改進(jìn)內(nèi)梅羅水污染指數(shù)法在嘉興市運(yùn)河斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

李莉 浦國(guó)佳 余建林 俞麗瑯 蘇營(yíng)營(yíng)

摘要：文章通過(guò)傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)法、改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法和單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)京杭大運(yùn)河嘉興段的7個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行評(píng)價(jià)，與傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)法相比，改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法可以更好地消除污染極大值的影響，并且考慮了各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，可以較為全面地反映河流水質(zhì)情況，使評(píng)價(jià)結(jié)果具有更好的可信度。結(jié)果表明：京杭大運(yùn)河嘉興段的7個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)在2019年都為Ⅲ類水質(zhì)，均達(dá)到了水質(zhì)類別要求。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)我蜃又笖?shù)法;內(nèi)梅羅指數(shù)法;水質(zhì)評(píng)價(jià);京杭大運(yùn)河嘉興段

中圖分類號(hào)：X820.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）10-00-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.10.051

Abstract：Based on 7 monitoring section samples of water quality of Jiaxing section in Beijing-Hangzhou Canal in 2019，the improved Nemerow index method was used to assess the water quality of these 7 monitoring sections of Beijing-Hangzhou Canal.Compared with single factor evaluation method and traditional Nemerow index method， the improved Nemerow index method permits more reasonable and objective assessment of water quality because it takes into account the difference and relative importance of various evaluation indexes and adopts weight factors. The results indicated that the water quality of the 7 monitoring sections in 2019 were grade Ⅲ. Meanwhile， our study also showed that the improved Nemerow method may provide decision-making basis for water recourses administration.

Key words：Single factor evaluation method;Nemerow index method;Water assessment;Jiaxing section of Beijing-Hangzhou Canal

水資源是人類賴以生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要稀缺資源，掌握和分析區(qū)域內(nèi)水源水質(zhì)對(duì)于更好地進(jìn)行水資源管理和保護(hù)有著重要的意義。水資源水質(zhì)評(píng)級(jí)的方法很多，常見的有單項(xiàng)水質(zhì)評(píng)價(jià)法、污染指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、主成分分析法、灰色聚類法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等評(píng)價(jià)方法。其中，污染指數(shù)法可以對(duì)整體水質(zhì)做出定量描述，能夠在總體上反映水污染的性質(zhì)和程度。在污染指數(shù)法中，內(nèi)梅羅指數(shù)法具有數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)潔，物理概念清晰，運(yùn)算過(guò)程簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，是目前水質(zhì)綜合指數(shù)評(píng)價(jià)方法中最常用的方法。本文采用傳統(tǒng)的和改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)京杭大運(yùn)河嘉興段設(shè)置的7個(gè)斷面的2019年水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將得到的結(jié)果與單因子指數(shù)法進(jìn)行比較。結(jié)果表明：改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法通過(guò)計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，充分考慮各個(gè)污染因子對(duì)水質(zhì)的影響，能夠更真實(shí)地反映水體水質(zhì)的總體污染情況，因此，采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)發(fā)對(duì)運(yùn)河嘉興段斷面水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，有利于相關(guān)部門更全面更準(zhǔn)確地掌握運(yùn)河嘉興段的水質(zhì)變化情況，為今后開展京杭大運(yùn)河嘉興段的保護(hù)工作提供更準(zhǔn)確更全面的依據(jù)。

1 研究區(qū)域及方法

1.1 研究區(qū)域概況

嘉興市位于浙江省東北部，位于北緯30°15′-31°02′，東經(jīng)120°20′-121°32′，處于長(zhǎng)江三角洲杭嘉湖平原腹心地帶，是長(zhǎng)三角洲重要城市之一，也是浙江最大的平原區(qū)。陸地面積3 915km2，其中平原面積3 477km2，內(nèi)陸水域面積328km2，丘陵山地面積40km2，下轄南湖區(qū)、秀洲區(qū)、海寧市、桐鄉(xiāng)市、平湖市、嘉善縣和海鹽縣。

京杭大運(yùn)河嘉興段位于太湖東南的水網(wǎng)地帶，是杭嘉湖平原水系的干河，也是京杭大運(yùn)河自北向南溝通五大水系中太湖和錢塘江的重要水系的主動(dòng)脈。江南運(yùn)河嘉興段北起嘉興秀洲區(qū)王江涇長(zhǎng)虹橋，南到桐鄉(xiāng)崇福鎮(zhèn)，流經(jīng)秀洲區(qū)、秀城區(qū)、桐鄉(xiāng)市境內(nèi)，全長(zhǎng)81.22km，“隋大業(yè)中開運(yùn)河至嘉興府城，分支夾城左右”。

京杭大運(yùn)河對(duì)于嘉興來(lái)說(shuō)有著極其重要的地位，大運(yùn)河的開通，打破了嘉興長(zhǎng)期偏于江南一隅的封閉狀態(tài)，確立了嘉興“左杭右蘇”“南北通衢”的運(yùn)河古城地位，促進(jìn)了嘉興地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。大運(yùn)河在歷經(jīng)了兩千余年的持續(xù)發(fā)展與演變以后，其網(wǎng)狀河道體系至今保持暢通，一直發(fā)揮著重要的交通、運(yùn)輸、行洪、灌溉、輸水等作用，是孕育嘉興的“母親河”，是活著的、流動(dòng)的重要文化遺產(chǎn)。此外，由于嘉興市河網(wǎng)密度大，有利于污染物向著河流排放，容易造成運(yùn)河水環(huán)境的污染，運(yùn)河嘉興段的水質(zhì)狀況對(duì)整個(gè)嘉興地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)大展具有十分重要的影響。對(duì)于她的保護(hù)和利用對(duì)于嘉興地區(qū)的文化、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都具有重要的意義。

本文采用單因子指數(shù)法、傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指法和改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)運(yùn)河嘉興段設(shè)立的7個(gè)斷面的2019年水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，希望更好地了解水域水質(zhì)狀況，為后期水體保護(hù)、改善和開發(fā)利用提供依據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 單因子指數(shù)法

單項(xiàng)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，又稱單因子指數(shù)法，其本質(zhì)是為了簡(jiǎn)化分析，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分類，選取水質(zhì)最差的類別作為評(píng)價(jià)結(jié)果。單因子指數(shù)法是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，也是目前使用最廣泛的方法。水質(zhì)單因子污染指數(shù)Pi的計(jì)算公式為[1-4]：

其中，Ci為試樣中第i類評(píng)價(jià)因子的實(shí)測(cè)濃度;Sij為第i類評(píng)價(jià)因子的第j類的標(biāo)準(zhǔn)濃度;兩者的單位都為mg/L。本文中地表水?dāng)嗝鎲雾?xiàng)指標(biāo)選?、箢愃|(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)濃度作為Sij，根據(jù)公式（1）求得水樣的各個(gè)因子的單項(xiàng)污染指數(shù)。

單因子指數(shù)法選取水質(zhì)指標(biāo)最差的單項(xiàng)指標(biāo)來(lái)確定水體的綜合水質(zhì)類別，這樣的評(píng)價(jià)方法在確定水體的主要污染因子的同時(shí)，弱化了其他的污染因子，利用單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)為過(guò)保護(hù)。

1.2.2 傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法（Nemerow Pollution Index）

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算最常用的方法之一，是一種突出極大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，由美國(guó)的N.L. Nemerow教授在1974年提出[5，6]。內(nèi)梅羅水污染綜合指數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)值，它利用以下計(jì)算方法來(lái)評(píng)價(jià)各個(gè)參與統(tǒng)計(jì)的水質(zhì)污染因子：

式中，P為內(nèi)梅羅污染指數(shù);Fmax為Fi的最大值;Fave為Fi的平均值，n為評(píng)價(jià)污染因子個(gè)數(shù)。

1.2.3 改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

在實(shí)際工作中，往往有一些評(píng)價(jià)因子（如總磷、汞）的實(shí)測(cè)濃度不大，但是對(duì)水質(zhì)的影響很大，為了改進(jìn)傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法中突出最大污染因子，忽略其余污染因子的缺陷，引入各污染因子在水質(zhì)評(píng)價(jià)中所占的權(quán)重問題，引入代替計(jì)算權(quán)重內(nèi)梅羅指數(shù)[7-11]：

式中，為第i種污染因子的相關(guān)性比值;為各類評(píng)價(jià)指標(biāo)中最大的，為各污染因子的標(biāo)準(zhǔn)值。

2 數(shù)據(jù)資料來(lái)源及收集

本研究數(shù)據(jù)來(lái)源于浙江省嘉興生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，2019年全年對(duì)京杭大運(yùn)河嘉興段7個(gè)斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析（表1）。選取該區(qū)域水源具有代表性的6項(xiàng)指標(biāo)作為監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，依次為溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮和總磷。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采取《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3838-2002，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2 。

3 評(píng)價(jià)體系的建立

3.1 單因子指數(shù)法

根據(jù)GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，本文中京杭大運(yùn)河嘉興市所屬監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)指標(biāo)及類別分類標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

3.2 傳統(tǒng)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

根據(jù)各污染指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)濃度，計(jì)算各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)值：Ⅰ類：P標(biāo)準(zhǔn)≤0.62;Ⅱ類：0.62 2.38則為劣Ⅴ。

3.3 改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

以Ⅲ類水為標(biāo)準(zhǔn)，總磷對(duì)地表水?dāng)嗝嫠|(zhì)的影響最大，權(quán)重值為0.75。一般情況下，地表水?dāng)?shù)值標(biāo)準(zhǔn)中污染指標(biāo)的濃度越小，說(shuō)明對(duì)水質(zhì)的危害越大，兩者成反比列的內(nèi)在關(guān)系。根據(jù)各污染指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)濃度，計(jì)算各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)值：Ⅰ類：P標(biāo)準(zhǔn)≤0.44;Ⅱ類：0.44 2.25則為劣Ⅴ。

4 結(jié)果及討論

3種統(tǒng)計(jì)方法結(jié)果表明，在選取的7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面中，年均水質(zhì)類別都為Ⅲ類，均達(dá)到功能類別要求。單因子指數(shù)法顯示斷面1、5、6、7監(jiān)測(cè)點(diǎn)位污染指數(shù)最高的檢測(cè)項(xiàng)目為總磷;斷面2的主要污染物為化學(xué)需氧量;斷面3和4的主要污染物分別為五日生化需氧量和氨氮。

由于3種統(tǒng)計(jì)方法所得到的結(jié)果閾值不同，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也不一致，所以3個(gè)指數(shù)之間沒有直接的可比性，為比較3種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果，我們除了對(duì)7個(gè)斷面的年均水質(zhì)類別進(jìn)行判斷以外，還對(duì)7個(gè)斷面每個(gè)月的水質(zhì)情況進(jìn)行了計(jì)算和分析。7個(gè)斷面的檢測(cè)中，數(shù)據(jù)采集為每月一次，故可以得到84組數(shù)據(jù)，對(duì)這84組數(shù)據(jù)分別采用3種評(píng)價(jià)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合每個(gè)月斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行級(jí)別判定，可以得出不同計(jì)算方法下的不同評(píng)價(jià)結(jié)果（圖1，表3）。

由圖1可以看出：?jiǎn)我蜃又笖?shù)法因?yàn)橐灾笜?biāo)最差項(xiàng)為評(píng)價(jià)依據(jù)，所以在某些斷面的某些月份會(huì)出現(xiàn)水質(zhì)類別為Ⅴ類的斷面;而傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)不僅考慮了平均污染值的影響，還兼顧了最大超標(biāo)污染物的影響，所以利用內(nèi)梅羅指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)以后，7個(gè)斷面全年12個(gè)月共84次統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，Ⅴ類水質(zhì)斷面變?yōu)榱刷纛愃|(zhì);傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)由于受到自身算法的限制，存在一個(gè)公認(rèn)的缺點(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，屬于相對(duì)嚴(yán)格的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法[12-14]。對(duì)于很多研究性工作來(lái)說(shuō)，該點(diǎn)不利于對(duì)水體質(zhì)量作出全面均衡的評(píng)價(jià)。而改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)講權(quán)重值最大的評(píng)價(jià)指標(biāo)納入計(jì)算以后，考慮了各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的差異性和相對(duì)重要性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)過(guò)于突出污染最大項(xiàng)的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)中全年每月次監(jiān)測(cè)結(jié)果中，7個(gè)斷面以Ⅲ（占比為56.0%）和Ⅳ類水質(zhì)為主（占比為38.1%）;而改進(jìn)后的內(nèi)梅羅指數(shù)顯示結(jié)果以Ⅲ類水為主，占比為71.4%，所以改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果總體上更符合實(shí)際。

5 結(jié)論

改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法在京杭大運(yùn)河嘉興市所屬斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)中有較好的適應(yīng)性。此種統(tǒng)計(jì)方式提供的計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，結(jié)果簡(jiǎn)單明了，相較于簡(jiǎn)單的單因子指數(shù)法和傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)法能夠更全面反映綜合水質(zhì)狀況，能夠幫助管理和統(tǒng)計(jì)人員更全面和快速的統(tǒng)計(jì)、分析和掌握不同水體的綜合污染情況，是水資源保護(hù)和管理的有力工具。

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收稿日期：2020-08-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)課題（編號(hào)：2017ZX07206-001）

作者簡(jiǎn)介：李莉（1983-），女，博士，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。

通訊作者：蘇營(yíng)營(yíng)（1980-），女，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。