(甘肅省水環(huán)境監(jiān)測中心，甘肅 蘭州 730000)

水環(huán)境是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要場所，也是受人類干擾和破壞最嚴(yán)重的領(lǐng)域。隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，水環(huán)境污染日益成為制約各地可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[1]。因此，客觀、科學(xué)評價水環(huán)境質(zhì)量，真實(shí)有效地反映水體環(huán)境質(zhì)量的過去、現(xiàn)在和將來發(fā)展趨勢及其變化規(guī)律，了解和掌握影響本地區(qū)環(huán)境質(zhì)量的主要污染源，有針對性地制定改善水環(huán)境質(zhì)量的污染源治理方案[2]，對地方經(jīng)濟(jì)社會健康發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

水環(huán)境質(zhì)量評價工作主要包括選定評價參數(shù)、開展水體監(jiān)測、處理監(jiān)測數(shù)據(jù)、確定評價標(biāo)準(zhǔn)、建立評價方法、核定評價結(jié)果等內(nèi)容。評價工作按內(nèi)容分為有機(jī)類污染評價、富營養(yǎng)化評價、底泥環(huán)境質(zhì)量評價、水生生物質(zhì)量評價等；按評價方法分為單因子評價方法和綜合評價法等[3]。應(yīng)用十分廣泛的單因子評價法包括標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法和污染超標(biāo)倍數(shù)法。常見的綜合評價法有綜合污染指數(shù)法、有機(jī)污染物綜合評價值法、布朗水質(zhì)指數(shù)法、豪頓水質(zhì)指數(shù)法、內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法、羅斯水質(zhì)指數(shù)法等。近年來，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了很多新的水環(huán)境質(zhì)量評價方法[4]，包括集對分析評價法[5]、模糊綜合評價法[6]、層次分析評價法、灰色系統(tǒng)評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法、物元分析評價法、投影尋蹤評價法、主成分分析評價法等，進(jìn)一步發(fā)展和豐富了水環(huán)境質(zhì)量評價的方法體系。相對傳統(tǒng)評價方法，集對分析評價法具有較為堅實(shí)的理論基礎(chǔ)，結(jié)果可比性強(qiáng)，評價結(jié)果更加客觀、合理，是一種結(jié)構(gòu)簡單、計算簡潔、應(yīng)用方便的水質(zhì)定量評價方法。

1 研究背景

平?jīng)鍪械靥庩儭⒏?、寧三?區(qū))交匯處，是古“絲綢之路”必經(jīng)重鎮(zhèn)，是甘肅省主要農(nóng)林產(chǎn)品生產(chǎn)基地和西北重要的畜牧業(yè)基地、皮毛集散地和各類中藥材的重要產(chǎn)地。煤炭儲量650億 t，被列為全國13個大型煤炭基地之一、全省最大煤電化產(chǎn)業(yè)基地。歷史悠久，文化燦爛，風(fēng)景名勝不計其數(shù)。

2009年“關(guān)天經(jīng)濟(jì)區(qū)”經(jīng)國務(wù)院批復(fù)同意后，平?jīng)鍪凶鳛檩椛鋮^(qū)域，按照甘肅省委提出的“中心帶動、兩翼齊飛、組團(tuán)發(fā)展、整體推進(jìn)”的區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略，著力打造隴東能源化工品牌。伴隨發(fā)展而來的問題是平?jīng)鍪行枰鎸θ找驿J減的水資源現(xiàn)實(shí)和不堪重負(fù)的水環(huán)境質(zhì)量問題。日趨嚴(yán)重的水污染不僅破壞了生態(tài)環(huán)境，而且使水資源短缺問題更為突出。多年來，平?jīng)鍪胁粩嗉訌?qiáng)涇河流域水污染防治工作，基本實(shí)現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)生活污水的全收集、全處理，避免生活污水直接排放對涇河水體的污染，工業(yè)污染源也全部達(dá)標(biāo)排放，基本杜絕工業(yè)廢水排放對涇河水體的污染。2016年，全市地表水?dāng)嗝嫠|(zhì)優(yōu)良比例達(dá)到85.7%，其中涇河、汭河、達(dá)溪河全年水質(zhì)綜合評價達(dá)到國家Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，縣級以上在用城市集中式飲用水水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率及地下水質(zhì)量考核點(diǎn)位水質(zhì)達(dá)標(biāo)率均為100%。但是，近年來涇河上游來水量銳減，涇河甚至出現(xiàn)斷流，涇河水體基本失去了納污能力和自然降解能力，盡管企業(yè)排放的污水達(dá)標(biāo)，但與涇河水環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)的差距仍然很大。2017年省環(huán)保廳依據(jù)全省68個地表水監(jiān)測斷面1-9月水質(zhì)綜合評價結(jié)果計算城市水質(zhì)指數(shù)，平?jīng)鍪谐鞘兴|(zhì)指數(shù)6.8567，相較2016年平?jīng)鍪谐鞘兴|(zhì)指數(shù)8.586 5有所提高，但在全省城市地表水環(huán)境質(zhì)量排名中仍然墊底，可見涇河的水環(huán)境質(zhì)量并不樂觀。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

集對分析(SPA)是我國學(xué)者趙克勤1989年提出的一種基于哲學(xué)對立統(tǒng)一和普遍聯(lián)系觀點(diǎn)來研究對象不確定關(guān)系的分析方法。核心思想是對兩個有關(guān)聯(lián)的集合構(gòu)建集對，然后進(jìn)行同一性、差異性和對立性分析，建立集對的同異反聯(lián)系度，計算得到聯(lián)系數(shù)，進(jìn)而對研究對象進(jìn)行全面深入的定量分析評價[7]?；诩瘜Ψ治龇椒ń⑺h(huán)境質(zhì)量評價模型，需要確定評價指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)。

選取溶解氧、BOD5、總磷、NH3N、CODcr作為水環(huán)境質(zhì)量評價的指標(biāo)，記為：

A5={xk}={溶解氧，BOD5，總磷，NH3N，CODcr}，(k=5)

水環(huán)境質(zhì)量級別可分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類和劣Ⅴ類6個級別，分別作為評價標(biāo)準(zhǔn)：

B6={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，劣Ⅴ}，(l=6)

由此得到集對H(A5，B6)。根據(jù)集對分析的定義，Ⅰ類和劣Ⅴ類分別作為同一度和對立度，Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類作為差異度。用6元聯(lián)系數(shù)μk描述集對H(A5，B6)的關(guān)系：

μl=ak+bk，1i1+bk，2i2+bk，3i3+bk，4i4+ckj

(1)

式(1)ak，bk，2，bk，3，bk，4，ck中分別表示評價指標(biāo)值與評價標(biāo)準(zhǔn)值的聯(lián)系程度。

一般情況下，評價指標(biāo)分為越大越好型和越小越好型，兩者均可通過數(shù)學(xué)處理相互轉(zhuǎn)化，如溶解氧評價標(biāo)準(zhǔn)為越大越好型，用1相除后即可轉(zhuǎn)化為越小越好型。由此得到越小越好型6元評價指標(biāo)的聯(lián)系度計算公式：

(2)

式(2)中S1≤S2≤S3≤S4≤S5為評價指標(biāo)的閾值。由此得到H(A5，B6)的綜合聯(lián)系度μA～B為:

(3)

式(3)中ωk為第k個評價指標(biāo)權(quán)重。采用置信度準(zhǔn)則來判斷評價對象所屬的級別：

hf=(f1+f2+…+fl)>λ；(l=1，2，…，6)

(4)

根據(jù)各監(jiān)測指標(biāo)值所提供的有效信息量的大小來確定指標(biāo)權(quán)重，即熵權(quán)法[9]。由于6元聯(lián)系度采用越小越好型，所以各監(jiān)測指標(biāo)值的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理時可以采用min-max法，即：

(5)

式(5)中xmax、xmin為同一評價指標(biāo)下最大值和最小值。由此定義各評價指標(biāo)的熵為:

(6)

(7)

上述計算過程全部采用R語言編程實(shí)現(xiàn)，極大地提高了分析計算的效率。

2.2 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)集對分析的定義，需要確定評價指標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)。評價指標(biāo)數(shù)據(jù)全部來自平?jīng)鍪兴h(huán)境監(jiān)測中心 2014 年涇河主要河段8個監(jiān)測斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(見表1)。評價標(biāo)準(zhǔn)則根據(jù)《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)確定(見表2)。

表1 平?jīng)鍪?014年監(jiān)測斷面水質(zhì)結(jié)果

3 應(yīng)用分析

按照集對分析的定義，按照表2確定的評價標(biāo)準(zhǔn)對表1所列的8個監(jiān)測斷面5項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行符號化處理，得到監(jiān)測斷面水質(zhì)分類結(jié)果(見表3)。

由于l=6，根據(jù)式(1)分別統(tǒng)計ak，bk，1，bk，2，bk，3，bk，4，ck，即得到6元聯(lián)系度。根據(jù)式(2)得到8個監(jiān)測斷面6元聯(lián)系度計算結(jié)果(見表4)。

其余斷面水質(zhì)與各分類標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度計算結(jié)果以此類推，本文不在贅述。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值法，I1=0.6，I2=0.2，I3=-0.2，I4=-0.5，J=1。根據(jù)式(5)-(7)計算得到溶解氧、BOD5、總磷、NH3N、CODcr的熵權(quán)分別為ω=(0.21，0.199，0.191，0.19，0.209)，由式(3)計算得到各斷面水質(zhì)與各分類標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系數(shù)(見表5)。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)值

表3 監(jiān)測斷面水質(zhì)分類結(jié)果表

置信度λ取0.6，由式(4)可得集對分析評價法各斷面水質(zhì)結(jié)果(表6)，即靜寧、莊浪、涇川、圣母橋、華亭、靈臺、八里橋、平鎮(zhèn)橋監(jiān)測斷面水質(zhì)評價結(jié)果為：Ⅳ類、Ⅳ類、Ⅱ類、Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅰ類、Ⅰ類、Ⅱ類。

表4 監(jiān)測斷面水質(zhì)聯(lián)系度計算結(jié)果表

表5 監(jiān)測斷面水質(zhì)聯(lián)系數(shù)計算結(jié)果表

表6 集對分析(SPA)評價結(jié)果對比表

表6同時給出了模糊綜合評價法和單因子指標(biāo)評價法的結(jié)果。集對分析評價法結(jié)果與兩者相比有所差異，如靜寧、莊浪、華亭斷面5個指標(biāo)中僅有NH3N一項(xiàng)不達(dá)標(biāo)，就影響了綜合評價結(jié)果，而集對分析評價法結(jié)合熵權(quán)所計算得到的評價結(jié)果相對更加客觀、合理。從實(shí)際情況看，集對分析評價法結(jié)果更加符合平?jīng)鍪兴h(huán)境質(zhì)量的實(shí)際情況。

4 結(jié)語

(1)根據(jù)集對分析原理，建立了基于熵權(quán)的6元聯(lián)系數(shù)水環(huán)境質(zhì)量評價模型，充分考慮了等級標(biāo)準(zhǔn)邊界的模糊性和評價指標(biāo)的不同權(quán)重，避免了差異不確定系數(shù)的取值問題，相對傳統(tǒng)評價方法，集對分析評價法具有較為堅實(shí)的理論基礎(chǔ)，結(jié)果可比性強(qiáng)，評價結(jié)果更加客觀、合理，是一種結(jié)構(gòu)簡單、計算簡潔、應(yīng)用方便的水質(zhì)定量評價方法。

(2)評價結(jié)果表明平?jīng)鍪薪陙砬袑?shí)采取措施，不斷加強(qiáng)涇河流域水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)管、治理和保護(hù)，取得了一定成效。評價結(jié)論對今后河長制考核評估、保護(hù)當(dāng)?shù)厮Y源、防治地方水污染、改善區(qū)域水環(huán)境、修復(fù)涇河水生態(tài)具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。