南陽白河流域水質評價及空間變化分析

徐金鵬，冉志海，劉 朦，管新建，孟 鈺

（1.河南省南陽水文水資源勘測局，河南南陽 473000；2.鄭州大學水利科學與工程學院，鄭州 450001）

0 引 言

近年來，隨著經濟發(fā)展與人類活動影響，水體污染、水生態(tài)惡化等問題已經成為制約我國經濟發(fā)展的重要因素。為實時掌握水體水質狀況，從保護和控制水質角度出發(fā)，實施水質評價是對水體質量有效評估的重要手段［1］。因此需要探討能夠定量、定性的表達水體水質，公平公正的水質評價方法。由于河流的空間異質性，水質評價主要根據(jù)監(jiān)測斷面各污染物濃度實測值，選取恰當?shù)姆椒ㄟM行綜合評價，旨在使得評價結果真實、合理地反映水體水質［2］。客觀合理的評價對于掌握水質變化狀況和趨勢、確定影響水質變化的關鍵因素及污染源、保護水資源的合理開發(fā)利用起著舉足輕重的作用［3］。

目前水質評價在污染控制和資源管理中發(fā)揮著至關重要的作用。隨著歐盟2000年頒布的《水框架指令》從流域尺度給出實施污染物綜合管理的措施，水質評估在河流中越來越重要［4-6］。選擇合適的評價方法是客觀、合理地評價水質狀況的前提。常用的方法有其優(yōu)缺點，如灰色聚類法［7］在選擇評價函數(shù)時有較強的人為主觀性，但操作簡單；人工神經網絡［8］考慮了各指標間關聯(lián)度，評價指標選取全面，評價結果較為合理，但是操作性較難且對數(shù)據(jù)要求極高；模糊數(shù)學評價法［9，10］將影響因素定量化，其關鍵在于污染物權重的確定，但忽略了各指標間的相互聯(lián)系。內梅羅指數(shù)法也是學者常用的評價方法之一，其操作簡單明了，但突出了最大污染指數(shù)對水質的影響，易造成夸大某些污染物對水質的影響，同時對各污染指標權重因素考慮不足［11-13］。因此，本文對傳統(tǒng)內梅羅指數(shù)法進行改進，利用層次分析法和熵權法確定各污染物的組合權重，充分考慮各污染物對水質的影響，采用修正最大污染指數(shù)計算方法削弱污染指數(shù)最大值的主導作用，并以南陽市白河為研究對象，利用此改進方法對其4 個監(jiān)測斷面2015-2018年水質污染指標進行評價，根據(jù)斷面監(jiān)測點水質等級利用反距離權重法對水質等級進行空間插值，得到白河流域的水質等級空間分布，從而進行時空變化分析，將點面分析相結合，旨在使得評價結果合理反映白河實際水質狀況。

1 改進的內梅羅指數(shù)法及空間插值法

1.1 傳統(tǒng)的內梅羅指數(shù)法

傳統(tǒng)內梅羅指數(shù)法是通過污染因子的實測值Ci與對應的指標標準Si來確定單因子污染指數(shù)Fi，進而求解內梅羅指數(shù)P［14］。計算公式如下：

式中：maxFi為傳統(tǒng)最大污染指數(shù)；Fˉi為平均污染指數(shù)。

1.2 改進的內梅羅指數(shù)法

傳統(tǒng)的內梅羅指數(shù)主要根據(jù)最大污染指數(shù)和指標平均值進行求解，忽略了各指標權重對水質影響，故利用層次分析法和熵權法確定各污染物的組合權重，充分考慮各污染物對水質的影響，以彌補權重引起的不足，提高水質評價的準確性；并改善最大污染指數(shù)計算方法，引入權重最大污染指數(shù)及平均污染指數(shù)來削弱污染指數(shù)最大值的主導作用，由此對傳統(tǒng)內梅羅進行改進。

1.2.1 改進內梅羅指數(shù)確定方法

為削弱污染指數(shù)最大值的主導作用，引入最大權重污染指數(shù)maxFω、加權平均污染指數(shù)來修正最大污染指數(shù)的計算，采用加權平均法確定平均污染指數(shù)：

式中：P′為修正的內梅羅指數(shù)，ωi為組合權重，組合權重采用主客觀組合賦權確定，主觀權重w(AHP)i采用層次分析法、客觀權重w(E)i采用熵權法，根據(jù)最小相對信息熵原理，用拉格朗日乘子法優(yōu)化進行組合權重計算，如下：

1.2.2 組合賦權的權重確定方法

（1）層次分析法。層次分析法是將某一目標拆解為多層次多指標，分析同一層次各指標兩兩元素之間的重要性，從而將指標定性表達得出各層次的排序，進而求得目標層的權重值［15］。本研究將目標層定義為水質評價指標權重，將基準層定義為水質類別Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類，將方案層定義為水質污染指標。

首先構建判斷矩陣。兩兩比較同一層次的各指標的重要性結合標度表，得到判斷矩陣A：

根據(jù)式（6）計算各指標的權重值w(AHP)i：

然后按式（7）～（9）進行一致性檢驗：

計算最大特征檢驗數(shù)λmax：

計算CI值：

計算CR：

式中：CR一致性比例；為RI取值查閱層次階數(shù)表可得，CR＜0.1即通過一致性檢驗。

（2）熵權法。熵權法能將多個指標轉換為一個綜合指數(shù)，處理了指標不統(tǒng)一標準的問題，是一種克服了評價指標受人為主觀性影響的客觀方法，能比較客觀反映各指標對評價目標的貢獻程度［16］。

首先計算相對隸屬度矩陣。m個評估對象，n個評估所組成的相對隸屬度矩陣R=(rij)m×n（i=1～m，j=1～n）是根據(jù)式（10）～（11）進行標準化處理得到的：

其次計算各指標的比重fij及熵值Hi。根據(jù)式（12）～（13）確定評價指標的熵值，計算如下：

計算各項指標權重w(E)i：

1.3 反距離權重法

反距離權重法是依據(jù)空間異質性和空間相關性從而進行加權平均內插的空間插值法，主要利用觀測點與插值點之間的距離得出空間分布特征，該法認為距離觀測點越近影響越大，是反距離插值的［18］。該法體現(xiàn)了空間變化特征，所以常用于生態(tài)環(huán)境治理及災害管理中。

由于河流的空間異質性，各區(qū)域水質受上下游位置、地形分布等影響。本研究將改進內梅羅指數(shù)法的水質等級標準作為依據(jù)，并根據(jù)改進方法評價后的各監(jiān)測斷面的水質等級，利用ArcGIS中的反距離權重法對監(jiān)測斷面進行插值，從而得到整個流域的水質等級空間分布，對流域空間分布進行可視化分析。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

白河流域干流在南陽市內主要流經南召縣、南陽市區(qū)和新野縣（32°05′～33°55′N，111°15′～113°55′E），總面積1.22 萬km2。水資源總量51.93 億m3，多年平均降雨量達到826.7 mm，水資源豐富、水系發(fā)達（見圖2）。然而，由于近年來的采砂行為，阻礙了河流水系的流通性，且南陽市城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程的加快，導致大量污水排入白河，河水中污染物（COD、NH3-N、TP、BOD5）濃度含量劇增，導致白河水體受到嚴重污染，魚類生存環(huán)境差。且河道內外的部門之間競爭性用水加劇，導致河道內生態(tài)水量被不斷擠占與壓縮，從而導致河道內水生態(tài)系統(tǒng)退化甚至破壞。隨著南陽工農業(yè)生產的發(fā)展、城市生活及改善生態(tài)環(huán)境的需要，有限的水資源滿足不了用水需求，供需矛盾日趨突出，水環(huán)境狀況日益惡化。為掌握白河水質狀況，亟須對白河水質進行評價。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本次評價以南陽白河2015-2018年的鴨河口水庫、南陽市臥龍區(qū)丁奉店村、瓦店、新甸鋪水文站4 個監(jiān)測斷面為對象（見圖1中的1、2、3、4 標號），選取溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）6 個污染指標進行水質評價分析。相關數(shù)據(jù)來源于《南陽水文水資源勘測局》，見表1。

表1 2015-2018年各斷面水質監(jiān)測數(shù)據(jù)mg/LTab.1 Water quality monitoring data of each section from 2015 to 2018

3 結果與分析

3.1 組合賦權的權重

采用層次分析法與熵權法，計算各指標的主觀權重與客觀權重，并根據(jù)式（4）～（14）得到組合權重值，結果如表2所示。根據(jù)主觀權重和組合權重結果，NH3-N 和COD 兩個指標權重值最大，而NH3-N 和COD 的主要來源是生活污染和工業(yè)廢水的排放，表明城鎮(zhèn)化率增大和工業(yè)發(fā)展在一定程度上加劇了水體惡化，工業(yè)排污標準及保護水質意識有待提升；而在客觀權重及組合權重結果中，DO 指標權重值最小，溶解氧是各種水生生物呼吸代謝的基礎，其高低直接反映了生物的生存繁衍和水體的自凈作用，對維護水體天然環(huán)境至關重要。

表2 各指標主客觀權重Tab.2 Subjective and objective weight of each indicator

3.2 基于傳統(tǒng)-改進內梅羅指數(shù)法的斷面水質評價

本次水質計算指標選取Ⅱ類為水質標準，根據(jù)式（3）～（4），對各污染指標進行Ⅱ類水質標準的改進內梅羅指數(shù)水質級別劃分［17］（見表3），并計算各斷面逐年改進內梅羅指數(shù)，并對照水質等級劃分表進行水質級別評判，同時與傳統(tǒng)內梅羅指數(shù)法進行對比分析，結果如表4和圖2所示。

表3 改進內梅羅指數(shù)水質等級劃分表Tab.3 Improved Nemerow index water quality grading table

表4 各斷面兩種評價方法評價結果Tab.4 Evaluation results of two evaluation methods for each section

根據(jù)圖2可知，從時間維度看：除南陽市臥龍區(qū)丁奉店村斷面指數(shù)變化較大（越來越小），其余每年各斷面水質指數(shù)變化幅度不大；從空間維度看：內梅羅指數(shù)在南陽市臥龍區(qū)丁奉店村斷面最大（每年水質均為Ⅳ類水）。分析原因，一方面是因為南陽市臥龍區(qū)丁奉店村斷面位于南陽市區(qū)，市區(qū)是經濟發(fā)展快速的區(qū)域，與經濟發(fā)展相并而來的是污染物排放量的逐漸增加，經過市區(qū)水質受到不同程度的污染，使得南陽市臥龍區(qū)丁奉店村斷面內梅羅指數(shù)最大；另一方面是因為南陽市區(qū)實施有效的限制排污措施，使得水質有所轉化，所以南陽市臥龍區(qū)丁奉店村斷面的內梅羅指數(shù)越來越小，但是該斷面每年的水質均為Ⅳ類水，還需進一步加強排污監(jiān)管。

從傳統(tǒng)與改進評價方法對比來看：傳統(tǒng)指數(shù)高于改進的內梅羅指數(shù)法。這是因為傳統(tǒng)內梅羅指數(shù)法依賴于濃度含量最高的污染物，往往忽略其他污染物對水體水質的影響，易造成評價結果偏差；從改進的內梅羅指數(shù)評價結果來看，除南陽市臥龍區(qū)丁奉店村斷面水質每年均為Ⅳ類水，其余斷面的水質均在Ⅲ類及以上，改進的內梅羅指數(shù)法采用主客觀賦權的方法，避免了主觀賦權對污染嚴重指標的賦權過大，同時克服了客觀賦權造成的權重平均化，因此評價更為合理。

3.3 基于空間插值的白河流域水質空間變化分析

根據(jù)改進內梅羅指數(shù)水質等級劃分表（表3）及各個斷面點計算得到的修正內梅羅指數(shù)，結合ArcGIS10.2 軟件中的空間分析-插值分析-反距離權重法，得到流域內各水質等級空間分布圖，見圖3。

在流域水質等級空間分布上：從圖3可以看出，白河流域無較優(yōu)（Ⅰ類）及較差（Ⅴ類）水質等級區(qū)域。鴨河口水庫小范圍之內（2016年及2017年范圍較大）區(qū)域水質最佳，達到Ⅱ類水質標準；流域上游及下游區(qū)域（2015年及2016年為部分區(qū)域）水質屬于Ⅲ類水質標準；在上游流入南陽市區(qū)及其市區(qū)流經的區(qū)域（2017年及2018年僅僅為南陽市區(qū)部分區(qū)域），水質最差，達到Ⅳ類水質標準。整個流域水質等級空間差異性較大。這與流域內人口與經濟分布相對應，隨著南陽城鎮(zhèn)化的發(fā)展，越靠近市中心區(qū)域，人口越密集，工業(yè)區(qū)密集。COD 及BOD5主要污染源是生活污水和工業(yè)廢水的排放，這就使得南陽市中心區(qū)域水質最差。且白河為南陽母親河，為保護白河水質，2015年南召縣人民政府發(fā)布《關于建立鴨河口水庫水生態(tài)環(huán)境保護長效機制的實施意見》文件，提出對鴨河口水庫水生態(tài)保護若干意見及責權，使得鴨河口區(qū)域水質較好。

在流域水質等級時間分布上：Ⅱ類水只出現(xiàn)在鴨河口水庫附近區(qū)域（2017年除外），且出現(xiàn)的面積2017年最大，2016年次之，2015年及2018年較小。Ⅲ類水面積有增加的趨勢，Ⅳ類水出現(xiàn)的面積逐漸減小，整體水質趨于好轉。南陽市環(huán)保局2012年印發(fā)執(zhí)行《唐白河流域水污染綜合整治實施方法》，針對唐白河出現(xiàn)的水污染進行治理，白河是其中的重要實施區(qū)域，引發(fā)對水質污染治理的重視。隨后2015年的《關于建立白河水生態(tài)環(huán)境保護長效機制的意見》及省常委2017年頒布的《南陽市白河水系水環(huán)境保護條例》等相關文件出臺，使得南陽白河流域水質有好轉的趨勢，可見政策的支持與推行對水環(huán)境保護有顯著作用，能有效調動各用水主體保護生態(tài)環(huán)境的積極性，促進經濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展。

4 結 語

本文采用改進內梅羅指數(shù)法對南陽市白河4 個監(jiān)測斷面2015-2018年的水質污染指標進行評價，并根據(jù)各監(jiān)測斷面點的水質等級結合反距離權重空間插值法，得到整個流域水質等級空間分布，主要得出以下結論。

（1）改進的內梅羅指數(shù)法采用主客觀賦權的方法，充分考慮各污染物含量對水體的影響程度，同時對修正最大污染指數(shù)的計算引入權重最大污染指數(shù)和加權平均污染指數(shù)，以削弱最大值的影響；與傳統(tǒng)內梅羅指數(shù)法相比克服了權重及突出極大值的影響，使得評價結果更為準確、合理。

（2）由改進的內梅羅指數(shù)水質評價結果表明，南陽市臥龍區(qū)丁奉店村斷面水質每年均為Ⅳ類水，但有逐年下降的趨勢，表明污染得到了一定的控制，其余斷面的水質均在Ⅲ類及以上。評價結果與斷面實際監(jiān)測數(shù)據(jù)情況相符，該方法較為合理，具有一定的操作性。

（3）根據(jù)ArcGIS 空間插值法-反距離權重插值法可以較為全面反映整個流域水質等級空間分布情況，使得水質等級空間分布更加可視化，將點（監(jiān)測斷面點）面（整個流域）分析相結合，使得分析更加全面合理。□