多種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法在喀左地區(qū)的應(yīng)用分析

劉宇欣，潘 俊，王興作，崔臺(tái)育，許騰文，滕炳麓，申一順

(沈陽建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110000)

1 引言

近年來，生態(tài)環(huán)境問題也隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展而隨之更加嚴(yán)重。尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)，由于疏忽管理，導(dǎo)致污水直接流入河道中，造成水質(zhì)污染問題[1]。地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)是水環(huán)境管理中的重要一環(huán)，也成為了水質(zhì)環(huán)境問題研究過程中的重中之重。對(duì)于提升和改善地表水水質(zhì)問題的管理管控一直是環(huán)境學(xué)者們探討的重點(diǎn)[2]。在環(huán)境水質(zhì)評(píng)價(jià)工作的初期，人們是根據(jù)水體的顏色、氣味以及水體渾濁度等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]，隨著環(huán)境評(píng)價(jià)工作的深入及快速發(fā)展，以及在將數(shù)學(xué)模型的方法投入水質(zhì)評(píng)價(jià)當(dāng)中后，水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法也日漸豐富起來[4]。

即使如此，直到現(xiàn)在大多數(shù)水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法還僅停留在對(duì)于水流域的斷面水質(zhì)進(jìn)行判別[5]。其中流域具有代表性的一些環(huán)境信息可以通過設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面來實(shí)現(xiàn)。并且它的固定位置信息也可以反應(yīng)所在環(huán)境的污染情況特征。但是在實(shí)際的水質(zhì)檢測(cè)工作當(dāng)中，要隨時(shí)考慮到真正采樣時(shí)是否可行或者是否方便。所以僅僅使用斷面水質(zhì)情況來評(píng)價(jià)各個(gè)占比情況，不會(huì)很好地反映出當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)情況，并且也沒辦法精準(zhǔn)地體現(xiàn)水質(zhì)所具有的各方面特征，特別是指標(biāo)與指標(biāo)之間、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系還有待探究。

本文通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于地表水的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析和總結(jié)，以遼寧省喀左縣第二牤牛河為例，分析在哪種評(píng)價(jià)方式下，可以更加直觀也更加適用于當(dāng)?shù)厮|(zhì)評(píng)價(jià)，分析各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及實(shí)用性，為以后當(dāng)?shù)厮h(huán)境管理提供思路以及未來可能存在的問題提供較科學(xué)的參考。

2 評(píng)價(jià)范圍及其數(shù)據(jù)來源

遼寧省喀左縣第二牤牛河是臨近公營(yíng)子鎮(zhèn)的最大河流，公營(yíng)子鎮(zhèn)以往工業(yè)企業(yè)較發(fā)達(dá)，人口較多，過去生產(chǎn)、生活過程中產(chǎn)生的污水、廢水均直接排放至牤牛河中，長(zhǎng)期以來導(dǎo)致河流水質(zhì)較差，污染嚴(yán)重，由于本段河流地表水與地下水聯(lián)系密切，地下水極易受到河流水質(zhì)的影響而產(chǎn)生污染。為了改善河流生態(tài)環(huán)境，近幾年公營(yíng)子鎮(zhèn)在現(xiàn)有截滲墻上游左岸靠近迎賓路位置修建了污水處理廠，居民的生活廢水及各個(gè)企業(yè)污水都通過沿河鋪設(shè)的污水管道引入污水處理廠進(jìn)行處理，處理后的中水通過管道排放至截滲墻上游的河道中[6]。本次評(píng)價(jià)范圍為第二牤牛河上游到污水處理廠入口處。

鑒于當(dāng)?shù)厮h(huán)境情況，為查明地表水水質(zhì)情況，在擬評(píng)價(jià)范圍內(nèi)具有代表性的地點(diǎn)分別取水樣，進(jìn)行水質(zhì)全分析試驗(yàn)。其中在河流上游地表水來水處及下游地表水的排泄處，分別取地表水水樣各1組；在河流左右岸階地處，分別取地下水水樣各1組進(jìn)行對(duì)比分析。

3 評(píng)價(jià)法概述

地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法很多，主要有單因素指數(shù)評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、主成分分析法、綜合污染指數(shù)法和水污染指數(shù)法。通過評(píng)價(jià)的方法和順序，可整理為單因素評(píng)價(jià)法和綜合評(píng)價(jià)法。

單因子評(píng)價(jià)法是從20世紀(jì)80年代以來，初次作為我國(guó)統(tǒng)一的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法對(duì)主要的擬測(cè)定水系水質(zhì)狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。此方法操作簡(jiǎn)單，不確定性較少，主要方法內(nèi)容也較為簡(jiǎn)單，是其他各種綜合類評(píng)價(jià)法的基礎(chǔ)方法，但評(píng)價(jià)的成果過于嚴(yán)格[7]。而目前學(xué)者們一直討論的熱點(diǎn)話題仍然是綜合性水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果的適應(yīng)性及不確定性。現(xiàn)階段水質(zhì)評(píng)價(jià)中最常用手段是多指標(biāo)綜合評(píng)估法，如污染指數(shù)法，模糊綜合評(píng)判法等[8]。綜合指標(biāo)法因其綜合性作為優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建其評(píng)價(jià)模型，選定較適合的相關(guān)評(píng)價(jià)因子，這是當(dāng)前關(guān)于地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)研究的熱點(diǎn)話題。

4 擬采用的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型及其適用條件

4.1 單因子指數(shù)評(píng)價(jià)分析法

(1)評(píng)價(jià)的模型。

(2)適用的條件。

有個(gè)別污染物或其中一種污染物的明顯影響的湖泊和河流[9]。

4.2 綜合污染指數(shù)法

(1)評(píng)價(jià)的模型。

(2)適用的條件。

通過示范區(qū)建設(shè)，將對(duì)我省馬鈴薯品種更新?lián)Q代，以及脫毒種薯的普及應(yīng)用，幫助農(nóng)民脫貧致富，推動(dòng)地方優(yōu)勢(shì)特色農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，促進(jìn)我省馬鈴薯產(chǎn)業(yè)化再上新臺(tái)階具有重要意義。

用于確定主要污染物的性質(zhì)和程度，反映在不同水質(zhì)參數(shù)與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)之間的綜合對(duì)應(yīng)關(guān)系中[10]。

4.3 模糊綜合評(píng)判法

(1)評(píng)價(jià)的模型。

(2)適用的條件。

它服務(wù)于對(duì)廢水質(zhì)量的綜合評(píng)估，要求相對(duì)較高，且存在許多不確定性[11,12]。

4.4 主成分分析法

(1)評(píng)價(jià)的模型。

Fi=a1×y1×a2×y2+…+ap×yp

F=(c1×F+c2×F2+c3×F3…)/(c1+c2+c3+…)

(2)適用的條件。

用于綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)因素較多，要求較高[13]。

4.5 水污染指數(shù)法

(1)評(píng)價(jià)的模型。

WPI=Max(WPI(i))

(2)適用的條件。

其用于水質(zhì)斷面的測(cè)定、水質(zhì)定量評(píng)價(jià)和主要污染物鑒別，以及包括劣質(zhì)水的綜合比較[14]。

5 評(píng)價(jià)范圍內(nèi)污染物種類及濃度

沈陽市某檢測(cè)技術(shù)中心于2020年4月5日進(jìn)場(chǎng)，對(duì)喀左縣公營(yíng)鎮(zhèn)擬評(píng)價(jià)范圍的地表水、地下水進(jìn)行采樣，從2020年4月6～19日進(jìn)行樣品分析檢測(cè)，2020年4月15日提交檢測(cè)報(bào)告。

本次水樣的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)按《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》GB/T 5750(.4～.8及.12)-2006進(jìn)行，檢測(cè)結(jié)果見表1和表2。

表1 兩岸地下水檢測(cè)結(jié)果

表2 上下游地表水檢測(cè)結(jié)果

6 評(píng)價(jià)結(jié)果分析和比較

5種評(píng)價(jià)方法對(duì)2020年該地區(qū)地下水、地表水各個(gè)污染物的的評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

表3 利用單因子評(píng)價(jià)法和綜合污染指數(shù)法識(shí)別的主要水質(zhì)污染指標(biāo)

根據(jù)水環(huán)境管理的有關(guān)規(guī)定，從水質(zhì)量定性評(píng)價(jià)、定量評(píng)價(jià)、重點(diǎn)污染指標(biāo)識(shí)別3個(gè)方面對(duì)方法結(jié)果進(jìn)行選擇和分析[15]。

6.1 水質(zhì)定性評(píng)價(jià)

通過國(guó)家統(tǒng)一的水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)單因素指數(shù)評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法和水污染指數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而得出該處水質(zhì)的相應(yīng)等級(jí)[16]。其中，單因子指數(shù)分析法和水污染指數(shù)分析法對(duì)于斷面水質(zhì)類別均是采取最差的污染物指標(biāo)來判別的。然而，在應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行水質(zhì)分析評(píng)價(jià)時(shí)，必須考慮到當(dāng)?shù)厮h(huán)境的復(fù)雜性和分類邊界的模糊性。需要考慮的是評(píng)價(jià)水質(zhì)在功能范圍內(nèi)分類的局限性，更不用說根據(jù)各評(píng)價(jià)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際情況增加相應(yīng)的權(quán)重[17]。和單因子指數(shù)法與水污染指數(shù)法來進(jìn)行比較，這種方法是通過最優(yōu)值與最差值的差來確定水質(zhì)類別，相對(duì)來說比較合理，這也是應(yīng)用模糊綜合評(píng)判法來評(píng)定的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果好于其他兩種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的重要原因。此次研究采取的4個(gè)斷面水樣的檢測(cè)結(jié)果也顯示，應(yīng)用模糊綜合評(píng)判法得到的結(jié)果均優(yōu)于其他兩種方法的結(jié)果。但是模糊綜合評(píng)判法是不能判斷河流斷面的主要污染物的，并且其也沒有辦法對(duì)劣V類水質(zhì)進(jìn)行判定，所以此方法應(yīng)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)當(dāng)中具有較大的局限性。另從評(píng)價(jià)結(jié)果分析表中也可以準(zhǔn)確觀察出綜合污染指數(shù)法和主成分分析法對(duì)于水質(zhì)類別的判定是不可以直接確定其擬評(píng)價(jià)范圍的。

6.2 水質(zhì)定量評(píng)價(jià)

水質(zhì)斷面評(píng)價(jià)采用水污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法和主成分分析法通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量分析，與其他4種方法不同，綜合評(píng)價(jià)方法中定量指標(biāo)的模糊定義確定了水質(zhì)類別[18]。因此前面4種方法的結(jié)果不與后者得到的結(jié)果進(jìn)行比較。水質(zhì)定量評(píng)價(jià)可以更加詳細(xì)精確地知道各個(gè)水體之間的水質(zhì)差別，對(duì)于水環(huán)境管理的分析預(yù)測(cè)更加有利，但是這并不能體現(xiàn)水質(zhì)的分類類別，并且最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直接觀察性和對(duì)比分析性較弱，這是因?yàn)檫@種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法得出的結(jié)果是沒有辦法直接比較的。再加上其在處理數(shù)據(jù)時(shí)的計(jì)算量相對(duì)比較大，因而其可操作性相對(duì)來說較差一些。

6.3 主要污染指標(biāo)識(shí)別

單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法和主成分分析法可以識(shí)別和評(píng)價(jià)主要污染物。單因子評(píng)價(jià)法是根據(jù)污染物評(píng)價(jià)指標(biāo)的超標(biāo)倍數(shù)[19]進(jìn)一步確定主要污染物。綜合污染指數(shù)法根據(jù)污染分擔(dān)率[20]進(jìn)一步確定主要污染物。

單因子指數(shù)的選取原則與水污染指數(shù)的選取原則相似。當(dāng)水質(zhì)斷面水質(zhì)良好時(shí)，未對(duì)主要污染物指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。但水質(zhì)橫斷面評(píng)價(jià)水平超過國(guó)家三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，前三項(xiàng)指標(biāo)超過最大指標(biāo)為水質(zhì)評(píng)價(jià)斷面的主要污染物指標(biāo)。但是，如果不同的指標(biāo)與相應(yīng)的評(píng)價(jià)水質(zhì)相同，則需要計(jì)算其相對(duì)超標(biāo)倍數(shù)。然后按超標(biāo)倍數(shù)進(jìn)行組織，并以前三項(xiàng)的相應(yīng)項(xiàng)目作為該斷面處的主要污染物指標(biāo)。

綜合污染指數(shù)法在篩選污染指標(biāo)時(shí)一般會(huì)優(yōu)先選取分擔(dān)率排在前三項(xiàng)的污染指標(biāo)當(dāng)做該處的主要污染指標(biāo)，但是這種辦法無法判斷水質(zhì)的類別，因此在篩選主要污染指標(biāo)時(shí)較容易篩選出較輕污染的指標(biāo)類別。

7 結(jié)論

水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有許多種，但歸根結(jié)底，想要規(guī)劃出一個(gè)較好的水質(zhì)斷面評(píng)價(jià)方案，至少需要同時(shí)滿足2個(gè)條件：包括定性分析與定量分析。定性水質(zhì)分析的結(jié)果是要求符合國(guó)家相對(duì)應(yīng)的水質(zhì)類別的基本標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而使水質(zhì)斷面評(píng)價(jià)的最終結(jié)果更加的直觀簡(jiǎn)潔；但定量分析是在比較水質(zhì)類別比較類似的幾種水體，體現(xiàn)出來的是水體之間的差別性。喀左縣4個(gè)水質(zhì)評(píng)價(jià)斷面的水質(zhì)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果表明:

(1)單因素評(píng)價(jià)法基于簡(jiǎn)單的操作，可以評(píng)價(jià)水質(zhì)斷面中的主要污染物，同時(shí)也可以判定該處斷面水質(zhì)類別。

(2)主成分分析法與綜合污染指數(shù)法則可以比較好地進(jìn)行水質(zhì)斷面定量方面的水質(zhì)評(píng)價(jià)，同時(shí)也可以篩選出該斷面處主要的污染物指標(biāo)，但是并不能判定水質(zhì)斷面的水質(zhì)類別，而且評(píng)價(jià)的計(jì)算和操作也相對(duì)復(fù)雜。

(3)水污染指數(shù)法則是可以同時(shí)滿足定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)與定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)的最基本要求，但是對(duì)于所有污染物指標(biāo)間的權(quán)重是沒有辦法評(píng)價(jià)其差別性的，不能評(píng)價(jià)某些污染物的污染指數(shù)，例如重金屬污染物等，也不能評(píng)價(jià)其污染程度。因此，總體上來講，水污染指數(shù)評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)操作過程簡(jiǎn)單，其評(píng)價(jià)的結(jié)果也更加清晰明了，相比較而言，此方法在水質(zhì)評(píng)價(jià)當(dāng)中的應(yīng)用更加具有前景，并且其應(yīng)用范圍也更加廣闊。