三种水质评价方法运用于嘉陵江汉中段水质分析对比

宋英鸿，吴来奇，蒋丹哲

（汉中水文水资源勘测中心,陕西 汉中 723000）

现阶段水质评价方法多样,而且不同评价方法各有优点与不足,因此本文将采用单因子评价法、综合水质标识指数法、灰色聚类法三种方法对2022 年嘉陵江汉中段水质进行评价分析,并对比分析这三种方法。

1 研究概况及数据

嘉陵江是长江上游左岸一级支流,有东西两源,东源为陕西省宝鸡凤县北面秦岭代王山西侧大南沟,西源出自天水寨子山,称西汉水。嘉陵江干支流水质监测断面在汉中段设有白水江、略阳、燕子砭、小厂、封家坝、香树坪、西淮坝、广坪,依据断面情况以及监测实际情况,本文将主干上游白水江、中游略阳、下游燕子砭三个断面作为分析对象。依据2022 年全年水质监测项目高锰酸盐指数CODMn、化学需氧量CODGr、总磷TP、氨氮NH3-N、溶解氧DO 检测数据,采用三种分析方法对每月水质进行分析评价,数据见表1。

2 评价方法与计算

2.1 单因子评价法

水质按照《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）评价,以白水江为例,评价结果见表2。

表2 单因子评价法评价结果

2.2 综合水质标识指数法

2.2.1 方法原理

此方法是对水中污染物进行分类,对各项指标进行综合评价,可以避免单因子对评价造成影响,综合水质标识指数的基本构成是：

式中：X1为综合水质级别；X2为水质类别变化范围内所处的实际位置；X3为水质类别未达标监测目标的数量；X4为综合水质与监测目标对比结果。

X1.X2是用来反映水环境状况,X3X4是用来判断水体的水质指标和综合水质类别达标情况。综合水质指数对应的综合水质类别通过X1.X2反应,见表3[1],其中X1.X2数值越大,综合水质越差。

表3 综合水质指数对应的综合水质类别

2.2.2 数据处理

DO 评价方式有特殊性,其值越大,水质状况越好,为与其他监测项目评价时保持一致性,因此计算其水质因子的时候,将《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中,浓度值判定方法转变为不饱和度判定[2],见表4。

表4 溶解氧不饱和度评价水质类别

计算2022 年1 月～12 月白水江、略阳、燕子砭溶解氧不饱和度值,以白水江为例,见表5。

2.2.3 结果计算

根据式（1）计算2022 年1 月～12 月白水江、略阳、燕子砭各水质项目的WQI 值,其中溶解氧水质因子参考表4、表5,各计算结果按表3 进行评价,评价结果见表6。

表6 综合水质标识指数法评价结果

2.3 灰色聚类法

该方法是将水质断面监测数据标准化之后,以白化函数为基础,按照灰类进行类别系数分配,通过聚类系数,判断所属的灰类,并进行最终水质类别评价。

2.3.1 数据标准化处理

（1）样本标准化处理

因各监测项目量纲不统一,需标准化处理样本数值,设有i=1,2,3,…n 个聚类对象,j=1,2,3,…m 个聚类指标,计算公式如下：

式中：Xij为数据标准化值；Sij为实测值；Sj为聚类指标所参考的标准值,本文根据监测断面目标水质类别确定各聚类指标的标准值。

以白水江为例,根据公式（2）标准化样本值,见表7。其中DO 按表4 评价。

表7 2022 年1 月～12 月白水江标准化样本值

（2）灰类标准化处理

设有k=1,2,3,…k 个聚类灰数,根据式（3）进行灰类标准化处理,见表8。

表8 白水江灰类标准处理结果

式中：γjk为第j 个指标k 个灰类的标准化值；Cjk为第j 个指标k 个灰类的灰数；Sj为j 指标参考标准值。

根据白水江目标水质类别Ⅲ类,灰类标准化结果见表8。

2.3.2 确定白化函数

本文选取典型的白化函数模型[3]。

当k=1 时,白化函数为：

当k=2,3,4 时,白化函数为：

当k=5 时,白化函数为：

2.3.3 计算聚类系数

根据以次按照式（7）、式（8）、式（9）,计算各样本的聚类系数。

式中：ηjk为灰类权重值；θjk为灰类聚类权；ωik为第i 个聚类对象隶属第k 灰类的程度。

以白水江为例,聚类系数见表9。

表9 2022 年1 月～12 月白水江聚类系数

按照最大隶属原则,ωik中最大值为样本隶属的灰类,称对象i 属于灰类k。按灰色聚类法,评价结果见表10。

表10 灰色聚类法评价结果

3 结论与分析

对比3 种方法评价结果,见图1～图3。

图1 2022 年1 月～12 月白水江水质评价对比图

图2 2022 年1 月～12 月略阳水质评价对比图

图3 2022 年1 月～12 月燕子砭水质评价对比图

从图中可以看出,2022 年白水江、略阳、燕子砭水质均为Ⅰ、Ⅱ类,水质状况稳定。结合表6、表10,分析如下：

（1）采用单因子评价法时,Ⅱ类居多,同一水质用单因子评价时为Ⅱ类,但用综合水质标识法、灰色聚类法分别进行分析时,有可能为Ⅰ类,比如4 月白水江水质类别。

（2）采用综合水质标识法进行评价时,由于白水江、略阳、燕子砭水质情况良好,其分析结果总体偏优,无法提供有效信息。

（3）灰色聚类法与综合水质标识法具有同样的问题,评价结果总体偏优,但灰色聚类法在分析时,计算了水质断面在各灰类的聚类系数,见表10,因此当水质评价类别相同时,可根据聚类系数对比同一类别的水质优良情况。比如白水江1 月和2 月水质类别均为Ⅰ类,但其聚类系数分别为0.866,0.945,说明白水江2 月水质优于1 月。

通过以上分析,可得出对嘉陵江汉中段水质进行常规水质评价时,可采取单因子评价法,简单易行,并且对结果要求更严格。但是需要进一步分析同一类别的水质状况时,可采取灰色聚类法,比较水质优良状况。