沁河晉城段水質綜合評價對比及變化趨勢分析

喬 俊，李志芬，張海軍，張素芳?

（1.山西大同大學化學與環境工程學院，山西大同037009;2.黑龍江省環境工程評估中心，黑龍江哈爾濱150001）

沁河晉城段水質綜合評價對比及變化趨勢分析

喬 俊1，李志芬1，張海軍2，張素芳1?

（1.山西大同大學化學與環境工程學院，山西大同037009;2.黑龍江省環境工程評估中心，黑龍江哈爾濱150001）

研究以沁河晉城段4個斷面水質為目標，采用綜合水質標識指數法、最近鄰法和灰色關聯分析法對其在2006-2010年間的水質進行了綜合評價對比分析。結果表明，氨氮和總氮在沁河晉城段超標頻次較高，超標程度較深，是影響沁河水質的主要污染物。最近鄰法和灰色關聯分析法的評價結果基本上與綜合水質標識指數法保持一致。同時應用Speraman秩相關系數法對沁河晉城段4個斷面在近5年間的水質變化趨勢進行探究，分析結果表明潤城斷面水質明顯好轉，其他3個斷面水質在5年間變化不大。

水質評價；水質變化趨勢；沁河

隨著我國經濟的快速增長和城市化水平的不斷提升，給水資源帶來了極大的壓力，水生態系統也遭受到了破壞和污染。2014年的《中國環境狀況公報》中報道，全國423條主要河流、62個重點湖泊（水庫）的968個國控地表水監測斷面中，IV類水質斷面比例高達20.9%，劣于IV的水質斷面（含V類和劣V類水質斷面）比例為16%，兩者合計占36.9%，地表水質狀況依然有待改善[1]。水體污染會給水體的生態帶來危害，也給生活在其中的水生生物和周邊環境帶來嚴重的污染，從而給人類和社會的健康發展產生消極影響。因此，定期監測水質情況、合理評價地表水水質，可為防治地表水污染提供線索和依據，具有重要的價值和意義。

沁河是晉城第一大河流，也是晉城的母親河，發源于山西省沁源縣西北太岳山東麓，向南流經安澤、沁水、陽城、澤州縣，最后流入河南省濟源縣。沁河全長約485 km，流域面積約1.35萬km2，在晉城市內長約160 km，流域面積0.46萬km2。作為晉城市內的主要淡水來源，沁河水質的優劣直接關系到晉城市各個地方的工農業生產生活、人民群眾的飲水安全、還有社會經濟的可持續發展。本研究采用3種方法對沁河晉城段2006-2010年的水質進行評價對比分析，此外還分析了5年間的沁河水質變化趨勢，為該流域的水環境防治提供依據。

1 水質監測資料和方法

1.1 沁河水質監測資料的來源

本文選取沁河晉城段的4個水質監測斷面：鄭莊、曲堤、潤城和拴驢泉的水質監測數據進行分析。4個斷面在2006-2010年間的水質監測數據來源于晉城市環保監測站。水質指標選定為溶解氧、高錳酸鹽指數、氨氮、總氮和五日生化需氧量（BOD5）共5項，利用各指標數據的年均值進行地表水質綜合評價對比分析和水質變化趨勢分析。

1.2 沁河水質的評價方法

水質綜合評價方法常用的有綜合水質標識指數法[2-4]，模糊評價法[5-6]，層次分析法[7-8]，最近鄰法[9]，神經網絡法[10]和灰色關聯分析法[11-12]等。其中綜合水質標識指數法應用較方便，可對河流的綜合水質進行定性、定量評價[2-3]，此外最近鄰法和灰色關聯分析法也屬于較為簡便、易用的方法。沁河晉城段4個水質監測斷面在2006-2010年間的水質狀況采用綜合水質標識指數法進行綜合評價，在此基礎上研究還采用了最近鄰法和灰色關聯分析法對2010的水質進行對比評價分析。

綜合水質標識指數法應用時要先確定單因子水質標識指數P，再由單因子水質標識指數P為基礎確定某斷面的綜合水質標識指數I：

P及I的各項組成含義及具體的計算方法詳見徐祖信等的研究[2-3]，總的來講，I數值越大，說明水質越差。

最近鄰法是一種基于實例的分類法，該方法的宗旨是：對于一待評價的河流樣本，計算該樣本與每一類水質之間的距離di，與其距離最近的一類（即最小di值）就判為該樣本的水質類別[9]。

灰色關聯分析法是對一個系統發展變化態勢的定量描述方法。應用時先需要確定參考數列（母數列）與若干比較數列（子數列）之間的關聯系數和關聯度r，將關聯度r進行排序，找到最大的關聯度值從而判斷水質類別[11-12]。

1.3 沁河水質變化趨勢評價方法

本研究采用國家環保部的《地表水環境質量評價辦法》中推薦的Spearman秩相關系數法對沁河晉城段的4個斷面水質變化趨勢進行分析，根據計算結果可判斷在評價時間段內地表水水質變化趨勢[13]。

2 結果和討論

2.1 沁河晉城段各斷面水質評價

沁河晉城段在2006-2010年間各斷面的單因子水質標識指數評價結果見表1。

表1 2006-2010年沁河晉城段各斷面單因子水質標識指數評價結果

結合各斷面的水質功能區劃類別，4個斷面中只有潤城斷面的水質在2006-2008年間存在不達標的情況，2009年水質達標，2010年時又存在超標現象。潤城斷面超標的水質指標具體為氨氮和總氮，說明該斷面的主要污染物為氨氮和總氮。其余3個斷面都能夠滿足其對應的水質功能區劃類別，總體而言沁河水質情況較好。

影響水質的主要污染因子一般可借助單因子水質標識指數法快速鎖定，但在對水質進行綜合評價時，應考慮各種污染因子的共同影響從而能夠較為科學、合理的確定水質的類別。沁河晉城段各斷面水質的綜合水質標識指數在表2中列出。結合各斷面的水質功能區劃類別，沁河晉城段的潤城斷面僅在2006年為IV類水，沒達到其功能區劃類別標準（III類）。其余所有斷面在各個年份的水質都能滿足各自相應的功能區劃類別標準。在2010年，潤城斷面在沁河晉城段的4個斷面中綜合水質標識指數數值最高（數值為2.600）。

為比較幾種不同的水質綜合評價方法的差異，研究采用了最近鄰法和灰色關聯分析法對2010年沁河晉城段各斷面的水質進行綜合評價，見表3和表4。

表2 2006-2010年沁河晉城段各斷面綜合水質標識指數水質評價結果

表3 2010年沁河晉城段各斷面最近鄰法水質評價結果

表4 2010年沁河晉城段各斷面灰色關聯分析法水質評價結果

將表3和表4的結果與綜合水質標識指數法給出的結果（表2）進行對比后可以發現，總體而言3種方法給出的結果基本一致，其中最近鄰法與綜合水質標識指數法分析結果沒有差異，而灰色關聯分析法在對潤城斷面進行綜合水質評價時給出的結果是III類水，前2種方法給出的結果均為II類水。這說明灰色關聯分析法比起其他2種方法較為嚴格，在對水質相對較差的潤城斷面進行水質綜合評價時，給出的評價結果較為嚴格。總之，3種方法在應對水質綜合評價時都較為準確、可信，其中綜合水質標識指數法計算過程較簡便，且可對劣V類水質也能進行定量評價，能夠適應多種水質評價情景[14-15]。

2.2 沁河晉城段各斷面水質變化趨勢

除了關注水質現狀外，對較長時期內的水質監測數據進行分析，觀察其水質變化趨勢，能夠檢驗現行的地表水污染管理方式、防治措施是否發揮作用，是否達到預期的效果[4]。基于此，水質變化趨勢分析對于制定更為合理、有效的地表水防治方法顯得尤為重要。

2006-2010年間沁河晉城段各斷面水質連續變化趨勢分析結果在表5給出。沁河晉城段的鄭莊、曲堤和拴驢泉3個斷面|rs|＜W0.05（0.9），說明這些斷面的水質在這5年間水質比較穩定，無明顯變化趨勢。潤城斷面|rs|＞W0.05（0.9），說明這個斷面的水質在這5年間顯著好轉。

表5 2006-2010年沁河晉城段各斷面水質變化趨勢分析

3 結論

1）沁河晉城段影響地表水水質的主要指標為總氮和氨氮，尤其在潤城斷面表現較為突出。

2）采用綜合水質標識指數法對沁河晉城段4個斷面水質進行評價后發現，沁河晉城段的潤城斷面僅在2006年為IV類水，沒達到其功能區劃類別標準；其余所有斷面在2006-2010年間的水質都能滿足各自相應的功能區劃類別要求。

3）最近鄰法、灰色關聯分析法和綜合水質標識指數法均能對地表水質進行準確的綜合評價，其中灰色關聯分析法的評價結果較為嚴格。

4）在2006-2010年間，沁河晉城段4個斷面中潤城斷面的水質呈明顯好轉趨勢，其它3個斷面水質在這期間變化平穩。

[1]中華人民共和國環境保護部.2014中國環境狀況公報[R].北京：中華人民共和國環境保護部,2015.

[2]徐祖信.我國河流單因子水質標識指數評價方法研究[J].同濟大學學報：自然科學版,2005,33(3)：321-325.

[3]徐祖信.我國河流綜合水質標識指數評價方法研究[J].同濟大學學報：自然科學版,2005,33(4)：482-488.

[4]喬俊,陳希堯,孟雙明,等.松花江黑龍江段水質評價及變化趨勢分析[J].山西大同大學學報：自然科學版，2013,29(6)：31-33.

[5]傅金祥,陳喆,馬興冠,等.改良模糊綜合評價法在水質評價中的應用[J].環境工程,2011,29(6)：120-127.

[6]宋海亮,呂錫武,李先寧.太湖西段入湖河流水質模糊綜合評價[J].安全與環境學報,2006,6(1)：87-91.

[7]龐振凌,常紅軍,李玉英,等.層次分析法對南水北調中線水源區的水質評價[J].生態學報,2008,28(4)：1810-1819.

[8]喬俊,岳芳寧,羅水明,等.應用層次分析法綜合評價河流沉積物污染狀況[J].環境科學研究,2012,25(7)：840-844.

[9]李中陽,鄒志紅,劉東君.最近鄰法在水質綜合評價中的應用[J].數學的實踐與認識,2012,42(22)：131-136.

[10]郭勁松,王海霞,龍騰銳.人工神經網絡在水質規劃和管理中的應用[J].重慶環境科學,2002(4)：69-72.

[11]秦昌波,鄭炳輝,秦延文,等.渤海灣天津段海岸帶水環境質量灰色關聯度評價[J].環境科學研究,2006,19(6)：94-99.

[12]吳萬剛.基于灰色關聯分析法在區域水環境評價中的應用-以錦江河流域為例[J].農業科學與技術,2015,4(4)：850-852.

[13]中華人民共和國環境保護部.地表水環境質量評價辦法（試行）[S].北京：中華人民共和國環境保護部,2011.

[14]安樂生,趙全升,劉貫群,等.代表性水質評價方法的比較研究[J].中國環境監測,2010,26(5)：47-51.

[15]尹海龍,徐祖信.河流綜合水質評價方法比較研究[J].長江流域資源與環境,2008(5)：729-733.

Comparative Study on Water Quality Comprehensive Assessment and Variation Trend Analysis of Qinhe River’s Jincheng Section

QIAO Jun1,LI Zhi-fen1,ZHANG Hai-jun2,ZHANG Su-fang1*
(1.College of Chemistry and Environment Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009;2.Heilongjiang Provincial Assessment Center for Environmental Engineering,Harbin Heilongjiang,150001)

This study used comprehensive water quality identification index method,the neighbor algorithm and Grey relational analysis method to comparatively evaluate the water quality of Jincheng section of Qinhe River based on the observation data of four river segments during 2006-2010.The results showed that the ammonia nitrogen and total nitrogen were the main pollutants in Qinhe River’s Jincheng section due to their high frequency and degree over the standard.The nearest neighbor algorithm and Grey relational analysis method of the evaluation results are basically consistent with the comprehensive water quality identification index method.At the same time,the Speraman rank correlation coefficient method was applied to analyze the water quality variation trend of the four segments during the past 5 years.The result showed that the water quality of Runcheng segment was improved intensively.However,the water quality of the three other segments was stable during the past 5 years.

water quality assessment;water quality variation trend;Qinhe River

X522

A

1674-0874(2016)01-0041-04

2015-11-15

喬俊(1983-)，男，山西大同人，博士，研究方向：環境化學，污染防治技術；?張素芳，女，副教授，通信作者。

〔責任編輯 楊德兵〕