多种水质评价方法在木兰溪流域的比较应用.pdf

Journal of Hebei Normal University of Science&Technology Vol.37 No.2 June,2023河北科技师范学院学报，2 0 2 3，37（2）：5 8-6 6.D0I:10.3969/J.ISSN.1672-7983.2023.02.009多种水质评价方法在木兰溪流域的比较应用杨旭莹，宋金玲1.2*，林琢,刘风超,张经武1（1 河北科技师范学院数学与信息科技学院，河北省农业数据智能感知与应用技术创新中心，河北秦皇岛，0 6 6 0 0 4；2河北省海洋动力过程与资源环境重点实验室）摘要：为了更好地掌握木兰溪流域的水质情况，采用单因子评价法、水质综合指数法、模糊综合评价法和模糊聚类法等4种方法，分别对该流域内2 0 1 8 2 0 2 0 年蒋隔水库、濑溪、木兰溪三江口、仙游石马桥、仙游西台桥和园头桥等6 个监测断面的水质进行了评价。结果表明：单因子评价法能直观的看出主要污染指标，水质综合指数法可对相同等级的水质样本进行进一步的比较，模糊综合评价法和模糊聚类法考虑了水质评价中的不确定性和模糊性，但模糊聚类法不适用于对水质进行精准的分级评价。通过对比不同水质评价方法在木兰溪水环境中的应用和适用性，使评价结果更加客观实际。关键词：水质评价；单因子评价法；水质综合指数法；模糊综合评价法；模糊聚类法；木兰溪流域中图分类号：X824;X522文献标志码：A文章编号：1 6 7 2-7 9 8 3（2 0 2 3）0 2-0 0 5 8-0 9水质评价是了解水环境现状的重要基础，客观有效的水质评价方法可以为水资源的利用和保护提供科学依据1 。目前，地表水水质评价方法主要有单因子评价法、水质综合指数法、模糊综合评价法、模糊聚类法、主成分分析法和人工神经网络法等2-7 。笔者采用应用较为广泛的单因子评价法、水质综合指数法、模糊综合评价法和模糊聚类法等4种评价方法，以福建省莆田市木兰溪流域为例，对该流域的水质进行评价，并对各种方法的评价结果及适用性进行分析。1木兰溪概况木兰溪（2 5 2 2 2 5 2 5 N，1 1 8 38 1 1 9 0 6 E）位于福建省东部，是莆田市的主要河流之一，全长105km，流域面积1 7 32 km。流经度尾、涵江、城东、新度、赖店、城郊、鲤城等地，贯穿莆田市区，出三江口注人台湾海峡。近年来，莆田市大力推进木兰溪流域系统治理，通过对木兰溪进行客观有效的水质评价，可以为水环境治理和水资源利用提供科学依据，使木兰溪流域的水环境治理更加全面精准。本次研究选取木兰溪流域蒋隔水库、濑溪、木兰溪三江口、仙游石马桥、仙游西台桥和园头桥等6 个断面2 0 1 8 2 0 2 0 年的水质样本数据，各个断面统一选取溶解氧（DO）、总磷（TP）、5 日生化需氧量（BO D，）、高锰酸盐指数（CODMm）和氨氮（NH，一N）等5 项指标作为水质评价的因子。2评价方法2.1单因子评价法单因子评价法是依照地表水环境质量标准（GB38382002）中对各项水质指标等级阈值的规定，将其与水体各项监测指标的监测值进行对照，得出各监测指标的等级，最差的一项指标所在等级即为水体最终的水质级别。2.2水质综合指数法水质综合指数（WaterQualityIndex，简称WQI）是综合样本中的各个水质指标，来评价水环境质量的无量纲数，根据水质综合指数的值对水质进行等级划分，水质综合指数计算公式如式（1）所示。基金项目：河北省省级科技计划资助项目（项目编号：2 1 37 0 1 0 3D，2 1 37 330 1 D）;2 0 2 3年度河北省高等学校科学研究项目（项目编号：ZC2023123）。*通信作者，女，副教授，博士，硕士研究生导师。主要研究方向：数据库安全与数据分析处理。E-mail：s o n g j i n l i n g 9 9 。收稿日期：2 0 2 2-1 0-2 1；修改稿收到日期：2 0 2 3-0 3-0 159多种水质评价方法在木兰兰溪流域的比较应用杨旭莹等2期&N.T,WQI=鱼(1)2T式中：N，为赋给水质指标i的评分，T为水质指标i的权重值，n为水质评价指标数量。本次试验根据各个水质指标对水体质量的影响度，为每个水质指标赋予1,4 之间的权重值8 。根据地表水环境质量标准（CB38382002)规定的各水质指标的水域功能取值范围，将每个水质指标的取值划分为1 0 个级别，并对应将每个级别分别赋予0,1 0 0 的评分，评分越高代表水质越好，分值划分见表1。由式(1)可知WQI的取值范围为0,1 0 0 ,基于木兰溪的水质情况,将5 个水质等级对应的WQI值设定如下：I级（8 5 WQI100）、级（7 0 WQI85）、级（5 0 WQI70）、IV 级（2 5 WQI50)、V 级(0 WQI25)。表1水质综合指数法评价水环境质量的指标权重和评分分值划分水质指标权重评分p/(mg L-1)/T.10090807060DO47.5(7.5,7.0)7.0,6.56.5,6.06.0,5.0CODMn311,22,33,4 4,5BODs30.50.5,2.02.0,3.03.0,4.04.0,5.0NH,-N40.010.01,0.050.05,0.10 0.10,0.200.20,0.30TP40.010.01,0.020.02,0.050.05,0.100.10,0.15水质指标评分p/(mg L-1)50403020100DO5.0,4.04.0,3.53.5,3.03.0,2.0 2.0,1.015BODs5.0,6.06.0,8.08.0,10.010.0,12.012.0,15.015.0NH,-N0.30,0.400.40,0.500.50,0.750.75,1.001.00,1.251.25TP0.15,0.200.20,0.250.25,0.300.30,0.350.35,0.400.402.3模糊综合评价法模糊综合评价法是基于模糊数学建立水质指标对各水质等级的隶属度矩阵，根据最大隶属度原则确定水质等级。模糊综合评价法的具体步骤如下：（1）确定隶属度函数。将水质划分为I，I，,IV，V 等5 级，隶属度是水体评价指标属于各级水质的程度，隶属度的值与隶属程度呈正比，通过隶属度函数可进行求解。当水质为I级时的隶属度函数为：1,M,B.1di.1(2)Bi,2-B.,1lo,M,B,2当水质为IV 级时水质的隶属度函数为：M-Bu-,Buj-1 M,B.,B.,-Bi,j-1di;=(3)lo,M,Bi,j+1或 M,Bi,j-1当水质为V级时水质的隶属度函数为：37卷60河北科技师范学院学报1,M,Bi,5di,5(4)lo,M,Bi.4式中：d,是第i个水质指标对j级水质的隶属度,取值范围为0,1 ;M；是第i个评价指标的实测值;B,是第i个指标的第j级水质标准阈值;i=1,2，,n，=1,2，,m，n 和m均为5。根据式(2）（4)计算得到的每个水质指标对应各水质等级的隶属度di,j，可以表示成以下的隶属度矩阵D：（2）计算评价指标的权重dd12L1md21d22d2mD=(5)dld2dnm权重是表示各评价指标对水环境质量的影响程度，权重越大则该指标对水质的影响越大。各指标的权重计算公式为：h;=B.M;(6)式中：h；为第i个评价指标的权重；M；为第i个水质指标的实测值；B；为第i个水质指标的标准值，其中各指标的标准值取地表水环境质量标准（GB38382002）中类标准限值。然后再对各指标的权重按照式（7)进行归一化，使权重值在0，1 之间，最后得到所有指标的权重矩阵H,即:H=hi，h 2,h n 。（3）先矩阵复合运算h;=-(7)将权重矩阵H与隶属度矩阵D相乘,得到的综合评价矩阵为：didi2md21d22Z=(z1,zm)=HD=(hi,h2,.,hn)2m(8)nm式中，z为综合评价矩阵，为水质评价样本对第j级的隶属度。最大隶属度对应的水质等级即为评价样本的水质级别。以2 0 1 9 年1 月为例，采用模糊综合评价法对木兰溪各断面进行评价的数据及结果见表2。表22019年1 月木兰溪各断面水质的模糊综合评价数据水质指标评价断面隶属度DOCODMnBOD,NH,-NTP结果蒋隔水库0.6800.1060.0660.0410.1061.0000.0660.0000.0000.000I濑溪0.1820.1940.1910.1240.3090.5060.4680.2160.0000.000木兰溪三江口0.4110.1920.0550.0620.2800.1370.2830.3870.2490.000仙游石马桥0.1650.1350.1250.2620.3130.3850.2510.4890.0000.000仙游西台桥0.2090.1320.1460.1150.3970.5610.2270.3570.0000.000I园头桥0.2080.1630.1140.1470.3670.4530.2930.3310.0370.0002.4模糊聚类法模糊聚类是在给定初始隶属度矩阵和迭代终止阈值的条件下，通过对样本数据和分类等级之间的61多种水质评价溪流域的比较应用杨旭莹等2期目标函数进行迭代优化，不断更新聚类中心和隶属度矩阵，从而得到对样本的模糊分类。模糊聚类法的基本原理如下：给定样本数据集X=1，2，,),设C=c1，C 2，c 为数据集X的个聚类中心。S,为样本点;(1jn)对第i（1 i k)类的隶属度,初始隶属度矩阵一般为满足下列限制条件产生的随机值。样本的隶属度矩阵S如下：S11$12S1元$21$22S2mS=(9).Sk1S12Sk式中：s;满足条件Zt=1Sj=1;0sij1。计算每个样本点到每个聚类中心的距离，模糊聚类中各类的聚类中心与此类内的样本点距离越小越好。当样本点与聚类中心距离较远时，隶属度s；值会变小，经过指数m加权后此段距离与隶属度的乘积会接近于0。因此，为了得到最优的隶属度矩阵，将式（1 0)作为目标函数并计算该值。(10)式中：x;为第j个样本点;c为第i类的聚类中心；lx;-c;ll为样本点到聚类中心的距离;m为模糊加权参数，取值范围为1，+）,通常取值为2。对式(1 0)采用Lagrange求导得到公式（1 1）和（1 2）。1(11)2m-1(12)m采用式(1 1)对隶属度矩阵进行更新，根据新的隶属度矩阵按式（1 2)更新下一次迭代的聚类中心。给定一个阈值,若Q(）-Q(-1）8,则迭代结束,最终得到最优聚类中心和隶属度矩阵。根据最终的隶属度矩阵中元素的取值找出每个样本所属的分类，当sij=max(s,（1 i k)）时，将样本x,划分为第i类。采用模糊聚类法对木兰溪各断面进行水质评价时，计算得到的所有样本点的最优聚类中心见表3，以该聚类中心计算得到的2 0 1 9 年1 月各断面的隶属度矩阵及水质评价结果见表4。3木兰溪水质评价本次试验选取木兰溪流域6 个断面2 0 1 8 2 0 2 0 年间的水质样本数据，分别采用单因子评价法、水质综合指数法、模糊综合评价法和模糊聚类法对各断面进行水质评价，4种方法的评价结果大部分比较接近，但也存在部分断面的评价结果差异较大（表5）。表32019年1 月木兰溪各断面水质的最优模糊聚类中心水质类别水质指标IVVDO0.6590.3980.2120.1520.312CODMn0.7100.2710.1430.0880.155BODs0.6830.4510.2660.1840.340NH,-N0.6560.5420.3450.5330.478TP0.3990.4550.2040.3590.54437卷62河北科技师范学院学报表42019年1 月木兰溪各断面水质的隶属度矩阵及评价结果水质类别断面评价结果IVV蒋隔水库0.6250.1680.1320.0380.037I濑溪0.2260.1020.3840.1970.090三江口0.1900.0970.1850.1090.419V仙游石马桥0.1100.0690.1330.5630.124V仙游西台桥0.2940.1610.3310.1190.0951园头桥0.2160.0780.3120.2330.161表520182020年4种评价方法对木兰溪各断面水质评价差异较大的评价结果单因子水质综合模糊综合监测断面年份月份水质目标模糊聚类法评价法指数法评价法3I(63.33)IV5I(62.22)IV濑溪20187I(7 2.7 8)II9II(68.89)111I(62.78)1IV3II(76.67)I5II(64.44)IV仙游石马桥20187II(68.89)9I(7 7.2 2)I11II(66.11)1IV3(7 2.7 8)I5II(66.67)IV濑溪20197(7 5.5 6)9I(71.67)11I(8 1.6 7)13II(64.44)IV5II(68.88)IV仙游石马桥20197II(70.00)9(7 1.1 1)I11I(7 3.33)13II(61.11)V5VII(57.22)VV木兰溪三江口20207IVVII(59.44)VV9IV(48.89)VV11VI(54.44)V3I(61.11)IV5II(6 2.2 2)V仙游西台桥20207I(87.22)9II(8 1.6 7)111(8 0.0 0)3II(57.78)IV5I(61.11)V仙游石马桥20207I(78.89)19I(61.11)IV11II(63.33)V63多种水质评价方法在木兰溪流域的比较应用杨旭莹等2期4评价结果分析4.1时间维度的水质分析对比分析木兰溪6 个监测断面的水质评价结果，虽然采用4种评价方法得到的水质评价结果不尽相同，但对单个断面而言每种水质评价方法显示的时间维度水质变化是比较相近的（图1）。4种方法评价结果存在不同的原因主要是由每种方法的评价原理及计算模型不同所致：（1）单因子评价法只受最差指标影响，而其他评价方法则受所有指标影响，如濑溪断面2 0 1 8 年中总磷数据最差且一直为级，因此单因子评价法的评价结果保持级不变，其他方法的评价等级则有所变化；（2）水质综合指数法按所有指标的加权评分进行分级，受单项指标影响较小，因此评价结果总体上等同或优于单因子评价法，从各断面的评价结果均可看出（图1）；（3）模糊综合评价法中每项指标对各个等级都有一个隶属度，单项指标分级相对水质综合指数法宽松，加之指标权重在不同断面是动态变化的，因此模糊综合评价法的评价结果总体上优于水质综合指数法，从仙游石马桥断面的评价结果可以明显看出；（4）模糊聚类法的原理是利用样本对聚类中心的隶属度来划分水质类别，因此水质类别受聚类中心影响较大，如濑溪断面中溶解氧以及氨氮浓度的变化幅度较为明显，导致出现多个聚类中心，因此该断面利用模糊聚类法评价的水质等级跨度较大，其他方法的等级跨度则较小，而木兰溪三江口断面在各月份的指标数据变化不大，得到的聚类中心数量少，因此水质只有IV级和V级两个等级。4.2空间维度的水质分析4种评价方法对2 0 1 8 2 0 2 0 年间木兰溪各断面的水质评价等级占比情况见图2。其中，蒋隔水库断面的I级和级占比合计为1 0 0%；仙游西台桥断面的I级和级平均占比为5 5%，园头桥断面的I级和级平均占比为6 0%，但仙游西台桥断面的I级占比高于园头桥断面且未出现V级水质；濑溪断面和仙游石马桥断面占比较大的都是级和级，但是濑溪断面I级和级的占比大于仙游石马桥断面；而木兰溪三江口断面的IV级和V级占比较大。综合各种方法的评价结果可知，2 0 1 8 2 0 2 0 年间蒋隔水库断面的水质最好，其次是仙游西台桥断面，园头桥断面水质优于濑溪断面和仙游石马桥断面，濑溪断面水质则略优于仙游石马桥断面，而木兰溪三江口断面的水质最差。4.3水质定量分析将4种评价方法得到的2 0 1 8 2 0 2 0 年各个断面的水质等级进行综合统计，统计结果见图3。其中，单因子评价法中IV级水质的比例依次为1 0.0%，1 6.7%,5 7.8%，8.9%，6.6%；水质综合指数法中1V级水质的比例依次为1 0.5%，39.2%，42.6%，7.7%，0%；模糊综合评价法中IV级水质的比例依次为45.5%，2 5.9%，1 5.4%，8.4%，4.8%；模糊聚类法中IV级水质的比例依次为1 6.8%，22.4%，1 8.9%，2 0.3%，2 1.6%。统计结果表明，模糊综合评价法的I级和级水质占比最大，原因是该方法受评级最优的指标影响较大，使评价等级偏高于其他方法；由于单因子评价法通过污染指标超标倍数定量反映水质情况，忽略了各项水质指标对水质评价的综合影响，得到的水质评价等级劣于其他3种方法；水质综合指数法通过计算各样本的WQI值确定水质级别，而且对水质级别相同的样本还可以进一步区分、判断水质的差异；模糊聚类虽然可以有效地判断水质类别，但该方法只根据距离对数据集按照相似度来划分类,划分的类不够细致和水质等级的对应性还存在差距。综上所述，4种水质评价方法虽然各有优劣，但是均实现了水质情况的定量描述。4.4方法适用性分析结合4种方法分析结果可知，单因子评价法、模糊综合评价法和水质综合指数法都可对水质样本进行分级评价。其中，单因子评价法计算方式简单，可以直观的了解水质情况以及严重超标的污染指标，是目前应用范围最为广泛的水质评价方法，但评价结果过于片面，会低估河流的水域功能。水质综合指数法通过对水质的定量评价，使水质等级相同的样本也可以进一步进行比较，该方法可以详尽反映各断面不同时段的水质变化趋势。模糊综合评价法基于模糊数学综合了水环境中的多种因素，因为利用隶属函数和模糊综合评价模型解决水质评价中的模糊性和不确定性，所以评价结果整体偏优。模糊聚类也是模糊评价方法的一种，但模糊聚类是将水质数据集划分成多个类，不适合对水质的精确分级评价。图1木兰溪流域6 个监测断面2 0 1 8 2 0 2 0 年水质变化趋势e（f）仙游石马桥园头桥时间/（年-月）时间（年一月）81008100610z610z610610761081008102810081026107610761006107610z二二0口2汇43模糊综合评价法金一模糊聚类法模糊综合评价法金一模糊聚类法单因子评价法口水质综合指数法单因子评价法口水质综合指数法MIA6437卷河北科技师范学院学报一单因子评价法口水质综合指数法模糊综合评价法一金一模糊聚类法54310S0-810760-810011-810020-610760-610211-6100时间/（年-月）(a)濑溪单评价法水质综合佰数法模糊综合评价法一金一模糊聚类法53210S0-81020-810760-810011-8100S0-610760-610211-6100时间/（年-月）（）木兰溪三江口一单因子评价法口水质综合指数法模糊综合评价法一+一模糊聚类法54321060-810211-810020-610260-610211-6100时间/（年-月）(b）蒋隔水库一门单因子评价法水质综合指数法模糊综合评价法一金一模糊聚类法5431060-810211-810060-610z11-6107时间/（年-月）(d)仙游西台桥65多种水质评价方法在木兰兰溪流域的比较应用杨旭莹等2期图级I级II 级ZIV级图级级级II级ZIV级图级10010090908080%/15%/71游707060605050404030302020101000州断面名称断面名称(a)单因子评价法(b)水质综合指数法网级级II 级ZIV级图级级级I级ZIV级图级1001009090808070%/1步%/1早7060605050404030302020101000州断面名称断面名称(d)模糊聚类法()模糊综合评价法图2木兰溪6 个监测断面2 0 1 8 2 0 2 0 年的水质评价等级统计8级A级AII级EZIV级照V级1009080%/71早袋706050403020100单因子水质综合模糊综合模糊评价法指数法评价法聚类法水质评价方法图34种水质评价方法的水质等级综合统计（责任编辑：朱宝昌）37卷66河北科技师范学院学报5结论（1）2 0 1 8 2 0 2 0 年，在木兰溪流域的蒋隔水库、濑溪、木兰溪三江口、仙游石马桥、仙游西台桥和园头桥等6 个断面上，蒋隔水库断面水质最好，濑溪、仙游石马桥、仙游西台桥和园头桥断面水质较好，基本达到了各断面的水质目标，木兰溪三江口断面水质较差。（2）在同一断面的不同时段，采用单因子评价法、水质综合指数法、模糊综合评价法和模糊聚类法等4种水质评价方法得出的评价结果中水质变化趋势具有一致性。（3）通过对比4种水质评价方法可知，4种方法各有优劣，在实际评价时，要结合河流的具体情况，选用适合的水质评价方法，从而获取更准确的水质评价结果。参考文献：1杨仁忠，姜赞赞，廉德军，等.泰安市高新区水资源调查评价J.西部资源，2 0 2 0（5）：9 7-9 8，1 0 2.2庞国涛，阎琨，李伟.钦州钦南区水化学特征及健康风险评价J.环境化学，2 0 2 2，41（1 1）：35 5 8-35 6 8.3唐琦，刘兵，王璞，等.改进WQI在川中丘陵地区典型流域水质评价中的应用一一以琼江流域上游段为例J.环境工程技术学报，2 0 2 2,1 2(2）：6 1 5-6 2 3.4吴敏.基于单因子和模糊数学综合评价法的莆田市平海湾地下水环境评价J.黑龙江环境通报，2 0 1 9,43（3）：49-54.5夏治坤.模糊聚类模型在桃山水库水质评价中的应用D.哈尔滨：黑龙江大学,2 0 2 1.6杨芳，杨盼，卢路，等，基于主成分分析法的洞庭湖水质评价J.人民长江，2 0 1 9,5 0（S2）：42 45,5 8.7王铁良，苏芳莉，孙迪，等.基于模糊BP神经网络的辽河口湿地水质评价J.西北林学院学报，2 0 2 0,35（5）：1 9 5-200.8朱长军，赵方星，李步东，等.基于主成分分析及WQImin的大黑汀水库水质评价J.河南师范大学学报（自然科学版）),2 0 2 1,49(3):5 2-5 8,1 2 4.第一作者简介：杨旭莹（1 9 9 6-），女，硕士研究生。主要研究方向：农业信息技术。Comparative Application of Various Water Quality Assessment Methods in Mulan River BasinYANG Xuying,SONG Jinling,LIN Zhuo,LIU Fengchao,ZHANG Jingwu(1 School of Mathematics and Information Technology,Hebei Normal University of Science&Technology,Hebei Innovation Center for Smart Perception and Applied Technology of Agricultural Data,QinhuangdaoHebei,066004;2 Hebei Key Laboratory of Ocean Dynamics,Resources and Environments;China)Abstract:Water quality of six monitoring sections in Mulan River basin during 2018 to 2020,includingJiangge Reservoir,Laixi River,Mulan River Sanjiangkou,Xianyou Shima Bridge,Xianyou Xitai Bridge andYuantou Bridge,are evaluated with single factor evaluation method,water quality index method,fuzzy com-prehensive evaluation method and fuzzy clustering method to study the water environment of Mulan River ba-sin.The results show that the single factor evaluation method can intuitively reveal the main pollution indica-tors,the water quality index method can further compare the water quality samples of the same grade,thefuzzy comprehensive evaluation method and the fuzzy clustering method take into account the uncertainty andfuzziness in the water quality assessment,but the fuzzy clustering method is not applicable to the accurategrading evaluation of water quality.The comparison of the application and applicability of different water quali-ty assessment methods in the water environment of Mulan River makes the assessment results more objectiveand practical.Key words:Water quality assessment;single factor evaluation method;water quality index method;fuzzycomprehensive evaluation method;fuzzy clustering method;Mulan River basin