黑臭水體評價指標(biāo)及評價方法*

呂保玉，白海強(qiáng)

（廣西壯族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，廣西 南寧530028）

水體黑臭是水體有機(jī)污染的一種極端現(xiàn)象，是對水體極端污染狀態(tài)的一種描述，泛指是指呈黑色或泛黑色，散發(fā)出令人感覺不愉快臭味甚至作嘔的水體。水體黑臭不僅影響外在形象，更對居民的生活造成危害，早在多年前，水體黑臭問題已引起國內(nèi)外政府機(jī)構(gòu)、人民群眾和相關(guān)專家的關(guān)注，近幾年關(guān)注力更為突出，因此，各類學(xué)者、專家對黑臭水體的認(rèn)識也在不斷深入，研究也得到了不斷發(fā)展。要消除黑臭水體，必須了解其產(chǎn)生的機(jī)理及評價方法，才能更好的指導(dǎo)黑臭水體的治理。筆者總結(jié)了黑臭水體的研究歷程、多年來評價指標(biāo)的選擇與各個評價方法的優(yōu)缺點，為其得到更好的治理起指導(dǎo)作用。

1 黑臭水體的研究歷程

縱觀國內(nèi)外研究，最初，水體黑臭只是簡單的通過顏色、氣味、混濁度等一系列感官性狀來進(jìn)行定性的評定，經(jīng)過一定時期的發(fā)展，開始逐漸選用體現(xiàn)水化學(xué)指標(biāo)以及生物指標(biāo)進(jìn)行定量評價，并采取一系列的措施；其發(fā)展過程大致分為3 個階段：初始起步階段、摸索發(fā)展階段、深入擴(kuò)張階段。

初始起步階段 首次關(guān)注到了黑臭水體的存在，指出了黑臭水體的涵義，初步分析了黑臭水體的形成機(jī)理和其產(chǎn)生的原因。早在1963 年，上海自來水公司首次提出了水體的黑臭現(xiàn)象，指出黑臭水體的存在。到1979 年，Lazaro 指出黑臭水體的概念，即一種極端水污染狀態(tài)。1983~1997 年期間，更多研究者將研究方向開始偏向黑臭水體產(chǎn)生的原因及機(jī)理考究，發(fā)現(xiàn)有機(jī)物污染，熱污染以及底泥污染、放線菌分解產(chǎn)生喬司脒、水體中Fe 和S 的形態(tài)轉(zhuǎn)化等跟水體產(chǎn)生黑臭有關(guān)[1]，等等。

摸索發(fā)展階段 主要針對水體黑臭的產(chǎn)生原因及機(jī)理進(jìn)行深入研究，并開始探索黑臭水體的初步治理技術(shù)和修復(fù)方法。2001 年，孫從軍等利用人工曝氣復(fù)氧方式對黑臭水體進(jìn)行治理，取得了顯著效果[2]。2005 年，金承翔等通過曝氣充氧、植物凈化技術(shù)和生物制劑組合生物技術(shù)對黑臭水體的凈化能力進(jìn)行了研究[3]。2011 年，崔偉等人構(gòu)建生物試復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)對黑臭水體的去除具有顯著作用[4]，等等。

深入擴(kuò)張階段 主要偏重于黑臭水體評價方法、指標(biāo)體系的建立，進(jìn)一步豐富了黑臭水體的治理修復(fù)技術(shù)。2005 年徐祖信提出了綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)，在黑臭水體的評價中得到了極為廣泛的應(yīng)用[5]。2007 年至今，眾多學(xué)者利用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)或?qū)υ摲椒ㄟM(jìn)行改進(jìn)后應(yīng)用到黑臭水體的評價上[6，7]。2012 年，徐明德等人建立了針對干旱地區(qū)城市河流黑臭水體評價指數(shù)模型[8]。2015 年，張晶堯等利用商權(quán)物元可拓模型對河流黑臭進(jìn)行了評價研究[9]，等等。

2 評價指標(biāo)

水體黑臭的指標(biāo)是研究其成因、判斷其黑臭程度及科學(xué)合理地管理水體的重要內(nèi)容。

要給出合適的評價指標(biāo)，就需了解其成因。多年來，在黑臭水體的成因研究中，多數(shù)專家認(rèn)為它是一種生物化學(xué)現(xiàn)象，即當(dāng)水體遭受嚴(yán)重有機(jī)污染時，水中有機(jī)物的好氧分解使得水體中耗氧速率超過復(fù)氧速率，造成水體缺氧，導(dǎo)致有機(jī)物降解速度降低甚至降解不完全。在缺氧的水體中，有機(jī)物分解產(chǎn)生硫化物、H2S、硫醇類、胺、NH3和其它帶異味、易揮發(fā)的小分子化合物，因而散發(fā)出臭味。同時，沉積物中產(chǎn)生的 CH4、N2、H2S 等難溶于水的氣體，在上升過程中攜帶污泥容易形成FeS、MnS 等黑色物質(zhì)進(jìn)入水相，使水體發(fā)黑，認(rèn)為水體發(fā)黑主要是由于水中鐵、錳元素與硫化物作用生成的沉淀物[10]。

胡國臣等人[11]發(fā)現(xiàn)溶解氧、生化需氧量和水相中還原菌數(shù)、水體黑臭有較好的相關(guān)性。呂佳佳等人[12]指出：在黑臭形成的水質(zhì)因素方面，TOC 和TN 都是黑臭水體形成的必要條件，F(xiàn)e2+濃度不僅與色度有關(guān)，還與臭度有關(guān)，F(xiàn)e2+是水體臭味產(chǎn)生的必要條件，S 與水體的黑臭緊密相關(guān)，但不是黑臭水形成的限制因素；環(huán)境條件方面，溫度是黑臭形成的必要條件，DO 是臭味產(chǎn)生的必要條件。

但為使污染物指標(biāo)與感官相一致，可檢測水體的臭閾值、透明度、色度、溶解氧和氧化還原電位等理化特征指標(biāo)。臭閾值、透明度和色度可直接反映水體黑臭程度，溶解氧和氧化還原電位可反映水體發(fā)生黑臭的趨勢。

綜合考慮，黑臭水體評價指標(biāo)應(yīng)包括兩方面：物理指標(biāo)和化學(xué)指標(biāo)。與黑臭水體水質(zhì)相關(guān)的指標(biāo)主要包括:臭閾值、色度、透明度、溶解氧、氧化還原電位、化學(xué)需氧量、NH3-N、溫度、pH 值、鐵和錳、硫化物等。這些指標(biāo)可作為水體黑臭程度判斷、成因分析、水質(zhì)變化預(yù)測和治理方案制定的重要依據(jù)。

3 評價方法及其優(yōu)缺點

水體黑臭的評價方法是了解水體是否黑臭或黑臭程度的依據(jù)，是解決水體黑臭的前提和基礎(chǔ)，可為黑臭水體后期的治理和修復(fù)提供理論和技術(shù)支撐。對于水體黑臭評價來說，雖然國內(nèi)外經(jīng)過了幾十年的研究，取得了大量成果，但至今仍沒有統(tǒng)一的水體黑臭評價方法和標(biāo)準(zhǔn)，每條黑臭水體都需要建立特有的評價模型，增大了水體黑臭評價的工作量和難度，成為水體黑臭評價工作的一大瓶頸。

縱觀學(xué)者們有關(guān)水體黑臭的評價方法，種類繁多。在黑臭水體評價指標(biāo)研究中包括了物理指標(biāo)和化學(xué)指標(biāo)兩方面，評價方法也多從這兩方面入手。

3.1 物理指標(biāo)法

物理指標(biāo)法多是從黑臭水體的概念和人的感官來描述定性的，認(rèn)可較多的是感官評價法，在識別水體是否黑臭時，主要針對感官性指標(biāo)，不需要任何技術(shù)手段就能判斷。這種方法簡便可行、客觀，也可充分反映居民的關(guān)切，可操作性強(qiáng)。但它的描述具有很強(qiáng)的主觀性，由于人的視覺和嗅覺有差別，判斷結(jié)果會不同，且沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，如何準(zhǔn)確運用人的感覺表述黑臭水體是未來實踐工作中亟需開展的工作。

3.2 化學(xué)指標(biāo)法

化學(xué)指標(biāo)法是基于水質(zhì)的一些化學(xué)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行一定的計算來評價的，在化學(xué)指標(biāo)方面又分為單一指標(biāo)和綜合指標(biāo)；綜合指標(biāo)法是通過構(gòu)建綜合指標(biāo)全面評價水體黑臭程度，應(yīng)用較多的有綜合污染指數(shù)評價法（又可分為：黑臭多因子加權(quán)指數(shù)法、有機(jī)污染指數(shù)法、多元非線性回歸法、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價法等）、其他評價法（模糊綜合評價法、灰色系統(tǒng)理論評價法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法）等。

3.2.1 單因子指數(shù)法 該方法是通過計算超標(biāo)指數(shù)來確定評價等級的方法，是將某種污染物實測濃度與該種污染物的評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較以確定水質(zhì)類別的方法。國內(nèi)很多學(xué)者普遍以溶解氧這一指標(biāo)作為界定水體是否黑臭的標(biāo)準(zhǔn)，也有學(xué)者通過測定水體的色度、黑度以及臭閾值等指標(biāo),用以表征黑臭水體的程度；戴樹桂等通過模擬試驗得出色度作為水體黑臭判別的臨界指標(biāo)[13]；俞欣得到氧化還原電位與部分黑臭因子之間具有較好的相關(guān)性[14]。該方法的優(yōu)點為概念明確、計算簡單，缺點是每個指標(biāo)的影響權(quán)重均為100%，是一種一票否決制，不能體現(xiàn)其對環(huán)境效應(yīng)的差異性。該方法不宜單獨使用，需結(jié)合其他評價方法才能發(fā)揮其優(yōu)點。

3.2.2 綜合指數(shù)評價法 1974 年，國內(nèi)學(xué)者關(guān)伯仁首先提出了從綜合的角度來表示水質(zhì)的污染情況和水體的評價。水質(zhì)綜合指數(shù)評價法通過對各個水質(zhì)監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)結(jié)果與評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比聯(lián)系，得到各個指標(biāo)的污染指數(shù)，然后采用某一種或多種數(shù)學(xué)運算方法，將各個水質(zhì)指標(biāo)綜合整理，得到水質(zhì)綜合指數(shù)，并用該指數(shù)作為水質(zhì)評價的尺度，來評估水質(zhì)優(yōu)劣。常用的有：黑臭指數(shù)法（黑臭多因子加權(quán)指數(shù)法和有機(jī)污染指數(shù)法）、多元非線性回歸法、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價法等。

3.2.2.1 黑臭指數(shù)法 常用的黑臭多因子加權(quán)指數(shù)法是對蘇州河水質(zhì)特點建立的黑臭評價關(guān)系式，有機(jī)污染指數(shù)法是針對黃浦江水質(zhì)特點建立的黑臭評價關(guān)系式，這兩種都是針對上海地區(qū)的水質(zhì)特征提出來的評價方法，針對性較強(qiáng)，其結(jié)果的正確率相對較高，這兩種方法均是建立影響水體黑臭的環(huán)境因素和黑臭狀況主要指標(biāo)之間的判別關(guān)系式[15]，雖在城市水體黑臭評價方法在評價城市內(nèi)河黑臭問題起到積極的作用，但沒有明確提出其適用范圍。不同學(xué)者，研究不同地區(qū)的不同水體，其使用的判別式不同，選擇的黑臭指標(biāo)也不同，因此，黑臭指數(shù)的判別標(biāo)準(zhǔn)和閾值差異很大。李鵬章[16]通過實際采樣，對8種判別式的可靠性進(jìn)行了測試和驗證，計算結(jié)果對比，得出不同的判別式對同一水體黑臭情況的判定結(jié)果不一樣，且最高判定正確率只有20%?？梢姡摲椒ǖ赜蛐院歪槍π蕴珡?qiáng)，不同區(qū)域不同水體需要重新摸索建立適合的判別關(guān)系式。

3.2.2.2 多元非線性回歸法 由于黑臭水體評價的指標(biāo)與各水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系是復(fù)雜的，有的學(xué)者認(rèn)為不能用簡單的線性關(guān)系來表示，因此，便建立評價指標(biāo)與各項水質(zhì)指標(biāo)之間的非線性關(guān)系。Canfield等通過對弗羅里達(dá)州的165 個湖泊的水色研究，建立了葉綠素a、TP、TN 與色度的多元非線性回歸方程。國外學(xué)者通過監(jiān)測水體大量指標(biāo)（如pH 值、水溫、濁度、透明度、電導(dǎo)率、COD、DO、TP、NH3-N、藍(lán)細(xì)菌總生物量、藻類總量和喬司脒等濃度，建立多元非線性回歸模型預(yù)測研究水體黑臭，雖然能夠較全面、準(zhǔn)確地預(yù)測水體的黑臭狀況，但由于涉及到的參數(shù)太多，監(jiān)測過程也比較復(fù)雜.國內(nèi)使用非線性回歸模型多用來評價湖泊、水庫，缺乏河道黑臭的研究報道，值得進(jìn)一步研究。

3.2.2.3 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)評價法 2005 年徐祖信在研究上海市河流水質(zhì)時根據(jù)《水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的評價指標(biāo)建立的水質(zhì)評價方法，它是由1 位整數(shù)和3 位或4 位小數(shù)組成[17]。公式如下：

綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)總體上包括兩部分: X1.X2是綜合水質(zhì)指數(shù)，是重點，通過計算得出；X3和X4是標(biāo)識碼，在求得綜合水質(zhì)指數(shù)的基礎(chǔ)上，通過判斷得出。

式中 X1：河流總體的綜合水質(zhì)類別；X2：在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)，水質(zhì)所處位置；X3：與水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)相比，水質(zhì)監(jiān)測的指標(biāo)不達(dá)標(biāo)的個數(shù)；X4：標(biāo)識碼，代表的是所要評價的水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果。

該方法可以反映河流水質(zhì)狀況，既可結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)評價綜合水質(zhì)類別又能反映綜合水質(zhì)的連續(xù)性變化情況，還可判斷水體黑臭程度，可以靈活應(yīng)用在某一流域的不同斷面監(jiān)測點，也可以應(yīng)用在不同流域，分別分析出水質(zhì)狀況。但也存在黑臭評價指標(biāo)涵蓋面較寬、獲取數(shù)據(jù)不夠便捷、快速，臨界值設(shè)定依據(jù)不清[18，19]，具有地域性，對黑臭水體的劃分等級不深入等情況。

3.2.3 其他綜合評價法 被國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)可較多的黑臭水體綜合評價法主要有模糊綜合評價法、灰色系統(tǒng)理論評價法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法。模糊綜合評價法和灰色系統(tǒng)理論評價法屬于矩陣運算分析法，是基于矩陣運算形成的分析方法。

3.2.3.1 模糊綜合評價法 通過衡量各項水質(zhì)參數(shù)在總體評價中的地位，給各參數(shù)賦予適當(dāng)?shù)臋?quán)重，判斷各指標(biāo)對水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度，形成隸屬度矩陣，通過運用模糊矩陣計算，獲得一個綜合隸屬度。這一評價方法把水系統(tǒng)中的模糊性和不確定性很好的體現(xiàn)出來，符合客觀事實，所以評價結(jié)果一定程度上具有一定的合理性。但其評判一般采用線性加權(quán)平均，使得評判結(jié)果容易出現(xiàn)均化、跟實際情況失真等現(xiàn)象，導(dǎo)致判斷不準(zhǔn)確或者可比性差等問題，而且其評價過程十分復(fù)雜，可操作性較差[20]。

3.2.3.2 灰色系統(tǒng)理論評價法 1982 年，我國鄧聚龍教授創(chuàng)立了灰色系統(tǒng)理論，它以“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”不確定性系統(tǒng)為研究對象。常用“黑”表示信息未知，用“白”表示信息完全明確，用“灰”表示部分信息明確、部分信息不明確。通過計算各個水質(zhì)指標(biāo)的實測濃度與各個級別水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)聯(lián)度，再依據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小來判斷水質(zhì)的好壞[21]。關(guān)聯(lián)度越高，說明監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)樣本越貼近該級別的水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，則表明此實測數(shù)據(jù)就是所要評價的水質(zhì)級別[22]。和模糊綜合評價法一樣，水環(huán)境系統(tǒng)所具有的不確定性在灰色系統(tǒng)理論評價法中也有較好的體現(xiàn)，灰色系統(tǒng)理論評價法的優(yōu)點是結(jié)果簡單、可比，缺點是存在分辨率低等問題。

3.2.3.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)起源于20世紀(jì)50 年代，它是一門非線性學(xué)科，利用類似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息處理的一種數(shù)學(xué)模型。利用該方法評價，需先把水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中指定的指標(biāo)濃度限值和評價公式建成樣本庫輸入網(wǎng)絡(luò)，作為材料對其進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)接受后即可用來對所需水質(zhì)進(jìn)行評價。這種方法運算速度快，結(jié)果準(zhǔn)確，出錯率低，應(yīng)用前景廣泛，但其需要人工提前輸入大量的參數(shù)作為樣本，若樣本之間的協(xié)同性較差時，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)均一化。

4 結(jié)論與展望

總的來說，目前國內(nèi)外對黑臭水體產(chǎn)生的機(jī)理、評價選用的指標(biāo)和評價方法已開展眾多研究，但依然存在不足與瓶頸，形成機(jī)理還未全面明確，評價的指標(biāo)和體系還未統(tǒng)一建立。大多數(shù)研究集中在選用少數(shù)幾個水質(zhì)指標(biāo)（多數(shù)是化學(xué)指標(biāo)）進(jìn)行評價分析, 這雖然在一定程度上能反映出水體的黑臭情況，但若能結(jié)合實際，把人的感官如視覺、嗅覺、情緒反應(yīng)等情況考慮進(jìn)去，再從生物學(xué)角度利用一些水生生物指標(biāo)（如浮游動植物、底棲動物、魚類等）來判別黑臭水體狀況和級別就更加完善，尚需進(jìn)一步探索。