基于綜合污染指數法和灰關聯分析法的長江黃石段水質評價

寧陽明，尹發能，李香波

(湖北師范大學 城市與環境學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

河流水質評價是水環境保護與管理的基礎性和根本性工作。目前，河流水質評價方法主要有單因子評價法[1]、綜合污染指數法、內梅羅污染指數法[2]、模糊綜合評價法[3]、人工神經網絡法[4]、灰色系統評價法[5]等。由于在有限的時間和空間范圍內監測獲得的水環境質量評價指標的信息是不完全和不確切的，這就表明水環境系統是一個灰色系統。基于灰色理論的灰關聯分析法[6]正是體現水環境系統的不確定性，且該方法計算簡單，具有可比性。因此，本研究運用灰關聯分析法分析2017年長江黃石段三峽斷面和風波港斷面的水質狀況，并將評價結果與單因子評價法和綜合污染指數法的評價結果進行對比，以期為長江黃石段水資源開發利用和污染防治提供科學依據。

1 評價方法

1.1 單因子評價法

單因子評價法以各參數濃度與評價標準進行對比，根據比值與1的大小來確定水質是否達到此類標準，并以最差的水質類別作為水質綜合評價的結果[7]。其計算公式為：

G=maxGi

(1)

(2)

式中，Gi為i項污染物的水質類別；Ci為第i項污染物的濃度值；Co為第i項污染物的評價標準。

1.2 綜合污染指數法

綜合污染指數法是對各監測污染指標的相對污染指數進行統計，再將各單項污染指數相加并計算算術平均值，從而得到綜合污染指數。根據污染指數可判斷出水體的污染程度及主要污染物[8]。其計算公式為：

(3)

(4)

式中，Ci為第i項污染物的濃度值；Co為第i項污染物的評價標準，Pi為第i項污染物的污染指數，m為污染指數總數。

根據《地表水環境質量評價辦法》，綜合污染指數評價分級見表1.

表1 綜合污染指數評價分級

1.3 隸屬度法

隸屬度法指某一污染指標屬于某類標準，它在這類標準中占有的程度，其計算公式為[9]：

(5)

式中，y為對應于x1所規定的那一類水質的隸屬度；x為實測值；x0、x1-x0為相鄰兩級的標準值。

由隸屬度計算可知，在同一類別上，隸屬度越大水質越差，隸屬度越小則水質越好。

1.4 灰關聯分析法

1.4.1 確定比較數列和參考數列 以地表水水質分級標準作為比較數列，各評價因子的實測值作為參考數列，分別用Xi(k)和Yj(k)表示[10]。

Xi(k)={Xi(1),Xi(2),…,Xi(n)}(i=1,2,3,…,m;k=1,2,3,…,n)

(6)

Yj(k)={Yj(1),Yj(2),…,Yj(n)}(j=1,2,3,…,h;k=1,2,3,…,n)

(7)

1)氨氮、總氮等屬于偏小型分布指標，可按下列兩式分別變換數列Xi(k)和Yj(k).

(8)

bti=(smi-sti)/(smi-s1i)

(9)

2)溶解氧屬于偏大型分布指標，可按下列兩式分別變換數列Xi(k)和Yj(k).

(10)

bti=(sti-smi)/(s1i-smi)

(11)

1.4.3 關聯系數計算 經數據歸一化轉化的參考數列和比較數列，用式12求兩者之間的灰關聯系數εi(k)[10].

(12)

式中，Δi(k)為第k項指標Xi和Yi的絕對差；Δmin和Δmax分別為各項指標的絕對差中最小值和最大值；ρ為分辨系數，其作用在于提高灰關聯系數之間的差異顯著性，ρ越小，分辨力越大，一般在0～1，大多數情況下取0.5.

1.4.4 計算關聯度和確定水質等級 對關聯系數進行加權求關聯度，當權重取值為1/n時，可得關聯度[10]：

求出ri后，根據關聯度最大原則確定各河流斷面水質等級。

2 研究區域和水質數據

2.1 研究區域

為了解長江黃石段(見圖1)水質狀況和變化趨勢[12]，選用2017年長江黃石段三峽斷面(斷面2)和風波港斷面(斷面4)在枯水期(1月)、豐水期(7月)和平水期(11月)的水質監測數據(NH3-N、TN、TP、DO、BOD5、CODMn、COD)進行分析評價。其中，三峽斷面為鄂州市和黃石市交界處的對照斷面，風波港斷面為西塞山區河口鎮的削減斷面。

圖1 長江黃石段河道形態

2.2 數據來源

分析2017年長江黃石段三峽斷面和風波港斷面的水質狀況，其研究數據來自黃石市生態環境局網站(http://sthjj.huangshi.gov.cn/)，見表2.

表2 2017年長江黃石段水質監測結果(mg/L)

2.3 評價標準

根據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，長江黃石段三峽斷面和風波港斷面水質需滿足Ⅲ類水質標準，該水質指標評價限值見表3.

表3 《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)

3 結果與分析

3.1 單因子評價法評價結果

運用單因子評價法對三峽斷面和風波港斷面水質進行分析評價，評價結果見表4.

由表4可知，兩個斷面NH3-N濃度在枯水期和豐水期屬于地表水Ⅱ類標準，在平水期屬于Ⅰ類標準，且三峽斷面該指標Pj值呈現枯水期>豐水期>平水期，而風波港斷面則呈現枯水期>平水期>豐水期；在各監測時期總氮濃度均大于1.5mg /L，屬于地表水Ⅴ類標準，均出現枯水期>豐水期>平水期，且該指標在枯水期的Pj值均大于1，分別為1.075，1.105；總磷濃度均處于0.1～0.2mg /L之間，屬于地表水Ⅲ類標準，均出現枯水期>豐水期>平水期；DO、BOD5、CODMn、COD等指標均優于地表水Ⅲ類標準。綜上可知，2017年兩個斷面水質超標，屬于地表水Ⅴ類標準，三峽斷面水質劣于風波港斷面，且在各監測時期中枯水期各指標濃度(除DO外)最高；總氮是影響長江黃石段水質的主要污染因子。黃石市是一座礦冶企業眾多，人口密集，農業發達，河湖密布的城市，大量的工業廢水、生活污水、農業廢水以及畜禽養殖和漁業養殖投放的飼料排入河流[13]，是造成水體總氮超標的主要原因。

表4 2017年長江黃石段水質單因子法評價結果 (mg/L)

3.2 綜合污染指數法評價結果

運用綜合污染指數法對三峽斷面和風波港斷面水質進行分析評價，評價結果見表5.

由表5可知，三峽斷面和風波港斷面綜合污染指數均發生變化，但變化的范圍較小，且呈現出遞減趨勢，在枯水期綜合污染指數分別為0.782mg/L，0.737mg/L，屬于中度污染；在豐水期和平水期綜合污染指數分別為0.658mg/L、0.644mg/L，0.627mg/L、0.624mg/L，均屬于輕度污染。三峽斷面綜合污染指數各監測時期均大于風波港斷面，表明三峽斷面水質劣于風波港斷面。兩個斷面綜合污染程度均呈現出：枯水期>豐水期>平水期。枯水期綜合污染指數大可能是由以下原因造成的：一是枯水期青山湖、花湖、磁湖等湖泊和長江河道清淤疏浚以及冬季風強勁，使得底泥發生擾動，聚集的內源污染物質釋放，造成水體的二次污染[14]；二是枯水期河流水量少，水體自凈能力較差。豐水期綜合污染指數較大主要是由工農業生產、畜禽養殖和漁業養殖等活動頻繁帶來的大量有機污染物引起的。

表5 2017年長江黃石段綜合污染指數水質評價結果(mg/L)

3.3 隸屬度法評價結果

運用隸屬度法對三峽斷面和風波港斷面水質進行分析評價，評價結果見表6.

在枯水期，三峽斷面和風波港斷面達到Ⅰ類水質標準的有3項指標，NH3-N、CODMn為Ⅱ類水質，TP為Ⅲ類水質。三峽斷面NH3-N隸屬度高于風波港斷面，分別為0.86、0.769；風波港斷面TP隸屬度高于三峽斷面，分別為0.5、0.41.

在豐水期，三峽斷面和風波港斷面達到Ⅰ類水質標準的有3項指標，NH3-N、CODMn、TP分別為Ⅱ類、Ⅳ類和Ⅲ類水質，而三峽斷面和風波港斷面DO分別為Ⅱ類、Ⅲ類水質。

在平水期，三峽斷面和風波港斷面達到Ⅰ類水質標準的有5項指標，TN、TP分別為Ⅳ類和Ⅲ類水質，且隸屬度均在0.1及以下。

綜上可知，兩個監測斷面在各監測時期水質均較好，且在平水期水質優于枯水期和豐水期。

表6 2017年長江黃石段水質隸屬度評價結果(mg/L)

3.4 灰關聯度分析法評價結果

3.4.1 確定比較數列和參考數列 由表2和表3確定三峽斷面和風波斷面水質評價的比較數列和參考數列。

3.4.2 歸一化處理 將評價斷面的比較數列和參考數列按照公式(8)～(11)進行歸一化處理，結果見表7和表8.

由表7可知，歸一化數值越小，表示水質越差。由表8可知，三峽斷面和風波港斷面各監測時期總氮和總磷的歸一化數值偏小，說明此時兩個斷面水質主要受總氮和總磷的影響。

表7 地表水環境質量分級標準值歸一化處理結果

表8 三峽斷面和風波港斷面水質監測值歸一化處理結果

3.4.3 關聯度計算和水質等級評價 按照公式(12)計算出兩個斷面各監測時期各項水質指標相應的關聯系數，再將所求的關聯系數按照公式(13)求出兩個斷面各監測時期相對應地表水環境質量等級的關聯度，并根據最大關聯度原則確定河流斷面的水質等級。結果見表9.

由表9可知，兩個斷面各監測時期灰關聯度分析評價的結果均在地表水Ⅲ類標準范圍內，其中枯水期三峽斷面和豐水期風波港斷面屬于Ⅱ類，兩個斷面其余時期均屬于Ⅰ類，表明監測斷面的水質較好。

表9 三峽斷面和風波港斷面水質關聯度計算結果

4 水質評價方法比較

單因子評價法以最差的單項水質指標所屬類別作為待評水域的綜合水質類別，能夠確保水體安全，但該方法采用“一票否決”的嚴格評價標準，評價結論過于保守，不利于水體功能的綜合使用。如2017年三峽斷面和風波港斷面總氮超標，濃度值均大于1.5mg /L，就此判斷兩個斷面水質為Ⅴ類標準，弱化了其它指標對水質的影響，評價結果過于嚴苛。

綜合污染指數法將各單項污染指數的算術平均值作為綜合污染指數值，該方法可以反映河流水質污染程度，但不能判斷其水質類別。如2017年三峽斷面和風波港斷面枯水期屬于中度污染，平水期和豐水期屬于輕度污染，但綜合污染指數法無法判斷出兩個斷面水質是否符合該功能區Ⅲ類標準。

灰關聯度分析法通過計算待評水域各評價因子的實測濃度與各級水質標準的關聯度，并根據關聯度判斷該水域的水質等級。灰關聯分析法克服了單因子評價法對水質總體評價的局限性，較好地解決了評價標準中分級不科學對評價結果影響的問題。通過對2017年三峽斷面和風波港斷面水質的分級標準和實測值進行歸一化處理，再計算河流斷面的關聯度，最終判斷出枯水期三峽斷面和豐水期風波港斷面屬于Ⅱ類標準，兩個斷面其余時期均屬于Ⅰ類標準。該方法評價結果更全面客觀地反映該河流斷面的水質狀況。

隸屬度法指某一污染指標屬于某類標準，它在這類標準中占有的程度，在同一類別上，隸屬度越大水質越差，反之亦然。隸屬度法不僅能區別同類水體的污染程度，而且可以比較不同監測斷面的水質情況，并根據隸屬度判斷監測斷面的水質功能，該方法優于單因子評價法和綜合污染指數法，但隸屬度法只考慮了污染指標和標準值的比較，計算過于簡單，未免有失客觀。如李國發[9]在評價長江黃石段三峽斷面時，因9個評價指標中有7個評價指標標準類別為Ⅰ類，就判斷該斷面水質屬于Ⅰ類，但從該文獻評價結果可知CODMn、NH3-N分別為Ⅱ類、Ⅴ類，隸屬度分別為0.52、1.0，可見此時三峽斷面的綜合水質應該達不到Ⅰ類。灰關聯分析法首先將水質分級標準和實測值進行歸一化，其次求出兩者之間的灰關聯系數，再次將關聯系數進行加權求出關聯度，最后根據關聯度確定水質等級。該方法避免忽略某些污染濃度值大的評價指標對水質的影響，同時分析了各污染指標對監測斷面水質的綜合污染程度，評價的結果更為全面科學。