不同水质评价方法在滦河下游段的比较应用

王 竹，朱士江，刘 扬，王 芳

(1. 三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

河流水质评价方法是客观认识水环境现状的必要工具，采用科学有效的水质评价方法能更准确地反映水体污染现状，为水环境的综合治理及保护提供科学依据。国外对水质评价的研究始于20世纪50年代，R. K. Horton首先开始了水质评价的研究，其在1965年提出了水质评价的豪顿水质指数(QI)，随后R. M. Brow等[1]在1970年根据专家意见对11项重要参数加权平均，进一步提出了水质现状评价的水质指数法WQI；N. L. Nemerow[2]提出了内梅罗指数法并应用于分析纽约州地表水污染状况；20世纪90年代，以计算机为工具的数学统计方法和数值模型被运用于水质评价领域，如Puckett[3]等以弗吉尼亚州某些河流的主要化学指标为研究对象，利用主成分分析法进行了水质评价；随后生物指标的加入使得水质评价更加全面科学[4]。

国内水质评价工作始于20世纪70年代，1974年我国提出了第一个能综合反映水质污染状况的综合评价指数，避免了评价单项水质的片面性。邓聚龙等[5,6]于1982年提出灰色系统理论，并将灰色关联分析(GRA)应用于评价汉江水质；徐祖信等[7,8]在2005年提出了水质标识指数法，并应用于上海市典型断面的水质评价；2013年肖长来等[9,10]将灰色关联法和层次分析法结合并应用于吉林市地下水综合评价。目前已有诸多成熟的水环境评价方法应用于我国水质评价和管理中，其中代表性的有指数评价法、灰色评价法、模糊数学法、层次分析法、人工神经网络法等。

综合国内外水质评价的相关研究，尚无具有普适性的水质评价方法，本文采用广泛应用的单因子评价法、内梅罗指数法、综合污染指数法、模糊数学法、主成分分析法等5种评价方法，以滦河下游段及冀东沿海诸河为例，对比不同方法的评价结果并分析其适用性。

1 评价方法与标准

1.1 单因子评价法

单因子评价是通过比较评价因子的极值或平均值与标准值的大小来判断水质级别的方法。计算公式为：

(1)

式中：Pi为某项指标的相对污染值；ci为某指标的最大实测浓度值(溶解氧取最小值)；c0为某指标的最高允许标准值，具体数值见表2。

1.2 内梅罗指数法

内梅罗污染指数法是将单项水质参数的实测结果与地表水环境质量进行对比，按下式计算出综合指数，并据相应的分级标准评价水质状况。

(2)

式中：Peve为指某项指标污染指数的平均值；Pmax为某项指标污染指数的最大值。

1.3 综合污染指数法

综合污染指数通过求得水体污染的综合指数，按水质分级标准划定水质的等级。计算公式为：

(3)

式中：P为综合污染指数；Pi为单因子评价法中计算出的某项指标的相对污染值，分级标准见表1。

表1 污染指数分级标准

1.4 模糊数学综合评价法

模糊数学综合评价法通过构造隶属度函数将水质指标参数的实测值转化为反映质量优劣程度的质量值，并用隶属度来描述水质界限的模糊度。主要步骤为：

(1)建立评价对象因子集U={U1,U2,U3,…,Un}，其中Ui是参与评价的n个污染指标的实测质量浓度值。

(2)建立评价集v={v1,v2,v3,v4,v5}，即环境质量标准等级组成的集合v={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ}。

(3)确定权重系数及归一化处理。按“实测浓度超标准限值越多权重越大”的原则对每个评价因子Ui赋予权重ai，n个评价因子的权重构成权重集A={a1,a2,…,an}。根据超标倍数法确定权重的计算公式为：

(4)

(5)

(6)

评价因子的权重归一化处理得到权重集，V={V1,V2,…,Vn}。

(4)建立隶属函数。若Xi表示某一污染因子的实测浓度，则Xi对于等级n的隶属关系表示为：

(7)

式中：rij表示评价因子i对级别j的隶属度(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)；Xi是评价因子i的实测值Ui；Sij表示评价因子i的第j级水质标准。

建立各水环境质量评价因子与评价标准之间的模糊关系，根据计算公式得到m×n模糊评价矩阵R：

(8)

(5)矩阵复合运算。将模糊权重集V与模糊评价矩阵R按如下公式进行复合运算得到模糊综合评价向量B：

(9)

若B=(b1,b2,…,bm)中bj(j=1,2,…,5)最大，则该评价因子的水体质量被评为j级[11,12]。

1.5 主成分分析法

主成分分析法是利用降维的思想将多个指标转化成几个综合指标的多元的方法，这些综合指标即主成分相对于原始变量来说有更多的优越性，可提高分析效率[13]。主要步骤如下。

(1)建立原始变量矩阵X，由m个样本的n个因子组成：

(10)

(2)对原始变量矩阵X进行标准化处理，采用Z-Score进行标准化：

(11)

(12)

(13)

(3)计算标准化数据的相关系数矩阵及其特征根，确定主成分个数。

(4)确定主成分Fi(i=1,2,…,p)的表达式如下：

(14)

(5)确定综合评价函数F：

(15)

式中：a1m,a2m,…,anm为原始变量矩阵X的协方差矩阵∑的特征值对应的特征向量；ZX1,ZX2,…,ZXn为原始变量矩阵X经过Z-Score标准化处理后的值；λ1,λ2,…,λp为矩阵ZX的特征值；m为样本个数；n为评价因子的个数；p为主成分个数。

1.6 水质评价标准

根据中华人民共和国国家标准《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)确定研究河段Ⅰ～Ⅴ类水质标准值[14]，见表2。

表2 《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)水体监测标准mg/L

项目标准值Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类五日生化需氧量(BOD5)≤ 3≤ 3≤ 4≤ 6≤ 10化学需氧量(COD)≤ 15≤ 15≤ 20≤ 30≤ 40氨氮(NH3-N)≤ 0.15≤ 0.5≤ 1≤ 1.5≤ 2总磷(以P计)≤ 0.02≤ 0.1≤ 0.2≤ 0.3≤ 0.4高锰酸盐指数(CODMn)≤ 2≤ 4≤ 6≤ 10≤ 15溶解氧(DO)≥ 7.5≥ 6≥ 5≥ 3≥ 2

2 应用实例

滦河是海河流域主要支流之一，其下游段及冀东沿海诸河位于河北省东北部，东经118°33′～119°51′，北纬39°22′～40°37′，滦河下游段流域面积近3 774 km2，冀东沿海诸河流域面积近2 736 km2，均在秦皇岛市境内注入渤海。随着该流域内水质问题的凸显，保证水功能区水质达标、防止近海海域水质恶化变得尤为重要。

本研究选取流域内7条主要入海河流共计17个监测断面，2017年1-12月水质监测数据，具体断面位置见图1。各监测断面选取溶解氧(DO)、五日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(COD)、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)和总磷(TP)作为本次水质评价的6项指标。监测数据来源于秦皇岛市水务局。

图1 研究区水质监测断面分布

2.1 评价结果

利用Excel软件根据公式计算单因子评价法、内梅罗指数法和综合污染指数法结果；利用Matlab计算模糊数学法的相关矩阵；由SPSS软件计算主成分分析法中的主成分及贡献率、相关系数等，5种方法的评价结果及断面所属水功能区、目标水质信息见表3。

2.2 水质定性分析

单因子评价法、内梅罗污染指数法和综合污染指数法的具体评价结果见表3。单因子评价所有监测断面的水质均属劣Ⅴ类，主要原因是所有断面内均有某项指标劣于目标水质；内梅罗指数法评价结果显示仅5个监测断面属于轻污染，其他断面均属于污染至严重污染，其中昌黎(S13)、杨古泊村北(S14)、364省道桥(S15)、和平桥橡胶坝(S16)监测断面污染严重；综合污染指数法显示8个监测断面属于轻度污染，其他断面均属于中度污染至重污染，其中364省道桥(S15)污染严重。对比分析可知，单因子评价根据监测指标与水质标准对比判断水质等级，确定主要超标污染物；内梅罗和综合污染指数法采用最差指数来判别断面水质优劣，进而确定超标倍数或污染分担率，但该指数未与水质标准对应而无法判定水质等级。内梅罗指数法和综合污染指数法的评价结果相近，但也有差别，主要体现在内梅罗指数法考虑了污染指标的极值和均值，而综合污染指数法是对极值求平均，从而坦化了极值。

表3 5种方法评价结果及水功能区信息

注：模糊数学法中“-”表示该断面不属于水功能区，按Ⅴ类水标准评价；主成分分析法仅列出断面某月最大F值。

对比模糊数学法和主成分分析法，前者的评价结果能够区分断面各月随季节的变化情况和水质等级，确定全年中具体月份是否达到水功能区目标，但无法识别主要污染因子；后者采用各月综合主成分F值排序以掌握断面全年水质状况，可筛选主要污染因子，如NH3-N、CODMn、BOD5等，但无法识别水质等级，且不同断面之间无法比较。

因此，从水质定性评价方法和结果来看，内梅罗指数法和综合污染指数法计算简单，评价结果能同时满足划分水质等级、确定主要污染因子的双重要求。

2.3 水质定量分析

在定量分析方面，以上5种评价方法均可定量描述水质状况。单因子评价和模糊数学法结果类似，均采用评价级别来反映断面水质，前者通过断面达标率、污染物超标倍数定量描述水质状况，但相较于其他方法，评价结果过于保守以至于无法体现不同断面之间的变化趋势和差异，如本次所有断面评价结果均为劣Ⅴ类；后者通过逐月评价水功能区达标率来反映水质状况，如本次评价结果中水质达标率未超过50%的断面有昌黎(S13)、减河(S15)、杨古泊村北(S14)等，其中Ⅴ类水所占比例依次为75%、83.3%、91.7%；水质达标率较高的断面有石河水库坝上(S12)、入海橡胶坝(S11)，Ⅰ类水月份占全年比例分别为66.7%、58.3%。模糊数学法解决了水环境中大量污染因素的不确定性，但权重的分配强调了极值的信息而弱化了其他有用信息，具有一定主观性。

内梅罗指数法和综合污染指数法的结果趋势一致，尤其针对水质较差的断面，如364省道桥(S15)、杨古泊村北(S14)，但结果显示水质相对较好的断面也存在一定差异，如洋河水库坝上(S7)等断面。内梅罗指数法评价结果中河流水质属于轻污染、污染、重污染、严重污染的比例依次为29.4%、23.5%、11.8%、35.3%；而综合污染指数法结果中轻度污染、中度污染、重污染、严重污染的比例依次为47.1%、17.6%、29.4%、5.9%。综合污染指数法评价结果较内梅罗指数法好，主要因为考虑了水质污染因子的综合影响，对指标实测值进行了均值化从而降低了主要污染因子的贡献率。相对于单因子评价法，内梅罗指数法将实测均值与最大值作为依据，提高了评价结果的综合性，规避了权重分配中的主观因素，但水质等级的划分较粗，会导致水质状况接近的断面无法区分。综合污染指数法是在单因子指数的基础上取均值，能综合反映河流的污染状况，且不同断面之间的结果容易比较。综合结果来看，两种方法均不能判断水质类别，无法从评价结果中分析与水功能区目标的关系，存在一定的缺陷。

主成分分析法可利用SPSS软件提取主成分并分析相关性、贡献率及其载荷值，得出断面的主要污染指标，通过计算主成分综合数值F并排序，比较断面各月具体的水质状况及变化趋势。该方法评价结果为上半年3-5月NH3-N贡献率较高，可能原因是受春季冰雪融化和春灌施肥影响，导致入河氨氮含量增加；下半年9-11月CODMn贡献率较高，可能是由于汛期降雨冲刷携带大量陆域有机污染物入河，在秋季由于径流量减少而凸显浓度增高。但主成分分析法不适于断面之间的比较，也无法识别水质等级与水质标准的关系，所以主成分分析法不能单独应用于水质评价中。

因此，从水质定量评价方法和结果来看，单因子评价法和模糊数学法评价结果较笼统，后者可判断水质级别但无法识别主要污染物；内梅罗污染指数和综合污染指数法可划分水质等级和分析主要污染物，但无法与水质标准进行比较；主成分分析法可分析具体月份的超标污染物、贡献率，但无法识别劣Ⅴ类水质。

2.4 方法适用性分析

结合5种分析方法结果可知研究区的水质相对较差，单因子评价法的结果反映水质级别均为劣Ⅴ类，各断面评价结果没有差异，但计算简单，适用于快速判断水质类别。内梅罗污染指数法和综合污染指数法可对断面进行分级，断面之间可进行比较但划分依据常受主观因素影响，但级别划分较粗，因此适用于分析污染严重的断面及污染因子。模糊数学法避免了水环境中模糊的概念，但无法识别污染因子，因此适用于分析断面各月水质是否达到水功能区目标。主成分分析法可提供污染因子、贡献率、断面各月水质优劣等信息，但评价结果无法与水质标准对比，因此适用于不同空间、时间下的污染物来源分析。5种水质评价方法的对比分析见表5。

表4 五种水质评价方法对比

3 结 语

(1)研究区水质均为劣Ⅴ类，所有断面均未达到目标水质。石河、洋河水质相对较好，饮马河、汤河水质污染严重，主要污染物为NH3-N、高锰酸盐指数，春、秋季污染劣于夏、冬季。

(2)对比5种水质方法可知：单因子评价法可判断水质等级和主要污染物，简单易行但较片面，不能完整地评价整片水域的水质状况。内梅罗污染指数法操作简单，但划分水质等级的界限具有一定主观性，适用于直观快捷地判断水质超标状况。综合污染指数法计算简单，可判断水质级别、主要污染物和分担率。模糊数学法综合考虑了水环境中多种因素，但无法识别污染因子。主成分分析法可分析断面水质污染指标、贡献率，但无法识别劣Ⅴ类水，计算相对复杂。不同的分析方法各有优势，相互结合才能优势互补。

(3)对于滦河下游及冀东沿海诸河而言，该流域水质整体较差，需要精细化识别超标月份、超标指标、超标倍数、水质等级、污染贡献率等信息，因此在本流域，采用以单因子评价法和主成分分析法相结合的评价方法能同时满足定性定量评价水质的要求，有针对性地为水资源和水环境管理部门提供决策支持。