改進(jìn)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法在河流水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

周 默

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法是一種利用一組由4位有效數(shù)字組成的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)來(lái)反映綜合水質(zhì)情況的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。相較于單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)法[1]、內(nèi)梅羅指數(shù)法[2]、模糊數(shù)學(xué)法[3]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[4]、物元分析法[5]等常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、評(píng)價(jià)結(jié)果信息豐富且科學(xué)直觀，同時(shí)能夠?qū)α英躅愃M(jìn)行進(jìn)一步評(píng)價(jià)，是一種易于掌握且適合推廣的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。本文通過(guò)對(duì)結(jié)合了不同賦權(quán)方式的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法進(jìn)行分析比對(duì)，并對(duì)鞍山市境內(nèi)太子河河段進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，以了解目標(biāo)河段的綜合水質(zhì)情況，同時(shí)為綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法在河流水質(zhì)評(píng)價(jià)工作中的應(yīng)用提供實(shí)例參考。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)由一組4位數(shù)字組成，包含了參評(píng)斷面的綜合水質(zhì)類別、達(dá)標(biāo)情況等多方面的信息[6]。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)結(jié)構(gòu)如下：

WQI=X1X2X3X4

(1)

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(píng)指標(biāo)中劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的水質(zhì)指標(biāo)個(gè)數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類別與水環(huán)境功能區(qū)類別的比較結(jié)果。

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)計(jì)算的關(guān)鍵在于X1X2的計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：ωi為各參評(píng)因子的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的權(quán)重；Pi為單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)。

由式(2)可知，權(quán)重系數(shù)的不同會(huì)給水質(zhì)評(píng)價(jià)工作帶來(lái)不同的結(jié)果。因此，賦權(quán)方法的選擇至關(guān)重要。本文選擇了算數(shù)平均法、超標(biāo)倍數(shù)法、熵值賦權(quán)法3種常用的賦權(quán)方法進(jìn)行比較分析。

1.1.1 算數(shù)平均法

算數(shù)平均法是綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的傳統(tǒng)賦權(quán)方式，對(duì)所有參評(píng)指標(biāo)賦予相同的權(quán)重，即X1X2等于各項(xiàng)參評(píng)指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的算數(shù)平均值。

1.1.2 超標(biāo)倍數(shù)法

根據(jù)各參評(píng)指標(biāo)的單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)來(lái)確定權(quán)重，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：n為參評(píng)因子個(gè)數(shù)。

1.1.3 熵值賦權(quán)法[7]

在信息論中，熵值是系統(tǒng)有序化程度的一個(gè)度量，可以用來(lái)度量數(shù)據(jù)所提供信息量的大小。通過(guò)確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值可進(jìn)一步計(jì)算相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重,具體計(jì)算步驟如下：

a.建立評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣。設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則有

R=(rij)mn(i=1，2，…，m；j=1,2，…，n)

(4)

b.歸一化處理。

(5)

c.計(jì)算各指標(biāo)的熵值。

(6)

其中

d.計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。

(7)

1.2 綜合水質(zhì)類別的判定

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)級(jí)別評(píng)價(jià)的判斷標(biāo)準(zhǔn)[6]見(jiàn)表1。

表1 基于綜合水質(zhì)指數(shù)的綜合水質(zhì)類別判定

1.3 綜合水質(zhì)隨時(shí)空變化的評(píng)價(jià)

綜合水質(zhì)隨時(shí)空的變化可用圖形進(jìn)行表述，同時(shí)也可進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，表達(dá)為基本不變、輕微變化及顯著變化[6]，具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 綜合水質(zhì)隨時(shí)空變化的判斷標(biāo)準(zhǔn)

2 評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1 斷面概況

選取小河口、小姐廟以及三岔河3個(gè)斷面進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。其中，小河口水質(zhì)站為太子河干流斷面，位于海城市高坨鎮(zhèn)高坨村，屬于地表水省級(jí)重點(diǎn)水質(zhì)站；小姐廟水質(zhì)站為太子河干流斷面，位于海城市牛莊鎮(zhèn)小西村，屬于地表水國(guó)家重點(diǎn)水質(zhì)站；三岔河水質(zhì)站為渾河、太子河匯流后首個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，位于海城市西四鎮(zhèn)八家子村，屬于地表水國(guó)家重點(diǎn)水質(zhì)站。

根據(jù)3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面2021年的檢測(cè)數(shù)據(jù)，選取DO、CODMn、BOD5、NH3-N、TP 5個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)的地表水Ⅲ類水質(zhì)的相關(guān)限值進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)工作[8]。

2.2 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

從單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，小河口斷面2月為劣Ⅴ類水質(zhì)、3月為Ⅳ類水質(zhì)，主要污染因子為NH3-N，其他月份均為Ⅲ類及以上水質(zhì)；小姐廟斷面1月為Ⅳ類水質(zhì)、2月為Ⅴ類水質(zhì)、10月為劣Ⅴ類水質(zhì)，主要污染因子為NH3-N、TP，其他月份均為Ⅲ類及以上水質(zhì)；三岔河斷面2月為Ⅴ類水質(zhì)，1月、3月、8月為Ⅳ類水質(zhì)，主要污染因子為NH3-N、DO，其他月份均為Ⅲ類及以上水質(zhì)。單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

水體中過(guò)量的氮磷主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)退水、生活污水、人畜的糞便、工業(yè)廢水等[9]。而渾河、太子河流域人口密集，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，應(yīng)注重可能引起水體氮磷含量升高的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污水以及生活污水排放的管理。

2.3 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.1 綜合水質(zhì)類別評(píng)價(jià)

相較于單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果，綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果更優(yōu)。這主要是因?yàn)榫C合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法考慮了所有參評(píng)指數(shù)對(duì)綜合水質(zhì)的影響，同時(shí)能夠通過(guò)不同的權(quán)重計(jì)算方法使評(píng)價(jià)結(jié)果得到優(yōu)化，從而使評(píng)價(jià)結(jié)果能夠更加科學(xué)合理地反映水體的綜合水質(zhì)情況。

由表4可知，不同的賦權(quán)方法所得到的評(píng)價(jià)結(jié)果有所差異。算數(shù)平均法采用等權(quán)重的賦權(quán)方式，即對(duì)所有參評(píng)指標(biāo)賦相同的權(quán)重，這種方式重視各評(píng)價(jià)指標(biāo)的整體影響，忽略了各指標(biāo)之間的差異。超標(biāo)倍數(shù)法考慮了污染嚴(yán)重指標(biāo)的貢獻(xiàn)力，即污染越嚴(yán)重的指標(biāo)，權(quán)重賦值越大，這種方式過(guò)于突出主要污染物的影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大。熵值賦權(quán)法僅依賴于數(shù)據(jù)本身的離散性，客觀性較強(qiáng)[10]，同時(shí)，綜合考慮了各參評(píng)指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系，既能體現(xiàn)各指標(biāo)之間的差異又能夠避免異常值對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。因此本文采用結(jié)合熵值賦權(quán)法的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果。

由綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果可知，各斷面的年均水質(zhì)均為Ⅱ類。但從各月水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果上看，小河口斷面2月為Ⅴ類水質(zhì)，其他月份均能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)及以上；小姐廟斷面10月為Ⅳ類水質(zhì)，其他月份均能達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)及以上；三岔河斷面各月皆為Ⅲ類水質(zhì)及以上。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4和圖1。

表4 綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

圖1 各斷面綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)變化示意圖

2.3.2 綜合水質(zhì)隨時(shí)空變化的評(píng)價(jià)

由表5和表6可以看出，3個(gè)斷面1—2季度、3—4季度之間水質(zhì)變化相對(duì)顯著，且2季度、3季度水質(zhì)較好。這可能與北方降水以及氣溫的變化規(guī)律有關(guān)，1季度、4季度北方氣溫偏低，降水減少，水體自凈能力下降使得污染物濃度較高。

表5 季度綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

表6 季度間變化的評(píng)價(jià)結(jié)果

由表2和表4經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，小河口斷面至小姐廟斷面河段變化了4.2%，為基本不變；小姐廟斷面至三岔河斷面河段變化了4.3%，為基本不變。

根據(jù)河段隨時(shí)空變化的評(píng)價(jià)結(jié)果不僅可以了解具體變化的程度，同時(shí)給出了定性的評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)果更加直觀，有助于公眾對(duì)水質(zhì)變化的理解。

3 結(jié) 語(yǔ)

a.單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法因過(guò)于突出最大污染因子的影響，從而導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果偏高，并不適合在綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)工作中單獨(dú)使用，但單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果能夠幫助相關(guān)工作人員迅速識(shí)別超標(biāo)因子。

b.綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法能夠客觀地反映綜合水質(zhì)狀況，同時(shí)能夠定量定性地分析綜合水質(zhì)情況以及水質(zhì)在時(shí)間和空間上的變化，并能夠進(jìn)行同類水質(zhì)間的比較。這不僅能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作人員提供數(shù)據(jù)，同時(shí)定性的分析結(jié)果也能夠方便公眾了解水質(zhì)及其變化程度。不同的賦權(quán)方式能夠產(chǎn)生不同的評(píng)價(jià)結(jié)果，利用綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法進(jìn)行綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)工作時(shí)應(yīng)根據(jù)工作需要選擇合適的賦權(quán)方式。

c.經(jīng)過(guò)分析比對(duì)，本文選擇結(jié)合熵值賦權(quán)法的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法進(jìn)行目標(biāo)河段的水質(zhì)分析，結(jié)果顯示評(píng)價(jià)河段主要污染因子為NH3-N、TP，應(yīng)注意沿線生產(chǎn)、生活廢水的收集與排放管理。