改進綜合水質標識指數法在珠江口水系水質評價中的應用

林 濤，尹 靜，張 博，單永體，楊 鵬，楊 穎，余義瑞，3

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075；2.西安中交環境工程有限公司，陜西 西安 710075； 3.深圳市寶安區水務局，廣東 深圳 518101)

準確評估流域水質污染程度、精準掌握河道水質分布特點是流域水環境治理與管理的基礎工作，對水環境安全保障、水資源科學管理等具有重要意義[1-5]。目前，應用于水質評價的方法中，模糊數學評價法的結果不夠直觀[6]，污染指數法無法定量分析污染程度[7]，灰色聚類評價法和人工神經網絡法分析過程復雜且無法定性評價水質[8-9]，單因子指數評價法結果趨于保守[10]，而綜合水質標識指數法[11]則可以定量分析水質優劣、定性評價水質類別以及判別單項水質指標與綜合水質結果是否滿足水環境功能區劃目標。

綜合水質標識指數法在流域水質評價領域應用越來越廣，但其結果是基于單因子水質標識指數的算術均值，未考慮各項水質指標所反映信息量的差異性和主觀權重影響[12]。目前，對其權重進行改進的研究較多，如程衛國等[13]采用變異系數法、張龍玲等[14]采用主成分分析法、王濤等[15]采用熵權系數法、王琳等[16]采用超標倍數賦權法以及張鋮鋮等[17]采用組合賦權法等對綜合水質標識指數權重進行改進，但這些改進方法在一定程度上缺乏對指標的信息量權重、超標污染權重或主觀權重影響的綜合反映。本文將熵權系數法和超標倍數賦權法組合集成后運用于綜合水質標識指數法的權重改進，提出了改進權重綜合水質標識指數法，將其應用于珠江口水系水質評價，并通過與多種水質評價方法進行比對來檢驗方法的合理性和適用性。

1 研究區概況與研究數據

1.1 珠江口水系概況

珠江口水系位于廣東省深圳市西部(22.44°N～22.74°N、113.76°E～113.93°E)，東起羊臺山，西至珠江口東岸，北接茅洲河流域，南臨深圳灣；屬亞熱帶海洋性氣候，年均氣溫22.4 ℃，降雨集中于4—9月，年均降水量為1 926 mm[18]；共有河流41條，總長度約為163.8 km(暗涵段約占26%)，集水面積約為363.8 km2，水源主要依靠降水補給，河道主要功能為城市防洪(潮)排澇、生態環境、景觀及雨洪利用，但受河道硬化、暗涵化的影響，導致部分河道功能喪失[19-20]。根據《珠江口流域綜合治理方案》，珠江口水系被劃分為大空港、前海、鐵石以及南山四大片區，各片區采樣點位置見圖1。

根據低潮時海岸線遙感影像，自1979年以來海岸線平均外推約1.44 km，研究區內海岸變遷較大，河道在107國道斷面下游，其比降變緩，水動力條件變差[21]。珠江口水系主要包括寶安區和南山區部分街道，是深圳經濟特區和社會主義先行示范區的核心區域，經濟發達、工商企業密集。經濟的發展不僅帶來了機遇，也帶來源源不斷的污染物質，使得城市河道生態環境面臨著巨大壓力[22]。另一方面，受珠江口海潮頂托影響，海域污染物隨潮汐水動力作用返回河道，對感潮河段的水質產生了很大的影響，入?？陔m有擋潮閘攔截了大量污染物，但也影響了河流水動力條件，對河道水環境造成正反兩方面的影響[23]。

1.2 水樣采集和分析方法

選用珠江口水系2018年1月至2020年12月51個采樣點逐月水質數據，數據來自深圳市生態環境局和深圳市寶安區水資源公報。

水質指標有流速、透明度、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、氟化物(F-)、氧化還原電位(ORP)和陰離子表面活性劑(LAS)。在采樣過程中，嚴格按照HJ 494—2009《水質 采樣技術指導》中的河流地表水采樣要求，利用聚乙烯瓶收集河道水樣并冷藏(4 ℃)轉運至實驗室，其中流速、透明度和DO由便攜式流速儀(LS1206B)、便攜式超聲波探測儀(ZMSS-100)和YSI多參數探頭測定，其余水質指標由室內化驗分析得到。參照《水和廢水監測分析方法(第4版)》的要求，樣品測試分析過程均使用標準試劑配備的溶液，并利用平行樣品進行數據質量把控，其中COD采用重鉻酸鉀法、NH3-N采用納氏試劑比色法、F-采用離子選擇電極法、TP采用鉬酸銨分光光度法、LAS采用亞甲基藍分光光度法測定。

1.3 數據處理方法

采用Microsoft Excel 2010整理數據，SPSS 20.0分析數據，ArcGIS10.6、AutoCAD2007、CorelDraw12繪圖。

2 研究方法

2.1 水質評價指標的篩選

水質是由多因子共同作用的結果，且不同因子之間存在較大的相關性，如果直接對水質數據進行評價，會使評價結果所反映的水質信息存在一定程度的重疊和掩蓋。因此，本文利用主因子分析法對水質基本指標進行主因子提取，確定各變量對主因子影響的大小，并以此來評判水質指標對綜合水質的影響程度，并將選取的指標運用水質標識指數法進行水質評價與時空分布特征分析[24]。

2.2 評價指標賦權方法

a.熵權系數法。熵權系數法是根據指標所代表信息量的大小來賦權的方法[25]。該方法綜合考慮各指標間內在聯系對評價結果的影響，是一種客觀型指標賦權方法，通過對水質數據進行標準化處理并計算指標熵值，進而確定熵權。熵權系數法計算公式為

(1)

(2)

式中：Zij為水樣j水質指標i的標準值；m為水質指標的總數；n為水樣的總數；ei為水質指標i的熵權值；w′i為水質指標i的熵權系數法權重。

b.超標倍數賦權法。超標倍數賦權法是根據指標的標準值與限定值之間的差異來賦權的方法[26]。該方法強調指標在所有指標中的重要性和其對評價結果的影響力，是一種突出型指標賦權方法。超標倍數賦權法計算公式為

(3)

式中：w″i為水質指標i的超標倍數賦權法權重；si為水質指標i的水質目標(根據《深圳市地表水環境功能區劃》，本區域水功能區劃水質目標需滿足GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅴ類標準)。

c.組合集成法。組合集成法是對客觀型指標賦權和突出型指標賦權進行集成的方法[27]，組合集成的權重綜合了兩者優點。本文采用乘法組合集成法計算各項水質指標的綜合權重：

(4)

式中wi為水質指標i的綜合權重。

2.3 改進權重的綜合水質標識指數法

本文通過組合集成法對綜合水質標識指數法的權重進行改進，以進一步提升綜合水質標識指數法的適用性和可靠性。綜合水質標識指數I由整數位、小數點后3位小數位組成，其形式為

I=X1.X2X3X4

(5)

式中：X1為綜合水質類別；X2為綜合水質在X1類水質變化區間內所處位置；X3為參與綜合水質評價的單項指標中劣于水環境功能區劃目標的個數；X4為綜合水質類別與水環境功能區類別的比較結果，視水體的污染程度而定。X1～X4具體計算方法可參見文獻[10]?？赏ㄟ^綜合水質標識指數值判定某水體的綜合水質類別，具體的綜合水質類別評價標準見表1。

表1 水質類別評價標準

2.4 水質時空變化評價方法

流域內水質隨時間和空間變化程度以時間變化率T和空間變化率S表示[28]，計算公式為

(6)

(7)

式中:It、It′分別為某采樣點在t、t′時期綜合水質標識指數；Is、Is′分別某時期采樣點s、s′的綜合水質標識指數。

通過對時間變化率T和空間變化率S的計算，分析判定水體水質的時空變化規律，具體的水質變化評價標準見表2。

表2 水質時空變化評價標準

3 結果與分析

3.1 水質評價指標的確定

對9項檢測指標數據進行主因子分析，結果表明第1、2、3主成分的特征值均大于1，且對水質信息解釋方差的貢獻率分別為44.977%、26.914%和10.314%，3個主成分對水質信息解釋方差累計貢獻率為82.205%，表明對這3個主成分進行評價可以揭示原始數據的基本信息。以各因子荷載的絕對值大于0.7的水質指標作為水質評價因子[29]，由表3可以得出與第1主成分關系密切的水質指標有DO、NH3-N和LAS，與第2主成分關系密切的水質指標為COD和F-，與第3主成分關系密切的水質指標為TP，因此，將DO、NH3-N、LAS、COD、F-和TP這6個水質指標用于綜合水質評價。

表3 水質旋轉因子荷載值

3.2 水質評價結果與分析

3.2.1單因子水質標識指數計算

利用單因子水質標識指數法對研究區水質進行評價，結果見表4。由表4可知，2018年采樣點R5的各項水質指標評價結果最差，均低于劣Ⅴ類標準閾值，2019年采樣點R31和2020年采樣點R29的各項水質指標評價結果最優，均滿足Ⅲ類水質標準，各項水質指標的評價結果逐年改善。各年度不同采樣點的各項水質指標評價結果表現出顯著差異，例如：2019年采樣點R1的F-和LAS的評價結果滿足Ⅱ類水質標準，DO和COD的評價結果滿足Ⅳ類水質標準，而NH3-N和TP的評價結果超過Ⅴ類水質標準。由此可知，采用單因子指數評價法進行水質評價時，受超標因子影響，導致評價結果差距較大，不能全面反映水質狀況。

表4 單因子水質標識指數的評價結果

3.2.2綜合水質標識指數評價

根據單因子水質標識指數的計算結果和研究區地表水環境功能區劃目標，結合不同賦權方法分別對各采樣點進行綜合水質評價，結果見表5。

表5 綜合水質標識指數的評價結果

由表5可知，采用不同賦權方法的綜合水質標識指數法與傳統方法相比，評價結果更加符合實際水質情況，傳統方法將單項水質指標的結果進行均衡化來反饋水質類別，忽視了各項指標的信息量權重和主觀權重的作用，導致部分河道(R18、R48等采樣點)評價結果與實際情況不符；超標倍數賦權法賦權的綜合水質標識指數法充分考慮了超標污染物對水質結果的貢獻，但實際水體中往往存在超標污染物指標的權重是未超標的幾倍以上，導致超標污染物指標權重的計算結果偏大，使得水質評價結果較差(R31、R42等采樣點)；熵權系數法賦權的綜合水質標識指數法綜合考慮了各項水質指標之間的聯系，但存在分攤各項水質指標對水質影響的缺陷，導致評價指標的權重差異不大，與傳統方法的評價結果相近；組合集成法賦權的綜合水質標識指數法綜合了超標污染物指標的貢獻與極值對評價結果的影響，同時客觀反映了各項水質指標賦權的重要程度，其評價結果整體介于超標倍數賦權法和熵權系數法兩種賦權方法之間，其結果更加符合實際情況，該方法在大流域水質評價方面具有較強的優越性。

3.3 水質時空分布特征分析

圖2和圖3分別為珠江口水系2018—2020年非汛期和汛期水質時空變化分布。各河道水質時空差異明顯，其中2018—2019年非汛期和汛期南山片區河道水質優于前海片區，鐵石片區河道水質最優，而大空港片區河道水質最差；2020年非汛期和汛期大空港片區河道水質優于前海片區，鐵石片區河道水質最優，而南山片區河道水質最差。評價結果與實際情況較為一致，由于鐵石片區河道上游水源豐富、居民區和工廠分布較少、污染排放量少，且該區域河道為飲用水源二級保護區，河道保護與管理較其他河道更嚴格，使得鐵石片區河道水質最優；而其他片區河道受城中村和企業漏排污水、城區非點源污染、攔潮閘影響以及海水污染，導致河道水質受污染影響較大。大空港片區河道水質改善效果較前海和南山片區河道顯著，這與片區內治污基礎建設、污染來源分布差異以及河道治理進程有密切聯系。

圖2 珠江口水系非汛期水質時空分布

圖3 珠江口水系汛期水質時空分布

3.3.1時間分布

表6為與2018年非汛期相比的典型采樣點水質時間變化率分布情況。

表6 與2018年非汛期相比典型采樣點水質時間變化

a.2018年汛期。①大空港片區河道采樣點 R1～R5、R10、R13、R14、R17和R20～R23水質變化不明顯，R6、R9、R15和R16輕微改善，R7、R8、R11和R12顯著改善，R19輕微惡化，R18明顯惡化。采樣點R18上游管網仍為雨污混流制，汛期污水溢流導致水質惡化，R18所屬河道為R19河道的支流，R18水質明顯惡化是導致R19水質輕微惡化的直接原因。②前海片區河道采樣點R24、R25、R26、R33、R34、R39、R41和R43水質變化不明顯，R35、R36和R38水質顯著改善，R40水質受山區雨洪污染影響發生輕微惡化，但R37受其上游兩岸工業園區(汽車維修廠等)的面源污染影響以及R42受汛期截污管溢流和入?？谖廴疚锏挠绊?，水質明顯惡化。③南山片區河道采樣點R45、R46和R48～R51水質變化不明顯，R47水質輕微改善。④鐵石片區河道采樣點R29～R32水質明顯惡化，汛期入河面源污染和農業退水污染嚴重，已建管網區域仍有漏排污水口不斷出現，導致大量漏排污水直排入河，造成汛期河道水質明顯惡化。

b.2019年非汛期。①大空港片區河道采樣點R8、R14和R1水質變化不明顯，R7、R9、R13、R16和R24水質輕微改善，R1～R6、R15、R17、R18和R20～R23水質顯著改善，R10、R11、R12受當期河道清淤施工影響，沉積物污染上覆水體，導致水質明顯惡化；②前海片區河道采樣點R33、R37、R38和R41～R44水質變化不明顯，R25、R26、R35、R36和R39水質顯著改善，而R40受新圳河上游工業園區污水口排污影響水質明顯惡化；③南山片區河道采樣點R45～R48、R50和R51水質變化不明顯，R49水質顯著改善；④鐵石片區河道采樣點R29～R32水質變化不明顯。

c.2019年汛期僅有采樣點R40水質發生輕微惡化，R11、R27、R43受集水區內污水溢流和非點源污染影響水質明顯惡化，其余采樣點水質均呈現出不同程度改善。

d.2020年非汛期和汛期水質時間變化率分布情況相似，均呈現出水質顯著或輕微改善的規律。

河道水質持續改善要歸功于過去幾年政府采取的污染治理(如雨污分流、建管納污、生態清淤、多源補水等)、擋潮閘管理以及污水處理廠提質擴容改造等措施，不僅提高了集水區生活、工業污水收集率和污水截流標準以及尾水排放標準，還清理了河道垃圾和淤泥。但在已建管網區域仍不斷有污水漏排，導致污水溢流入河[30]。另外，受下墊面硬化率增大的影響，污染積累量與降雨徑流量呈現出增大的趨勢，河道水質往往在雨天會出現黑臭“反彈”現象[31]。

3.3.2空間分布

珠江口水系多為各自獨立的小河流域，各河流之間不存在水文水動力、水環境等條件的必然聯系，但受區域地形地貌、氣象條件以及人類活動相似性的影響，各區域河道水質存在客觀相似性，因此，對研究區內采樣點超過兩個的河道進行水質空間變化分析，結果見表7。由表7可知：①采樣點R5水質在2018年汛期、非汛期以及2019年汛期較R4明顯惡化，其他時期水質變化不明顯；②R8在2018年汛期、非汛期以及2019年汛期水質較R7顯著改善，而其他時期水質輕微改善；③R10水質在2018年非汛期較R9顯著改善，而在2018年非汛期較R9明顯惡化，其他時期水質改善不明顯；④R26水質在2019年非汛期較R25明顯惡化，其他時期水質改善不明顯；⑤R32水質在2019年汛期較R31顯著改善，2020年汛期明顯惡化，而其他時期惡化不明顯；⑥R38水質在2018年非汛期和汛期以及2019年非汛期較R37明顯惡化，其他時期變化不明顯；⑦R41水質在2018年非汛期較R40輕微惡化，2019年汛期、2020年非汛期和汛期較R40顯著改善，其他時期水質改善不明顯；⑧R42水質在2018年汛期和非汛期以及2019年非汛期較R41明顯惡化，其他時期水質輕微惡化；⑨R44水質在2019年汛期較R43顯著改善，2019年非汛期和2020汛期較R43輕微改善，2020年非汛期較R43改善不明顯；⑩R48水質在2018年和2019年非汛期較R47顯著改善，在2019年汛期較R47輕微改善，在2020年汛期較R47惡化不明顯；R51水質在2018年和2019年非汛期較R50輕微改善，在2019年汛期較R50惡化但不明顯，在2020年汛期和非汛期較R50均顯著改善?？梢?，隨著水環境治理與管理工作的開展，河道整體水質呈現出顯著改善趨勢，但河道上游水質總體較下游水質好，入?？谒|隨季節波動較大。

表7 同一河道水質空間變化

4 結 論

a.改進權重后的綜合水質標識指數法綜合考慮了超標污染物的影響，客觀反映了各項水質指標賦權的重要程度。組合集成法賦權與其他方法賦權的綜合水質標識指數法對比表明，組合集成法賦權的綜合水質標識指數法流域水質評價結果合理可信且更符合實際情況，充分反映了主、客觀因素對水質結果的影響，在大流域水質評價方面具有較強的優越性。

b.評價結果顯示，除采樣點R45和R46水質在2018—2020年僅有輕微改善外(水質類別持續為劣Ⅴ類)，其他河道采樣點水質狀態均有顯著改善，劣于水環境功能區劃目標的單項水質指標數顯著下降，各河道水質類別由以劣Ⅴ類為主改善至以Ⅲ類為主，達到水環境功能區劃目標。

c.珠江口水系水質在空間上呈現出東部河道優于西部、河道上游總體較下游好、入?？谔幩|隨季節波動較大的規律；在時間上，各河道水質狀況逐年好轉，同年度汛期優于非汛期，Ⅴ類水質的河道達標率已由2018年汛期的25.64%提升至2020全年的97.43%，研究區內黑臭水體基本被消除。過去幾年政府采取的一系列河道污染治理和管理措施，使得河道水質狀態得到了持續提升，但隨著下墊面硬化率的增大，非點源污染風險仍然是制約流域水質持續提升的瓶頸。