三种水质评价方法在地表水质评价中的对比研究

王 泽 吴 月

（1.安徽省蚌埠闸工程管理处 蚌埠 233000 2.淮河水利委员会治淮工程建设管理局 蚌埠 233001）

1 研究方法

本次研究的评价标准依照《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）执行。

1.1 单因子评价法

单因子评价法是将水体中各监测项目实测值与水环境质量项目标准值对照，选取水质最差的单项指标所属类别作为水体综合水质类别。

1.2 水污染指数法

水污染指数法（WPI 法）是基于单因子法的基本原则，内插计算出各污染指标的WPI 值，选取WPI 值的最高值来判定水体水质污染等级。水质类别和水质污染指数对应关系如表1。

表1 水质类别和水质污染指数对应表

各水污染指数WPI 值的计算：

Ⅰ～Ⅳ类水质类别限值内，水质污染指数WPI计算公式为：

V 类和劣V 类水质类别限值内，水质污染指数WPI 计算公式为：

式中：C(i)为第i 个污染物实测浓度值，Cl(i)为第i 个污染物所在类别标准的下限浓度值，Ch(i)为第i 个污染物所在类别标准的上限浓度值，C5(i)为第i 个污染物V 类水质标准浓度限值，W(i)为第i个污染物所对应的指数值，Wl(i)为第i 个污染物所在类别标准下限浓度值对应的指数值，Wh(i)为第i个污染物所在类别标准上限浓度值对应的指数值。

此外，对于有下限值的污染物溶解氧（DO），溶解氧（DO）≥7.5mg/l，W(i)=20；2mg/l ≤溶解氧（DO）＜7.5mg/l，W(i)计算公式为（3），溶解氧（DO）＜2mg/l，W(i)计算公式为（4）。

1.3 模糊综合评价法

模糊综合评价法是基于模糊数学理论，以各水污染物指标的水质等级为集，通过计算隶属度矢量和所占权重获得对应的模糊评价矩阵和权重矩阵，对二者进行模糊复合运算确定水质综合评价结果。

1.3.1 用隶属度划分水质分级界限

为表示属于某种标准值的百分数，可用隶属度函数y 描述与浓度x 间的线性关系见（图1）。

图1 隶属度y 与浓度x 的关系图

当实测浓度x 位于左端属于Ⅰ级的隶属度为：

当实测浓度x 位于中间属于i 级的隶属度为：

当实测浓度x 位于右端属于n 级的隶属度为：

1.3.2 对单项指标分别评价

取U 为污染物单项指标A 的集合{A1,A2,…,Am}，取V 为水体分级的集合{I 类水，II 类水，…，n 类水}。通过计算隶属函数，得出m×n 模糊矩阵，即：

1.3.3 计算权重

各污染因子对水体质量影响的大小是通过权重来体现的，权重越大就代表该污染因子在水质评价中的影响越大。对各分指标超标情况加权对各参数给予权重，计算公式为：

式中：

Ci为第i 种污染物实测浓度；Si为第i 种污染物某种用途下各级水质标准值的算数平均值。

将各个权重系数进行归一化处理，即：

对U 中m 项指标给予权重，组成一个1×m 的矩阵B，即：

1.3.4 模糊矩阵的复合运算

模糊矩阵的运算方式为：两数相乘取小值为“积”，诸数相加取大数为“和”，即通过（∧，∨）算子进行矩阵复合运算，可表达为：

1.3.5 按最大隶属度原则确定水质级别

选取综合隶属度矩阵S=[Y11,Y22,…,Y1n]中最大值所在的级别作为评价水体的水质等级。

2 实例研究

位于淮河入江水道下段的某工业集镇，工业厂房密集、人口数量激增，水体均存在不同程度的污染。为因地制宜开展水污染治理，现对辖区9 条内河进行水质断面监测，结果见表2。

表2 辖区地表水水质监测结果表（单位：mg/L）

3 结果与分析

3.1 单因子评价结果

基于单因子评价法的评价结果见表3。

表3 单因子评价法河流水质断面等级评价结果表

3.2 水污染指数评价结果

基于水污染指数法的评价结果见表4（主要污染物仅列出前两位）。

表4 水污染指数法河流水质断面等级评价结果表

3.3 模糊综合评价结果

根据模型计算得到不同污染物指标的权重值，见表5（主要污染物仅列出前两位）。将表5所得权重矩阵进行复合运算后得到综合隶属度矩阵及水质评价结果，见表6。

表5 模糊综合评价法河流水质断面权重值归一化结果表

表6 模糊综合评价法河流水质断面综合隶属度及等级评价结果表

3.4 评价结果比较及分析

3.4.1 水质类别定性比较及分析

从9 条河流的水质评价结果可以看出，三种评价方法得出的水质等级差异不大，水质能达到Ⅳ类（适用于一般工业用水区）的河流：单因子评价法4条，水污染指数法4 条，模糊综合评价法5 条，与实际水质情况更符合。

在河流水质等级评定上，单因子评价法与水污染指数法的结果一致，模糊综合评价法的结果略好于其他两种方法（分别是河流①、⑦、⑨），且水质等级差异不超过1 个类级。

3.4.2 主要污染物指标定量比较及分析

评价单一河流主要污染物指标时，单因子法由水质最差类别对应的污染物指标来确定，但当水质最差类别对应多个污染物指标时，无法判断这多个污染物指标对水质影响程度的主次。相比之下，水污染指数法和模糊综合评价法能通过WPI 值和权重矩阵B 定量描述各污染物指标对水质污染的影响程度。但较水污染指数法能直观比对WPI值相比，模糊综合评价法对总体数据的模糊运算在一定程度上削弱了主因素的作用，导致在分析主要污染物时不容易作出判断。

综合评价区域内多条河流主要污染物指标时，单因子法判断主要污染物指标时亦存在多个最差类别水质对应多个污染物指标，进而无法确定多个污染物指标对水质影响程度主次的问题；模糊综合评价法中的权重矩阵B 值仅为单一河流内的相对值，应用于不同河流对比中不具实际意义。而污染物指数法能清晰通过各河流的WPI 值比较得出该地区主要污染物为氨氮、总磷。

3.4.3 劣五类水体水质比较及分析

在此次研究中，三种评价方法评出的劣Ⅴ类河流数量一致，皆为河流②、③、⑥，三条劣Ⅴ类河流的主要污染物皆为氨氮、总磷，表明该地区的工业废水（养殖业、化肥厂）以及生活污水（服务餐饮、含磷洗衣粉）极大可能存在未达标处理的现象。

4 结论

综上所述，单因子评价法原理直观，计算简单，采用“最差规则”分级能够快速确定地表水环境的超标指标，对单项指标有着较好的评价意义，但是仅由最差等级决定水质等级的理念过于消极，对整体数据的应用和水体综合环境的考虑稍显不足。水污染指数法虽然基于单因子评价法的原理，但可以定量描述各个污染物对水质的影响程度，在主要污染物的分析上更具优势。模糊综合评价法对自然界模糊性考虑充足，能充分利用实测数据并综合评定各污染物指标对水质的综合影响，具有一定的合理性和科学性，与实际污染状况比较吻合，但在主要污染物的判别上操作性欠佳■