內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法在太湖水質(zhì)評(píng)價(jià)中的適用性分析

徐 彬，林燦堯，毛新偉

(1.太湖流域水文水資源監(jiān)測(cè)中心，江蘇 無(wú)錫 214024;2.水利部水文局，北京 100053)

水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法很多，總體分為單因子評(píng)價(jià)法和綜合評(píng)價(jià)法兩大類(lèi)。單因子評(píng)價(jià)法將各參數(shù)濃度代表值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)逐項(xiàng)對(duì)比，以單項(xiàng)評(píng)價(jià)最差項(xiàng)目的類(lèi)別作為水質(zhì)類(lèi)別，同時(shí)說(shuō)明超標(biāo)項(xiàng)目和超標(biāo)倍數(shù)，是GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中所采用的評(píng)價(jià)方法［1］，目前使用最多;綜合評(píng)價(jià)法的主要特點(diǎn)是用各種污染物的相對(duì)污染指數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)上的歸納和統(tǒng)計(jì)，得出一個(gè)較簡(jiǎn)單的代表水體污染程度的數(shù)值。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)法能了解多個(gè)水質(zhì)參數(shù)與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)之間的綜合相對(duì)關(guān)系，但有時(shí)也會(huì)掩蓋高濃度的影響［1］。

綜合評(píng)價(jià)法有幾十種之多，包括指數(shù)評(píng)價(jià)法、健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法、模糊評(píng)價(jià)法、灰色評(píng)價(jià)法、物元分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法等。指數(shù)評(píng)價(jià)法因數(shù)學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)潔、結(jié)果易于使用而被廣泛應(yīng)用，內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法便是其中一種［2］。由于該方法是 GB/T 14848—1993《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的推薦方法［3］，故在地下水評(píng)價(jià)中應(yīng)用較多，而在地表水評(píng)價(jià)中則較少涉及。筆者嘗試將其應(yīng)用于太湖水質(zhì)評(píng)價(jià)中，以期能夠更加簡(jiǎn)明合理地反映水質(zhì)綜合污染程度，為水資源保護(hù)提供一種更有助于提高工作效率的技術(shù)方法。

1 內(nèi)梅羅水污染指數(shù)簡(jiǎn)介

內(nèi)梅羅指數(shù)由美國(guó)敘拉古大學(xué)內(nèi)梅羅(N L Nemerow)教授于1974年在其所著的《河流污染科學(xué)分析》一書(shū)中提出［4］。內(nèi)梅羅指數(shù)是一種兼顧極值或稱(chēng)突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。其計(jì)算公式為

式中:IP為內(nèi)梅羅指數(shù);Iimax為所有評(píng)價(jià)因子中污染指數(shù)最大值;為所有評(píng)價(jià)因子的污染指數(shù)平均值;Ii為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的污染指數(shù);Ci為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)值;Coi為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值。

一般來(lái)說(shuō)，如果IP≤1，說(shuō)明環(huán)境質(zhì)量較好，水體較清潔;如果IP＞1，則說(shuō)明環(huán)境質(zhì)量較差，水體受到了污染。

根據(jù)對(duì)其計(jì)算公式的理解，內(nèi)梅羅指數(shù)特別突出了污染最嚴(yán)重的評(píng)價(jià)因子，同時(shí)也一定程度的兼顧了其他水質(zhì)較好的參評(píng)因子對(duì)總體結(jié)果的貢獻(xiàn)，尤其避免了在計(jì)算過(guò)程中各因子權(quán)重人為賦值的主觀影響。

2 太湖水質(zhì)評(píng)價(jià)應(yīng)用

2.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)

2005—2012 年評(píng)價(jià)因子為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中除水溫和糞大腸菌群之外的22項(xiàng)基本指標(biāo)項(xiàng)目，另有透明度和Chl-a作為營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo);20世紀(jì)90年代至2005年受到當(dāng)時(shí)監(jiān)測(cè)條件所限，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)僅包括 DO、pH、TP、TN、NH3-N、CODMn、BOD5、FN 等 8 項(xiàng)指標(biāo)，另有 2000—2005年的透明度和1998—2005年的Chl-a作為營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo);而1981年僅有 CODMn、NH3-N、TP、TN以及Chl-a等5項(xiàng)數(shù)據(jù)。由于太湖主要是受N、P營(yíng)養(yǎng)鹽及耗氧有機(jī)物污染，TN和TP為主要超標(biāo)指標(biāo)，因此在已包含TN和TP兩項(xiàng)指標(biāo)的前提下，不同年份參評(píng)指標(biāo)的變化對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果之間可比性的影響較小。太湖作為流域內(nèi)重要的飲用水源地，使用內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算時(shí)，各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)值采用相應(yīng)的Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，1981年太湖的內(nèi)梅羅指數(shù)值為0.82，表明參評(píng)指標(biāo)的達(dá)標(biāo)情況較好，太湖水質(zhì)較為潔凈;20世紀(jì)90年代以后指數(shù)值均大于1，表明存在長(zhǎng)期超標(biāo)指標(biāo)，水質(zhì)一直處于相對(duì)污染狀態(tài);2006年指數(shù)出現(xiàn)最大值，太湖水質(zhì)為歷史最差時(shí)期;2007—2012年指數(shù)值大體呈下降趨勢(shì)，表明水質(zhì)在逐步好轉(zhuǎn)?？梢钥闯稣麄€(gè)過(guò)程中2006—2007年為太湖水質(zhì)的歷史轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該變化趨勢(shì)與太湖自2007年供水危機(jī)后大量綜合整治措施不斷落實(shí)并逐漸收效的宏觀過(guò)程相吻合，說(shuō)明內(nèi)梅羅指數(shù)法能夠?qū)λw質(zhì)量綜合狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的宏觀定位，評(píng)價(jià)結(jié)果合理。

表1 不同年份太湖水質(zhì)的內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 與單因子評(píng)價(jià)法的對(duì)比

單因子評(píng)價(jià)法是GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中所規(guī)定的評(píng)價(jià)方法，屬于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法，是目前使用最廣泛的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。太湖水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同年份太湖水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果

單因子評(píng)價(jià)結(jié)果由水質(zhì)類(lèi)別、超標(biāo)項(xiàng)目及超標(biāo)倍數(shù)(本文僅列出最大超標(biāo)倍數(shù))3部分組成。單從水質(zhì)類(lèi)別結(jié)果來(lái)看，1981年太湖水質(zhì)較好，為Ⅲ類(lèi)，但20世紀(jì)90年代至今則始終在Ⅴ類(lèi)和劣Ⅴ類(lèi)之間來(lái)回波動(dòng)，無(wú)法看出明顯的變化趨勢(shì)和細(xì)節(jié)差異。如果連同超標(biāo)項(xiàng)目及超標(biāo)倍數(shù)一并分析，則可以較為詳細(xì)的了解不同年份的水質(zhì)細(xì)節(jié)，但是卻很難將各年度水質(zhì)綜合污染狀況繪制成變化趨勢(shì)圖等進(jìn)行直觀對(duì)比。在實(shí)際應(yīng)用中，如果評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)量較多且超標(biāo)指標(biāo)差異較大，使用該方法很難快速獲取較為精細(xì)的水質(zhì)總體變化趨勢(shì);而對(duì)于宏觀管理來(lái)說(shuō)，由3部分組成的復(fù)合型評(píng)價(jià)結(jié)果不夠簡(jiǎn)明，相較于內(nèi)梅羅指數(shù)法的單一數(shù)值型結(jié)果，不能很方便地用于數(shù)理統(tǒng)計(jì)和圖表繪制，其利用價(jià)值難以有效發(fā)揮。

2.3 與營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)法的對(duì)比

太湖水質(zhì)污染主要是由富營(yíng)養(yǎng)化引起的。根據(jù)SL395—2007《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》中的湖庫(kù)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)方法［5］，使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)所得太湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同年份太湖營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

將太湖的內(nèi)梅羅指數(shù)和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.89，具有很強(qiáng)的線性相關(guān)性(圖1)。

圖1 內(nèi)梅羅指數(shù)與營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的相關(guān)性

由于太湖是典型的富營(yíng)養(yǎng)化湖泊，其水質(zhì)超標(biāo)最為嚴(yán)重的TN、TP同時(shí)也是營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此內(nèi)梅羅指數(shù)與營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果之間理應(yīng)存在一定的相關(guān)性，而分析結(jié)果則很好地印證了這一點(diǎn)。與成熟的國(guó)標(biāo)方法結(jié)果比對(duì)表明，內(nèi)梅羅指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果在不同污染程度的區(qū)間范圍內(nèi)分布合理，評(píng)價(jià)方法較為可靠。

3 方法評(píng)價(jià)

受到自身算法的限制，內(nèi)梅羅指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果存在一個(gè)公認(rèn)的特點(diǎn)，即評(píng)價(jià)結(jié)果特別突出了超標(biāo)最嚴(yán)重的指標(biāo)影響，尤其是在評(píng)價(jià)指標(biāo)較多并且僅有個(gè)別指標(biāo)超標(biāo)的情況下，占多數(shù)的低濃度指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響有限［6-7］，屬于相對(duì)嚴(yán)格的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。對(duì)于很多研究性工作來(lái)說(shuō)，該特點(diǎn)不利于對(duì)水體質(zhì)量做出全面均衡的評(píng)價(jià)，對(duì)此很多學(xué)者提出了內(nèi)梅羅指數(shù)的各種修正方案。

但對(duì)于水資源保護(hù)管理部門(mén)來(lái)說(shuō)，其工作重點(diǎn)恰恰正是超標(biāo)項(xiàng)目，且超標(biāo)越嚴(yán)重的越需關(guān)注。在管理工作中，使用內(nèi)梅羅指數(shù)能夠更加快捷地將各指標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中超標(biāo)最嚴(yán)重的通過(guò)數(shù)值型評(píng)價(jià)結(jié)果反映出來(lái)，幫助工作人員對(duì)繁雜的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，快速區(qū)分和篩選出不同污染程度的水體。

另外，內(nèi)梅羅指數(shù)結(jié)果為一個(gè)簡(jiǎn)單的分值，無(wú)論是否為專(zhuān)業(yè)人士，都能較為輕易地通過(guò)其對(duì)水質(zhì)污染程度做出大致判斷。如果將其用于水質(zhì)信息的通報(bào)發(fā)布，可便于不同層次讀者對(duì)水質(zhì)狀況的了解和判讀。

4 結(jié)論

內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法在太湖水質(zhì)評(píng)價(jià)中具有較好的適用性。該方法計(jì)算過(guò)程便捷，結(jié)果簡(jiǎn)明易用，方法合理可靠，相較于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的單因子評(píng)價(jià)法能夠更加簡(jiǎn)捷地反映綜合水質(zhì)狀況且便于統(tǒng)計(jì)分析利用，有助于管理人員跨過(guò)繁雜的原始數(shù)據(jù)快速掌握不同水體的污染程度，是水資源保護(hù)和管理工作中的一項(xiàng)有力工具。目前該評(píng)價(jià)方法已初步應(yīng)用于太湖健康狀況評(píng)價(jià)中。

［1］GB 3838—2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］彭文啟，張祥偉.現(xiàn)代水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)理論與方法［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［3］GB/T 14848—1993地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］關(guān)伯仁.評(píng)內(nèi)梅羅的污染指數(shù)［J］.環(huán)境科學(xué)，1979(4):67-71.(GUAN Boren.Assessmentof Nemerow pollution index［J］.Environmental Science，1979(4):67-71.(in Chinese))

［5］SL 395—2007地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程［S］.

［6］李亞松，張兆吉，費(fèi)宇紅，等.內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)法的修正及其應(yīng)用［J］.水資源保護(hù)，2009，25(6):48-50.(LI Yasong，ZHANG Zhaoji，F(xiàn)EI Yuhong，et al.Improvement of Nemerow index method and its application［J］.Water Resources Protection，2009，25(6):48-50.(in Chinese))

［7］寇文杰，林健，陳忠榮，等.內(nèi)梅羅指數(shù)法在水質(zhì)評(píng)價(jià)中存在問(wèn)題及修正［J］.南水北調(diào)與水利科技，2012，10(4):39-41.(KOU Wenjie，LIN Jian，CHEN Zhongrong，et al.Existing problems and modifications of using Nemerow index method in water quqlity assessment［J］.South-to-North Water Diversion and Water Science ＆ Technology，2012，10(4):39-41.(in Chinese))