对几种环境质量综合指数评价方法的探讨
对几种环境质量综合指数评价方法的探讨
刘 硕,朱建平,蒋火华 (中国环境监测总站,北京 100029)
摘 要:从《全国环境质量报告书》的编写出发,探讨了多种环境质量综合指数的应用。利用具体数据对各种方法进行了
比较,进而提出在目前报告书中宜采用最大值法和算术平均法相结合的方法来对全国环境质量进行评价,并结合国外环
境评价方法的发展趋势对未来报告书的评价模式提出了建议。
关 键 词:环境质量综合指数;最大值法;算术平均值法;混合加权模式法
中图分类号: X820.2 文献标识码:B 文章编号:1002-6002(1999)05-0033-05
Comparison of several methods of environment quality evaluation using complex indices
LIU Shuo, et al(National Environmental Monitoring Centre of China, Beijing 100029,China)
Abstract: The applications of different methods of environmental quality evaluation using complex indices in compiling
the Report of Environmental Quality of China are discussed in this article. After comparing the results of those methods
under miscellaneous situations, it is concluded that to use both of the method of maximum and the method of arithmeti-
cal average and take advantage of the two methods is the optimum choice for the Report of Environmental Quality of
China. The suggestion about the future evaluation model in the Report of Environmental Quality of China regarding the
recent development of foreign environmental evaluation methods also is put forward in this article.
Key words: complex indices of environmental quality; method of maximum; method of arithmetical average; method of
mixed WGT model
在国家环保总局每年发布的《全国环境质量
报告书》中,对该年度我国环境质量的总体情况进
行了分析和总结。很显然,环境质量评价方法的选
择对于报告的结论有着直接的影响。因此我们参
考了国内外关于环境质量的评价方法,希望制定
一个能够满足报告书编制要求的方案。根据目前
3 结论
数据表1中显示安瓿内样品12个月的测定
值,以及用Grubbs法对测定数据的一致性进行
统计检验,由检验公式计算,最大检验值Tmax=
1.159,最小检验值Tmin=1.797,均小于临界值
T0.05=2.475,说明安瓿内溶液的浓度经统计检验
无显著性差异。
而配制瓶内的硫化物水样与配制时相比,相
隔4.5小时,损失率即为8.09%,第2天损失率
为34.6%,相隔5天损失率为59.6%,第15天损
失率已达74.3%。
从曲线图1、2也可看出,硫化钠水样贮存在
充氮的配制瓶内,其浓度随时间的推移呈明显下
降趋势。而分装在密封安瓿内的硫化钠水样则在
一年内非常稳定。现在我们仍在继续进行稳定性
实验。
由此表明,没有密封保存的硫化钠水样极不
稳定。而加入稳定剂的硫化钠水样并封装于充氮
的安瓿内则可以保存
较长时间,因此它可作为一
种长期保存硫化钠标准溶液和硫化物标准样品的
有效方法。
参考文献
[1]王小梅,沈叔平.中国环境监测,1978(3):129.
[2]魏复盛等.水和废水监测方法指南(上册).北京:中
国环境科学出版社,1990.
[3]魏复盛等.水和废水监测方法指南(中册).北京:中
国环境科学出版社,1994.
[4]魏复盛等.水和废水监测分析方法(第三版).北京:
中国环境科学出版社,1989.
[5]邓勃.数据统计方法在分析化学中的应用.北京:化
学工业出版社,1981.
收稿日期:1999-04-30
作者简介:张效苏(1946-),女,河北阳原县人,高级工
程师,从事环境标准样品研制工作,曾获环保科技进步一
等奖、三等奖。
第15卷 第5期 中 国 环 境 监 测 Vol.15 No.5
1999年10月 Environmental Monitoring in China Oct.1999所掌握的情况,环境质量评价方法可分为综合指
数法、环境功能区划法以及生态评价法等。其中,
综合指数法应用较为广泛,而且其结果的表达方
式也比较符合中国人的习惯,因此本文主要在综
合指数法的范围内进行讨论。另外,考虑到报告书
中在有关水的方面综合指数法应用得较多,这里
就以水环境作为评价对象。
1 环境质量综合指数应具备的特点
按参考文献[2],在选择环境质量综合指数的
计算方法时,应该考虑到以下几个方面:
1)计算环境质量综合指数的主要目的是对
各地的环境质量状况进行比较,因此综合指数应
具有可比性。综合指数之间的比较不应受污染物
种类和个数多少的限制。各项污染物分指数的简
单叠加由于不具有可比性,不宜作为综合指数。
2)综合指数应该准确地反映各污染物的超
标情况。当所有污染物均未超标时,综合指数也不
应超标;反之,若有一项分指数超标,则综合指数
一定超标。
3)综合指数要突出大于1的分指数,即超标
分指数的作用。
4)综合指数应与最大超标分指数密切相关。
5)考虑到实际应用,综合指数的计算应简便
易行。
归纳起来,理想的综合指数应该能够准确地
反映特定区域的整体环境质量,而且还要便于使
用。
2 常用的综合指数法
按参考文献[1],目前国内外关于环境质量综
合指数的计算方法主要有以下几种:
1)简单叠加法 该法认为环境要素的污染
是各种污染物共同作用的结果,因而多种污染物
作用和影响,必然大于其中任一种污染物的作用
和影响。用所有评价参数的相对污染值的总和,可
以反映出环境要素的综合污染程度。故用分指数
简单叠加来表示综合指数,即:
PI=∑
n
i=1
Ci
Coi(1)
前面已经提到,简单叠加法有着十分明显的
缺陷。但是它提出较早,目前仍在相当大的范围内
使用(
包括《全国环境质量报告书》),所以本文仍
将它作为一种备选的方案。
2)算术平均值法 这种方法为了克服简单
叠加法的缺点,即为了消除选用评价参数的项数
对结果的影响,便于在用不同项数进行计算的情
况下进行比较要素之间的污染程度。将分指数和
除以评价参数的项数(n),即:
PI=1n∑ni=1CiCoi(2)
3)加权平均法 该法的计算式为:
PI=∑
n
i=1
WiCiCoi=∑ni=1CiC′oi(3)
C′oi=CoiWi
通过加权相当于对评价标准作了修正(由Coi
改为C′oi)。加权值Wi的引入可以反映出污染对
环境的影响作用是不同的。
4)平方和的平方根法这个方法的计算式
为:
PI=∑
n
i=1
Ci
Coi
2
(4)
由上式可知,大于1的分指数其平方越大,而
小于1的分指数,其平方越小,故不仅突出最高的
分指数,而且也顾及到其余各个大于1的分指数
的影响。
5)均方根法 这种方法的计算式为:
PI=1n∑ni=1CiCoi(5)
与式(4)基本相同,其计算值小于各分指数叠
加总和。
6)最大值法 该法是在计算式中含有评价
参数中的最大的分指数项,其目的是突出浓度最
大的污染物对环境质量的影响和作用,克服了平
均值法存在的问题。但是,用这种方法求取的指数
值小于最重污染物的分指数。目前已推出很多种
计算公式。例如内梅罗指数计算式,即:
PI=CiCoi2最大+CiCoi2平均(6)
7)混合加权模式法此法的计算式为:
PI=∑1Wi1Ii+∑2Wi2Ii(7)
其中,Ii为分指数,∑1为诸Ii>1求和,∑2
为一切Ii求和;,Wi1=Ii
∑1Ii,Ii> 1;Wi2=
Ii
∑2Ii,一切Ii。并且,∑1Wi1= 1,∑2Wi2= 1,
34 中 国 环 境 监 测 第15卷 第5期 1999年10月Wi1和Wi2组成权系数。
当各种污染物的浓度都不超过允许标准时,
对由式(7)计算出来的综合指数一定不超过允许
标准;当有一个浓度超过允许标准时,则其综合指
数也一定超过允许标准。
8)向量分析法 这种方法是根据“希伯尔空
间”理论,把每种污染物作为一个分量,因而,N
种污染物就构成一个N维空间。由此,把N种污
染物造成的环境污染状态看作是由N种污染物
构成N维空间中的一个向量A,而每种污染物是
一个分量AI,其综合指数就是向量A的“模”值,
即:
PI= A = A1 2+ A2 2+…+ An 2
(8)
其中, Ai =CiLi i=1,2,…,n,为第i种污
染物的分指数,Li为某种用途下的第i种污染物
的最高允许浓度值。
此外,还有FUZZY概率法、热力学评价法以
及模糊综合评价法等方法。由于它们或是涉及的
公式较多,计算繁复,或是处于发展阶段,本文就
不一一讨论了。
3 几种方法的比较
结合第一部分提出的几个原则分析以上8种
环境质量综合指数的计算方法,可以看出平方和
的平方根法以及向量分析法所得的综合指数
与分
指数个数有关,不具有可比性,因而本文不将它们
列入讨论范围。另外,目前加权平均法在确定加权
值时还存在一个合理性的问题,缺乏明确的生物
毒理学依据,在这里也不予以考虑。
在以往的《环境质量报告书》中所用的综合指
数法实际上是简单叠加法,即式(1)。这种方法通
过将污染物浓度与环境标准值相除得到无量纲化
的污染分指数,从而使得不同污染物之间以及不
同地点之间的环境质量的比较成为可能。但它的
缺点也比较突出。首先是该法与具体参与评价的
分指数个数有关,因而造成了地域或年际间的不
可比性。其次,该法未考虑到个别参数出现高浓度
的情况:当有一个参数分指数很高而其余不高时,
其综合结果可能偏低而掩盖了高浓度那个参数的
影响,即掩盖了较大值或最大值的污染作用。前面
提到的其它几种方法都或多或少地考虑了最大值
或较大值的作用。但由于计算方法不同,所得结果
各异。通过下面的例子可以看出它们之间的差异。
根据参考文献[2]提供的数据,某地有15个
测点,每一个测点有4项环境质量分指数,分别为
A、B、C、D项,如表1所示。这里选取简单叠加法、
混合加权模式法、均方根法以及最大值法四种方
案进行计算比较。
表1 某地15个测点的分指数及综合指数
测点A B C D简单叠加法最大值法均方根法混合加权模式法
1 2.13 1.45 1.26 1.35 6.19 2.66 1.24 3.25
2 1.84 1.14 1.68 0.98 5.64 2.35 1.19 3.11
3 0.99 1.20 1.24 1.14 4.57 1.69 1.07 2.35
4 1.29 1.36 1.55 1.37 5.57 2.09 1.18 2.80
5 1.48 0.96 1.54 1.25 5.23 2.03 1.14 2.78
6 1.36 0.88 1.37 1.11 4.72 1.82 1.09 2.51
7 1.07 1.53 1.27 1.04 4.91 1.97 1.11 2.52
8 1.47 1.10 1.45 0.58 4.60 1.90 1.07 2.62
9 1.24 0.85 1.98 0.59 4.66 2.36 1.08 3.10
10 1.16 1.15 1.74 1.34 5.39 2.21 1.16 2.78
11 1.24 1.21 1.40 1.37 5.22 1.92 1.14 2.62
12 1.29 1.35 1.24 0.89 4.77 1.81 1.09 2.51
13 1.31 1.54 1.28 0.98 5.11 2.01 1.13 2.69
14 1.47 1.38 1.45 0.90 5.20 1.98 1.14 2.78
15 1.31 1.21 1.41 0.99 4.92 1.88 1.11 2.56
35刘 硕等:对几种环境质量综合指数评价方法的探讨 表1所列的是15个测点A、B、C、D四项分
指数以及用上述四种方法计算所得的各个测点的
环境质量综合指数。表2则是按四种方法所得结
果对15个测点的环境质量进行排序。可见,四种
方法的计算结果大体一致。15个测点的环境质量
综合指数可以分为四个序列:测点1、2、4、10、5;
测点11、13、14、15、7;测点6、3;以及测点8、9和
12。其中前3个序列,无论采用哪种方法,它们之
间的顺序都是一样的,即它们的环境质量依次下
降。由于各个方法间的差异,导致序列内部的顺序
略有不同。而测点8、9、12的位置在
不同的算法中
变化较大,从而使我们可以比较明显地看出这四
种方法的优劣。测点9的位置变化最大:在最大值
法和混合加权模式法中认为该点的环境质量很差
或较差,而简单叠加法和均方根法的计算结果则
认为该点的质量尚可或一般。产生如此大差别的
原因在于测点9的C项分指数很大(1.98),仅次
于测点1的A项分指数(2.13),但同时测点9的
其它几项分指数均较小,因而导致前两种方法所
得的综合指数都偏小。测点8和12的情况与测点
9类似,它们的位置的变化都与其最大分指数有
关。
表2 根据四种算法所得结果对某地
15个测点环境质量排序
简单叠加法均方根法最大值法混合加权模式法各测点按环境质量综合指数排序︵降序︶1 1 1 12 2 9 24 4 2 910 10 10 45 5 4 1011 11 5 514 14 13 1413 13 14 1315 7 7 117 15 11 812 6 8 156 12 15 79 9 6 12
8 3 12 6
3 8 3 3
一般认为,当某点的某项环境分指数大大超
标而其它指标尚可时,它的环境质量要劣于各项
分指数略微超标的地方。也就是说,在计算环境质
量综合指数时,必须考虑大于1的分指数(即超标
分指数)的作用,而且要突出最大分指数对综合指
数的贡献。由此看来,最大值法和混合加权模式法
的结果要更符合实际一些。再从这两种方法的计
算公式上来看,最大值法采用了平方和开方来计
算综合指数,放大了大于1的分指数的作用;并且
加上了最大分指数,突出了它的贡献。而混合加权
模式法则采用将大于1的分指数与其它分指数分
开来计算的方法,也反映了最大分指数的作用。
但是,由于最大值法和混合加权模式法采用
了特殊的方法来突出最大分指数的作用,因而也
导致了一些缺陷。最大值法有时会过于突出最大
分指数的作用,因此国内外的一些单位在实际应
用时常常在最大分指数前乘以一个经验系数来加
以校正。混合加权模式法的缺陷则在于对分指数
的总体情况反映不足。由于该法在公式中没有计
算分指数的平均值,而是将各分指数乘以其在分
指数总和中所占的比例,因而当某一项分指数较
大,而其余各项分指数很小甚至为零,即最大分指
数在各分指数之和中所占比例(式(7)中的某项
Wi1)接近1的时候,所得结果将接近或等于两倍
最大分指数,从而使环境质量综合指数偏大。下面
我们以1997年《全国环境质量报告书》第三章表
2中的数据为例对这两种方法再进行详细的说
明。
另外,从上面的例子可知,简单叠加法和均方
根法的结果十分相似,因此在以下的计算中就略
去了均方根法。用最大值法、混合加权模式法和简
单叠加法对《1997年全国环境质量报告书》表2
中涉及到的142个城市河流断面进行了排序。现
从这三
种方法的计算结果中各自筛选出了15条
污染最为严重的河流断面,列于下表3中。
表3 1997年严重污染城市河段按不同算法排序(降序)
最大值法
城市河流
混合加权模式法
城市河流
简单叠加法
城市河流
赤峰老哈河赤峰老哈河太原汾河
昆明螳螂川昆明螳螂川赤峰老哈河
太原汾河西安渭河徐州奎河
西安渭河太原汾河昆明螳螂川
徐州奎河徐州奎河西安渭河
合肥南淝河合肥南淝河合肥南淝河
上海苏州河河池龙江上海苏州河
安阳洹河安阳洹河银川银新干沟
36 中 国 环 境 监 测 第15卷 第5期 1999年10月 续表3
最大值法
城市河流
混合加权模式法
城市河流
简单叠加法
城市河流
郑州贾鲁河南京内秦淮河安阳洹河
深圳深圳河上海苏州河济南小清河
河池龙江郑州贾鲁河郑州贾鲁河
南京内秦淮河深圳深圳河临汾汾河
临汾汾河济南小清河深圳深圳河
济南小清河临汾汾河焦作新河
银川银新干沟成都府河南京内秦淮河
表3中三种方法所反映的当年河流环境质量
大体一致。但其中一个明显的变化是河池龙江在
简单叠加法中并未在前15位出现,而在最大值法
和混合加权模式法中均把它列入了污染严重的河
段当中,其原因就在于简单叠加法对最大分指数
不如另外两种方法敏感。河池龙江的石油类超标
倍数达49,较南京内秦淮河和临汾汾河都要高,
所以在最大值法中将河池龙江排在它们之前是比
较合理的。但河池龙江除石油类外的其它分指数
均较低,甚至为零,因此在混合加权模式法中就出
现了这样的错误:将河池龙江排在了无论是最大
分指数还是单项分指数都大于它的安阳洹河之
前。很明显,在这种情况下,混合加权模式法把最
大分指数的作用过于突出了。其余河流在这三种
方法的排序结果中的位置变化也都是由这两个因
素造成的。
4 讨论
通过对以上几种环境质量综合指数计算方法
的分析与比较可知,大多数方法所得的结果是基
本一致的,都能从整体上反映一定区域的环境质
量状况。它们之间的主要分别在于是否以及如何
适当地突出超标分指数和最大分指数的作用。在
这方面,最大值法、混合模式法均有所体现。但前
者对分指数的总体把握不足,在只有一项分指数
超标而其余分指数很小或为零的情况下会产生偏
差而导致综合指数偏大,而这种情况在《环境质量
报告书》的数据里并不少见。因此,综合考虑上述
的几种方法,建议在报告书的编写中采用最大值
法来进行环境质量的评价。考虑到该法可能会对
最大分指数过于敏感,可用简单叠加法作为辅助
方案,将两者所得结果加以比较,以便得
出更符合
实际的结论。
从目前所掌握的资料来看,采用最大值法可
能是比较合适的选择。但从方法本身和当今的国
际环境监测发展趋势来说,综合指数法未必是未
来最佳的方案。首先,综合指数法没有考虑到生物
毒理学效应。在该法中,各种污染物对环境的影响
程度只与它们的超标倍数有关。只要污染物的超
标倍数相等,则认为它们对环境的作用效果是一
样的。这明显不符合实际情况,并进而影响到对整
个环境质量好坏的判别。其次,综合指数法将各地
的环境质量硬性排序,实际上并不必要。具体到报
告书而言,关键应该是将各区域的环境质量分级,
并进而得出各地乃至全国的环境质量变化的趋
势。从这个意义上讲,实行生态监测,以生物毒理
学为基础,将环境功能区划与生态评价相结合的
方法应该更可行一些。这种方法已在国外得到广
泛应用(详见美国环保署向美国国会提交的水质
报告以及EMAP(Environmental Monitoring and
Assessment Program))。并且从环境信息的发布
来看,采用这种方法所得的结果更易被舆论和公
众理解接受,从而有利于公众环境素质的提高和
环境保护工作的开展。但是,采用这种评价方法,
需要对我国目前现行的环境监测体系、制度和指
标进行相应的变动,具体的可行性方案尚有待于
进一步研究。
参考文献
[1]侯克复编著.环境系统工程.北京:北京理工大学出
版社,1992,363~452.
[2]李祚泳.环境质量综合指数的余分指数合成法.中
国环境科学,1997,17(6):554~556.
[3]全国环境质量报告书(1997年度).北京:国家环境保
护总局,1998.4.
收稿日期:1999-04-01
作者简介:刘 硕(1973-),男,湖南涟源市人,毕业于
南京大学环境科学与工程系,理学硕士,主要从事环境综
合信息、环境统计等工作。
37刘 硕等:对几种环境质量综合指数评价方法的探讨