水环境质量评价方法的比较分析_薛巧英

收稿日期:2003-11-19作者简介:薛巧英(1962-),女,山西省万荣县人,副教授.·环境评价·水环境质量评价方法的比较分析Comparison and Analysis of The Methods on Water Environ ment Quality Assessment薛巧英(山西工程职业技术学院冶金与环境工程系　太原　030009)摘要　综述了水环境质量评价的发展及目前常用的各种水环境质量评价方法,对目前水环境质量评价中的不同方法进行了比较分析,针对各种评价方法的优点和不足做出评述。

指出水环境评价方法的发展趋势是与计算机技术的有机结合,随着计算机技术的发展而不断深化。

关键词　水环境　环境质量评价　评价方法Abstract This paper has discussed the present situatio n and the progress on wa ter environment quality assessment .T he dif -ferent methods were co mpared and analyzed ,as well as their advantag es and disadvantages were discussed about water environment quality assessment .Showing compound w ith computer technolog y is the developing tend of assessment method .Keywords Water Environment Environm ental Quality Assess ment Methods of Assessment 水,作为人类所需的不可替代的一种资源,是社会发展和经济发展重要的物质基础,是人民生活的重要保障,是社会可持续发展的重要支持之一。

随着我国经济的飞速发展,城镇建设和工业生产不断扩大,用水量剧增,污水排放量也急剧增加。

许多水体遭到工业污水、生活污水的污染,水污染成为我国最严重的环境问题。

全国监测的1200多条河流有850条受到不同程度的污染,并且有不断加重的趋势。

七大水系中,2/3以上的监测段面不能满足Ⅲ类水质(适合做饮用水水源)的要求,尤其海河和辽河流域污染最为严重。

黄河水系总体水质较差,干流水质以Ⅲ～V 类水体为主,支流水体污染普遍严重。

七大水系污染程度由重到轻依次为:海河、辽河、黄河、淮河、松花江、珠江、长江〔1,2〕。

1　水环境质量评价水环境质量评价是对某一水环境区域进行环境要素分析,对其做出定量评述。

通过环境质量评价,弄清区域环境质量变化发展的规律,为区域环境系统的污染控制规划及制定区域环境系统工程方案提供依据,只有在环境质量评价的基础上才能进一步搞好环境区划和环境规划工作。

所以区域环境质量评价是区域环境污染综合防治的基础,是改善区域水环境质量目前迫切需要解决的问题。

对水环境进行质量评价及预测研究,为水环境管理决策提供科学依据,是水环境质量评价的目的。

长期以来,环境质量评价一直是环保部门及学者关心的课题,在国外于60年代中期开始出现,70年代蓬勃发展。

美国是世界上第一个把环境评价以法律形式肯定的国家。

纵观环境评价的发展,有由单目标向多目标,由单环境要素向多环境要素,由单纯的自然环境系统向自然环境与社会环境的综合系统,由静态分析向动态分析发展的趋势〔4〕。

环境质量评价在我国的开展也有30年左右的历史,经过多年的发展,在评价理论、评价方法等方面均有了较大的进展。

近年来,随着计算机技术的发展,各种数学方法的应用,使得环境质量评价更加规范化,评价的整体水平得到不断提高。

2　水环境质量评价方法环境质量评价结果的可靠程度一方面取决于监测数据的准确性,另一方面依赖于科学的评价方法,包括技术的选择。

近年来,对水环境质量评价方法的研究相当活跃,各种方法的研究都是为了更客观、更准确地反映水体水质的实际情况。

单就其评价方法而言,水环境质量评价可分为单项评价和多项综合评价,单项评价一般根据国家标准或本底值采用超标指数法,评价其超标程度,做起来相对容易;综合评价则要考虑水体中所有污染物的综合作用,确定水质的综合级别。

我国于1974年提出用数学模型综合评价水污染,至今经过了近30年的发展历程。

关于河流水质综合评价方法的研究比较活跃,到现在为止,各家提出的综合评价水质的方法或指数就有几十种之多。

概括起来大致分为以下几类。

2.1　指数评价法这类模式的特点在于均以监测数据与评价标准之比作为分指数,然后通过数学综合运算得出一个综合指数,以此代表水体的污染程度,以及进行不同河流或同一条河流不同时期的水质比较。

指数化综合评价是对整体水质量作出定量描述,只要项目、标准、监测结果可靠,综合评价从总体上看是可以基本反映水体污染的性质和程度的,而且便于同一条水体在时间上、空间上的基本污染状况和变化的比较。

所以现在在进行水质污染评价时均采用了这种方法。

依据对分指数的处理不同,指数法又可以分为不同的指数形式,主要有豪顿(Ho rton)水质指数、布朗(Brow n)水质指数、普拉特(Prati)水质指数、尼梅罗(Nemerow)指数、罗斯(Ross)水质指数、黄浦江污染指数(A)等。

R.K.Ho rton等人于1965年首次序提出一种水质评价的指数体系,即豪顿水质指数.Brow n水质指数是在35种水质参数中选取11种重要水质参数,然后再根据专家的意见进行加权计算。

普拉特水质指数是意大利斐拉拉大学卫生研究所提出的水质指数,为各参数换算的污染指数相加,求其算术平均值。

尼梅罗在其《河流污染的科学分析》一书中拟定方法的特点是不仅考虑到各种污染物实测含量值与相应的污染物环境标准的比值,而且也考虑了污染物中含量最大的污染物与环境标准的比。

尼梅罗方法较前两种有发展,在进行水质评价时首先考虑到水质的用途。

Ross在上述指数系统研究的基础上,对英国克鲁德流域干支流的水质进行了评价,从常规监测的12个参数中选取了4个参数作为计算水质指数的指标,并分别给以不同的权系数。

除以上较完善的指数法外,《环境影响评价技术导则———地面水环境)(HJ/T2.3—93)推荐的多项水质参数综合方法有幂指数法、加权平均法、向量模法等〔4〕。

对于各种指数法存在的不足,有人提出了各种改进的指数公式,如分指数分级评分迭加法(姚斐1998);用分指数合成计算环境质量综合指数的方法(谢宏斌1998);把水质类别考虑进综合指数以求评价方法统一的综合指数计算公式〔5〕等。

2.2　模糊评价法1965年美国L.A.Zadeh教授著名的《模糊集合》一文的发表,标志着模糊数学的诞生并很快发展起来。

由于水环境中存在大量不确定性因素,水质级别、分类标准都是一些模糊概念,因此模糊数学在水质综合评价中得到广泛应用。

应用模糊数学进行水质评价时,对一个断面只需要一个由P项因子指标组成的实测样本,由实测值建立各因子指标对各级标准的隶属度集。

如果水质级别为Q级,则构成P×Q的隶属度矩阵,再把因子的权重集与隶属度矩阵进行模糊积,获得一个综合判集,表明断面水质对各级标准水质的隶属程度,反映了综合水质级别的模糊性。

由于模糊数学的突出特点在于对事物的判别与评价,因此,有关模糊评判的其它方法都在水质综合评价中得到应用。

例如,模糊模式识别理论在环境质量评价中的应用研究〔6〕,应用模糊数学中模糊聚类的最大矩阵元法和模糊相关分析法对水质进行分析、聚类和评价〔7〕,此外还有模糊贴近度法、模糊距离法及模糊综合评判与加权平均复合模型应用于水质评价〔8〕等。

从理论上讲,模糊评价法由于体现了水环境中客观存在的模糊性和不确定性,符合客观规律,具有一定的合理性。

但是,从目前的研究情况来看,由于在模糊综合评价中,一般采用线性加权平均模型得到评判集,使评判结果易出现失真、失效、均化、跳跃等现象,存在水质类别判断不准确或者结果不可比的问题,而且评价过程复杂,可操作性差。

因此在应用模糊理论进行水质综合评价方面还需进一步研究,研究的关键性问题是解决权重合理分配和可比性。

2.3　灰色评价法灰色评价法是用灰色系统的方法来评价河流水质。

研究者认为,由于在水环境质量评价中所获得的数据总是在有限的时间和空间范围内监测得到的,所提供的信息不完全或不确切,因此说水环境是一个灰色系统,即部分信息已知,部分信息未知或不确切的系统,可以用灰色系统的原理来进行水质综合评价〔9〕。

用灰色系统理论进行水质评价的基本方法是计算断面水质中各因子的实测浓度与各级水质标准的关联度,然后根据关联度大小确定断面水质的级别,根据同类水体与该类标准水体的关联度大小还可以进行优劣的比较〔9～12〕。

应用于水质综合评价的灰色系统方法有灰色聚类法、灰色贴近度分析法、灰色关联评价方法等。

灰色聚类法是通过建立与隶属函数相似的白化函数(或称功效函数),进行灰色聚类,确定所有断面综合水质的级别;灰色贴近度分析法是对灰色聚类法的改进,将聚类函数的确定由分段、分斜率计算改为分段共斜率计算,并用共斜率的方法来确定聚类元素与其理想子集的贴近程度,从而确定其所属类别〔10〕;灰色关联评价方法是以断面水质中各因子的实测浓度组成实际序列,各因子的标准浓度组成理想序列,不同标准级别组成的不同理想序列,使用灰色关联度分析法计算实际序列与各理想序列的关联度,最后按照关联度的大小确定断面综合水质的级别,此为单断面水质综合评价的灰关联评价法;把灰色关联度评价法应用于研究具有多断面的区域水环境质量评价问题,就得到了区域水质综合评价的灰关联分析法〔11〕。

如果将待评价样本作为事件,水质级别作为对策,构成局势,还可应用灰色局势决策模型进行水质综合评价〔12〕。

与模糊数学方法一样,灰色评价法由于体现了水环境系统的不确定性,在理论上是可行的,并且具有简单、可比的优点,缺点是存在分辨率低等问题。

但由于灰色评价法可满足水环境质量评价的基本要求,可以通过进一步完善来克服这些缺点。

2.4　物元分析法物元分析法是物元分析的基本理论在水环境质量评价领域的应用。

针对水环境中各项评价指标的不相容性,有人提出利用物元分析法来解决这一问题。

物元分析法是根据各级水质标准建立经典域物元矩阵,根据水质监测值建立节域物元矩阵,然后建立各污染指标对不同水质标准级别的关联函数,取关联度最大值对应级别即为所评价水质级别〔13〕。

关联函数与灰色评价法的关联度及模糊评价法隶属度的区别在于,建立在可拓集合基础上的取值区间拓宽到实数轴,可拓集合的关联函数可用代数式表示,这就使得解决不相容问题能够定量化,有助于从变化角度识别变化中的事物,更能反映事物的状态,具有较高的分辨率,可进行优劣排序〔14〕。