三種常用水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的對(duì)比分析研究

潘 犖，黃曉榮,，魏曉玥，張 浪

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

河流水質(zhì)評(píng)價(jià)是合理開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)河流的一項(xiàng)基本工作，是有效控制污染的重要措施，對(duì)于人類的生存以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展具有重大的意義。河流水質(zhì)評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，要想科學(xué)準(zhǔn)確地對(duì)河流水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要選用合適的指標(biāo)以及科學(xué)合理的評(píng)價(jià)方法。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，就有學(xué)者陸續(xù)提出河流水質(zhì)的評(píng)價(jià)方法。在眾多方法中，我國(guó)專家學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的主要有單因子評(píng)價(jià)法、污染指數(shù)法、河流綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法、灰色聚類法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法[1-4]等。對(duì)于上述方法，國(guó)內(nèi)學(xué)者已進(jìn)行了大量研究與改進(jìn)工作[5-8]，具有一定的理論價(jià)值，但基于各種條件的限制，未能廣泛應(yīng)用于實(shí)踐，從而缺乏現(xiàn)實(shí)意義。本文旨在利用四川省金堂縣境內(nèi)沱江水系五個(gè)監(jiān)測(cè)斷面2011-2015年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建兩套評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，簡(jiǎn)單介紹國(guó)際上廣泛用于評(píng)價(jià)飲用水水質(zhì)的加拿大水質(zhì)指數(shù)法[9,10]，并將其與我國(guó)工程實(shí)際中常用的評(píng)價(jià)河流水質(zhì)的單因子評(píng)價(jià)法以及內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進(jìn)行對(duì)比，以期為我國(guó)的河流水質(zhì)評(píng)價(jià)提供新的思路。

1 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

1.1 單因子評(píng)價(jià)法

單因子評(píng)價(jià)法是《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中規(guī)定的河流水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，其將各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值與國(guó)家規(guī)定的相應(yīng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行對(duì)比來(lái)確定每項(xiàng)指標(biāo)的水質(zhì)類別，然后再以該監(jiān)測(cè)斷面中最差指標(biāo)的水質(zhì)類別作為該斷面的水質(zhì)類別[11,12]。

1.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)是一種計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，兼顧了單因子污染指數(shù)的平均值和最高值，可以突出污染較重的污染物的作用，其計(jì)算公式如下[13,14]：

(1)

(2)

(3)

式中：ci表示某監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)測(cè)濃度；csi表示對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值；Ii為單項(xiàng)污染指數(shù)；Iimax為參與評(píng)價(jià)的最大單因子指數(shù)；Iave為參與評(píng)價(jià)的單因子指數(shù)的均值；n為監(jiān)測(cè)指標(biāo)總個(gè)數(shù)；I為內(nèi)梅羅指數(shù)。

1.3 加拿大水質(zhì)指數(shù)(CCME WQI)法

加拿大水質(zhì)指數(shù)法是國(guó)際上廣泛用于評(píng)價(jià)飲用水水質(zhì)的一種方法，其從范圍(F1)、頻率(F2)、振幅(F3)3個(gè)方面考慮了各個(gè)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值是否超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)限值，其計(jì)算公式如下[15,16]：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

對(duì)式(8)，excursion表示未達(dá)標(biāo)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)限值的偏移量，分兩種情況討論：

對(duì)于規(guī)定了上限值的指標(biāo)(負(fù)向指標(biāo))：

(9)

對(duì)于規(guī)定了下限值的指標(biāo)(正向指標(biāo)，如溶解氧，pH)：

(10)

式中：p為未達(dá)標(biāo)的指標(biāo)的數(shù)量；N為監(jiān)測(cè)指標(biāo)的總數(shù)量；q為未達(dá)標(biāo)的數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；M為所有監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù)；ci為某監(jiān)測(cè)指標(biāo)實(shí)測(cè)濃度；csi為對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值。

運(yùn)用上面的公式，校正范圍、頻率、振幅3個(gè)因素，可以得到一個(gè)處于0～100的變化區(qū)間的水質(zhì)指數(shù)，再據(jù)此將水質(zhì)分為5級(jí)，具體分級(jí)情況見(jiàn)表1[10]。

表1 CCME WQI分級(jí)Tab.1 CCME WQI categorization scheme

2 實(shí)例分析

本文基于四川省金堂縣境內(nèi)沱江水系2011-2015年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別采用單因子評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法以及加拿大水質(zhì)指數(shù)法(CCMEWQI)對(duì)該水系各斷面的綜合水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)(斷面分布情況見(jiàn)圖1)。根據(jù)該地區(qū)水環(huán)境的特點(diǎn)，本文構(gòu)建了兩套評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以反映不同指標(biāo)選擇對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。方案一：選用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中規(guī)定的24項(xiàng)基本項(xiàng)目中除去水溫的23個(gè)指標(biāo)；方案二：根據(jù)金堂縣政府的要求，選用pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、揮發(fā)酚、總磷、總砷、總鎘共9個(gè)指標(biāo)，選擇《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。3種評(píng)價(jià)方法得到的結(jié)果見(jiàn)表2。

2.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2可以看出，3種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法均能從一定程度上反映各斷面的水質(zhì)情況，其中中河和毗河的水質(zhì)較差，北河的水質(zhì)最好。同時(shí)，兩套評(píng)價(jià)指標(biāo)體系得到的評(píng)價(jià)結(jié)果稍有差異，單因子評(píng)價(jià)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法采用方案二得到的評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)于采用方案一得到的結(jié)果，而加拿大水質(zhì)指數(shù)法正好相反。其中，方案一涵蓋的指標(biāo)較廣，得到的結(jié)果更能反映各斷面的綜合水質(zhì)情況；方案二考慮的是政府重點(diǎn)考察的指標(biāo)，得到的結(jié)果更能反映政府的需求。

2.2 分析與討論

由于3種方法的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不一致，無(wú)法進(jìn)行直接比較，故將上述表2的結(jié)果繪于圖2～圖4，利用各斷面水質(zhì)的年際變化情況以及各年份各斷面水質(zhì)的排名情況來(lái)比較3種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.2.1 同一評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不同評(píng)價(jià)方法之間的結(jié)果對(duì)比分析

由圖2(a)可以看出(1～6分別代表Ⅰ～劣Ⅴ類)，單因子評(píng)價(jià)法很難體現(xiàn)各斷面水質(zhì)的年際變化及其水質(zhì)排名情況，多個(gè)斷面都具有相同的水質(zhì)分級(jí)，且大多都為Ⅴ類或劣Ⅴ類水質(zhì)。由圖3(a)、圖4(a)可以看出，內(nèi)梅羅污染指數(shù)法及加拿大水質(zhì)指數(shù)法均能在一定程度上反映各斷面水質(zhì)的年際變化及其水質(zhì)排名情況，且除個(gè)別斷面及年份外，兩種方法得到的結(jié)果相似。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，兩種方法主要是在評(píng)價(jià)三皇廟斷面的水質(zhì)變化情況以及2011年和2015年各斷面水質(zhì)排名情況時(shí)出現(xiàn)了差異，其中：在三皇廟斷面處，內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果為2013年的水質(zhì)優(yōu)于2015年的水質(zhì)，而加拿大水質(zhì)指數(shù)法得到的結(jié)果正好相反；受此結(jié)果影響，2015年的各斷面水質(zhì)排名情況也有所差異；在評(píng)價(jià)2011年各斷面水質(zhì)排名情況時(shí)，內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示三皇廟斷面的水質(zhì)優(yōu)于毗河一橋斷面，而加拿大水質(zhì)指數(shù)法的結(jié)果正好相反。為了進(jìn)一步解釋產(chǎn)生這種差異性的原因，我們對(duì)其原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)2013年三皇廟斷面的超標(biāo)指標(biāo)個(gè)數(shù)有6個(gè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)個(gè)數(shù)有34個(gè)，而2015年的超標(biāo)指標(biāo)個(gè)數(shù)只有4個(gè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)個(gè)數(shù)有33個(gè)，但2015年的總磷和總氮超標(biāo)極為嚴(yán)重；2011年三皇廟斷面的超標(biāo)指標(biāo)個(gè)數(shù)有3個(gè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)個(gè)數(shù)有16個(gè)，而毗河一橋斷面的超標(biāo)指標(biāo)個(gè)數(shù)只有2個(gè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)個(gè)數(shù)有14個(gè)，但其氨氮和總氮的超標(biāo)情況更為嚴(yán)重。這就解釋了產(chǎn)生上述結(jié)果的原因—內(nèi)梅羅污染指數(shù)法在計(jì)算綜合水質(zhì)指數(shù)時(shí)只考慮了超標(biāo)量的影響，并且極端指標(biāo)的超標(biāo)量會(huì)對(duì)其結(jié)果產(chǎn)生較大影響，而加拿大水質(zhì)指數(shù)法不僅考慮了各指標(biāo)的超標(biāo)量的影響，還同時(shí)考慮了超標(biāo)指標(biāo)數(shù)以及超標(biāo)次數(shù)的作用，能夠很好地平抑極端指標(biāo)的影響，得到一個(gè)更符合實(shí)際的結(jié)果。

圖2 單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 Evaluation results of single-factor water quality evaluation method

圖3 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 Evaluation results of Nemerow index method

圖4 加拿大水質(zhì)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 Evaluation results of CCME WQI method

觀察圖2(b)、圖3(b)、圖4(b)，得到的結(jié)果與上述結(jié)果大體一致。由此可見(jiàn)，加拿大水質(zhì)指數(shù)法不僅適用于飲用水水質(zhì)的評(píng)價(jià)，也可用于河流水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)。

2.2.2 同一評(píng)價(jià)方法不同評(píng)價(jià)指標(biāo)體系之間的結(jié)果對(duì)比分析

由圖2～圖4可知，除個(gè)別斷面外，單因子評(píng)價(jià)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法采用方案二得到的評(píng)價(jià)結(jié)果均優(yōu)于采用方案一得到的結(jié)果，而加拿大水質(zhì)指數(shù)法則正好相反，這表明不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)不僅會(huì)直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果，并且其對(duì)于不同評(píng)價(jià)方法的影響還不相同。由此可見(jiàn)，我們亟須建立一套完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以針對(duì)不同的情況選用不同的指標(biāo)做出最合理的評(píng)價(jià)。

關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建，法國(guó)提供了很好的范例。自20世紀(jì)90年代，法國(guó)便開(kāi)始采用“水質(zhì)評(píng)估系統(tǒng)”作為評(píng)估水質(zhì)的框架，其利用適應(yīng)性等級(jí)、質(zhì)量指數(shù)以及質(zhì)量指數(shù)分級(jí)來(lái)評(píng)估水體水質(zhì)[17]。其中，就河流而言，該系統(tǒng)將其劃分為了“飲用、休閑、灌溉、家畜飲水、農(nóng)業(yè)用水”這5種用途以及水生生物功能這一項(xiàng)功能來(lái)確定其適用性等級(jí)，并且對(duì)于不同的功能和用途采用不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)[18]。參考法國(guó)水質(zhì)評(píng)估系統(tǒng)的做法，我們可以根據(jù)具體需求和考慮將評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)一步劃分為各個(gè)子指標(biāo)體系，并由此得到各個(gè)子指數(shù)或等級(jí)來(lái)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。除此之外，需要注意的是，在進(jìn)行各斷面水質(zhì)比較時(shí)，必須選用同一套子指標(biāo)體系。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文采用單因子評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法以及加拿大水質(zhì)指數(shù)法對(duì)四川省金堂境內(nèi)沱江水系5個(gè)斷面的水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明3種方法均能在一定程度上反映各斷面水質(zhì)情況，說(shuō)明3種方法均可用于河流水質(zhì)評(píng)價(jià)。

(2)單因子評(píng)價(jià)法采用“最差規(guī)則”對(duì)水質(zhì)進(jìn)行分級(jí)，最終水質(zhì)等級(jí)僅由最差指標(biāo)決定；內(nèi)梅羅污染指數(shù)法雖兼顧了單因子污染指數(shù)的平均值和極值的影響，但極端指標(biāo)仍會(huì)對(duì)其結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，且該法只能體現(xiàn)水體是否達(dá)到了功能區(qū)目標(biāo)，不能反映水體的具體類別；加拿大水質(zhì)指數(shù)(CCMEWQI) 法考慮了“范圍、頻率、振幅”3個(gè)因素的共同作用，涵蓋了所有監(jiān)測(cè)指標(biāo)和數(shù)據(jù)，能夠平抑極端指標(biāo)的影響，同時(shí)其還能根據(jù)水質(zhì)指數(shù)值進(jìn)行水體分級(jí)，使同類水質(zhì)水體之間的優(yōu)劣比較得以實(shí)現(xiàn)，是一種比較全面的綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。

(3)不同指標(biāo)的選擇不僅會(huì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果，并且其對(duì)于不同評(píng)價(jià)方法的影響有所差異。因此，我們亟須建立一套完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)不同的需求和考慮將評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為不同的子指標(biāo)體系，并由此求得子指數(shù)或等級(jí)來(lái)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。