水污染评价方法研究进展及比较分析

水污染评价方法研究进展及比较分析李丹，郝振纯，薛联青（河海大学水资源环境学院，江苏南京，210098）摘要：针对目前环境问题日益恶化的现象，提出合理评估水体污染程度的必要性。在综述现有水污染评价方法的基础上，以北方地区某河道为例，对各方法的评价结果做了比较，比较分析表明，五种方法均能得到较合理的评价结果，但从计算量及评价结果的客观合理性考虑，建议将模糊数学的隶属度理论与灰聚类权重确定方法结合。关键词：水体污染；评价方法；比较近年来，随着我国社会经济的快速发展，尤其是乡镇工业和人口城镇化的发展，废污水和污染物排放量有了显著的增长，环境污染越来越突出。尤其是与人体健康、生态环境等密切相关的水体污染问题，日益受到人们的关注。如何对已经受到污染的水体做出合理性评价，确定其污染程度，是制定污染治理措施的前提条件[1]。目前关于水污染评价的方法多种多样，主要有综合污染指数法、系统聚类分析法、模糊数学方法、人工神经网络分析法、灰色聚类分析法、热力学方法等[2]。每种方法都有各自的优缺点，根据具体情况可以选用不同的评价方法或者多种方法相结合。本文在综合论述了各种评价方法的基础上，根据实例结果，分析比较了各自的优缺点，最后提出了合理的建议。1.水污染评价方法1.1综合污染指数法综合污染指数法就是把具有不同量纲的量进行标准化处理，换算成某一统一量纲的指数，使其具有可比性，然后进行数学上的归纳和统计，得出一个较简单的数值，用它代表水体污染程度。该法具有简单明了、评价准确的优点，在实践中得到了广泛的应用。计算式为：11niiioiCPWnC==∑（1）其中为综合污染指数，为污染物实测浓度，为污染物评价标准，为权重系数，n为污染物个数。PiCoiCiW1.2系统聚类分析法系统聚类分析法就是利用一定的数学方法将样品或变量归并为若干不同的类别，使得每一类别内的所有个体之间具有较密切的关系，而各类别之间的相互关系相对地比较疏远。系统聚类分析最后得到一个反映个体间亲疏关系的自然谱系，能比较客观地描述分类对象的各个体之间的差异和联系。计算步骤见文献2。1.3模糊数学法按模糊数学的观点，水污染评价中“污染程度”的界线是模糊的，对于这样的模糊问题应该用模糊数学方法把许多资料、判断及各种定性描述转化为模糊语言，对水污染进行综合识别和判断，将会得到更为合理的解决。模糊数学在水质评价中的应该分为模糊聚类分析法和模糊综合评判法。前者是根据各项污染指数得到的模糊矩阵作复合运算，得到模糊等价关系矩阵，然后再进行模糊关系的分类。后者则是以隶属度来描述模糊的水质分级界线的。具-1-。1.4人工神经网络分析法人工神经网络在水文领域的应用起步较晚，但由于计算机水平的提高，其发展却相当迅速。运用BP神经网络评价水质[4]的步骤如下：（1）建模时将水质评价标准中的水质因子作为该网络的输入参数，每个分级标准就是一个标准学习样本，在[0,1]区间上随机赋予隐层和输出层的初始权值和阀值，对每个学习样本进行反复学习，直到输出层输出值均方误差小于给定精度，学习结束，并输出调整后的权值和阀值。（2）用调整权值和阀值后的BP网络评价河道水质。1.5灰色聚类分析法灰色聚类是将聚类对象对于不同聚类指数所拥有的白化数，按n个灰类进行归纳，以判断该聚类对象属于哪一类。步骤如下：（1）确定灰类白化系数：若记Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，…为聚类对象（即样品），1*、2*、3*，…为聚类指示（即评价因子），1、2、3，…为聚类灰数（即等级划分，第i类聚类对象对第个聚类指标所拥有的白化数为（实测值）。则灰类白化系数可按下式计算：jijd()()()()(),1,1,1,11001,2,;1,2,kjkjkjkjkjijijkjxxfxxxknjmλλλλλλλ++++⎧≤≤⎪−⎪=≤⎨−⎪⎪⎩==…,□≤（2）（2）求标定聚类权(11,2,kjkjniji)jmληλ===∑…,（3）（3）求聚类系数第j个聚类对象对于第j个灰类的聚类系数为：ijkjikkjfdση=∑（4）同理可得k个取样点几种污染因子的k个聚类系数矩阵。（4）灰色聚类取最大值为所对应的水质级别为该评价水体的水质级数。这里只对几种最常用的方法做详细介绍，其它方法就不再赘述。2.实例分析2.1评价标准根据已有的研究报告，我国北方水体污染的严重程度明显高于南方。因此，本文以北方某一河道为例，根据其04年的断面水质监测资料，用上述各方法进行评价。评价标准采用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）。选择污染重、代表性强的COD、氨氮、硫化物-2-项作为评价项目。水体水质统计结果（年均值）见表1，该水体功能要求是地表水Ⅴ类。评价标准列于表2。表1各监测断面实测浓度年均值（04年）水质参数CODMn(mg/l)氨氮(mg/l)硫化物(mg/l)总磷(mg/l)东武仕水库3.6580.1890.0130.045磁县开河桥11.63.7460.0890.043马店口上桥9.4583.2900.0940.054张庄桥8.4426.04800.063联纺桥9.7647.9980.1680.324表2水质评价标准（《地表水环境质量标准》GB3838-2002）级别项目ⅠⅡⅢⅣⅤ高锰酸盐指数2461015氨氮0.0150.51.01.52.0硫化物0.050.10.20.51.0总磷0.020.10.20.30.4注：其中前五类均为≤，总磷为河流标准。单位：mg/l。2.2评价结果（1）综合污染指数法评价结果见表3：表3综合污染指数发评价结果监测断面东武仕水库磁县开河桥马店口上桥张庄桥联纺桥综合污染指数0.462.842.513.745.63污染程度微污染重污染重污染重污染重污染（2）系统聚类法评价结果：首先对原始数据标准化，然后计算两两样品的距离系数，得到距离矩阵D（如表4）。表4距离矩阵监测断面东武仕水库磁县开河桥马店口上桥张庄桥联纺桥东武仕水库①00.56280.32150.42520.7310磁县开河桥②0.562800.0360.11360.1601马店口上桥③0.32150.03600.0640.166张庄桥④0.42520.11360.06400.042联纺桥⑤0.73100.16010.1660.0420再按一次形成分类法进行聚类。根据计算结果绘制分类树形图见图1。从图中可以看出，全部监测断面可分为两类，即东武仕水库处样品为一类，后四个断面处为第二类。这与综合污染指数法评价结果一致。-3-系统聚类法评价结果示意图（3）模糊数学法评价结果：根据水质分级标准，将四种评价标准隶属函数分别取为线性函数，这里以COD为例，即有：CODⅠ级水：044244221xxYx⎧⎪−⎪≤⎨−⎪≤⎪⎩Ⅰ＝x；CODⅡ级水：0262244246664xxxYxxx⎧⎪≤⎪−⎪≤⎨−⎪≤−⎪⎪−⎩Ⅱ＝；CODⅢ级水：04104466461010106xxxYxx⎧⎪≤⎪−⎪≤⎨−⎪≤−⎪⎪−⎩Ⅲ＝x；CODⅣ级水：061566101061015151510xxxYxxx⎧⎪≤⎪−⎪≤⎨−⎪≤−⎪⎪−⎩Ⅳ＝；CODⅤ级水：0101010151510151xxYx⎧≤⎪−⎪x≤⎨−⎪⎪⎩Ⅴ＝；同理可得其他三项的隶属函数。据此得到四项参数对各级水的隶属度矩阵：10.1710.8290000.6410.35900010000.6880.313000R⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦020000.680.32000010.220.780000.7130.288000R⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦3000.1360.865000000.120.880000.5750.425000R⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦14000.3900.611000001100000.4630.538000R⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦-4-⎡⎤⎢⎥⎢=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎥，其中各断面的因素权重集分别为：()()()(()123450.5260.2010.0380.235,0.2730.6490.0420.036,0.2520.6460.0500.052,0.1530.80600.041,0.1160.7030.0400.140AAAAA=====)将与iAiR合成记得评判向量iB：()()()(()123450.2350.526000,0.0420.04200.2730.649,0.0520.0520.1360.2520.646,0.0410.0410.1530.1530.806,00.0400.0400.1400.703,BBBBB=====)以最大隶属度原则的评价结果是：东武仕水库断面为Ⅱ类水，其它断面均为Ⅴ类或劣Ⅴ类水质。（4）人工神经网络法评价结果：这里将污染物的五级标准视作五个学习样本，每一级标准的四种污染物浓度限值作为学习样本的输入值，建立四个输入节点，四个隐节点和五个输出节点的BP网络模型，与五个学习样本相应的期望输出，取初始学习率为0.4，赋予初始权值和阀值随机小量，误差()0.2,0.4,0.6,0.8,1.0T=ε取0.0001。学习结束后，输出调整后的最佳权值和阀值及期望输出T对应的实际输出Y，评价结果见表5。表5人工神经网络法评价结果监测断面东武仕水库磁县开河桥马店口上桥张庄桥联纺桥Y0.280.620.530.680.91级别微污染中污染中污染中污染重污染（5）灰色聚类法评价结果：先将采样点作为聚类对象（i＝1，2，…，5），四项污染指标作为聚类指标（k＝1，2，3，4），dij为第i个采样点的第j个污染指标的样本值。则有各对象的灰聚类系：()()()(()123450.1992,0.7504,0,0,0,0.0121,0.0227,0,0.5528,0.3696,0.0084,0.0278,0.1103,0.7033,0.1087,0.0044,0.0114,0.3162,0.4967,0.1087,0,0.0068,0.0662,0.7836,0.1139σσσσσ=====)由此可知东武仕水库断面处为东武仕水库断面为Ⅱ类水，其它断面均为Ⅳ类水。2.3结果分析比较根据评价结果我们发现，该河道除东武仕水库处水质较好外，其他断面都已受到不同程度的污染。四个评价项目中，以CODMn和氨氮超标最为严重。这主要是由于城镇污水超标排放引起的。通过用五种不同方法对各监测断面的水体进行评价可以看出，前三种方法结果完全一致，而后两种方法则稍有差异。其中，综合污染指数法操作简单，但权重的确定主观性和经验性较强，容易导致结果的不稳定性。后四种方法虽然计算较复杂，但利用计算机编程求解-5-可以提高效率，而且结果也比较准确。笔者认为，如果能将模糊数学法的隶属度理论与灰聚类的权重确定方法结合起来，能得到更为客观的结果。3.小结鉴于目前水污染问题日益恶化的现象，本文从水污染评价入手，综合阐述了目前最为常用的几种评价方法。并以北方某河道为例，分析比较了各种方法的优缺点及评价结果。得出以下结论：（1）综合污染指数法比较简单，在只做比较粗略并且对河道现状了解比较详细的情况建议采用此法。（2）模糊数学法将污染程度的界线模糊化，理论上最为客观，能得到比较合理的结果。但是计算较复杂，建议采用计算机编程提高计算效率。（3）综合比较了计算量及评价结果的精确性后，认为将模糊数学法的隶属度理论与灰聚类的权重确定方法结合起来，将能得到更为合理的评价结果。参考文献：[1]付国伟，程声通，水污染控制系统规划，清华大学出版社，1985。[2]张永波，时红，王玉和，地下水环境保护与污染控制，中国环境科学出版社，2003。[3]李相虎，贾新颜