不同水質評價方法在丹江口流域水質評價中應用比較

張亞麗，周 揚，程 真，姚志鵬，申 劍，王瀟磊

1．河南農業大學資源與環境學院 河南省高校農業資源利用工程技術研究中心，河南 鄭州 450002

2．中國環境監測總站國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

3．河南省環境監測中心，河南 鄭州 450004

河流水質評價是水環境管理的基礎性工作，采用科學合理的水質評價方法，才能準確地反映當前的水體質量和污染狀況，弄清水體質量變化發展的規律，找出主要污染問題，為水污染治理、水功能區劃、水環境規劃以及水環境管理提供依據［1］。國外對河流水質狀況評價的研究始于20世紀60年代，隨著人們對環境狀況的關注而逐漸興起。以Jacobs［2］提出水體質量評價的水質指數(WQI)概念和公式為標志，掀起了西方研究水環境質量的熱潮，許多學者采用不同方法對水環境質量評價進行了研究。國內對水環境質量研究也有近30年的歷史，水質評價方法多種多樣，如單因子評價法、綜合污染指數法等。中國現行的水環境質量標準為原國家環保總局2002年頒布的《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)，但在實際工作中卻沒有成為統一的參考標準［3］。綜合國內外研究，目前在河流水質評價方面，尚無統一、公認的評價模式。本文結合河南省環保廳關于丹江口流域水質評價工作，以丹江口流域7個河流常規監測斷面為研究對象，采用單因子評價法、水污染指數法、綜合污染指數法、模糊綜合評判法、主成分分析法5種評價方法，對丹江口流域的水質進行評價，綜合分析評價結果，并對各評價方法優缺點及適用范圍進行比較分析。

1 評價區域和數據來源

丹江口庫區及上游地區流域面積9.52萬平方公里，是南水北調中線工程的水源區，其干流多為沿岸居民的生活飲用水水源。研究選取丹江口庫區上游7個河流常規監測斷面，斷面名稱分別為陳家坡、東河口、高灣、劍河口、浪河口、神定河口、泗河口。評價所采用的數據為這7個斷面2012年1—12月的月平均監測數據。參與評價的指標為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)表1中除水溫、pH、總氮外的21項指標。

2 幾種河流水質評價方法概述

河流水質評價方法眾多，研究采用環境監測較常用的單因子指數評價方法、綜合污染指數評價方法、模糊綜合評判法、主成分分析法、水污染指數法5種評價方法。綜合5種方法，根據其評價步驟，可概括為單因子評價法和包括后4種的綜合指標法。單因子評價法簡單明了，將各參數濃度與評價標準對比，以最差的水質類別作為水質綜合評價結果，是各種綜合評價法的基礎;綜合指標法以綜合為特點，選取合適的評價因子，建立評價模型，是目前水質評價研究的熱點。5種評價方法各有特色，適用條件也有所差異，其對比情況見表1。其中，水質類別與WPI的對應值見表2。

表1 5種水質評價方法及其適用條件

表2 水質類別與WPI對應值

3 評價結果比較分析

5種評價方法對2012年丹江口7個監測斷面評價結果見表3。根據水環境管理需求，分別從水質定性評價、定量評價、主要污染指標識別3方面，將各方法得出的結果進行對比分析。

表3 丹江口河流斷面水質監測結果對比

3.1 水質定性評價

單因子指數評價方法、模糊綜合評判法、水污染指數法可以根據國家規定的地表水分類標準進行評價，并得到相應的水質類別。其中，由于單因子指數法和水污染指數法均采用最差污染物指標水質作為斷面的水質類別。從表3可以看出，兩種方法得到的水質類別完全相同。而應用模糊綜合評判法評價時，由于考慮了水環境的復雜性和分級界限的模糊性，采用隸屬函數描述水質分級界限，并根據各水質指標的實際狀況賦予其相應的權重，相比單因子指數法和水污染指數法的以最差值確定水質類別，前者具有較好的合理性，也是其水質評價結果相對于另兩種定性評價方法較好的原因。研究選取的7個斷面應用模糊綜合評判法得到的評價結果均優于單因子評價法和水污染指數法。但模糊綜合評判法無法確定河流斷面的主要污染物，且因其與水質標準結合計算隸屬度，無法對劣V類水質進行識別，故其在評價水質中存在一定的局限性。從表3中可直觀看出，綜合污染指數法和主成分分析法無法確定水質斷面的水質類別。

3.2 水質定量評價

水污染指數法、模糊綜合評判法、綜合污染指數法、主成分分析法通過數學模型的計算均能對水質進行定量評價，但模糊綜合評判法定量所得分值為水質類別評判值，與其他3種方法分值意義不同，因此不再與其他3種方法所得結果進行比較。綜合污染指數法、主成分分析法、水污染指數法在水質定量評價時，都是數值越大水質越差。由表3可以看出，3種定量評價方法評價結果的分值間沒有可比性，但評價結果趨勢基本一致，水質最差斷面為神定河口，陳家坡、高灣、東河口等斷面水質相對較好。運用定量評價可以在水質分析時更加準確詳實地了解不同水體間的差異，有利于對水環境管理的科學預測，但不能體現水質類別的分類，同時各種評價方法得出的結果無法直接比較使得結果的直觀性和對比性較弱，而且數據處理時都存在較大的計算量，可操作性較差。

3.3 主要污染指標識別

單因子評價法、綜合污染指數法、主成分分析法均能進行主要污染指標的識別。單因子評價法一般根據指標的超標倍數［12］來篩選主要污染指標，綜合污染指數法則主要根據污染分擔率［13］來進行上述工作。分別采用這兩種方法對2012年丹江口流域7個斷面主要污染指標進行篩選，結果見表4。

表4 單因子評價法和綜合污染指數法識別的主要污染指標

單因子評價法篩選主要污染指標的原則和水污染指數法相似，當斷面水質為優或良好時，不評價主要污染指標，對斷面水質類別超過國家Ⅲ類標準的，取超過Ⅲ類標準限值倍數最大的前3項作為該斷面的主要污染指標;當不同指標對應的水質類別相同時計算超標倍數，將超標指標按其超標倍數大小排列，取超標倍數最大的前3項為主要污染指標。由表1水污染指數評價方法可知，水污染指數法與單因子評價法得出的結果完全一致，故在表4中不再列出。

綜合污染指數法是根據污染分擔率對斷面主要污染指標進行篩選的，一般選取污染分擔率最大的前3項指標作為該斷面的主要污染指標，但其無法進行斷面水質類別的判定，故使其在選取主要污染指標的過程中易識別出一些污染程度較輕的指標。

主成分分析法是根據累計方差貢獻率大于85%的主成分載荷值大小來進行主要污染指標的識別［14］。應用SPSS軟件建立模型，根據提取主成分的一般要求(累積貢獻率＞85%)，只需提取前3個主成分，其方差貢獻率分別為58.55%、24.21%、9.62%，累積貢獻率達92.38%，代表了水質評價中原始指標提供的大部分信息，且第一主成分方差貢獻率最大，故與第一主成分關系密切的指標被認為是水質狀況的控制指標。根據計算結果可知，與第一主成分關系密切的指標有溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、氨氮、總磷、銅、氟化物、硒、鎘、氰化物、石油類、陰離子表面活性劑共12個指標。對比表4的結果，主成分分析法的結果存在較大差異。分析發現，差異存在的原因有兩點:1)主成分分析法作為多元統計分析方法的一種，在進行水質評價時要求數據呈正態分布或接近正態分布，但在SPSS中對選取的數據檢驗后，發現其未能滿足條件要求;2)選取的丹江口流域7個河流水質斷面在空間位置上較為離散，從屬于不同的河流，地理位置上跨度較大，水文水質環境存在較大差異，使得主成分在篩選以及權重賦值過程中出現較大偏差，一些污染程度較輕但離散程度較大的指標被篩選為主要污染指標并被賦予較高權重，進一步導致結果失真。

4 結論

好的水質評價方法，至少應該滿足定性分析和定量分析兩點基本需求。定性分析的結果應符合國家對水質類別的分類標準，使水質結果具有直觀性。而定量分析的結果應使得水質類別相同的水體間可以進行比較，體現差異性。2012年丹江口流域7個斷面的水質狀況評價結果表明:

1)單因子評價法可進行水質類別評價以及主要污染指標篩選，評價方法簡單。

2)主成分分析法和綜合污染指數法可進行定量評價并能篩選出主要污染指標，但無法對斷面水質類別進行判定且評價的計算過程較為繁瑣。

3)模糊綜合評判法和水污染指數法可以進行水質類別分析和定量分析，但模糊綜合評判法無法確定主要污染指標且缺少對劣V類水體水質的識別比較，計算過程較為復雜，這使其在應用過程中存在一定的局限性。

4)水污染指數法評價結果滿足定性和定量評價的基本要求，并能進行主要污染指標的篩選，但在評價過程中所有污染物指標間權重沒有差異性，無法體現重金屬等污染指標的重要程度。總體來說，水污染指數法是一種操作簡便、評價結果直觀明了的評價方法，在水體水質評價中具有廣泛的應用范圍。

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