不同水質評價方法在灤河下游段的比較應用

王 竹，朱士江，劉 揚，王 芳

(1. 三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002；2. 中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

河流水質評價方法是客觀認識水環境現狀的必要工具，采用科學有效的水質評價方法能更準確地反映水體污染現狀，為水環境的綜合治理及保護提供科學依據。國外對水質評價的研究始于20世紀50年代，R. K. Horton首先開始了水質評價的研究，其在1965年提出了水質評價的豪頓水質指數(QI)，隨后R. M. Brow等[1]在1970年根據專家意見對11項重要參數加權平均，進一步提出了水質現狀評價的水質指數法WQI；N. L. Nemerow[2]提出了內梅羅指數法并應用于分析紐約州地表水污染狀況；20世紀90年代，以計算機為工具的數學統計方法和數值模型被運用于水質評價領域，如Puckett[3]等以弗吉尼亞州某些河流的主要化學指標為研究對象，利用主成分分析法進行了水質評價；隨后生物指標的加入使得水質評價更加全面科學[4]。

國內水質評價工作始于20世紀70年代，1974年我國提出了第一個能綜合反映水質污染狀況的綜合評價指數，避免了評價單項水質的片面性。鄧聚龍等[5,6]于1982年提出灰色系統理論，并將灰色關聯分析(GRA)應用于評價漢江水質；徐祖信等[7,8]在2005年提出了水質標識指數法，并應用于上海市典型斷面的水質評價；2013年肖長來等[9,10]將灰色關聯法和層次分析法結合并應用于吉林市地下水綜合評價。目前已有諸多成熟的水環境評價方法應用于我國水質評價和管理中，其中代表性的有指數評價法、灰色評價法、模糊數學法、層次分析法、人工神經網絡法等。

綜合國內外水質評價的相關研究，尚無具有普適性的水質評價方法，本文采用廣泛應用的單因子評價法、內梅羅指數法、綜合污染指數法、模糊數學法、主成分分析法等5種評價方法，以灤河下游段及冀東沿海諸河為例，對比不同方法的評價結果并分析其適用性。

1 評價方法與標準

1.1 單因子評價法

單因子評價是通過比較評價因子的極值或平均值與標準值的大小來判斷水質級別的方法。計算公式為：

(1)

式中：Pi為某項指標的相對污染值；ci為某指標的最大實測濃度值(溶解氧取最小值)；c0為某指標的最高允許標準值，具體數值見表2。

1.2 內梅羅指數法

內梅羅污染指數法是將單項水質參數的實測結果與地表水環境質量進行對比，按下式計算出綜合指數，并據相應的分級標準評價水質狀況。

(2)

式中：Peve為指某項指標污染指數的平均值；Pmax為某項指標污染指數的最大值。

1.3 綜合污染指數法

綜合污染指數通過求得水體污染的綜合指數，按水質分級標準劃定水質的等級。計算公式為：

(3)

式中：P為綜合污染指數；Pi為單因子評價法中計算出的某項指標的相對污染值，分級標準見表1。

表1 污染指數分級標準

1.4 模糊數學綜合評價法

模糊數學綜合評價法通過構造隸屬度函數將水質指標參數的實測值轉化為反映質量優劣程度的質量值，并用隸屬度來描述水質界限的模糊度。主要步驟為：

(1)建立評價對象因子集U={U1,U2,U3,…,Un}，其中Ui是參與評價的n個污染指標的實測質量濃度值。

(2)建立評價集v={v1,v2,v3,v4,v5}，即環境質量標準等級組成的集合v={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}。

(3)確定權重系數及歸一化處理。按“實測濃度超標準限值越多權重越大”的原則對每個評價因子Ui賦予權重ai，n個評價因子的權重構成權重集A={a1,a2,…,an}。根據超標倍數法確定權重的計算公式為：

(4)

(5)

(6)

評價因子的權重歸一化處理得到權重集，V={V1,V2,…,Vn}。

(4)建立隸屬函數。若Xi表示某一污染因子的實測濃度，則Xi對于等級n的隸屬關系表示為：

(7)

式中：rij表示評價因子i對級別j的隸屬度(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)；Xi是評價因子i的實測值Ui；Sij表示評價因子i的第j級水質標準。

建立各水環境質量評價因子與評價標準之間的模糊關系，根據計算公式得到m×n模糊評價矩陣R：

(8)

(5)矩陣復合運算。將模糊權重集V與模糊評價矩陣R按如下公式進行復合運算得到模糊綜合評價向量B：

(9)

若B=(b1,b2,…,bm)中bj(j=1,2,…,5)最大，則該評價因子的水體質量被評為j級[11,12]。

1.5 主成分分析法

主成分分析法是利用降維的思想將多個指標轉化成幾個綜合指標的多元的方法，這些綜合指標即主成分相對于原始變量來說有更多的優越性，可提高分析效率[13]。主要步驟如下。

(1)建立原始變量矩陣X，由m個樣本的n個因子組成：

(10)

(2)對原始變量矩陣X進行標準化處理，采用Z-Score進行標準化：

(11)

(12)

(13)

(3)計算標準化數據的相關系數矩陣及其特征根，確定主成分個數。

(4)確定主成分Fi(i=1,2,…,p)的表達式如下：

(14)

(5)確定綜合評價函數F：

(15)

式中：a1m,a2m,…,anm為原始變量矩陣X的協方差矩陣∑的特征值對應的特征向量；ZX1,ZX2,…,ZXn為原始變量矩陣X經過Z-Score標準化處理后的值；λ1,λ2,…,λp為矩陣ZX的特征值；m為樣本個數；n為評價因子的個數；p為主成分個數。

1.6 水質評價標準

根據中華人民共和國國家標準《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)確定研究河段Ⅰ～Ⅴ類水質標準值[14]，見表2。

表2 《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)水體監測標準mg/L

項目標準值Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類Ⅳ類Ⅴ類五日生化需氧量(BOD5)≤ 3≤ 3≤ 4≤ 6≤ 10化學需氧量(COD)≤ 15≤ 15≤ 20≤ 30≤ 40氨氮(NH3-N)≤ 0.15≤ 0.5≤ 1≤ 1.5≤ 2總磷(以P計)≤ 0.02≤ 0.1≤ 0.2≤ 0.3≤ 0.4高錳酸鹽指數(CODMn)≤ 2≤ 4≤ 6≤ 10≤ 15溶解氧(DO)≥ 7.5≥ 6≥ 5≥ 3≥ 2

2 應用實例

灤河是海河流域主要支流之一，其下游段及冀東沿海諸河位于河北省東北部，東經118°33′～119°51′，北緯39°22′～40°37′，灤河下游段流域面積近3 774 km2，冀東沿海諸河流域面積近2 736 km2，均在秦皇島市境內注入渤海。隨著該流域內水質問題的凸顯，保證水功能區水質達標、防止近海海域水質惡化變得尤為重要。

本研究選取流域內7條主要入海河流共計17個監測斷面，2017年1-12月水質監測數據，具體斷面位置見圖1。各監測斷面選取溶解氧(DO)、五日生化需氧量(BOD5)、化學需氧量(COD)、高錳酸鹽指數(CODMn)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)作為本次水質評價的6項指標。監測數據來源于秦皇島市水務局。

圖1 研究區水質監測斷面分布

2.1 評價結果

利用Excel軟件根據公式計算單因子評價法、內梅羅指數法和綜合污染指數法結果；利用Matlab計算模糊數學法的相關矩陣；由SPSS軟件計算主成分分析法中的主成分及貢獻率、相關系數等，5種方法的評價結果及斷面所屬水功能區、目標水質信息見表3。

2.2 水質定性分析

單因子評價法、內梅羅污染指數法和綜合污染指數法的具體評價結果見表3。單因子評價所有監測斷面的水質均屬劣Ⅴ類，主要原因是所有斷面內均有某項指標劣于目標水質；內梅羅指數法評價結果顯示僅5個監測斷面屬于輕污染，其他斷面均屬于污染至嚴重污染，其中昌黎(S13)、楊古泊村北(S14)、364省道橋(S15)、和平橋橡膠壩(S16)監測斷面污染嚴重；綜合污染指數法顯示8個監測斷面屬于輕度污染，其他斷面均屬于中度污染至重污染，其中364省道橋(S15)污染嚴重。對比分析可知，單因子評價根據監測指標與水質標準對比判斷水質等級，確定主要超標污染物；內梅羅和綜合污染指數法采用最差指數來判別斷面水質優劣，進而確定超標倍數或污染分擔率，但該指數未與水質標準對應而無法判定水質等級。內梅羅指數法和綜合污染指數法的評價結果相近，但也有差別，主要體現在內梅羅指數法考慮了污染指標的極值和均值，而綜合污染指數法是對極值求平均，從而坦化了極值。

表3 5種方法評價結果及水功能區信息

注：模糊數學法中“-”表示該斷面不屬于水功能區，按Ⅴ類水標準評價；主成分分析法僅列出斷面某月最大F值。

對比模糊數學法和主成分分析法，前者的評價結果能夠區分斷面各月隨季節的變化情況和水質等級，確定全年中具體月份是否達到水功能區目標，但無法識別主要污染因子；后者采用各月綜合主成分F值排序以掌握斷面全年水質狀況，可篩選主要污染因子，如NH3-N、CODMn、BOD5等，但無法識別水質等級，且不同斷面之間無法比較。

因此，從水質定性評價方法和結果來看，內梅羅指數法和綜合污染指數法計算簡單，評價結果能同時滿足劃分水質等級、確定主要污染因子的雙重要求。

2.3 水質定量分析

在定量分析方面，以上5種評價方法均可定量描述水質狀況。單因子評價和模糊數學法結果類似，均采用評價級別來反映斷面水質，前者通過斷面達標率、污染物超標倍數定量描述水質狀況，但相較于其他方法，評價結果過于保守以至于無法體現不同斷面之間的變化趨勢和差異，如本次所有斷面評價結果均為劣Ⅴ類；后者通過逐月評價水功能區達標率來反映水質狀況，如本次評價結果中水質達標率未超過50%的斷面有昌黎(S13)、減河(S15)、楊古泊村北(S14)等，其中Ⅴ類水所占比例依次為75%、83.3%、91.7%；水質達標率較高的斷面有石河水庫壩上(S12)、入海橡膠壩(S11)，Ⅰ類水月份占全年比例分別為66.7%、58.3%。模糊數學法解決了水環境中大量污染因素的不確定性，但權重的分配強調了極值的信息而弱化了其他有用信息，具有一定主觀性。

內梅羅指數法和綜合污染指數法的結果趨勢一致，尤其針對水質較差的斷面，如364省道橋(S15)、楊古泊村北(S14)，但結果顯示水質相對較好的斷面也存在一定差異，如洋河水庫壩上(S7)等斷面。內梅羅指數法評價結果中河流水質屬于輕污染、污染、重污染、嚴重污染的比例依次為29.4%、23.5%、11.8%、35.3%；而綜合污染指數法結果中輕度污染、中度污染、重污染、嚴重污染的比例依次為47.1%、17.6%、29.4%、5.9%。綜合污染指數法評價結果較內梅羅指數法好，主要因為考慮了水質污染因子的綜合影響，對指標實測值進行了均值化從而降低了主要污染因子的貢獻率。相對于單因子評價法，內梅羅指數法將實測均值與最大值作為依據，提高了評價結果的綜合性，規避了權重分配中的主觀因素，但水質等級的劃分較粗，會導致水質狀況接近的斷面無法區分。綜合污染指數法是在單因子指數的基礎上取均值，能綜合反映河流的污染狀況，且不同斷面之間的結果容易比較。綜合結果來看，兩種方法均不能判斷水質類別，無法從評價結果中分析與水功能區目標的關系，存在一定的缺陷。

主成分分析法可利用SPSS軟件提取主成分并分析相關性、貢獻率及其載荷值，得出斷面的主要污染指標，通過計算主成分綜合數值F并排序，比較斷面各月具體的水質狀況及變化趨勢。該方法評價結果為上半年3-5月NH3-N貢獻率較高，可能原因是受春季冰雪融化和春灌施肥影響，導致入河氨氮含量增加；下半年9-11月CODMn貢獻率較高，可能是由于汛期降雨沖刷攜帶大量陸域有機污染物入河，在秋季由于徑流量減少而凸顯濃度增高。但主成分分析法不適于斷面之間的比較，也無法識別水質等級與水質標準的關系，所以主成分分析法不能單獨應用于水質評價中。

因此，從水質定量評價方法和結果來看，單因子評價法和模糊數學法評價結果較籠統，后者可判斷水質級別但無法識別主要污染物；內梅羅污染指數和綜合污染指數法可劃分水質等級和分析主要污染物，但無法與水質標準進行比較；主成分分析法可分析具體月份的超標污染物、貢獻率，但無法識別劣Ⅴ類水質。

2.4 方法適用性分析

結合5種分析方法結果可知研究區的水質相對較差，單因子評價法的結果反映水質級別均為劣Ⅴ類，各斷面評價結果沒有差異，但計算簡單，適用于快速判斷水質類別。內梅羅污染指數法和綜合污染指數法可對斷面進行分級，斷面之間可進行比較但劃分依據常受主觀因素影響，但級別劃分較粗，因此適用于分析污染嚴重的斷面及污染因子。模糊數學法避免了水環境中模糊的概念，但無法識別污染因子，因此適用于分析斷面各月水質是否達到水功能區目標。主成分分析法可提供污染因子、貢獻率、斷面各月水質優劣等信息，但評價結果無法與水質標準對比，因此適用于不同空間、時間下的污染物來源分析。5種水質評價方法的對比分析見表5。

表4 五種水質評價方法對比

3 結 語

(1)研究區水質均為劣Ⅴ類，所有斷面均未達到目標水質。石河、洋河水質相對較好，飲馬河、湯河水質污染嚴重，主要污染物為NH3-N、高錳酸鹽指數，春、秋季污染劣于夏、冬季。

(2)對比5種水質方法可知：單因子評價法可判斷水質等級和主要污染物，簡單易行但較片面，不能完整地評價整片水域的水質狀況。內梅羅污染指數法操作簡單，但劃分水質等級的界限具有一定主觀性，適用于直觀快捷地判斷水質超標狀況。綜合污染指數法計算簡單，可判斷水質級別、主要污染物和分擔率。模糊數學法綜合考慮了水環境中多種因素，但無法識別污染因子。主成分分析法可分析斷面水質污染指標、貢獻率，但無法識別劣Ⅴ類水，計算相對復雜。不同的分析方法各有優勢，相互結合才能優勢互補。

(3)對于灤河下游及冀東沿海諸河而言，該流域水質整體較差，需要精細化識別超標月份、超標指標、超標倍數、水質等級、污染貢獻率等信息，因此在本流域，采用以單因子評價法和主成分分析法相結合的評價方法能同時滿足定性定量評價水質的要求，有針對性地為水資源和水環境管理部門提供決策支持。