改進(jìn)綜合水質(zhì)指數(shù)法分析黃河水質(zhì)演變特征

孫藝珂 王琳 祁峰

摘要：為評價黃河干流水質(zhì)狀況，以水污染指數(shù)WPI為分項(xiàng)指數(shù)，采用主成分分析法賦權(quán)，同時引入改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法，建立了改進(jìn)的綜合水質(zhì)指數(shù)法。以黃河干流7個監(jiān)測斷面2004-2016年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用改進(jìn)的綜合水質(zhì)指數(shù)法分析黃河流域水質(zhì)的總體污染狀況和時空變化特征，結(jié)果表明：黃河干流水質(zhì)總體較好，達(dá)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的占90. 93%，水質(zhì)類別為優(yōu)；干流I～Ⅲ類水體比例呈逐年增加趨勢，水體污染程度降低，水質(zhì)呈改善趨勢；從空間變化來看，烏海海勃灣斷面、包頭畫匠營子斷面污染最為嚴(yán)重，最重污染因子為NH3-N，上游和下游地區(qū)水質(zhì)狀況較好。

關(guān)鍵詞：改進(jìn)的綜合水質(zhì)指數(shù)法：水污染指數(shù)：主成分分析法：賦權(quán)：改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)：黃河干流

中圖分類號：X824；TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.017

水質(zhì)評價是水資源規(guī)劃管理與保護(hù)的重要環(huán)節(jié)，也是地表水管理的關(guān)鍵，水質(zhì)評價可了解水體污染程度及水質(zhì)變化趨勢，有利于制定有效的整治方案，做好相應(yīng)水體治理措施。作為中國北方主要水源之一，黃河流域水體的水質(zhì)狀況受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，許多學(xué)者開展了大量針對黃河的水質(zhì)評價研究工作。

當(dāng)前評價河流水質(zhì)的方法很多，如單因子評價法、物元分析法、聚類分析法、多元統(tǒng)計分析法、綜合水質(zhì)指數(shù)法等。綜合水質(zhì)指數(shù)法將多種污染因子的相對污染指數(shù)歸納為單一的污染指數(shù)，全面考慮了各污染因子對水質(zhì)的貢獻(xiàn)度，克服了單因子評價法僅以最差指標(biāo)確定水質(zhì)優(yōu)劣的缺點(diǎn)。但傳統(tǒng)的綜合水質(zhì)指數(shù)法存在以下問題：一是大都將單因子指數(shù)作為分項(xiàng)指數(shù)，結(jié)果只能反映水質(zhì)總體變化情況，不能對水質(zhì)進(jìn)行類別判斷；二是計算綜合指數(shù)時多以層次分析法、專家調(diào)查法等主觀方法進(jìn)行賦權(quán)，存在不客觀、無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的問題；三是雖然不再僅以最差指標(biāo)確定水質(zhì)，但是掩蓋了其對水質(zhì)的突出影響。為解決上述問題，將反映水體水質(zhì)類別及污染情況的水污染指數(shù)WPI作為分項(xiàng)指數(shù)，并采用主成分分析法對單個指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，再利用內(nèi)梅羅指數(shù)法對其進(jìn)行改進(jìn)以強(qiáng)調(diào)最嚴(yán)重污染因子的作用，即用WPI代替單因子指數(shù)作為分項(xiàng)指數(shù)，以主成分分析法實(shí)現(xiàn)賦權(quán)的客觀性，以改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法突出強(qiáng)調(diào)最嚴(yán)重污染因子的作用，得到改進(jìn)的綜合水質(zhì)指數(shù)法WPCNI。筆者利用WPCNI指數(shù)法分析黃河干流水質(zhì)時空演變特征，并對該方法得出的結(jié)果進(jìn)行了對比和驗(yàn)證。

1數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

黃河全長5464km，流域面積79.5萬km^2，是中國第二大長河，世界第五大長河，天然年徑流量占全國河川徑流量的2.1%。研究以全國主要流域重點(diǎn)斷面水質(zhì)自動監(jiān)測周報數(shù)據(jù)為評價數(shù)據(jù)集，選取黃河流域7個國控斷面作為研究對象，斷面位置見圖1。對各個斷面2004-2016年的pH值、溶解氧（DO）、高錳酸鉀指數(shù)（CODMn）及氨氮（NH3-N）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，除去因儀器故障、河流斷流等而未監(jiān)測的指標(biāo)數(shù)據(jù)，共得到4521組監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2評價過程與方法

1.2.1WPI指數(shù)計算

將黃河7個不同斷面4種水質(zhì)指標(biāo)周測值轉(zhuǎn)化為水污染指數(shù)WPI。CODMn及NH3 -N水污染指數(shù)WPI的計算公式為式中：WPI（i）為第i個水質(zhì)指標(biāo)所對應(yīng)的指數(shù)值；WPI1（i）為第i個水質(zhì)指標(biāo)下限所對應(yīng)的指數(shù)值：WPIh （i）為第i個水質(zhì)指標(biāo)上限所對應(yīng)的指數(shù)值：C（i）為第i個水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測濃度，mg/L； Cl（i）為第i個水質(zhì)指標(biāo)的下限，mg/L；Ch （i）為第i個水質(zhì)指標(biāo)的上限，mg/L。

DO水污染指數(shù)WPI的計算隨DO濃度不同而不同，且DO是水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中遞減性指標(biāo)，當(dāng)DO監(jiān)測濃度值C（DO）>7.5時，WPI（DO）為20；當(dāng)2.0<式中：C1（DO）為監(jiān)測值所在類別標(biāo)準(zhǔn)的下限，mg/L；Ch（DO）為監(jiān)測值所在類別標(biāo)準(zhǔn)的上限，mg/L；WPI1（DO）為監(jiān)測值所對應(yīng)水質(zhì)類別的下限指數(shù)值；WPIh，（DO）為監(jiān)測值所對應(yīng)水質(zhì)類別的上限指數(shù)值。

當(dāng)pH值為0～6時，pH值水污染指數(shù)WPI（pH）為

1.2.2利用主成分分析法對指標(biāo)賦權(quán)

（1）主成分?jǐn)?shù)量選擇。對4種污染因子的WPI進(jìn)行主成分分析，求協(xié)方差矩陣，得到樣本矩陣的特征值λi、貢獻(xiàn)率Ai和成分矩陣Ci，選擇累計貢獻(xiàn)率超過85%的前m種因子作為主成分，以反映原始數(shù)據(jù)的大部分信息。

（2）污染因子權(quán)重確定。根據(jù)李朝峰等的相關(guān)研究，通過成分矩陣Ci和特征值λi計算各污染因子的特征向量Ui：式中：WPIi為第i種水質(zhì)指標(biāo)對應(yīng)的WPI；ωi為第i種水質(zhì)指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重。

為了突出水質(zhì)指數(shù)中最大指數(shù)的影響，引入改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法，計算得到改進(jìn)的綜合水質(zhì)指數(shù)，定義為WPCNI，計算公式為

該值不僅可以直接反映水質(zhì)好壞（值越小水質(zhì)越好），而且可以直接借用WPI分級方法進(jìn)行水質(zhì)分級，水質(zhì)類別為I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V、劣V類對應(yīng)的WPCNI指數(shù)分別為0～ 20、20～40、40～60、60～80、80～100、>100。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價方法（試行）》，可依據(jù)不同水質(zhì)類別的占比判斷河流水質(zhì)狀況，水質(zhì)定性評價分級見表1。

2結(jié)果與討論

2.1黃河干流水質(zhì)

2.1.1指標(biāo)權(quán)重

以黃河干流7個斷面2004-2016年監(jiān)測數(shù)據(jù)月均值為基礎(chǔ)，采用主成分分析法計算得到pH、DO、CODMn及NH3-N各污染因子的權(quán)重分別為0.002、0.015、0.198、0.785。NH3-N權(quán)重最大，說明NH3-N指標(biāo)浮動較大，其次為CODMn及DO，由于WPIpH變化極小，因此pH對水質(zhì)的影響基本可以忽略。

2.1.2黃河干流水質(zhì)綜合評價

匯總黃河干流2004-2016年7個斷面4521組周測數(shù)據(jù)的水質(zhì)類別及主要污染因子可以得到，黃河干流以Ⅱ、Ⅲ類水體為主，分別占黃河干流總監(jiān)測數(shù)據(jù)的64.21%、21.51%。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002），不符合飲用水水源地Ⅲ類水的水體較少，其中Ⅳ、V和劣V類水分別占黃河干流總監(jiān)測數(shù)據(jù)的5.75%、2.19%和1.13%?？傮w看來，黃河干流水質(zhì)較好，達(dá)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的占90.93%，水質(zhì)類別為優(yōu)。從主要污染因子來看，主要污染因子是NH3-N和CODMn，其中NH3-N占比為44%，CODMn占比為37%，DO占比為19%，pH的比例可以忽略。

2.2黃河干流水質(zhì)年際演變特征

以黃河干流7個斷面2004-2016年監(jiān)測數(shù)據(jù)的年均值為基礎(chǔ)，所得的水質(zhì)類別占比、綜合水質(zhì)指數(shù)WPCNI和各污染因子WPI隨時間變化情況見圖2。從圖2中看出，黃河干流I～Ⅲ類水體占比逐漸增大，適宜飲用，劣V類水體逐漸減少甚至消失，同時WPC-NI呈下降趨勢，水質(zhì)總體呈逐漸好轉(zhuǎn)趨勢，嵇曉燕等在黃河水質(zhì)變化趨勢研究中得出了相似結(jié)論。2004年黃河干流WPCNI為48.75，為Ⅲ類水體，水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的水體僅為66.97%，劣V類水體為7.88%，水質(zhì)狀況為輕度污染。2005年開始，Ⅱ類水體所占比例逐漸增加，水質(zhì)從良好逐漸過渡到優(yōu)，水質(zhì)狀況較為穩(wěn)定，波動不大。2008年，干流Ⅳ類水體出

現(xiàn)一定程度的增加，I、Ⅱ和Ⅲ類水體總體占比減少，但從這一年開始，基本不存在劣V類水體，2009年水質(zhì)污染得到一定程度控制，Ⅳ類水體減少，同時I、Ⅱ和Ⅲ類水體數(shù)量超過90%且逐年提高。2016年干流WPCNI為29.05，I類水體超過10%，流域污染控制取得成效。NH3-N為最主要的污染因子，WPI值較大，但從2013年開始，CODMn的WPI值漸漸逼近NH3-N的，且于2015年成為最主要污染因子。WPI（DO）同WPCNI值變化趨勢相同，但WPI（DO）相對較低，對水體污染的貢獻(xiàn)率較低，pH值的WPI值幾乎不隨時間變化，基本可認(rèn)為對水體污染沒有貢獻(xiàn)。

2.3黃河干流水質(zhì)空間演變特征

2004-2016年不同監(jiān)測斷面水質(zhì)類別占比、WPCNI均值及最主要污染因子見圖3。由圖3可知，從空間上看，從烏海海勃灣到濟(jì)源小浪底間水質(zhì)最差，與邢靜等的研究結(jié)果相似。污染嚴(yán)重的斷面為烏海海勃灣斷面、內(nèi)蒙古包頭畫匠營子斷面，均屬黃河上游地區(qū)，水質(zhì)劣于Ⅲ類的比例為20%左右，屬黃河干流水質(zhì)超標(biāo)率高的區(qū)域：蘭州新城橋和中衛(wèi)新墩兩個斷面污染較少，水質(zhì)大部分為Ⅱ類、Ⅲ類，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率超過99%，且沒有劣V類水體：其他斷面地區(qū)治理情況良好，且對人海口污染控制嚴(yán)格，對不合格企業(yè)打擊力度較大，WPCNI較低，雖然較上游地區(qū)略高，但水質(zhì)大部分也是Ⅱ類、Ⅲ類。

從圖3還可以看出，黃河干流主要污染物為有機(jī)物和氨氮，不同斷面最重污染因子有所差異。蘭州新城橋斷面最重污染因子為CODMn，與蘭州市內(nèi)工廠的點(diǎn)源污染有關(guān)，同時上游農(nóng)田以渠道灌溉為主，殘留的農(nóng)藥、化肥等均會造成有機(jī)物污染；中衛(wèi)新墩和烏海海勃灣斷面最重污染因子為NH3-N，氮肥的過量投入是寧夏地區(qū)氨氮超標(biāo)的主要原因，且烏海海勃灣流域附近冶煉、煉焦等強(qiáng)污染企業(yè)發(fā)達(dá)；包頭畫匠營子斷面主要污染因子為CODMn，主要來源于沿線電廠、化工廠廢水的排放；受地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展廢污水和城鎮(zhèn)生活污水過度排放影響，加之污水處理設(shè)備老化，處理效率低，陜西省境內(nèi)水質(zhì)達(dá)標(biāo)率低且氨氮污染嚴(yán)重；山西境內(nèi)石油及焦炭生產(chǎn)企業(yè)多，氨氮污染也較為嚴(yán)重。

2.4改進(jìn)的綜合水質(zhì)指數(shù)法的優(yōu)勢

黃河是中國北方的主要水源之一，大量研究聚焦于黃河水的水質(zhì)評價，所用評價模型不盡相同。相較于先前的黃河水質(zhì)評價方法，本研究構(gòu)建的改進(jìn)的綜合水質(zhì)指數(shù)法表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，見表2。

綜上，改進(jìn)的綜合水質(zhì)指數(shù)法綜合了多種水質(zhì)評價方法的優(yōu)點(diǎn)，且克服了上述評價方法的不足，在水質(zhì)評價方面，特別在大河流域水質(zhì)評價方面具有較強(qiáng)的優(yōu)越性。

3結(jié)論

對黃河干流水質(zhì)進(jìn)行評價的實(shí)踐表明，改進(jìn)的綜合水質(zhì)指數(shù)法以水污染指數(shù)WPI為分項(xiàng)指數(shù)解決了傳統(tǒng)綜合水質(zhì)指數(shù)法評價中難以評判水質(zhì)類別的問題；采用主成分分析賦權(quán)法客觀體現(xiàn)了不同指標(biāo)對水體污染的貢獻(xiàn)，解決了傳統(tǒng)綜合水質(zhì)評價中賦權(quán)過于主觀的問題；引入改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法克服了傳統(tǒng)綜合水質(zhì)指數(shù)法不能反映最差水質(zhì)類別影響的不足。

2004-2016年黃河干流7個斷面水質(zhì)評價結(jié)果表明，黃河干流水質(zhì)總體良好，達(dá)標(biāo)率較高，且水質(zhì)逐年改善，主要污染物為有機(jī)物和氨氮。從年際變化來看，2005年以后，水質(zhì)污染程度呈逐年降低趨勢，污染控制較好，水質(zhì)狀況得到改善。從水質(zhì)空間變化看，黃河干流上游下段水體污染最為嚴(yán)重，最重污染因子為NH3-N；烏海海勃灣斷面和內(nèi)蒙古包頭畫匠營子斷面污染最嚴(yán)重，但近幾年已得到有效控制；上游地區(qū)水質(zhì)狀況較為穩(wěn)定，最重污染因子為CODMn水質(zhì)較好。