水環境質量評價方法對比研究

李佳民 于婷 鞠永富 柴方營 于洪賢

摘要 以穆棱河流域為例，采用水生生物指示法、單因子評價法、綜合污染指數法、模糊綜合評價法4種水環境質量評價方法，對穆棱河水質進行分析評價，并對評價結果進行了比較。

關鍵詞 水環境質量；評價方法；穆棱河流域

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）27-185-04

Assessment Methods of Water Environment Quality—A Case Study of Muling River

LI Jia-min1， YU Ting2， JU Yong-fu2，3， YU Hong-xian3* et al

（1.Nen River Diversion Administrative Office， Daqing， Heilongjiang 163316； 2.Water Resources Bureau of Heilongjiang Province， Harbin， Heilongjiang 150040； 3.Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract By using aquatic organisms method， single factor method， comprehensive pollution index method， and fuzzy comprehensive evaluation method， water quality of Muling River was analyzed， and the evaluation results were compared.

Key words Water environment quality； Evaluation methods； Muling River basin

我國水資源短缺情況較為嚴重，擁有全世界21%的人口，但僅占水資源總量的6%，人均水資源擁有量僅為世界平均水平的1/4，是全球人均水資源最貧乏的國家之一。經過幾年努力，水污染治理取得一定成效，但形勢依然非常嚴峻。2013年，全國廢水排放量695.4億t，化學需氧量排放量2 352.7萬t，氨氮排放量245.7萬t，石油類排放量1.7萬t，此外還有大量各類重金屬排放到水體中[1]。水環境質量評價已經成為環境質量評價的重要內容。采用科學合理的評價方法對流域或區域水環境質量進行定性和定量描述，闡明水環境質量現狀和變化趨勢，可以為保護和合理開發利用水資源提供科學依據。

目前，比較常用的評價方法有水生生物指示法、單因子評價法、綜合污染指數法和模糊綜合評價法。筆者采用這4種水環境質量評價方法，對穆棱河流域水質進行評價，并對結果進行對比分析。

1 水環境質量評價依據和方法

1.1 評價依據 為客觀反映全國地表水環境質量狀況和變化趨勢， 2002年國家環境保護總局發布《關于發布<地表水環境質量標準>的公告》（環發[2002]72號），制定了關于地表水環境質量的國家強制性標準。

根據《地表水環境質量標準GB 3838-2002》規定，地表水水域環境功能和保護目標，按功能高低依次劃分為5類[2]：Ⅰ類主要適用于源頭水、國家自然保護區；Ⅱ類主要適用于集中式生活飲用水地表水源地一級保護區、珍稀水生生物棲息地、魚蝦類產卵場、仔稚幼魚的索餌場等；Ⅲ類主要適用于集中式生活飲用水地表水源地二級保護區、魚蝦類越冬場、洄游通道、水產養殖區等漁業水域及游泳區；Ⅳ類主要適用于一般工業用水區及人體非直接接觸的娛樂用水區；Ⅴ類主要適用于農業用水區及一般景觀要求水域。

1.2 評價方法

1.2.1 水生生物指示法。

在20世紀德國有兩位科學家（Kolkwitz和Marsson）提出污染指示生物學說，將一些水生生物劃分為貧營養型、中營養型、中富營養型和富營養型[3]。后來，又經過Liebmann和津田松苗等人的不斷完善，指示生物評價法逐漸被作為評價水質污染的標準方法。在《湖泊富營養化調查規范》中記載：貧營養型湖泊以金藻和黃藻類的浮游植物為主，中營養型湖泊常以甲藻、隱藻和硅藻類為主，富營養型湖泊則以綠藻和藍藻為主[4]。根據Shanno-Weaver多樣性指數（H′），將水污染劃分為重污染（0～1）、中污染（1～3）、輕污染或無污染（>3）。

1.2.2 單因子評價法。為規范全國地表水環境質量評價工作，2011年環境保護部發布了《地表水環境質量評價辦法》，對水質狀況定性分級做出了詳細規定。

1.2.2.1 斷面水質評價。河流斷面水質評價采用單因子評價法，即根據評價時段內該斷面參評的指標中類別最高的一項來確定。描述斷面水質類別時，使用“符合”或“劣于”等詞語。斷面水質定性評價分為I類、II類、III類、IV類、V類和劣V類。

1.2.2.2 河流水質評價。當河流、流域（水系）的斷面總數少于5 個時，計算河流、流域（水系）所有斷面各評價指標濃度算術平均值，然后按照“斷面水質評價”方法評價，并指出每個斷面的水質類別和水質狀況。河流的斷面總數在5 個（含5 個）以上時，采用斷面水質類別比例法，即根據評價河流、流域（水系）中各水質類別的斷面數占河流、流域（水系）所有評價斷面總數的百分比來評價其水質狀況。

1.2.3 綜合污染指數法。

水質綜合污染指數是評價水環境質量的一種重要方法，是美國學者內梅羅在《河流污染科學分析》一書中提出的。綜合污染指數P表達式為：

Pi=Ci/Cci

P=1nni=1Pi

式中，Pi為某污染物的單項污染指數；Ci為某污染物的監測值；Cci為某污染物的標準值；n為污染因子個數。

根據綜合污染指數，將水質質量分為6個等級，即清潔（P<0.2）、尚清潔（0.2≤P<0.4）、

輕度污染（0.4≤P<0.7）、中度污染（0.7≤P<1.0）、重度污染（1.0≤P<2.0）、嚴重污染（P≥0.2）。

1.2.4 模糊綜合評價法。

水環境是一種由多介質組成的多元體系，涉及到大量的污染因素和變量，具有高度的隨機性、復雜性和綜合性。此外，水質的變化是連續的，而水質標準中污染物濃度的表示卻是不連續的，人為地用特定的分級標準去評價環境污染程度也是不妥當的。

自1965年美國控制論專家Zadeh提出模糊集合的概念以來，模糊數學得到了前所未有的發展，同時被廣泛運用于生產實踐中。

通過對水質污染因子的分析，分別建立評價因子集、評價集、模糊關系矩陣和權重向量計算，最終確定模糊綜合評價模型為：

B=W·R=

（w1，w2，…，wm）r11r12…r1n

r21r22…r2n

…

rm1rm2…rrn=（b1，b2，…，bn）

建立了模糊綜合評價模型之后，根據最大隸屬度原則，若bj= max（b1，b2，…，bn），則待評價對象的水質級別應該為第j類。

2 水環境質量評價結果

2.1 水生生物指示法

2.1.1 浮游植物多樣性指數。2014年夏季穆棱河干流調查監測共布設10個斷面，依次為團結水庫壩下、奮斗水庫壩址、青龍山水庫壩址、八面通渠首、城子河渠首、朝陽渠首、湖北閘、入珍寶島保護區斷面、入虎口保護區斷面、穆棱河口等。調查期間，穆棱河干流浮游植物經鑒定共計6門32種屬。其中，綠藻門的種類最多，為12種屬，占37.5%；硅藻門次之，9種屬，占28.13%；藍藻門5種屬，占15.63%；金藻門4種屬，共占12.5%；隱藻、裸藻門各1種屬，分別占3.13%。調查期間，穆棱河干流浮游植物的多樣性指數在各采樣點間存在差異。Shannon-Weaver指數為1.11～3.30（表1），7#采樣點最高（3.30），8#采樣點次之（2.85），4#和6#采樣點均較低（1.11和1.56）。依據評價標準，除了7#采樣點以外，其他采樣點均處于中污染狀態。其中，7#采樣點的多樣性指數最高，說明水質好于其他采樣點。

2.1.2 浮游動物多樣性指數。

2014年夏季調查期間，穆棱河干流采樣斷面浮游動物經鑒定共計4類22種屬。其中，輪蟲種類最多，8種屬，占36.36%；原生動物次之，6種屬，占27.27%；橈足類5種屬，占22.73%；枝角類3種屬，占13.64%。調查期間，穆棱河干流浮游動物的多樣性指數在各采樣點間存在差異。Shannon-Weaver指數為0.81～3.00（表2），7#采樣點最高（3.00），8#采樣點次之（2.56），4#和6#采樣點均較低（0.81和1.26）。依據評價標準，除了7#采樣點以外，其他采樣點均處于中污染狀態。

2.2 單因子評價法

穆棱河干流水質監測從奮斗水庫下游4 km的三岔開始，一直到烏蘇里江口。2010～2014年連續監測，水質監測指標按環境保護部門標準進行。其中，上游2個監測斷面，中游4個監測斷面，下游2個監測斷面。采用單因子評價法，對2010～2014年穆棱河流域水質進行評價（表3）。

單因子評價法表明，2010～2014年穆棱河流域三岔以下至烏蘇里江口分別處于重度、輕度、中度、中度、中度污染狀態。

2.3 綜合污染指數法

由表4可知，2010～2014年穆棱河的水質基本處于中度和重度污染狀態。河流的不同區段表現出一定的差異，上游夏季污染較重，中游和下游春季污染較重，到夏季有所好轉。總體來說，下游的水質要好于上游和中游。

2.4 模糊綜合評價法 由圖1可知，2010～2014年穆棱河流域上游和中游為Ⅳ～Ⅴ類水質，下游為Ⅲ～Ⅳ類水質，流域基本處于輕度和中度污染狀態。

3 結論與討論

根據穆棱河的水域功能和水體標準，該水域應該屬于Ⅱ類標準，即主要適用于集中式生活飲水地表水源地一級保護區、珍惜水生生物棲息地、魚蝦類產卵場、仔稚幼魚的索餌場等。但是，4種水環境質量評價方法結果趨于一致，均證明穆棱河流域在不同季節處于污染狀態，水質類別多數情況下為Ⅳ～Ⅴ類，個別情況下為Ⅲ類和劣Ⅴ類，已經完全超出了該流域應該具備的水域功能和水體標準。穆棱河上游和下游處于輕度污染狀態，中游處于中度污染狀態，個別時段表現為重度污染。4種水環境質量評價方法實用性都很強，根據監測條件和監測目的不同，可以選擇不同的評價方法。但是每種評價方法均表現出各自的特點和側重，在實際應用中要注意其差異性。

3.1 水生生物指示法

水生生物指示法采用單一指標對水質進行評價，在實際應用中顯示出其片面性與局限性。因為影響水體中指示生物的因子很多，不同浮游植物對營養元素和不同環境因子的變化有不同的適應能力。有時相同的指示物種可以反映水體不同的污染類型，在實際應用中不能僅根據藻類指示種，或者某一個指示種就輕易作出判斷，應該全面考慮整個群落結構組成并結合其他評價指標綜合評價。

3.2 單因子評價法

單因子評價法是利用流域水體水質監測指標與《地表水環境質量標準》基本項目標準限值進行對比，確定該斷面水質類別，在所有水質類別中選取質量最差的類別作為評價結果。在實際使用中，單因子評價法可以簡單直觀地確定水質狀況，但有時會導致評價級別過低。如2012年冬末春初，對穆棱河中游評價結果為劣Ⅴ類水質。單因子評價法忽略了水生態系統的復雜性，也沒有考慮水環境因子的關聯性，單純以污染最嚴重的環境因子定性評價整體水環境質量，弱化了其他環境因子。所以，在水環境質量實際評價中還要綜合權衡其他環境因子的權重。

3.3 綜合污染指數法

綜合污染指數評價法利用水質各項監測指標結果計算各個污染指標的分指數，然后綜合計算各項污染指標的分指數，得出水體污染的綜合指數。綜合污染指數評價法考慮了水環境的綜合因子，并對水環境整體情況作出定量描述，同時運用不同的指標對水質進行定性評價，而且計算簡便，便于進行時間序列分析。但是，綜合污染指數法單獨設立了一套評價體系，有待于與水環境質量統一評價標準。

3.4 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法根據模糊數學的隸屬度理論將定性評價轉化為定量評價，基于模糊數學理論對水環境質量進行總體評價。水環境污染變化過程是連續不斷的，與人為制定的水質類別存在模糊性，模糊綜合評價法客觀地反映了水體污染變化的不確定性和模糊性。模糊綜合評價法綜合考慮了環境因子的影響，并以各個污染因子的超標程度確定權重，綜合反映水體污染的程度。但是，與其他評價方法比較，不易確定主要污染因子，降低了水環境質量評價對流域污染治理實踐的可操作性。

參考文獻

[1] 中華人民共和國環境保護部.2013年環境統計年報[R].2013.

[2] 中華人民共和國環境保護部.地表水環境質量標準：GB3838-2002[S].北京：中國環境科學出版社，2002.

[3] LIEBMANN H.Handbuch der Frischwasser und Abwasser biologie[M].Aufl Munchen：Verlag Oldenbourg，Munchen，1951：1-140.

[4] 金相燦，屠清瑛.湖泊富營養化調查規范[M].2版.北京：中國環境科學出版社，1990：301-302.