的水质进行评价，以期为长江黄石段水环境保护和利用提供科学依据.

3 评价结果分析

3.1 传统内梅罗污染指数法

根据各污染因子的实测浓度，计算长江黄石段三峡断面和风波港断面的传统内梅罗污染指数，得出评价结果，见表3.

2014年—2018年两个断面水质内梅罗污染指数均介于0.74～1.00之间，属于Ⅲ类，符合长江黄石段地表水功能区划要求.

表2 2014年—2018年三峡断面和

注: 数据根据黄石市环境监测站对2个断面实测数据计算年平均值所得.

表3 2014年—2018年三峡断面和风波港断面水质传统内梅罗污染指数

3.2 改进内梅罗污染指数法

改进内梅罗污染指数各污染因子权重值见表4.由表4可知，在各类标准中权重值最大的是氨氮.依据两个断面的实测浓度，计算其改进内梅罗污染指数，结果见表5.2014年—2018年两个断面水质的P改进值均介于0.69≤P标准<1.00，属于Ⅲ类，符合长江黄石段地表水功能区划要求.最大值均出现在2016年，分别是0.91，0.92.

表4 各污染因子的权重

表5 2014年—2018年三峡断面和风波港

3.3 灰色聚类法

3.3.1 确定评价指标和水质分级标准 三峡断面和风波港断面的评价指标及监测数据见表2，参照《地表水环境质量标准》(GB3830-2002)，分级标准值Sik见表1，并确定水质等级，见表6[20].

表6 水质等级划分

3.3.2 灰类值无量纲化处理 将长江黄石段三峡断面和风波港断面各污染因子的灰类值代入公式(6)进行无量纲化处理，结果见表7.

表7 无量纲灰类值(yik)

3.3.3 建立灰色白化权函数 将表2中各污染因子的监测数据分别代入(7)、(8)、(9)相应的隶属函数表达式，方可求得各污染因子的隶属函数矩阵.以2014年三峡断面和风波港断面为例，该隶属函数矩阵如下：

2014年三峡断面：

2014年风波港断面：

同理可求2015年—2018年两个断面的灰色白化权函数矩阵，在此不逐一列出.

3.3.4 计算各指标的聚类权 将表7中的无量纲灰类值(yik)代入式(10)求出各污染因子的聚类权(ηij)，结果见表8.

表8 各指标的聚类权(ηij)

3.3.5 求聚类系数和聚类结果 三峡断面和风波港断面的聚类系数见表9，根据最大隶属度原则找出最大元所对应的灰类，即是两个河流断面的水质类别.其中，除2015年风波港断面属于Ⅱ类(轻度污染)之外，2014年—2018年两个断面水质均属于Ⅰ类(未污染).根据表9中最大元对应的聚类系数可知，三峡断面2017年和2018年聚类系数最大，均为0.285，2014年聚类系数最小，为0.250；风波港断面2016和2018年聚类系数最大，均为0.290，2015年聚类系数最小，为0.215.2014年和2015年，三峡断面的聚类系数大于风波港断面，2016年—2018年，风波港断面的聚类系数大于三峡断面.

表9 两个断面聚类系数和聚类结果

3.4 结果对比分析

运用传统、改进内梅罗污染指数法和灰色聚类法分析2014年—2018年长江黄石段三峡断面和风波港断面水质污染状况.通过研究，有以下发现.

两个断面的传统、改进内梅罗污染指数法的评价结果均为Ⅲ类，但传统、改进内梅罗污染指数值存在差异，这是由于改进内梅罗污染指数法考虑了各评价因子的权重，克服了传统内梅罗污染指数法过于突出污染浓度大的评价因子的作用和未考虑各评价因子的权重这一缺点，较为客观地反映河流水质状况，但该方法仍局限于对河流水质等级的评价，结果见表3和表5.

灰色聚类法的评价结果除2015年风波港断面属于Ⅱ类(轻度污染)之外，2014年—2018年两个断面水质均属于Ⅰ类(未污染).灰色聚类法首先对分级标准值(即灰类值Sik)进行无量纲化处理，再根据无量纲灰类值(yik)计算各指标的聚类权(ηij)，这使得各指标不同级别的聚类权不同，因而更为精确可靠.同时，该方法不仅对河流水质进行等级划分，而且能够判断河流水质状况和污染程度，较前两种方法更进一步评价河流水体.因此，灰色聚类法的评价结果优于传统、改进内梅罗污染指数法的评价结果.

4 结论

传统内梅罗污染指数法计算过程简单，运用范围广，其特点是突出污染浓度最大的评价因子对河流水质的影响，适用于检测河流主要污染物，但该方法未考虑评价指标权重因素和对低浓度指标评价有限，不利于对河流水质做出全面均衡的评价.

改进内梅罗污染指数法考虑了各评价因子在河流水质中所占的权重，一定程度上提高了对某些污染浓度小而危害大的毒理指标的评价，适用于检测河流有毒有害物质，较传统内梅罗污染指数法更为客观全面评价河流水质，但该方法的截然型分级标准易造成污染程度值相差较小的两个河流水体分属不同的级别，而污染程度值较大的却可能处于同一级别.