不同水質(zhì)評價方法在丹江口流域水質(zhì)評價中應用比較

張亞麗，周 揚，程 真，姚志鵬，申 劍，王瀟磊

1．河南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院 河南省高校農(nóng)業(yè)資源利用工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002

2．中國環(huán)境監(jiān)測總站國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

3．河南省環(huán)境監(jiān)測中心，河南 鄭州 450004

河流水質(zhì)評價是水環(huán)境管理的基礎(chǔ)性工作，采用科學合理的水質(zhì)評價方法，才能準確地反映當前的水體質(zhì)量和污染狀況，弄清水體質(zhì)量變化發(fā)展的規(guī)律，找出主要污染問題，為水污染治理、水功能區(qū)劃、水環(huán)境規(guī)劃以及水環(huán)境管理提供依據(jù)［1］。國外對河流水質(zhì)狀況評價的研究始于20世紀60年代，隨著人們對環(huán)境狀況的關(guān)注而逐漸興起。以Jacobs［2］提出水體質(zhì)量評價的水質(zhì)指數(shù)(WQI)概念和公式為標志，掀起了西方研究水環(huán)境質(zhì)量的熱潮，許多學者采用不同方法對水環(huán)境質(zhì)量評價進行了研究。國內(nèi)對水環(huán)境質(zhì)量研究也有近30年的歷史，水質(zhì)評價方法多種多樣，如單因子評價法、綜合污染指數(shù)法等。中國現(xiàn)行的水環(huán)境質(zhì)量標準為原國家環(huán)?？偩?002年頒布的《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)，但在實際工作中卻沒有成為統(tǒng)一的參考標準［3］。綜合國內(nèi)外研究，目前在河流水質(zhì)評價方面，尚無統(tǒng)一、公認的評價模式。本文結(jié)合河南省環(huán)保廳關(guān)于丹江口流域水質(zhì)評價工作，以丹江口流域7個河流常規(guī)監(jiān)測斷面為研究對象，采用單因子評價法、水污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、模糊綜合評判法、主成分分析法5種評價方法，對丹江口流域的水質(zhì)進行評價，綜合分析評價結(jié)果，并對各評價方法優(yōu)缺點及適用范圍進行比較分析。

1 評價區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

丹江口庫區(qū)及上游地區(qū)流域面積9.52萬平方公里，是南水北調(diào)中線工程的水源區(qū)，其干流多為沿岸居民的生活飲用水水源。研究選取丹江口庫區(qū)上游7個河流常規(guī)監(jiān)測斷面，斷面名稱分別為陳家坡、東河口、高灣、劍河口、浪河口、神定河口、泗河口。評價所采用的數(shù)據(jù)為這7個斷面2012年1—12月的月平均監(jiān)測數(shù)據(jù)。參與評價的指標為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)表1中除水溫、pH、總氮外的21項指標。

2 幾種河流水質(zhì)評價方法概述

河流水質(zhì)評價方法眾多，研究采用環(huán)境監(jiān)測較常用的單因子指數(shù)評價方法、綜合污染指數(shù)評價方法、模糊綜合評判法、主成分分析法、水污染指數(shù)法5種評價方法。綜合5種方法，根據(jù)其評價步驟，可概括為單因子評價法和包括后4種的綜合指標法。單因子評價法簡單明了，將各參數(shù)濃度與評價標準對比，以最差的水質(zhì)類別作為水質(zhì)綜合評價結(jié)果，是各種綜合評價法的基礎(chǔ);綜合指標法以綜合為特點，選取合適的評價因子，建立評價模型，是目前水質(zhì)評價研究的熱點。5種評價方法各有特色，適用條件也有所差異，其對比情況見表1。其中，水質(zhì)類別與WPI的對應值見表2。

表1 5種水質(zhì)評價方法及其適用條件

表2 水質(zhì)類別與WPI對應值

3 評價結(jié)果比較分析

5種評價方法對2012年丹江口7個監(jiān)測斷面評價結(jié)果見表3。根據(jù)水環(huán)境管理需求，分別從水質(zhì)定性評價、定量評價、主要污染指標識別3方面，將各方法得出的結(jié)果進行對比分析。

表3 丹江口河流斷面水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果對比

3.1 水質(zhì)定性評價

單因子指數(shù)評價方法、模糊綜合評判法、水污染指數(shù)法可以根據(jù)國家規(guī)定的地表水分類標準進行評價，并得到相應的水質(zhì)類別。其中，由于單因子指數(shù)法和水污染指數(shù)法均采用最差污染物指標水質(zhì)作為斷面的水質(zhì)類別。從表3可以看出，兩種方法得到的水質(zhì)類別完全相同。而應用模糊綜合評判法評價時，由于考慮了水環(huán)境的復雜性和分級界限的模糊性，采用隸屬函數(shù)描述水質(zhì)分級界限，并根據(jù)各水質(zhì)指標的實際狀況賦予其相應的權(quán)重，相比單因子指數(shù)法和水污染指數(shù)法的以最差值確定水質(zhì)類別，前者具有較好的合理性，也是其水質(zhì)評價結(jié)果相對于另兩種定性評價方法較好的原因。研究選取的7個斷面應用模糊綜合評判法得到的評價結(jié)果均優(yōu)于單因子評價法和水污染指數(shù)法。但模糊綜合評判法無法確定河流斷面的主要污染物，且因其與水質(zhì)標準結(jié)合計算隸屬度，無法對劣V類水質(zhì)進行識別，故其在評價水質(zhì)中存在一定的局限性。從表3中可直觀看出，綜合污染指數(shù)法和主成分分析法無法確定水質(zhì)斷面的水質(zhì)類別。

3.2 水質(zhì)定量評價

水污染指數(shù)法、模糊綜合評判法、綜合污染指數(shù)法、主成分分析法通過數(shù)學模型的計算均能對水質(zhì)進行定量評價，但模糊綜合評判法定量所得分值為水質(zhì)類別評判值，與其他3種方法分值意義不同，因此不再與其他3種方法所得結(jié)果進行比較。綜合污染指數(shù)法、主成分分析法、水污染指數(shù)法在水質(zhì)定量評價時，都是數(shù)值越大水質(zhì)越差。由表3可以看出，3種定量評價方法評價結(jié)果的分值間沒有可比性，但評價結(jié)果趨勢基本一致，水質(zhì)最差斷面為神定河口，陳家坡、高灣、東河口等斷面水質(zhì)相對較好。運用定量評價可以在水質(zhì)分析時更加準確詳實地了解不同水體間的差異，有利于對水環(huán)境管理的科學預測，但不能體現(xiàn)水質(zhì)類別的分類，同時各種評價方法得出的結(jié)果無法直接比較使得結(jié)果的直觀性和對比性較弱，而且數(shù)據(jù)處理時都存在較大的計算量，可操作性較差。

3.3 主要污染指標識別

單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、主成分分析法均能進行主要污染指標的識別。單因子評價法一般根據(jù)指標的超標倍數(shù)［12］來篩選主要污染指標，綜合污染指數(shù)法則主要根據(jù)污染分擔率［13］來進行上述工作。分別采用這兩種方法對2012年丹江口流域7個斷面主要污染指標進行篩選，結(jié)果見表4。

表4 單因子評價法和綜合污染指數(shù)法識別的主要污染指標

單因子評價法篩選主要污染指標的原則和水污染指數(shù)法相似，當斷面水質(zhì)為優(yōu)或良好時，不評價主要污染指標，對斷面水質(zhì)類別超過國家Ⅲ類標準的，取超過Ⅲ類標準限值倍數(shù)最大的前3項作為該斷面的主要污染指標;當不同指標對應的水質(zhì)類別相同時計算超標倍數(shù)，將超標指標按其超標倍數(shù)大小排列，取超標倍數(shù)最大的前3項為主要污染指標。由表1水污染指數(shù)評價方法可知，水污染指數(shù)法與單因子評價法得出的結(jié)果完全一致，故在表4中不再列出。

綜合污染指數(shù)法是根據(jù)污染分擔率對斷面主要污染指標進行篩選的，一般選取污染分擔率最大的前3項指標作為該斷面的主要污染指標，但其無法進行斷面水質(zhì)類別的判定，故使其在選取主要污染指標的過程中易識別出一些污染程度較輕的指標。

主成分分析法是根據(jù)累計方差貢獻率大于85%的主成分載荷值大小來進行主要污染指標的識別［14］。應用SPSS軟件建立模型，根據(jù)提取主成分的一般要求(累積貢獻率＞85%)，只需提取前3個主成分，其方差貢獻率分別為58.55%、24.21%、9.62%，累積貢獻率達92.38%，代表了水質(zhì)評價中原始指標提供的大部分信息，且第一主成分方差貢獻率最大，故與第一主成分關(guān)系密切的指標被認為是水質(zhì)狀況的控制指標。根據(jù)計算結(jié)果可知，與第一主成分關(guān)系密切的指標有溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量、氨氮、總磷、銅、氟化物、硒、鎘、氰化物、石油類、陰離子表面活性劑共12個指標。對比表4的結(jié)果，主成分分析法的結(jié)果存在較大差異。分析發(fā)現(xiàn)，差異存在的原因有兩點:1)主成分分析法作為多元統(tǒng)計分析方法的一種，在進行水質(zhì)評價時要求數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布或接近正態(tài)分布，但在SPSS中對選取的數(shù)據(jù)檢驗后，發(fā)現(xiàn)其未能滿足條件要求;2)選取的丹江口流域7個河流水質(zhì)斷面在空間位置上較為離散，從屬于不同的河流，地理位置上跨度較大，水文水質(zhì)環(huán)境存在較大差異，使得主成分在篩選以及權(quán)重賦值過程中出現(xiàn)較大偏差，一些污染程度較輕但離散程度較大的指標被篩選為主要污染指標并被賦予較高權(quán)重，進一步導致結(jié)果失真。

4 結(jié)論

好的水質(zhì)評價方法，至少應該滿足定性分析和定量分析兩點基本需求。定性分析的結(jié)果應符合國家對水質(zhì)類別的分類標準，使水質(zhì)結(jié)果具有直觀性。而定量分析的結(jié)果應使得水質(zhì)類別相同的水體間可以進行比較，體現(xiàn)差異性。2012年丹江口流域7個斷面的水質(zhì)狀況評價結(jié)果表明:

1)單因子評價法可進行水質(zhì)類別評價以及主要污染指標篩選，評價方法簡單。

2)主成分分析法和綜合污染指數(shù)法可進行定量評價并能篩選出主要污染指標，但無法對斷面水質(zhì)類別進行判定且評價的計算過程較為繁瑣。

3)模糊綜合評判法和水污染指數(shù)法可以進行水質(zhì)類別分析和定量分析，但模糊綜合評判法無法確定主要污染指標且缺少對劣V類水體水質(zhì)的識別比較，計算過程較為復雜，這使其在應用過程中存在一定的局限性。

4)水污染指數(shù)法評價結(jié)果滿足定性和定量評價的基本要求，并能進行主要污染指標的篩選，但在評價過程中所有污染物指標間權(quán)重沒有差異性，無法體現(xiàn)重金屬等污染指標的重要程度?？傮w來說，水污染指數(shù)法是一種操作簡便、評價結(jié)果直觀明了的評價方法，在水體水質(zhì)評價中具有廣泛的應用范圍。

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