摘要：本文對常用的河流水質(zhì)評價(jià)方法進(jìn)行了評述，按照確定性、不確定的方法分類，逐個(gè)分析了單因子法、綜合指數(shù)法、分級評價(jià)法及模糊評價(jià)法、灰色評價(jià)法等方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行了小結(jié)和展望，供參考。

關(guān)鍵詞：河流；水質(zhì)評價(jià)；方法

中圖分類號：X824 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-0432（2012）-07-0226-2

水質(zhì)評價(jià)是按照一定的標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)和方法，根據(jù)水的用途對水域的質(zhì)量狀況進(jìn)行定性或定量的評定。按照水的特性，水質(zhì)評價(jià)方法可分為以生物種群與水質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行評價(jià)的生物學(xué)評價(jià)方法和以物理、化學(xué)監(jiān)測為主的監(jiān)測指標(biāo)評價(jià)方法。后者以數(shù)學(xué)方法分類居多，如單因子法、指數(shù)法、模糊評價(jià)法、灰色理論法、人工法等；按照水質(zhì)級別的確定原則，可分為確定性方法和不確定性方法[1]。確定性方法的特點(diǎn)是原理清晰、計(jì)算簡便，但評價(jià)結(jié)果偏于概括；不確定性方法結(jié)合數(shù)學(xué)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，可進(jìn)行大量運(yùn)算并處理較復(fù)雜問題，評價(jià)結(jié)果更加真實(shí)客觀，但不確定性方法的理論復(fù)雜，適用性不如確定性方法廣泛。因此，在實(shí)際工作中確定性方法被更多使用。本文重點(diǎn)對基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的理化監(jiān)測指標(biāo)評價(jià)方法進(jìn)行分析，供參考。

1 確定性評價(jià)方法

1.1 單因子評價(jià)法

眾多確定性方法中，單因子評價(jià)法是一種操作簡便、評價(jià)結(jié)果偏于安全且目前被廣泛采用的綜合評價(jià)方法。單因子評價(jià)法又稱“一票否決法”，是將各指標(biāo)濃度代表值與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)逐項(xiàng)對比，以單項(xiàng)評價(jià)最差項(xiàng)目的類別作為水質(zhì)類別，是地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)規(guī)定的評價(jià)方法。該方法能夠明確指出水質(zhì)問題的所在，直接了解水質(zhì)狀況與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，有利于提出針對性的保護(hù)與治理措施，但評價(jià)結(jié)果過于嚴(yán)格，各評價(jià)指標(biāo)沒有聯(lián)系，不能綜合的反映水環(huán)境質(zhì)量狀況。

研究人員針對單因子評價(jià)法的不足進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)。徐祖信(2005)將單因子法與水質(zhì)指標(biāo)的濃度值作量綱化處理，提出Pi=X1X2X3模式的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法，以類似編碼的形式標(biāo)識水質(zhì)信息。水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法結(jié)合水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對水質(zhì)狀況進(jìn)行定性評價(jià)，也可對同一類別的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行定量比較，給出的信息較為全面，但未突出不同污染物對水質(zhì)的影響，忽略各指標(biāo)之間的聯(lián)系[2]。程文濤等(2007)選擇毒性重、危害大的指標(biāo)按照單因子法評價(jià)，實(shí)行一票否決制；對其他理化指標(biāo)、營養(yǎng)性指標(biāo)等采用多指標(biāo)綜合評價(jià)方法中的算術(shù)平均法，一定程度上克服了單因子法的片面性[3]。

1.2 綜合指數(shù)法

在20世紀(jì)60-70年代，綜合指數(shù)法有著較多的研究和應(yīng)用，國內(nèi)外已提出幾十種不同模式，比較典型的有指數(shù)模式、內(nèi)梅羅模式等。綜合指數(shù)法以其概念清晰、計(jì)算簡單的優(yōu)點(diǎn)，在水質(zhì)評價(jià)實(shí)踐中被廣泛采用[4]。其基本思路是將其污染物的代表值與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)比較，得到各污染物的指數(shù)，再采用各種數(shù)學(xué)方法計(jì)算得到綜合指數(shù)。常用的指數(shù)方法有疊加指數(shù)、算術(shù)平均指數(shù)、加權(quán)平均指數(shù)、最大值指數(shù)等方法。

1.2.1 疊加指數(shù)法 計(jì)算公式為：

疊加指數(shù)計(jì)算簡單、意義明確，直接反映污染指標(biāo)與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量關(guān)系，適用于評價(jià)指標(biāo)一致的水體之間比較，但忽略不同污染物對水質(zhì)影響程度的差別。

1.2.2 算術(shù)平均指數(shù)法 又稱綜合污染指數(shù)，

計(jì)算公式為：

該指數(shù)解決了因參評指標(biāo)個(gè)數(shù)不同對指數(shù)的影響，但仍未考慮不同污染物的權(quán)重問題。

1.2.3 加權(quán)平均指數(shù)法 加權(quán)型指數(shù)可以有針對性的突出某種污染物的作用，使用的關(guān)鍵還在于權(quán)重的確定，如流量加權(quán)、河段長度加權(quán)、湖泊面積加權(quán)等，也有通過德爾菲法確定的。

計(jì)算公式為：

加權(quán)平均指數(shù)具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，但不同的權(quán)重確定方法可能會降低加權(quán)指數(shù)法的可比性。

丁冉等[5]提出的改進(jìn)的分級評分法從數(shù)學(xué)形式上是一種加權(quán)平均指數(shù)。該法依照國家標(biāo)準(zhǔn)將水質(zhì)類別分別賦予固定的評分值、權(quán)重，其計(jì)算公式為：

TS為總分值，Si為單項(xiàng)指標(biāo)分值，wi為權(quán)重值。TS能夠得出水質(zhì)類別，較直觀的看出水體污染程度，賦權(quán)中突出污染嚴(yán)重指標(biāo)的影響。

1.2.4 最大值指數(shù)法 即內(nèi)梅羅指數(shù)法，計(jì)算公式為：

該方法考慮最大值對水環(huán)境質(zhì)量的影響，在一定程度上彌補(bǔ)算術(shù)平均模式的不足。內(nèi)梅羅水質(zhì)污染指數(shù)的特點(diǎn)在于數(shù)學(xué)過程簡捷、運(yùn)算方便、物理概念清晰，在加權(quán)過程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響，是較為成熟、運(yùn)用廣泛的指數(shù)法之一。最大分指數(shù)項(xiàng)計(jì)算重復(fù)，過分夸大了最大項(xiàng)的作用，掩蓋了其他污染指數(shù)的貢獻(xiàn)。丁雪卿等(2010)對過于突出最大污染因子對水質(zhì)污染的影響和未考慮權(quán)重因素等方面進(jìn)行了改進(jìn)[6-7]，但各種賦權(quán)的方法還需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

1.3 分級評分法

分級評分法是將評價(jià)指標(biāo)的代表值與各類水體分級標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行對照比較，確定其單項(xiàng)的污染分級，然后進(jìn)行等級指標(biāo)的綜合疊加，綜合評價(jià)水體的類別或等級。比較典型的分級評分法包括布朗(R.M.Brown)水質(zhì)指數(shù)、羅斯(S.L.Ross)水質(zhì)指數(shù)、W值水質(zhì)指數(shù)以及百分制分級法等[8]。布朗等選取9項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，采用德爾菲法賦予權(quán)重，計(jì)算水質(zhì)指數(shù)WQI=∑WiPi。在此基礎(chǔ)上，羅斯剔除受地球化學(xué)影響的指標(biāo)，選取BOD、DO、氨氮、懸浮物等4項(xiàng)直接具體的反映水體污染狀況，并分別賦予權(quán)重。這兩種方法評價(jià)指標(biāo)是確定的，不能滿足不同的評價(jià)需求。由于在評分尺度上具有很大的任意性，羅斯水質(zhì)指數(shù)法一般僅適用初步評價(jià)。

W值水質(zhì)指數(shù)將各評價(jià)指標(biāo)的分值轉(zhuǎn)換為的表達(dá)式，最后評價(jià)結(jié)果為SWJ-C，其中 ，Wj為污染級別，C為超標(biāo)項(xiàng)數(shù)。藍(lán)琳等(2007)借鑒隸屬度的概念，對各指標(biāo)的分級類別進(jìn)行了修正，更加客觀的反映水質(zhì)類別，但該法計(jì)算較為繁瑣[9]。

2 不確定性評價(jià)方法

水質(zhì)類別的界定具有一定區(qū)間范圍，指標(biāo)濃度包含在同一級別內(nèi)的不同水體，其真實(shí)污染狀況可能有所不同，如濃度值靠近類別上限和下限的兩類水體，僅以一個(gè)確定性指標(biāo)進(jìn)行歸類。為解決這個(gè)問題，20世紀(jì)80年代以來，一些不確定性理論方法的出現(xiàn)為水質(zhì)評價(jià)新模式的產(chǎn)生提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持，比較有代表性的有模糊評價(jià)法、灰色評價(jià)法等。

2.1 模糊評價(jià)法

模糊評價(jià)法是基于模糊數(shù)學(xué)理論的一種不確定性評價(jià)方法，用模糊數(shù)學(xué)集中隸屬函數(shù)來描述水質(zhì)分級的界限，評價(jià)結(jié)果更接近于實(shí)際情況，因此在我國水質(zhì)評價(jià)中得到了大量的研究和應(yīng)用。由于水質(zhì)變化具有連續(xù)性特點(diǎn)，與分級標(biāo)準(zhǔn)相互聯(lián)系并具有模糊性，模糊評價(jià)法合理的體現(xiàn)了水體污染程度不確定的特點(diǎn)。模糊評價(jià)法主要適用于各個(gè)評價(jià)因子超標(biāo)情況接近，不存在單因子否決的情況，評價(jià)出發(fā)點(diǎn)是為了體現(xiàn)不同評價(jià)因子對水質(zhì)的綜合影響，但計(jì)算復(fù)雜，不易操作，不能確定主要污染因子，有可能掩蓋有毒有機(jī)物、重金屬等對人體健康和生態(tài)環(huán)境威脅較大的污染物的影響。模糊數(shù)學(xué)用于水質(zhì)綜合評價(jià)的方法主要有模糊聚類法、模糊貼近度法、模糊距離法等[10]。

如何確定權(quán)重是模糊評價(jià)法中的關(guān)鍵問題，直接影響評價(jià)結(jié)果。污染加權(quán)法是目前采用較多的權(quán)重確定方法，對污染貢獻(xiàn)大的指標(biāo)獲得較大的權(quán)重。它考慮了個(gè)體指標(biāo)的特征，多個(gè)評價(jià)指標(biāo)的相互聯(lián)系卻無法描述，可能使評價(jià)結(jié)果出現(xiàn)均化、失真和跳躍等情況[11-12]。鄒志紅等(2005)通過對“熵”的計(jì)算確定權(quán)重，就是根據(jù)各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)值的差異程度反映其提供信息量大小，確定各指標(biāo)的權(quán)重[13]。熵權(quán)法比加權(quán)法容易計(jì)算，將同一監(jiān)測指標(biāo)的多個(gè)監(jiān)測斷面結(jié)合確定權(quán)重，可削弱異常值的影響。田景環(huán)等(2005)提出最優(yōu)權(quán)法，通過尋找權(quán)向量的最優(yōu)解來確定各指標(biāo)的權(quán)重，可以避免確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重時(shí)的主觀任意性，增加評價(jià)結(jié)果的分辨性，易于分類[14]。

2.2 灰色評價(jià)法

灰色評價(jià)法以灰色理論分析方法為基礎(chǔ)，把水質(zhì)評價(jià)指標(biāo)視為灰色系統(tǒng)的灰離散函數(shù)進(jìn)行分析?；疑到y(tǒng)原理應(yīng)用于水質(zhì)評價(jià)的基本思路與模糊評價(jià)法相似，先計(jì)算水體水質(zhì)各指標(biāo)實(shí)測濃度與各級水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)聯(lián)度，再根據(jù)關(guān)聯(lián)度來確定水體水質(zhì)級別。灰色評價(jià)法體現(xiàn)了水環(huán)境系統(tǒng)的不確定性，可根據(jù)關(guān)聯(lián)度的數(shù)值對同類水體的水質(zhì)進(jìn)行比較，具有排序明確和可比性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜，也存在信息丟失和分辨率低等問題，需在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步改進(jìn)[15-16]。

綜上所述，從文獻(xiàn)中對于指數(shù)法、分級評價(jià)法、模糊評價(jià)法、灰色評價(jià)法等有著較為成熟的研究，但仍沒有找出一種公認(rèn)的、統(tǒng)一的水質(zhì)評價(jià)體系。各類水質(zhì)評價(jià)方法都根據(jù)各自需求來確定最終的水質(zhì)分級和隸屬情況，缺乏共同標(biāo)準(zhǔn)。因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價(jià)目的選擇合適的評價(jià)方法，使評價(jià)結(jié)果滿足管理需要，反映水體的實(shí)際情況。

3 結(jié)語

水環(huán)境系統(tǒng)是充滿不確定性因素、變化復(fù)雜的系統(tǒng)，客觀上評價(jià)指標(biāo)的屬性值可能存在著多種狀態(tài)。而現(xiàn)有評價(jià)方法實(shí)際上都是某一狀態(tài)下根據(jù)給定水質(zhì)指標(biāo)測值下的水質(zhì)狀況進(jìn)行評價(jià)，這與水環(huán)境系統(tǒng)的不確定性特征存在較大差距。隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信和自動化等應(yīng)用技術(shù)進(jìn)步，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)評價(jià)模型查詢和運(yùn)算的自動化、智能化，以及評價(jià)結(jié)果的直觀可視化，是水質(zhì)評價(jià)模型的發(fā)展方向。完善和提高各種評價(jià)方法的適用性是當(dāng)前亟需開展研究的問題。為了更為真實(shí)、準(zhǔn)確地反映水環(huán)境質(zhì)量狀況，需要考慮水質(zhì)指標(biāo)的多種狀態(tài)特征。如何從隨機(jī)不確定性角度評價(jià)水體質(zhì)量狀況可能成為今后水質(zhì)評價(jià)研究的趨向。

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作者簡介：劉成（1981-），男，湖北武漢人，大學(xué)本科，長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心工程師，從事水資源質(zhì)量評價(jià)工作。