幾種水質(zhì)評價方法在地表水評價中的應(yīng)用及比較研究

周 默

(遼寧省鞍山水文局,遼寧 鞍山 114000)

水環(huán)境現(xiàn)狀評價是水質(zhì)調(diào)查的繼續(xù)[1]。自20世紀60年代以來,國內(nèi)外學者已研究出幾十種評價方法,包括單因子評價法[2]、污染指數(shù)法[3]、模糊數(shù)學評價法[4]、灰色系統(tǒng)評價法[5]、水質(zhì)標識指數(shù)評價法[6]等。由于影響水質(zhì)評價的因素眾多且復(fù)雜,選取不同的評價方法可能得到不同的評價結(jié)果。因此,如何選擇合適的評價方法尤為重要。本文以鞍山市境內(nèi)的地表水國家重要水質(zhì)站2021年的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例,利用單因子評價法、改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法、灰色聚類法以及水質(zhì)標識指數(shù)法進行水質(zhì)評價,比較不同的評價方法在實際應(yīng)用中的優(yōu)缺點。

1 基本理論與方法

1.1 單因子評價法

單因子評價法是將所有參評指標與《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)標準限值進行比對,選擇水質(zhì)最差的單項指標所屬類別作為該水域綜合水質(zhì)類別[7-8]。

1.2 改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法的核心思想是將所有參評水質(zhì)指標的單項污染指數(shù)通過各種數(shù)學方法得到一個綜合指數(shù),從而得到綜合水質(zhì)評價結(jié)果[8]。改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法是同時將最大污染因子及權(quán)重最高污染因子的污染指數(shù)引入公式的一種較為常用的綜合污染指數(shù)法。其計算公式如下:

a.綜合污染指數(shù)的計算:

式中:WQI為改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù);max(Ii)為污染指數(shù)的最大值;avg(Ii)為污染指數(shù)的算數(shù)平均值;Iw為權(quán)重最大的某項水質(zhì)指標的污染指數(shù)。

b.各項污染因子的權(quán)重計算[9]:

式中:ri為污染因子的相關(guān)性比值;Smax為污染因子標準值的最大值:Si為污染因子對應(yīng)的標準值;wi為污染因子的權(quán)重值。

1.3 灰色聚類法

灰色聚類法[8,10]通過將評價樣本和標準的歸一化處理,計算歸一化樣本在不同水質(zhì)類別之間的聚類系數(shù),并根據(jù)聚類系數(shù)的大小來判斷評價樣本所屬的綜合水質(zhì)類別。計算公式如下:

a.數(shù)據(jù)的標準化處理:

式中:xki為第k個樣本第i項指標的標準化值;rij為第i項指標第j個灰類的標準化處理值;Cki為第k個樣本第i項指標的實測值;S0i為第i項指標的參考標準;Sij為灰類值。

b.確定白化函數(shù)。

①非溶解氧指標的白化函數(shù):

第i項指標的灰類1的白化函數(shù)為

第i項指標的灰類(j=2,3,4)的白化函數(shù)為

第i項指標的灰類5的白化函數(shù)為

②溶解氧指標的白化函數(shù)

灰類1的白化函數(shù)為

灰類j(j=2,3,4)的白化函數(shù)為

灰類5的白化函數(shù)為

c.聚類系數(shù)的計算:

式中:ηij為某監(jiān)測斷面第i項指標第j個灰類的聚類權(quán);ωij為各污染指標各灰類權(quán)重;fij(xki)為樣本植xki的白化函數(shù)值;εkj為第k個監(jiān)測斷面關(guān)于第j個灰類的聚類系數(shù)。

1.4 綜合水質(zhì)標識指數(shù)法

綜合水質(zhì)標識指數(shù)法是借助一組數(shù)字,定性或定量地判定綜合水質(zhì)類別與污染程度,并標識水環(huán)境功能的達標情況。綜合水質(zhì)標識指數(shù)結(jié)構(gòu)為

式中:X1為綜合水質(zhì)類別;X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處的位置;X3為參評指標中劣于水環(huán)境功能區(qū)目標的水質(zhì)指標個數(shù);X4為綜合水質(zhì)類別劣于水環(huán)境功能區(qū)類別個數(shù)[8]。

2 評價結(jié)果與討論

2.1 評價區(qū)域概況

本文選取了2021年岫巖、小偏嶺、文家街、紅土嶺、太平溝5個鞍山市境內(nèi)的地表水國家重要水質(zhì)站的溶解氧、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷5項主要污染指標進行比較分析。其中,岫巖與小偏嶺位于鞍山市岫巖縣境內(nèi),處于大洋河干流;文家街位于大洋河支流哨子河;紅土嶺位于鞍山市海城市,處于太子河支流海城河;太平溝位于鞍山市境內(nèi),處于太子河支流楊柳河。5個監(jiān)測斷面的水質(zhì)目標均為地表水Ⅱ類。

2.2 評價結(jié)果

各方法的評價結(jié)果見表1～表4和圖1。

圖1 以岫巖斷面為例的評價結(jié)果差異對比

表1 單因子評價法評價結(jié)果

表4 綜合水質(zhì)標識指數(shù)法評價結(jié)果

表2 改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果

表3 灰色聚類法評價結(jié)果

續(xù)表

2.3 討論

通過比較可以看出,4種評價方法均能在一定程度上反映水體質(zhì)量情況,但4種評價方法應(yīng)用于同一監(jiān)測斷面時評價結(jié)果會有所差異。

從評價結(jié)果來看,單因子評價法的評價結(jié)果能夠得到水質(zhì)類別、超標因子,并能夠迅速計算出相應(yīng)的超標倍數(shù),如2021年5月岫巖的評價結(jié)果為Ⅲ類水質(zhì),超標因子為CODMn。但其無法進行同一類別不同水體間的比較,如2021年1月岫巖與文家街的評價結(jié)果均為Ⅰ類水質(zhì),但無法繼續(xù)比較兩個監(jiān)測斷面的水質(zhì)優(yōu)劣。同時應(yīng)當注意的是,就綜合水質(zhì)評價而言,結(jié)果表現(xiàn)為過保護,不利于反映水體功能是否能夠滿足使用要求。改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法和灰色聚類法的評價結(jié)果能夠得到水質(zhì)類別及相應(yīng)水質(zhì)類別的歸屬程度。如2021年太平溝2月和3月灰色聚類法的評價結(jié)果均為Ⅰ類水質(zhì),聚類系數(shù)分別為0.995和0.680,通過比較聚類系數(shù)的大小就能實現(xiàn)同類水質(zhì)不同水體間的比較。但改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法和灰色聚類法的評價結(jié)果不能迅速識別超標因子的超標倍數(shù),同時這兩種方法也不能對劣Ⅴ類水進行進一步評價和判斷其黑臭情況。綜合水質(zhì)標識指數(shù)法的評價結(jié)果能夠得到水質(zhì)類別、綜合水質(zhì)在相應(yīng)水質(zhì)類別變化區(qū)間所處的位置、超標因子的數(shù)量以及劣Ⅴ類水是否黑臭(判斷標準:當6.0＜X1X2≤7.0時,水質(zhì)劣于Ⅴ類水,但不黑臭;當X1X2＞7.0時,水質(zhì)劣于Ⅴ類水,并且黑臭[7]),但不能迅速識別超標倍數(shù)。

從評價過程來看,單因子評價法的評價過程簡單直接,通過數(shù)據(jù)間的比較就能得到參評斷面的水質(zhì)類別;灰色聚類法的評價過程最為復(fù)雜,對水質(zhì)評價工作者有一定的要求;內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和綜合水質(zhì)標識指數(shù)法計算過程難度適中,相對易于掌握。

3 結(jié) 語

本文通過采用4種不同的水質(zhì)評價方法對5個鞍山市境內(nèi)的地表水國家重要水質(zhì)站2021年的綜合水質(zhì)進行評價,得到相應(yīng)的水質(zhì)評價結(jié)果。結(jié)果表明4種評價方法都能夠在一定程度上反映水體質(zhì)量狀況。采用改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法、灰色聚類法以及綜合水質(zhì)標識指數(shù)法得到的綜合水質(zhì)評價結(jié)果更為科學合理,而單因子評價法更適合用于篩選超標因子以及計算超標倍數(shù),可在水質(zhì)評價工作中同其他方法配合使用。對污染較為嚴重的水體進行水質(zhì)評價,4種方法中能夠?qū)α英躅愃M行進一步評價的綜合水質(zhì)標識指數(shù)法相較于其他評價方法更有優(yōu)勢?！?/p>