寧陽明， 尹發(fā)能

(湖北師范大學城市與環(huán)境學院， 湖北 黃石 435002)

水環(huán)境質(zhì)量評價可根據(jù)評價目標的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、評價標準和計算方法判斷當前水體污染狀況，為水環(huán)境利用和管理提供科學依據(jù)[1].目前，水環(huán)境質(zhì)量評價方法主要有指數(shù)評價法[2-3]、灰色系統(tǒng)評價法[4]、主成分分析法[5]、模糊綜合評價法[6-7]、物元可拓分析法[8]、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[9]等.其中，內(nèi)梅羅污染指數(shù)法其運算過程簡單，易于操作，但未考慮各污染因子的權(quán)重問題；改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法通過計算權(quán)重，充分考慮各污染因子對水環(huán)境質(zhì)量的影響；灰色聚類法根據(jù)水環(huán)境系統(tǒng)灰色性特征，通過對污染因子進行量化，從而判斷水環(huán)境質(zhì)量.鑒于此，本研究運用傳統(tǒng)、改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和灰色聚類法對長江黃石段三峽斷面和風波港斷面水環(huán)境質(zhì)量進行評價.

1 水質(zhì)評價方法概述

1.1 傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

1974年美國敘拉古大學內(nèi)梅羅(N.L.Nemerow)教授在其所著的《河流污染科學分析》一書中，提出了內(nèi)梅羅污染指數(shù)法[10].該方法根據(jù)所選水質(zhì)指標的實測濃度和標準值，分別計算內(nèi)梅羅污染指數(shù)和標準指數(shù)，與相應(yīng)的等級標準指數(shù)相對照，即可得到評價等級.評價等級計算公式為：

Fi=Ci/Sij，i=1，2，3,…，n；j=1，2，3,…，m.

(1)

(2)

式中，Ci為第i類評價因子的實測濃度；Sij為第i類評價因子的第j類標準濃度；F最大為Fi的最大值；F平均為Fi的平均值；P傳統(tǒng)為傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù).

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅標準污染指數(shù)值分級如下：

Ⅰ：P標準<0.59；Ⅱ：0.59≤P標準<0.74；

Ⅲ：0.74≤P標準<1.00；Ⅳ：1.00≤P標準<3.50；

Ⅴ：3.50≤P標準.

1.2 改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法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[11]，而改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法考慮了各污染因子在水質(zhì)評價中所占的權(quán)重，避免忽視某些因?qū)崪y濃度小而危害系數(shù)大的污染因子對水環(huán)境質(zhì)量的影響[12]，其計算公式為：

(3)

式中，F(xiàn)′為權(quán)重最大的污染因子對應(yīng)的F值.

一般情況下，地表水水質(zhì)標準中污染指標的濃度越小，說明對水質(zhì)危害越大，兩者呈反比例的內(nèi)在關(guān)系[12].第i種污染因子的權(quán)重為：

(4)

ri=s最大/si，

(5)

式中，ri為第i種污染因子的相關(guān)性比值；si為各污染因子的標準值；s最大為第i種污染因子的最大標準值；m為評價污染因子的個數(shù).

改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)值分級如下：Ⅰ：P標準<0.55；Ⅱ：0.55≤P標準<0.69；Ⅲ：0.69≤P標準<1.00；Ⅳ：1.00≤P標準<3.53；Ⅴ：3.53≤P標準.

1.3 灰色聚類法

灰色聚類包括灰色關(guān)聯(lián)聚類和灰色白化權(quán)函數(shù)聚類，灰色關(guān)聯(lián)聚類主要用于同類因素的歸并，以使復雜系統(tǒng)簡化，而灰色白化權(quán)函數(shù)聚類主要用于檢查觀測對象是否屬于事先設(shè)定的不同類別[13-14].本研究選用灰色白化權(quán)函數(shù)聚類，該方法能夠充分利用已知信息淡化未知信息，從而客觀真實反映系統(tǒng)本質(zhì)[15].灰色白化函數(shù)聚類具體步驟如下：

1.3.1 確定評價指標和灰類值 根據(jù)長江黃石段三峽斷面和風波港斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數(shù)( CODMn)、五日生化需氧量( BOD5)等污染因子作為評價河流斷面污染程度的聚類指標.參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3830-2002)，將河流水質(zhì)劃分為5類，長江黃石段以Ⅲ類地表水為標準，見表1.

表1 《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)

1.3.2 灰類值無量綱化處理 在水環(huán)境質(zhì)量評價中，由于各聚類指標的量綱不同，且劃分等級的區(qū)間大小也不同，因此需要對灰類值進行無量綱化處理[16].其計算公式為：

(6)

1.3.3 建立灰色白化權(quán)函數(shù)[17]

1)當k=1時，其隸屬度函數(shù)如下：

(7)

2)當k=2，3，4時，其隸屬度函數(shù)如下：

(8)

3)當k=5時，其隸屬度函數(shù)如下：

(9)

1.3.4 確定聚類權(quán) 水質(zhì)指標閾值越大，對水質(zhì)影響越小，其相對權(quán)重就越小.因此，采用倒數(shù)法，其計算公式如下：

(10)

(11)

2 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

黃石江段(29° 94′～30° 05′N、115° 31′～115° 42′E)位于長江中游地區(qū)[18]，上起長江左岸回風硯，下至長江右岸西塞山，是長江中下游重點治理河段[19]，其水環(huán)境質(zhì)量與沿岸居民生活和生產(chǎn)息息相關(guān).根據(jù)黃石市生態(tài)環(huán)境局網(wǎng)站(http://sthjj.huangshi.gov.cn/)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(見表2)，分別對2014年—2018年三峽斷面和風波港斷面的水質(zhì)進行評價，以期為長江黃石段水環(huán)境保護和利用提供科學依據(jù).

3 評價結(jié)果分析

3.1 傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

根據(jù)各污染因子的實測濃度，計算長江黃石段三峽斷面和風波港斷面的傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)，得出評價結(jié)果，見表3.

2014年—2018年兩個斷面水質(zhì)內(nèi)梅羅污染指數(shù)均介于0.74～1.00之間，屬于Ⅲ類，符合長江黃石段地表水功能區(qū)劃要求.

表2 2014年—2018年三峽斷面和

注: 數(shù)據(jù)根據(jù)黃石市環(huán)境監(jiān)測站對2個斷面實測數(shù)據(jù)計算年平均值所得.

表3 2014年—2018年三峽斷面和風波港斷面水質(zhì)傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)

3.2 改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)各污染因子權(quán)重值見表4.由表4可知，在各類標準中權(quán)重值最大的是氨氮.依據(jù)兩個斷面的實測濃度，計算其改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)，結(jié)果見表5.2014年—2018年兩個斷面水質(zhì)的P改進值均介于0.69≤P標準<1.00，屬于Ⅲ類，符合長江黃石段地表水功能區(qū)劃要求.最大值均出現(xiàn)在2016年，分別是0.91，0.92.

表4 各污染因子的權(quán)重

表5 2014年—2018年三峽斷面和風波港

3.3 灰色聚類法

3.3.1 確定評價指標和水質(zhì)分級標準 三峽斷面和風波港斷面的評價指標及監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3830-2002)，分級標準值Sik見表1，并確定水質(zhì)等級，見表6[20].

表6 水質(zhì)等級劃分

3.3.2 灰類值無量綱化處理 將長江黃石段三峽斷面和風波港斷面各污染因子的灰類值代入公式(6)進行無量綱化處理，結(jié)果見表7.

表7 無量綱灰類值(yik)

3.3.3 建立灰色白化權(quán)函數(shù) 將表2中各污染因子的監(jiān)測數(shù)據(jù)分別代入(7)、(8)、(9)相應(yīng)的隸屬函數(shù)表達式，方可求得各污染因子的隸屬函數(shù)矩陣.以2014年三峽斷面和風波港斷面為例，該隸屬函數(shù)矩陣如下：

2014年三峽斷面：

2014年風波港斷面：

同理可求2015年—2018年兩個斷面的灰色白化權(quán)函數(shù)矩陣，在此不逐一列出.

3.3.4 計算各指標的聚類權(quán) 將表7中的無量綱灰類值(yik)代入式(10)求出各污染因子的聚類權(quán)(ηij)，結(jié)果見表8.

表8 各指標的聚類權(quán)(ηij)

3.3.5 求聚類系數(shù)和聚類結(jié)果 三峽斷面和風波港斷面的聚類系數(shù)見表9，根據(jù)最大隸屬度原則找出最大元所對應(yīng)的灰類，即是兩個河流斷面的水質(zhì)類別.其中，除2015年風波港斷面屬于Ⅱ類(輕度污染)之外，2014年—2018年兩個斷面水質(zhì)均屬于Ⅰ類(未污染).根據(jù)表9中最大元對應(yīng)的聚類系數(shù)可知，三峽斷面2017年和2018年聚類系數(shù)最大，均為0.285，2014年聚類系數(shù)最小，為0.250；風波港斷面2016和2018年聚類系數(shù)最大，均為0.290，2015年聚類系數(shù)最小，為0.215.2014年和2015年，三峽斷面的聚類系數(shù)大于風波港斷面，2016年—2018年，風波港斷面的聚類系數(shù)大于三峽斷面.

表9 兩個斷面聚類系數(shù)和聚類結(jié)果

3.4 結(jié)果對比分析

運用傳統(tǒng)、改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和灰色聚類法分析2014年—2018年長江黃石段三峽斷面和風波港斷面水質(zhì)污染狀況.通過研究，有以下發(fā)現(xiàn).

兩個斷面的傳統(tǒng)、改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評價結(jié)果均為Ⅲ類，但傳統(tǒng)、改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)值存在差異，這是由于改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法考慮了各評價因子的權(quán)重，克服了傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法過于突出污染濃度大的評價因子的作用和未考慮各評價因子的權(quán)重這一缺點，較為客觀地反映河流水質(zhì)狀況，但該方法仍局限于對河流水質(zhì)等級的評價，結(jié)果見表3和表5.

灰色聚類法的評價結(jié)果除2015年風波港斷面屬于Ⅱ類(輕度污染)之外，2014年—2018年兩個斷面水質(zhì)均屬于Ⅰ類(未污染).灰色聚類法首先對分級標準值(即灰類值Sik)進行無量綱化處理，再根據(jù)無量綱灰類值(yik)計算各指標的聚類權(quán)(ηij)，這使得各指標不同級別的聚類權(quán)不同，因而更為精確可靠.同時，該方法不僅對河流水質(zhì)進行等級劃分，而且能夠判斷河流水質(zhì)狀況和污染程度，較前兩種方法更進一步評價河流水體.因此，灰色聚類法的評價結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)、改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評價結(jié)果.

4 結(jié)論

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法計算過程簡單，運用范圍廣，其特點是突出污染濃度最大的評價因子對河流水質(zhì)的影響，適用于檢測河流主要污染物，但該方法未考慮評價指標權(quán)重因素和對低濃度指標評價有限，不利于對河流水質(zhì)做出全面均衡的評價.

改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法考慮了各評價因子在河流水質(zhì)中所占的權(quán)重，一定程度上提高了對某些污染濃度小而危害大的毒理指標的評價，適用于檢測河流有毒有害物質(zhì)，較傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法更為客觀全面評價河流水質(zhì)，但該方法的截然型分級標準易造成污染程度值相差較小的兩個河流水體分屬不同的級別，而污染程度值較大的卻可能處于同一級別.