水质综合评价及预测研究进展

水质综合评价及预测研究进展作者：吴岳玲来源：《安徽农业科学》2020年第02期摘要;水质评价和水质预测研究是实现水污染精准化治理的基础和前提。

在介绍水环境现状的基础上，主要阐述了水质评价和水质预测的基本概念，总结了水质评价、水质预测在国内外的研究进展以及基本方法，并对水质预测在未来的研究进行了展望，旨为解决水环境污染和制定相关保护政策提供一定的科学依据。

关键词;水质评价;水质预测;研究进展;评价方法中图分类号;X824文献标识码;A文章编号;0517-6611（2020）02-0023-04doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.007开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Progress in Comprehensive Evaluation and Prediction of Water QualityWU Yue-ling;（School of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021）Abstract;The research of water quality assessment and water quality prediction are the basis for achieving precise control of water pollution.Based on the introduction of the current situation of water environment，the basic concepts of water quality assessment and water quality prediction were mainly expounded，the research progress and basic methods of water quality assessment and water quality prediction at home and abroad were summarized，and the future research of water quality prediction was prospected.It is expected to provide a scientific basis for solving water pollution and formulating relevant protection policies.Key words;Water quality assessment;Water quality prediction;Research progress;Evaluation method水資源是保障人类生活和促进社会经济发展不可或缺的自然资源，是地球上一切生物赖以生存的物质基础[1]。

然而，随着科技的进步和人类社会的不断发展，水环境质量却日趋恶化，目前水污染问题已严重影响了我国经济、社会的可持续发展。

水质评价的引入为解决水体污染提供了一定的依据[2]，在水资源紧缺和水环境污染严重的情形下，对河、湖水质进行综合性的评价，可以充分了解河、湖的健康状况、污染情况，对于解决水体污染、保护水资源和社会经济发展具有十分重要的现实意义，对水环境质量进行科学合理的预测，及时分析和掌握河、湖水环境质量的变化趋势，可为水环境保护奠定一定的基础。

1;水环境的现状地球上的水资源总量约为 13.8×108 km3，其中97.5%是海水，淡水仅占 2.5%，其中适宜人类使用的仅为 0.01%，联合国《世界水资源综合评估报告》预测，到 2025 年，全世界人口将增加至83 亿，而生活在那些水资源短缺国家的人口将增加到 30 亿[3]。

21世纪以来，随着社会经济的不断发展和人口的大量增长，我国用水高峰预测将在2030年到来。

我国是世界上水资源短缺最严重的13个国家之一，在水资源短缺的同时水资源的分布也极其不平衡：在空间上，我国南部地区的降雨量多于北部地区，东部地区的降雨量多于西部地区;在时间上，主要呈现夏季多于冬季的现象。

当前水资源短缺已严重影响了我国经济的发展[4]。

根据生态环境部公布的《2017 年中国生态环境状况公报》[5]，2017 年我国地表水1 940个水质断面（点位）中，67.9%断面水质为Ⅰ～Ⅲ类，23.8%断面水质为Ⅳ～Ⅴ类，8.3%断面水质为劣Ⅴ类。

在112个重要湖泊（水库）中，Ⅰ类水质的湖泊（水库）占5.4%，Ⅱ类水质的湖泊（水库）占24.1%，Ⅲ类水质的湖泊（水库）占33.0%，海河流域仍为我国污染最为严重的区域。

近年来，一些突发性的水污染事故频繁出现在我国重点流域，据统计，我国平均每2～3 d 就会发生一起水体污染事故，这使得我国水资源更加匮乏，严重威胁了我国的生态环境和人类健康[6]。

2;水质评价在国内外的研究进展2.1;水质评价的概念水质评价，即水环境质量评价，水环境是指自然界中水形成过程所处的大环境。

水环境评价所指的是这个大环境的质量状况。

根据不同的水环境因素，水环境包括河流水环境、海洋水环境、湖泊水环境等，人类社会赖以生存和发展的场所是水环境，但同时水环境也是受人类干扰和破坏最严重的领域[7]。

对水质的现状进行评价，首先确定需要评价的范围，根据所评价的范围选择合适的评价参数;其次，具体问题具体分析，根据不同的参数选择最为合适的评价方法;再次，对所评价区域的水质现状展开模拟计算[8]。

2.2;国内外研究进展水质评价是解决水体污染和保护水环境的基础，水质评价工作最早出现在美国[9]，美国学者在水质评价的过程中提出了许多水质评价的方法，为水质评价方法的研究开拓了一条道路。

20世纪60年代，水体质量评价的水质指数（QI）概念的提出标志着水质评价的开始，之后，各个国家以此理论为基础，不断对水质评价的方法进行补充和发展[10-11]。

根据水质指数（QI）理论，Brown等[12]提出了水质现状评价的质量指数法（WQI），紧接着美国学者Nemerow[13]在其著作《河流污染科学分析》中提出了Nemero污染指数法，并将Nemero污染指数法用于分析美国地表水的污染情况。

1977年，英国学者Ross[14] 在总结水质评价一些方法后，提出了一种计算较为简单的罗斯水質指数法。

在 20 世纪 70 年代中，前苏联国家也积极展开了水质评价工作，根据莫斯科河和伏尔加河上采用基于物理、化学和生物学指标评价法建立了河流污染平衡模型，使评价结果更加全面、科学[15-16]。

我国在水环境质量综合评价方面起步较晚，我国水质评价研究始于1973 年第一次对北京西郊环境质量的评价[17]。

1978 年，地表水质污染指数由中国科学院地理科学与资源研究所提出，并将该指数用于我国东部河流水质污染程度的评价中，1981 年，我国将单项评价法、地图重叠法和加权算术平均河长的水质指数法运用到了第一次全国水质评估中[18]。

随着计算机技术的迅猛发展，各种数学模型得到了广泛应用，水质评价方法也在逐步完善以适应各种类型水体的水质评价，而且评价的整体水平也在不断提高。

虽然水质评价工作在国内起步较晚，但发展十分迅速，郭晶等[19]运用主成分分析法对洞庭湖的水质进行评价，得出洞庭湖水质主要受TN、TP、BOD5、CODMn这4个因子的影响，该方法能从众多的污染因子中筛选出影响水体的主要污染因子;孙大明[20]运用层次分析法和单因子评价法对大连市沙河流域水质进行综合评价，结果表明，层次分析法的评价结果与大沙河流域各断面实际水质情况相吻合。

我国水质评价研究到目前已有40多年的发展历程，现有水质评价方法主要侧重于对评价指标的处理、解决水环境的模糊和不确定性问题。

2.3;水质评价基本方法水质综合评价已在水体污染防护中占主导地位，水质综合评价的首要工作是水质指标的选择[21]。

水环境是一个极其复杂的大环境，在这个大环境中进行评价时，水质指标的选取、权重的确定等都会导致评价结果的不同，因此，至今为止，没有一个完全合理、被大家公认的评价方法。

随着科技的进步和社会的发展，许多学者对水质评价做进一步的研究，提出了许多水质评价的方法[22]，如主成分分析法、层次分析法、灰色关联法、人工神经网络法等，这些方法的评价结果是否科学合理没有一个确切的定义，且每种方法都有其相对应的特征。

因此，在水质综合评价的过程中，人们往往结合多种方法去评价，通过对每种方法的比较分析，使得评价结果更加科学合理。

2.3.1;主成分分析法。

主成分分析是一种多元统计方法，主要是从众多的污染因子中筛选出主要的污染因子，又称为主分量分析[23]。

由于在水质评价时，所涉及到的因子数量较多，因此可能无法提取水体的重要信息，无法做出科学有效的水质评价。

主成分分析不仅能在一定程度上减少指标数量，而且筛选出的水质指标两两之间不相关[24]，这样，在保证信息量损失最小的情况下简化计算，提高评价结果的可信度，筛选出重要的水质指标。

2.3.2;聚类分析法。

聚类分析又称为群分析，是利用数理统计的手段，对数据进行分类的一种方法，是建立在大量样本数据的基础上进行的，在指标的筛选中，将相关性或数据特征相近的水质指标利用聚类分析方法归为一类。

聚类分析法常用于水环境时空特征分布中，分析流域水环境的时空分布特征[25]，在很多研究中将水质评价和聚类分析一起分析，应用聚类法将参与水体评价的流域或断面在空间尺度上进行归类，然后综合讨论[26]。

2.3.3;污染指数评价法。

污染指数法基于单因子评价法，根据水功能分区进行，将单项因子与水功能分区的水质标准进行比较，得出单项污染指数，再通过一定的计算方法计算各污染指标的相对污染指数[27]，以此来作为水质评价的基础。

污染指数评价法能够直观地判断出综合水质是否符合功能区目标，由于在计算的过程中所采用的数学方法不同，所以得出的污染指数也就有所不同，因此污染指数评价法不能准确地去判断该水体的综合水质级别，不便于进行水体之间的水质对比。

2.3.4;模糊评价法。

由于水体环境的复杂性以及水体污染程度界限的模糊性，用污染指数的方法去判断水体的污染程度是不客观的，而模糊数学理论是针对现实中具有模糊现象问题的一门学科，对于研究水环境问题具有很好的贴合性。

模糊评价法是通过样本数据，建立所选的水质指标对各类水质标准等级的隶属函数关系，也就是通过精确的数字手段处理模糊的评价对象，最后，根据隶属度最大的原则判断水体的水质类别[28]。

然而，模糊综合评价法在水质评价过程中的计算较为复杂，而且对指标权重矢量的确定主观性较强，信息损失多，有可能会评价失败，对于劣Ⅴ类水质的评价偏保守。