水質(zhì)綜合評價方法研究綜述

1、 收稿日期 2008-03-01作者簡介 保金花 (1983- , 女 , 江蘇啟東人 , 在讀碩士研究生 , 專業(yè)研究方向為水污染控制工程 ; 黃 勇 (1958- ,男 , 云南姚安人 , 教授 , 主要從事水污染控制工程領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作 1水質(zhì)綜合評價方法研究綜述保金花 , 黃 勇(蘇州科技學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 , 江蘇 蘇州 215011摘 要 從水質(zhì)指標(biāo)的選擇 、 無量綱化 、 權(quán)重系數(shù)的確定和綜合值的處理 4個方面 , 對目前研究的水質(zhì)綜合評價方法進行簡要綜述 , 并對各種方法進行一定的比較分析 , 最后提出水質(zhì)綜合 評價中存在的幾個問題及解決的措施 。 關(guān)鍵詞 水質(zhì) ;

2、指標(biāo)選擇 ; 無量綱化 ; 權(quán)重系數(shù) ; 綜合處理 ; 評價方法中圖分類號 F4 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1006-7175(2008 08-0639-04A R evie w on Comprehensive Evaluation Methods of W ater Q ualityBAO Jin -hua , HUANG (School of Environmental Science and Engineering , of Suzhou , Suzhou 215011,Jiangshu ,China Abstract :Based on the , -dimension quanti

3、ties , weight m odulus and synthesis , the of water quality are summarized 1These methods are als o com pared , s ome questions about com prehensive evaluation methods of water quality are put measures are given in this article 1K ey w ords :water quality ; index choice ; non -dimension quantities ;

4、 weight m odulus ; synthesis ; evalu 2ation method 水質(zhì)綜合評價就是根據(jù)各水質(zhì)指標(biāo)值 , 對某水體的 水質(zhì)等級進行綜合評判 , 為水體的科學(xué)管理和污染防治 提供決策依據(jù) , 在地區(qū)可持續(xù)發(fā)展中具有重要意義 1。 自 20世紀(jì) 60年代 Jacobs 和 H orton 等人提出水體質(zhì)量評 價的水質(zhì)指數(shù) (W QI 概念和公式以來 , 國內(nèi)外對水質(zhì)綜合 評價方法的研究就相當(dāng)活躍 。常見的有綜合指數(shù)法 、 模 糊數(shù)學(xué)法 、 數(shù)理統(tǒng)計法 、 物元分析法等等 。但至今仍缺乏 統(tǒng)一的 、 公認的評價模式2。一般來說 , 要完成一次水質(zhì)綜合評價 , 主要包

5、括水質(zhì)指標(biāo)的選擇 、 無量綱化 、 權(quán)重系 數(shù)的確定和綜合值的處理 4個方面 。本文就從這 4個方 面進行歸納 , 對目前研究的水質(zhì)綜合評價方法進行簡要 綜述 , 并對各種方法進行一定的比較分析 。1 水質(zhì)指標(biāo)的選擇對水環(huán)境質(zhì)量進行綜合評價 , 指標(biāo)的選擇是首要工 作 。 指標(biāo)選擇的方法可分為定性選擇和定量篩選 , 其中 代表性和全面性是一對難以兼顧的中心問題 3。定性選 擇的評價指標(biāo)過少 , 就無法滿足全面性 ; 而評價指標(biāo)過多則往往會造成工作量的加大 , 而且指標(biāo)之間信息的相互 重復(fù)或是干擾 , 會直接影響評價結(jié)果 。因此 , 有必要對所選的指標(biāo)進行一定的篩選 。目前 , 在水質(zhì)綜合評價中

6、 , 一般只是依靠主觀來定性 選擇某些水質(zhì)指標(biāo) , 而對指標(biāo)進行定量篩選的文獻報道 并不很多 。 通常采用的方法是選擇一些后備指標(biāo)后 , 利 用主成分分析法進行篩選 。111 主成分分析法主成分分析法是在確保系統(tǒng)原有數(shù)據(jù)信息量丟失最 小的原則下 , 在各個變量相關(guān)關(guān)系研究的基礎(chǔ)上 , 將多個 變量的信息壓縮為幾個能反映原問題特征的綜合變量指 標(biāo) , 并據(jù)此特征信息指標(biāo)對系統(tǒng)進行綜合分析 , 具有降 維 、 簡化變量的特點 4。采用此方法可以篩選出水體中 的主要污染物 , 而將次要的污染物指標(biāo)剔除 。 文獻 5-6大多依據(jù)主成分的方差貢獻率的多少來選擇評價指標(biāo) , 一般是選取累計貢獻率 >

7、85%的主成分 。 而文獻 7主張 選擇評價指標(biāo)要么只用第一主成分 , 要么就包括所有主 成分 。 當(dāng)?shù)谝恢鞒煞重暙I率較低 (<80% 時 , 應(yīng)采用所有936 第 14卷第 8期 2008年 8月水利科技與經(jīng)濟Water C onservancy Science and T echnology and EconomyV ol 114 N o 18Aug 1,2008 主成分進行評價以便提高評價結(jié)果的置信水平 。 112 聚類分析法聚類分析是一種分類學(xué)與多元分析相結(jié)合的多元統(tǒng) 計方法 , 它可以根據(jù)指標(biāo)間的相關(guān)性對指標(biāo)進行歸類 。 文獻 8采用聚類分析來確定大連港水域的主要污染區(qū)域 和典

8、型污染指標(biāo) 。還有一些方法 , 如特征選擇法 9、 熵權(quán)法 10等 , 雖未 見用于水質(zhì)綜合評價的報道 , 但也可用于對指標(biāo)的篩選 。2 水質(zhì)指標(biāo)的無量綱化水質(zhì)指標(biāo)的無量綱化是水質(zhì)綜合評價中的重要基礎(chǔ) 工作 。 不同的水質(zhì)指標(biāo)其量綱是不同的 , 所以有必要對 其進行無量綱處理 , 也叫歸一化處理 。目前在水質(zhì)綜合 評價中使用的無量綱化方法歸納起來可分為直線型和折 線型無量綱化方法 。211 直線型無量綱化法直線型無量綱化法是指在指標(biāo)實際值轉(zhuǎn)化成不受量 綱影響的指標(biāo)值時 , 假定兩者之間呈線性關(guān)系 , 指標(biāo)實際 值與標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值成相應(yīng)的比例關(guān)系 。在水質(zhì)綜合評 價中應(yīng)用較多的主要有 “極值化”

9、 處理 、 均值化處理 、 “ 中 心化” 處理方法等 。21111 “ 極值化” 處理( 正指標(biāo) x =max (x j 逆指標(biāo) x =( x ij 式中 max (x j 和 min (x j 分別是指標(biāo)集每一指標(biāo)下的最大 值和最小值 。 文獻 11-12在對監(jiān)測數(shù)據(jù)歸一化時就采用 了此方法 , 但這種方法易受到偶然因素的干擾 。21112均值化處理均值化處理是將指標(biāo)的實際值與標(biāo)準(zhǔn)值進行比較 , 計算公式為 x =x nj其中 x nj 是用于比較的標(biāo)準(zhǔn)值 , 可以采用平均水平或先進 水平 。 文獻 13-14就采用此方法對水質(zhì)指標(biāo)進行歸一化 處理 。21113 “ 中心化” 處理方法該法

10、在主成分分析法中被廣泛采用 , 其計算公式為 x ij =s j x j =nni =1x ij s j =n -1ni =1(x ij- x j 2文獻 15-16討論了各種無量綱方法對灰色關(guān)聯(lián)序 的影響 , 采用此方法 , 以期將分析對象之間的差異體現(xiàn)的最大 , 但一般在原始數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布的情況下應(yīng)用 。212折線型無量綱化法有時指標(biāo)在不同水平 、 區(qū)域內(nèi)的變化對綜合分析結(jié) 果的影響是不同的 。 比如 , 當(dāng) x (實際值 小于某個數(shù)值時 ,x 變化對被評價對象綜合水平的影響較大 , 評價值也有較大的變化 ; 而當(dāng) x 大于該數(shù)值時 , x 的變化對綜合水平的 影響較小 , 則評價值的變化

11、也較小 。 在這種情況下 , 應(yīng)采 用折線型的無量綱化法來分段處理 17。 此法被廣泛運用 于水質(zhì)綜合評價中 。 文獻 18-19采用此方法 , 以標(biāo)準(zhǔn)最 大值與監(jiān)測值差再除以標(biāo)準(zhǔn)最大值與最小值差 , 與 “極值 化” 處理法相比 , 提高了各數(shù)據(jù)指標(biāo)的歸一化準(zhǔn)確度 。此外 , 當(dāng)原始變量間呈現(xiàn)的是一種非線性關(guān)系時 , 文 獻 7,20報道采用對數(shù)化對各個原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理 , 使 其無量綱化 , 能夠體現(xiàn)其中的非線性相關(guān)關(guān)系 , 克服 “中 心化” 處理的缺點 。3 題 , 這 : 研究者根據(jù) , 稱主 ; 直接根據(jù)各指標(biāo)的原始信息經(jīng)過一定數(shù)學(xué) 處理后獲得權(quán)數(shù)的方法 , 稱客觀賦權(quán)法 21。

12、311 主觀賦權(quán)法主觀賦權(quán)法是一種定性分析方法 , 優(yōu)點是體現(xiàn)研究 者的經(jīng)驗判斷 , 權(quán)重的確定一般符合現(xiàn)實 ; 缺點僅僅是主 觀上的判斷 , 沒有考慮評價指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系 。在水質(zhì) 綜合評價中常采用的主觀賦權(quán)法有專家打分法 、 層次分 析法和模糊評價法 。31111 專家打分法專家打分法是將指標(biāo)體系以調(diào)查問卷的形式送達給 有關(guān)專家 , 由專家給指標(biāo)體系中的各指標(biāo)賦予不同的權(quán) 值 。 此方法雖然易于理解 , 操作上簡便易行 , 但很大程度 上還是取決于主觀因素 , 難以保證得出權(quán)數(shù)的客觀性和 準(zhǔn)確性 。31112 層次分析法層次分析法的基本原理是用一定標(biāo)度把人的主觀判 斷進行客觀量化 , 確定

13、每一層次所有因素的相對重要性 次序的權(quán)值 , 通過綜合計算各因素相對重要性的權(quán)值 , 得 到相對重要性次序的組合權(quán)值 。為了克服單純采用專家打分的缺點 , 采用專家打分 法和層次分析法相結(jié)合確定指標(biāo)的權(quán)數(shù) , 使結(jié)果更加客 觀 、 公正 。 其步驟 22為 : 采用專家打分法收集資料 ; 構(gòu)造判斷矩陣 ; 計算各指標(biāo)的權(quán)數(shù) ; 對判斷矩陣進行 一致性檢驗 ; 綜合各專家的指標(biāo)權(quán)數(shù) 。 文獻 23就采用 此方法并運用于實際的水環(huán)境質(zhì)量評價中 , 取得了比較準(zhǔn)確的評價結(jié)果 。31113 模糊評價法由于水環(huán)境存在大量的不確定因素 , 各個項目的級046 第 14卷第 8期 2008年 8月水利科技與

14、經(jīng)濟Water C onservancy Science and T echnology and EconomyV ol 114 N o 18Aug 1,2008別劃分 、 標(biāo)準(zhǔn)的確定都具有模糊性 , 因此 , 采用模糊評價 法 24-26確定權(quán)重在水質(zhì)綜合評價中得到了廣泛的應(yīng)用 。 它可以看作是層次分析法的改進 , 由于層次分析法評價 體系中 , 存在許多難于精確描述的指標(biāo) , 因此可以用模糊 集來取代判斷矩陣中的數(shù) , 然后根據(jù)判斷矩陣求出指標(biāo) 的模糊權(quán)重 。這種方法既考慮了模糊判斷 , 又提出了解 決模糊判斷一致性問題的一些方法 , 使其較層次分析法 更具科學(xué)性 27。312 客觀賦權(quán)法

15、客觀賦權(quán)法是與主觀賦權(quán)法相對而言 , 常用的方法 主要有主成分分析法 、 因子分析法 、 熵值法 、 變異系數(shù)法 等 。 這些方法客觀性較強 , 但研究較晚 , 計算方法也比較 繁瑣 。31211 主成分分析法和因子分析法主成分分析法通過因子矩陣的旋轉(zhuǎn)得到因子變量和 原變量的關(guān)系 , 然后根據(jù) N 個主成分的方差貢獻率作為 權(quán)重 。因子分析法是主成分分析法的推廣和深化 , 也是一 種較客觀和理想的求權(quán)重方法 。它是根據(jù)對每個指標(biāo)計 算共性因子的累積來定權(quán)的 , 累積貢獻率越大 , 說明該指 標(biāo)對共性因子的作用越大 , 故所定權(quán)數(shù)也越大 28。文獻 29,了某因子的危害程度 , ,。:它們得出的

16、是主成 分或因子的權(quán)重 , 。但文獻 30將主成分分析 (PC 和線性規(guī)劃 (LC 有機結(jié)合 , 建立 PC -LC 耦合模型 , 以此來確定各污染因子的權(quán)重 。 31212 熵值法信息熵是系統(tǒng)有序程度的度量 。水質(zhì)狀況的優(yōu)劣 , 與水體中所溶物質(zhì)的混亂程度有關(guān) , 水質(zhì)狀況從好到壞 , 也是所溶物質(zhì)混亂程度增加的過程 , 即熵值增加的過 程 31。 在計算指標(biāo)權(quán)重時 , 若某個指標(biāo)中的各個數(shù)值之 間變化不大 , 則該指標(biāo)在綜合分析中起的作用小 , 即權(quán)重 小 , 反之則大 。文獻 32考慮到指標(biāo)值的差異性程度 , 利用熵值法對 污染物濃度超標(biāo)法得出的權(quán)重進行修正 , 使得確定的權(quán) 重更加科學(xué)

17、 、 合理 ; 文獻 33通過采用熵值法計算指標(biāo)的 權(quán)重系數(shù) , 能有效地避免權(quán)重分配困難的問題 。這種方法計算結(jié)果可信度較大 , 自適應(yīng)功能強 , 但受 模糊隨機性的影響 , 而且各指標(biāo)間的聯(lián)系不大 34。 31213 變異系數(shù)法變異系數(shù)法是根據(jù)各評價指標(biāo)包含的分辨信息來確 定權(quán)重系數(shù) , 變異系數(shù)越大 , 所賦的權(quán)重系數(shù)也越大 。文 獻 35利用該方法來確定指標(biāo)的權(quán)重 : 充分利用了各指 標(biāo)本身監(jiān)測數(shù)據(jù)所提供的信息 ; 通過變異系數(shù)的歸一 化處理 , 可以防止指標(biāo)之間因量綱不同而對權(quán)重的影響 , 這樣更能反映指標(biāo)的相對重要程度 。采用此方法確定權(quán) 重在水質(zhì)綜合評價中應(yīng)用比較少 。此外 ,

18、還有文獻 36用相似數(shù)定義相似權(quán) , 給出一種 按客觀性標(biāo)準(zhǔn)確定指標(biāo)權(quán)重的方法 , 并成功運用于湖泊 水質(zhì)富營養(yǎng)化評價 , 得到了滿意的結(jié)果 。4 水質(zhì)指標(biāo)值的綜合處理水質(zhì)指標(biāo)值的綜合處理是對評價水體的水質(zhì)做出整 體性的評價 。 目前用于水環(huán)境質(zhì)量綜合評價的綜合處理 方法有多種 , 普遍使用的是以加權(quán)平均為基礎(chǔ)的指標(biāo)評 分法 。 它的基本模型是通過一定的算式 , 將多個指標(biāo)綜 合在一起 , 從而得到一個整體的評價 。 文獻 37-38就采 用此方法計算水環(huán)境質(zhì)量綜合評價指數(shù) , 最后根據(jù)確定 的水質(zhì)劃分標(biāo)準(zhǔn) , 來評判水體的污染程度 。這種方法雖 然簡明直觀 、 結(jié)果明確 、 可操作性強 ,

19、但由于其評價結(jié)果 具有高度抽象性 , 這就要求我們對評價結(jié)果進行不斷檢 驗與完善 。由于水環(huán)境具有很大的模糊性 、 不定的信息較多 , 所 以出現(xiàn)的一些不確定性方法 , 如模糊數(shù)學(xué)法 、 灰色系統(tǒng) 法 、 。這些方 : 根據(jù)貼近序 ; (隸屬度或關(guān)聯(lián)度 進 , 看其接近于哪一類水質(zhì) 。這些方法 、 易于理解 , 但能比較真實地反映 水環(huán)境的質(zhì)量水平 。5 總 結(jié)目前 , 水質(zhì)綜合評價方法很多 , 但并不意味著這些方 法已十分完善 , 從已有的文獻看 , 水質(zhì)綜合評價方法研究 還存在以下幾個問題 :(1 評價指標(biāo)的定量篩選 , 除主成分分析法之外 , 目前 研究甚少 。 關(guān)于指標(biāo)權(quán)重的確定 ,

20、主觀賦權(quán)法以層次分 析法和模糊評判法為宜 ?？陀^賦權(quán)法不存在一個完美的 方法 , 在實際評價中需進行比較選擇 。指標(biāo)值的綜合處 理方法也不夠完善 , 有待于進一步研究 。(2 各種方法評價結(jié)論的不一致性 。 正由于目前水質(zhì) 綜合評價方法眾多 , 這些方法都可以用于水質(zhì)評價 , 但采 用不同的方法對同一組水質(zhì)數(shù)據(jù)進行評價其結(jié)果卻有可 能存在較大的差異 。因此 , 在進行水質(zhì)綜合評價時 , 應(yīng)慎 重選擇水質(zhì)評價方法 , 優(yōu)化組合算法 , 從而提高評價結(jié)果 的準(zhǔn)確性 。(3 在選擇評價方法時沒有一個準(zhǔn)則可供參考 。 根據(jù) 水體特性的不同 , 如飲用水 、 景觀水或是灌溉用水等 , 需 采用不同的評價

21、方法 , 若能對水質(zhì)綜合評價方法及其所 適用的條件進行歸納總結(jié) , 就可以為評價工作提供一定 的依據(jù) , 從而對水質(zhì)狀況做出更為客觀而準(zhǔn)確的評價 。參考文獻 1金菊良 , 楊曉華 , 金保明 , 等 1水環(huán)境質(zhì)量綜合評價的 新模型 J1中國環(huán)境監(jiān)測 ,2000,16(4 :42-471 2李如忠 1水質(zhì)評價理論模式研究進展及趨勢分析 J1合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版 ,2005,28(4 : 1 46 保金花 , 等 :水質(zhì)綜合評價方法研究綜述 第 8期 369-37213王 璐 , 包革軍 , 王學(xué)峰 1綜合評價中一種新的指標(biāo)選擇方法 J1數(shù)理統(tǒng)計與管理 ,2004,23(1 :72-76

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