三種常用水質(zhì)評價方法的對比分析研究

潘 犖，黃曉榮,，魏曉玥，張 浪

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室，成都 610065)

河流水質(zhì)評價是合理開發(fā)利用和保護(hù)河流的一項基本工作，是有效控制污染的重要措施，對于人類的生存以及經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展具有重大的意義。河流水質(zhì)評價是一個復(fù)雜的過程，要想科學(xué)準(zhǔn)確地對河流水質(zhì)進(jìn)行評價，需要選用合適的指標(biāo)以及科學(xué)合理的評價方法。從20世紀(jì)60年代開始，就有學(xué)者陸續(xù)提出河流水質(zhì)的評價方法。在眾多方法中，我國專家學(xué)者重點關(guān)注的主要有單因子評價法、污染指數(shù)法、河流綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)評價法、灰色聚類法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[1-4]等。對于上述方法，國內(nèi)學(xué)者已進(jìn)行了大量研究與改進(jìn)工作[5-8]，具有一定的理論價值，但基于各種條件的限制，未能廣泛應(yīng)用于實踐，從而缺乏現(xiàn)實意義。本文旨在利用四川省金堂縣境內(nèi)沱江水系五個監(jiān)測斷面2011-2015年的實測數(shù)據(jù)，構(gòu)建兩套評價指標(biāo)體系，簡單介紹國際上廣泛用于評價飲用水水質(zhì)的加拿大水質(zhì)指數(shù)法[9,10]，并將其與我國工程實際中常用的評價河流水質(zhì)的單因子評價法以及內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進(jìn)行對比，以期為我國的河流水質(zhì)評價提供新的思路。

1 水質(zhì)評價方法

1.1 單因子評價法

單因子評價法是《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中規(guī)定的河流水質(zhì)評價方法，其將各監(jiān)測指標(biāo)的實測值與國家規(guī)定的相應(yīng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行對比來確定每項指標(biāo)的水質(zhì)類別，然后再以該監(jiān)測斷面中最差指標(biāo)的水質(zhì)類別作為該斷面的水質(zhì)類別[11,12]。

1.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)是一種計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，兼顧了單因子污染指數(shù)的平均值和最高值，可以突出污染較重的污染物的作用，其計算公式如下[13,14]：

(1)

(2)

(3)

式中：ci表示某監(jiān)測指標(biāo)實測濃度；csi表示對應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值；Ii為單項污染指數(shù)；Iimax為參與評價的最大單因子指數(shù)；Iave為參與評價的單因子指數(shù)的均值；n為監(jiān)測指標(biāo)總個數(shù)；I為內(nèi)梅羅指數(shù)。

1.3 加拿大水質(zhì)指數(shù)(CCME WQI)法

加拿大水質(zhì)指數(shù)法是國際上廣泛用于評價飲用水水質(zhì)的一種方法，其從范圍(F1)、頻率(F2)、振幅(F3)3個方面考慮了各個監(jiān)測地點的監(jiān)測值是否超過了標(biāo)準(zhǔn)限值，其計算公式如下[15,16]：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

對式(8)，excursion表示未達(dá)標(biāo)指標(biāo)的實測值相對于標(biāo)準(zhǔn)限值的偏移量，分兩種情況討論：

對于規(guī)定了上限值的指標(biāo)(負(fù)向指標(biāo))：

(9)

對于規(guī)定了下限值的指標(biāo)(正向指標(biāo)，如溶解氧，pH)：

(10)

式中：p為未達(dá)標(biāo)的指標(biāo)的數(shù)量；N為監(jiān)測指標(biāo)的總數(shù)量；q為未達(dá)標(biāo)的數(shù)據(jù)的個數(shù)；M為所有監(jiān)測地點的監(jiān)測數(shù)據(jù)的總個數(shù)；ci為某監(jiān)測指標(biāo)實測濃度；csi為對應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值。

運(yùn)用上面的公式，校正范圍、頻率、振幅3個因素，可以得到一個處于0～100的變化區(qū)間的水質(zhì)指數(shù)，再據(jù)此將水質(zhì)分為5級，具體分級情況見表1[10]。

表1 CCME WQI分級Tab.1 CCME WQI categorization scheme

2 實例分析

本文基于四川省金堂縣境內(nèi)沱江水系2011-2015年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別采用單因子評價法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法以及加拿大水質(zhì)指數(shù)法(CCMEWQI)對該水系各斷面的綜合水質(zhì)進(jìn)行評價(斷面分布情況見圖1)。根據(jù)該地區(qū)水環(huán)境的特點，本文構(gòu)建了兩套評價指標(biāo)體系，以反映不同指標(biāo)選擇對評價結(jié)果的影響。方案一：選用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中規(guī)定的24項基本項目中除去水溫的23個指標(biāo)；方案二：根據(jù)金堂縣政府的要求，選用pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、揮發(fā)酚、總磷、總砷、總鎘共9個指標(biāo)，選擇《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類作為評價標(biāo)準(zhǔn)。3種評價方法得到的結(jié)果見表2。

2.1 評價結(jié)果

由表2可以看出，3種水質(zhì)評價方法均能從一定程度上反映各斷面的水質(zhì)情況，其中中河和毗河的水質(zhì)較差，北河的水質(zhì)最好。同時，兩套評價指標(biāo)體系得到的評價結(jié)果稍有差異，單因子評價法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法采用方案二得到的評價結(jié)果優(yōu)于采用方案一得到的結(jié)果，而加拿大水質(zhì)指數(shù)法正好相反。其中，方案一涵蓋的指標(biāo)較廣，得到的結(jié)果更能反映各斷面的綜合水質(zhì)情況；方案二考慮的是政府重點考察的指標(biāo)，得到的結(jié)果更能反映政府的需求。

2.2 分析與討論

由于3種方法的評判標(biāo)準(zhǔn)不一致，無法進(jìn)行直接比較，故將上述表2的結(jié)果繪于圖2～圖4，利用各斷面水質(zhì)的年際變化情況以及各年份各斷面水質(zhì)的排名情況來比較3種方法的評價結(jié)果。

2.2.1 同一評價指標(biāo)體系不同評價方法之間的結(jié)果對比分析

由圖2(a)可以看出(1～6分別代表Ⅰ～劣Ⅴ類)，單因子評價法很難體現(xiàn)各斷面水質(zhì)的年際變化及其水質(zhì)排名情況，多個斷面都具有相同的水質(zhì)分級，且大多都為Ⅴ類或劣Ⅴ類水質(zhì)。由圖3(a)、圖4(a)可以看出，內(nèi)梅羅污染指數(shù)法及加拿大水質(zhì)指數(shù)法均能在一定程度上反映各斷面水質(zhì)的年際變化及其水質(zhì)排名情況，且除個別斷面及年份外，兩種方法得到的結(jié)果相似。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，兩種方法主要是在評價三皇廟斷面的水質(zhì)變化情況以及2011年和2015年各斷面水質(zhì)排名情況時出現(xiàn)了差異，其中：在三皇廟斷面處，內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評價結(jié)果為2013年的水質(zhì)優(yōu)于2015年的水質(zhì)，而加拿大水質(zhì)指數(shù)法得到的結(jié)果正好相反；受此結(jié)果影響，2015年的各斷面水質(zhì)排名情況也有所差異；在評價2011年各斷面水質(zhì)排名情況時，內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評價結(jié)果顯示三皇廟斷面的水質(zhì)優(yōu)于毗河一橋斷面，而加拿大水質(zhì)指數(shù)法的結(jié)果正好相反。為了進(jìn)一步解釋產(chǎn)生這種差異性的原因，我們對其原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)2013年三皇廟斷面的超標(biāo)指標(biāo)個數(shù)有6個，監(jiān)測數(shù)據(jù)超標(biāo)個數(shù)有34個，而2015年的超標(biāo)指標(biāo)個數(shù)只有4個，監(jiān)測數(shù)據(jù)超標(biāo)個數(shù)有33個，但2015年的總磷和總氮超標(biāo)極為嚴(yán)重；2011年三皇廟斷面的超標(biāo)指標(biāo)個數(shù)有3個，監(jiān)測數(shù)據(jù)超標(biāo)個數(shù)有16個，而毗河一橋斷面的超標(biāo)指標(biāo)個數(shù)只有2個，監(jiān)測數(shù)據(jù)超標(biāo)個數(shù)有14個，但其氨氮和總氮的超標(biāo)情況更為嚴(yán)重。這就解釋了產(chǎn)生上述結(jié)果的原因—內(nèi)梅羅污染指數(shù)法在計算綜合水質(zhì)指數(shù)時只考慮了超標(biāo)量的影響，并且極端指標(biāo)的超標(biāo)量會對其結(jié)果產(chǎn)生較大影響，而加拿大水質(zhì)指數(shù)法不僅考慮了各指標(biāo)的超標(biāo)量的影響，還同時考慮了超標(biāo)指標(biāo)數(shù)以及超標(biāo)次數(shù)的作用，能夠很好地平抑極端指標(biāo)的影響，得到一個更符合實際的結(jié)果。

圖2 單因子評價法評價結(jié)果Fig.2 Evaluation results of single-factor water quality evaluation method

圖3 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價結(jié)果Fig.3 Evaluation results of Nemerow index method

圖4 加拿大水質(zhì)指數(shù)法評價結(jié)果Fig.4 Evaluation results of CCME WQI method

觀察圖2(b)、圖3(b)、圖4(b)，得到的結(jié)果與上述結(jié)果大體一致。由此可見，加拿大水質(zhì)指數(shù)法不僅適用于飲用水水質(zhì)的評價，也可用于河流水質(zhì)的綜合評價。

2.2.2 同一評價方法不同評價指標(biāo)體系之間的結(jié)果對比分析

由圖2～圖4可知，除個別斷面外，單因子評價法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法采用方案二得到的評價結(jié)果均優(yōu)于采用方案一得到的結(jié)果，而加拿大水質(zhì)指數(shù)法則正好相反，這表明不同的評價指標(biāo)不僅會直接影響評價結(jié)果，并且其對于不同評價方法的影響還不相同。由此可見，我們亟須建立一套完善的評價指標(biāo)體系，以針對不同的情況選用不同的指標(biāo)做出最合理的評價。

關(guān)于評價指標(biāo)體系的構(gòu)建，法國提供了很好的范例。自20世紀(jì)90年代，法國便開始采用“水質(zhì)評估系統(tǒng)”作為評估水質(zhì)的框架，其利用適應(yīng)性等級、質(zhì)量指數(shù)以及質(zhì)量指數(shù)分級來評估水體水質(zhì)[17]。其中，就河流而言，該系統(tǒng)將其劃分為了“飲用、休閑、灌溉、家畜飲水、農(nóng)業(yè)用水”這5種用途以及水生生物功能這一項功能來確定其適用性等級，并且對于不同的功能和用途采用不同的評價指標(biāo)[18]。參考法國水質(zhì)評估系統(tǒng)的做法，我們可以根據(jù)具體需求和考慮將評價指標(biāo)進(jìn)一步劃分為各個子指標(biāo)體系，并由此得到各個子指數(shù)或等級來進(jìn)行水質(zhì)評價。除此之外，需要注意的是，在進(jìn)行各斷面水質(zhì)比較時，必須選用同一套子指標(biāo)體系。

3 結(jié) 語

(1)本文采用單因子評價法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法以及加拿大水質(zhì)指數(shù)法對四川省金堂境內(nèi)沱江水系5個斷面的水質(zhì)進(jìn)行了評價，結(jié)果表明3種方法均能在一定程度上反映各斷面水質(zhì)情況，說明3種方法均可用于河流水質(zhì)評價。

(2)單因子評價法采用“最差規(guī)則”對水質(zhì)進(jìn)行分級，最終水質(zhì)等級僅由最差指標(biāo)決定；內(nèi)梅羅污染指數(shù)法雖兼顧了單因子污染指數(shù)的平均值和極值的影響，但極端指標(biāo)仍會對其結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，且該法只能體現(xiàn)水體是否達(dá)到了功能區(qū)目標(biāo)，不能反映水體的具體類別；加拿大水質(zhì)指數(shù)(CCMEWQI) 法考慮了“范圍、頻率、振幅”3個因素的共同作用，涵蓋了所有監(jiān)測指標(biāo)和數(shù)據(jù)，能夠平抑極端指標(biāo)的影響，同時其還能根據(jù)水質(zhì)指數(shù)值進(jìn)行水體分級，使同類水質(zhì)水體之間的優(yōu)劣比較得以實現(xiàn)，是一種比較全面的綜合水質(zhì)評價方法。

(3)不同指標(biāo)的選擇不僅會影響評價結(jié)果，并且其對于不同評價方法的影響有所差異。因此，我們亟須建立一套完善的評價指標(biāo)體系，根據(jù)不同的需求和考慮將評價指標(biāo)劃分為不同的子指標(biāo)體系，并由此求得子指數(shù)或等級來進(jìn)行水質(zhì)評價。