不同水質(zhì)評價方法在布爾哈通河流域的適用性對比分析

王 維， 王嗣彤， 常 健， 龔 晨， 尹振浩

(1.延邊大學 融合學院，吉林 延吉 133002；2.沈陽大學 環(huán)境學院，沈陽 110003；3.延邊大學 農(nóng)學院；4.延邊大學 地理與海洋科學學院：吉林 延吉 133002)

Jacobs等[1]首次對水體質(zhì)量進行指數(shù)化評價，自此，越來越多的學者開啟了對水環(huán)境質(zhì)量評價方法的探索。目前，國外對水質(zhì)評價的研究較多集中在多指標、多維度的綜合性數(shù)據(jù)分析[2-3]，國內(nèi)水質(zhì)評價方法層出不窮[4-6]，但評價方法種類繁多，且不系統(tǒng)，部分學者在水質(zhì)評價方法使用前缺少適用性分析，導致無法全面、真實地展現(xiàn)河流水質(zhì)狀況。一些學者討論了各個水質(zhì)評價方法在不同流域的應用效果[7-12]，可見每種水質(zhì)評價方法在不同的流域會有不同的表現(xiàn)，因此在進行水環(huán)境管理與分析前，進行水質(zhì)評價方法對于流域的適用性分析是必要的。

布爾哈通河是圖們江流域內(nèi)一條重要的二級支流，根據(jù)其他學者對于圖們江流域的河流水質(zhì)評價與研究[13-14]，布爾哈通河是該流域內(nèi)受污染最嚴重的河流，并且部分河段已經(jīng)處于嚴重污染狀態(tài)，急需對受污染嚴重河段提出水環(huán)境管理措施[15-16]。但這些研究的研究對象更多的是放在圖們江流域整體，對于布爾哈通河的研究不夠深入，使用的水質(zhì)評價方法不盡相同，缺乏圖們江流域水質(zhì)評價方法適用性分析，并且隨著城市化的加快，造成水環(huán)境污染的因素越來越復雜，簡單的水質(zhì)評價已經(jīng)無法反映水體具體受污染狀況。

該研究將布爾哈通河作為典例，使用水質(zhì)類別判定法[17](單因子評價法)、污染指數(shù)法(內(nèi)梅羅污染指數(shù)法[18-19]、綜合污染指數(shù)法)、分級評分法(模糊綜合評價法[20]和綜合水質(zhì)標識指數(shù)法[21])共5種常用的水質(zhì)評價方法對布爾哈通河干流水質(zhì)進行評價，比較各評價方法的特點以及在實際應用中的優(yōu)劣勢，擇出最能體現(xiàn)真實水質(zhì)情況的水質(zhì)評價方法，并設置水質(zhì)管理目標值。該研究對于保障布爾哈通河水環(huán)境質(zhì)量以及圖們江流域河流生態(tài)系統(tǒng)治理具有重要意義。

1 研究區(qū)域與評價方法

1.1 研究區(qū)概況

布爾哈通河起源于吉林省安圖縣哈爾巴嶺山脈東南麓沼澤地，向東南橫穿延邊朝鮮族自治州中部平原盆地，于圖們市匯流至嘎呀河，最終匯入圖們江，全長171 km，海拔高度差574.2 m(圖1)。

圖1 布爾哈通河流域圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究于2021年4、5、6、7月共4次對布爾哈通河流域進行現(xiàn)場調(diào)查，其中包括水樣采集、流量監(jiān)測及水質(zhì)指標檢測等工作。如圖1所示，在布爾哈通河干流上共設置10個水質(zhì)監(jiān)測斷面，分別標志BG1～BG10。同時，在布爾哈通河8條支流匯入干流前共設置8個水質(zhì)監(jiān)測斷面，分別標志BZ1～BZ8。各監(jiān)測斷面距布爾哈通河與嘎呀河交匯處的距離如表1。

表1 監(jiān)測斷面布設位置

1.3 測試儀器、方法和試劑

對采集的水樣進行各項水質(zhì)指標的監(jiān)測，主要包括5日生化需氧量(BOD5)、高錳酸鹽指數(shù)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)以及溶解氧(DO)等指標，所有水質(zhì)指標均由《GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中分析方法監(jiān)測所得。其中，DO由電化學探頭法在水樣采集現(xiàn)場測得；BOD5分析方法為稀釋與接種法；高錳酸鹽指數(shù)分析方法為酸性法；TP分析方法為鉬酸銨分光光度法；TN分析方法為堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；NH3-N分析方法為納氏試劑比色法。將上述6個水質(zhì)指標作為評價因子，利用5種水質(zhì)評價方法對布爾哈通河干流水質(zhì)進行評價。

2 結果與分析

2.1 單因子評價法

單因子評價法是指將各水質(zhì)指標的濃度代入到地表水水環(huán)境質(zhì)量標準(表2，下同)進行比對，直接判斷每個指標的水質(zhì)類別，將各個指標中最差的水質(zhì)類別作為最終的水質(zhì)綜合評價結果。單因子評價法的計算公式為：

表2 地表水水質(zhì)評價標準

G=MAX(Gi)，

(1)

式中，G為該水體的水質(zhì)類別，Gi為i項水質(zhì)指標的水質(zhì)類別。

單因子評價結果如圖2，時間上，不同月份之間4月份水質(zhì)評價結果最差，水質(zhì)評價結果為Ⅳ～劣Ⅴ類，5月份最好，水質(zhì)評價結果為Ⅱ～Ⅳ類，6、7月份適中，水質(zhì)評價結果主要集中在Ⅲ～Ⅴ類；空間上，布爾哈通河上中游水質(zhì)類別整體集中在Ⅲ～Ⅳ類，下游水質(zhì)類別較高，集中在Ⅴ～劣Ⅴ類，主要污染監(jiān)測斷面為BG7、BG8。

圖2 單因子評價法評價結果

2.2 污染指數(shù)

污染指數(shù)法是將實測的某水質(zhì)指標濃度與區(qū)域地表水水環(huán)境質(zhì)量標準對比，得出該指標的單項污染指數(shù)Pi，Pi表示該污染物在水體中的污染程度，對Pi進行不同形式的復合運算分別得出綜合污染指數(shù)P綜和內(nèi)梅羅污染指數(shù)P內(nèi)。通過比較指數(shù)是否大于1來判斷該水體是否劣于水環(huán)境功能區(qū)既定的水質(zhì)類別，且數(shù)值越大污染越嚴重，內(nèi)梅污染指數(shù)法可通過水質(zhì)類別等級劃分表將輸出的污染指數(shù)轉化為水質(zhì)類別(表3)。

表3 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、綜合水質(zhì)標識指數(shù)法水質(zhì)類別等級劃分表

單項污染指數(shù)Pi計算公式：

(2)

式中，Pi為i項的單項污染指數(shù)，Ci為污染物實測濃度，Co為該污染物標準濃度。

綜合污染指數(shù)P綜計算公式：

(3)

式中，m為監(jiān)測水質(zhì)指標的總數(shù)。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)P內(nèi)計算公式：

(4)

2種污染指數(shù)法的評價結果如圖3(綜合污染指數(shù)法無法輸出水質(zhì)類別，因此將縱坐標設置為污染指數(shù))。

圖3 污染指數(shù)法評價結果對比

2種污染指數(shù)法評價結果相近，時間上，4月份河流水質(zhì)評價結果最差，多個監(jiān)測斷面的污染指數(shù)大于1，5月份最好，所有監(jiān)測斷面的污染指數(shù)都小于1，6、7月份適中，只有個別監(jiān)測斷面污染指數(shù)大于1；空間上，整體可以看出BG7、BG8監(jiān)測斷面的污染指數(shù)最大，其中4月份最嚴重，最高污染指數(shù)高達3.1。

2種方法所得4～7月污染指數(shù)相關系數(shù)的平均值為0.924，具有明顯的正相關性。說明2種污染指數(shù)法都能詳細的反映河流水質(zhì)變化規(guī)律，雖然無法從結果上評判哪種污染指數(shù)法表現(xiàn)更好，但是從計算方式上內(nèi)梅羅污染指數(shù)法能考慮污染最嚴重指標對綜合水質(zhì)的影響，當有指標嚴重超標時內(nèi)梅羅污染指數(shù)的響應程度更激烈，由此說明內(nèi)梅羅污染指數(shù)法在算法上賡續(xù)了綜合污染指數(shù)法的優(yōu)點，突出了污染最嚴重的指標對水質(zhì)的影響，更真實、更直觀的反映綜合水質(zhì)狀況。

2.3 分級評分法

模糊綜合評價法是根據(jù)隸屬度原理把定性評價轉化為定量評價，考慮污染較為嚴重的指標對評價結果的影響。將實測水質(zhì)數(shù)據(jù)與水質(zhì)評價標準代入到“半梯形分布”隸屬函數(shù)中，得到各水質(zhì)指標對各級水質(zhì)類別的隸屬度矩陣，將之與各水質(zhì)指標的權重歸一化集相乘得到模糊矩陣，最終獲得水體水質(zhì)對各級標準水質(zhì)的隸屬程度，從而確定水質(zhì)類別。

綜合水質(zhì)標識指數(shù)是在單因子水質(zhì)標識指數(shù)法[22]的基礎上標識了綜合水質(zhì)類別與水質(zhì)達標情況等信息，由整數(shù)和3位或4位小數(shù)位組成，其結構為：

Ιwq=X1.X2X3X4，

(5)

式中，X1.X2是用于反映水環(huán)境狀況，而X3X4是用來判斷水體的水質(zhì)指標與綜合水質(zhì)類別達標情況。綜合水質(zhì)標識指數(shù)和水質(zhì)類別等級的對應關系通過綜合水質(zhì)標識指數(shù)Ιwq的X1.X2表示，判斷關系見表3。

2種分級評分法評價結果如圖4，與其他水質(zhì)評價方法結果相同，時間上5月份河流水質(zhì)評價結果最好且較為穩(wěn)定，其他月份上下浮動較大，主要為BG1～BG3河段以及BG7、BG8監(jiān)測斷面水質(zhì)評價結果相對于其他監(jiān)測斷面較差。

圖4 分級評分法評價結果對比

2種分級評分法評價結果差別較大，其中,綜合水質(zhì)標識指數(shù)法評價平均等級略高，主要水質(zhì)類別集中在Ⅱ～Ⅳ類，而模糊綜合評價法的水質(zhì)評價結果上下浮動大，評價結果從Ⅰ～Ⅴ類不等(圖4)。出現(xiàn)這種差異主要歸因于2種方法的權重計算方式不同，綜合水質(zhì)標識指數(shù)法每項水質(zhì)指標的權重是相等的，且會淡化不同污染程度指標對水體綜合評價的影響，更偏向于體現(xiàn)綜合水質(zhì)及水質(zhì)指標超標狀況；而模糊綜合評價法根據(jù)各水質(zhì)指標的超標、良好情況賦予相應的權重，對水質(zhì)變化的敏感度更高。

2.4 5種水質(zhì)評價方法特點對比

5種水質(zhì)評價方法對布爾哈通河干流水質(zhì)評價綜合結果如表4，由表可知，4種方法所得水質(zhì)類別評價結果中單因子評價法最高，這主要歸因于布爾哈通河水環(huán)境污染狀況復雜，單因子評價法未能考慮其他評價因子對評價結果的貢獻，導致了評價結果偏高，無法展現(xiàn)出真實的水體水質(zhì)狀況。

表4 不同月份水質(zhì)類別評價結果平均值對比

以上只對同類水質(zhì)評價方法的評價結果進行了對比，現(xiàn)將以上5種水質(zhì)評價方法在布爾哈通河干流水質(zhì)評價應用中的計算方式、應用效果、合理性等方面進行綜合對比分析，結果如表5，內(nèi)梅羅污染指數(shù)法具有水質(zhì)類別評價、同類水體之間比較、劣Ⅴ類水體水質(zhì)評價、計算簡易、權重賦予的優(yōu)點，并且由于該方法輸出的是連續(xù)的數(shù)值，評價結果能更直觀的體現(xiàn)河流水質(zhì)變化規(guī)律，因此認為內(nèi)梅羅指數(shù)法更適用于圖們江流域水質(zhì)評價。

表5 5種水質(zhì)評價方法特點對比

2.5 水質(zhì)管理目標值設定

由表4不同月份水質(zhì)類別評價結果平均值對比結果可知，不同月份之間，4月綜合水質(zhì)評價結果最差，5月最好，6、7月適中，不同月份間水質(zhì)評價結果的差異主要與河流徑流量有關，4月河流徑流量小，5月圖們江流域強降雨，河流徑流量隨之變大，6、7月份河流徑流量正常。同一月份之間單因子評價法評價結果最高，模糊綜合評價法最低。

從5種水質(zhì)評價方法得出的布爾哈通河干流水質(zhì)可以大致得出：BG1～BG6河段水質(zhì)評價結果上下浮動不大，但受農(nóng)業(yè)灌溉用水影響，氮、磷隨灌溉水徑流至布爾哈通河，使BG1～BG3(安圖段)、BG5～BG6(延吉上段)個別監(jiān)測斷面水質(zhì)評價結果輕微上升；BG7～BG8(延吉下-磨盤山)水質(zhì)評價結果最差，除5月外，4、6、7月份評價結果上升至Ⅳ～Ⅴ類。為探究BG7～BG8河段水質(zhì)評價結果差的原因，該研究分析了 BG5～BG8河段的點源污染物負荷。

從以上5種水質(zhì)評價方法應用中發(fā)現(xiàn)，TN、TP為導致水質(zhì)類別偏高的主要水質(zhì)指標，因此，該研究只分析了BG5～BG8河段TN、TP的污染源負荷占比(圖5)。該河段的TN、TP排放負荷占比最大的為延吉市污水處理廠，其次是海蘭河。海蘭河水流量大，污染物濃度低，理論上應對布爾哈通河干流污染物起到稀釋的作用，因此確定延吉市污水處理廠是導致BG7～BG8河段河流水質(zhì)較差的主要原因。

圖5 布爾哈通河BG5-BG8河段TN、TP污染源負荷占比

利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對布爾哈通河設置水質(zhì)管理目標值，以7月份為例，由圖3(d)可知，BG7、BG8監(jiān)測斷面的內(nèi)梅羅指數(shù)大于1，處于受污染狀態(tài)，為此將水質(zhì)管理目標值設置為內(nèi)梅羅污染指數(shù)的1(Ⅲ類)。評價體系中受污染越嚴重的水質(zhì)指標權重越大，經(jīng)過反復調(diào)試權重大的水質(zhì)指標，使內(nèi)梅羅污染指數(shù)靠近水質(zhì)管理目標值。結果表明，應加強延吉市污水處理廠總氮、總磷去除率，使得BG7、BG8的TN降至1.2 mg/L、BG8的TP降至0.2 mg/L時，方能保證整條布爾哈通河達到水質(zhì)管理目標值(表6)。

表6 水質(zhì)管理目標值設定

3 結論

該文通過對比分析5種水質(zhì)評價方法在布爾哈通河水質(zhì)評價中的應用，充分挖掘5種方法的優(yōu)缺點，結果表明,內(nèi)梅羅污染指數(shù)法最適用于布爾哈通河河流水質(zhì)評價。利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對布爾哈通河設置水質(zhì)管理目標值，以期對布爾哈通河水環(huán)境質(zhì)量保護及治理提供重要參考，以上研究結果可廣泛應用于圖們江流域河流水質(zhì)評價。