改進綜合水質指數法分析黃河水質演變特征

孫藝珂 王琳 祁峰

摘要：為評價黃河干流水質狀況，以水污染指數WPI為分項指數，采用主成分分析法賦權，同時引入改進內梅羅指數法，建立了改進的綜合水質指數法。以黃河干流7個監測斷面2004-2016年的水質監測數據為基礎，利用改進的綜合水質指數法分析黃河流域水質的總體污染狀況和時空變化特征，結果表明：黃河干流水質總體較好，達Ⅲ類水標準的占90. 93%，水質類別為優；干流I～Ⅲ類水體比例呈逐年增加趨勢，水體污染程度降低，水質呈改善趨勢；從空間變化來看，烏海海勃灣斷面、包頭畫匠營子斷面污染最為嚴重，最重污染因子為NH3-N，上游和下游地區水質狀況較好。

關鍵詞：改進的綜合水質指數法：水污染指數：主成分分析法：賦權：改進內梅羅指數：黃河干流

中圖分類號：X824；TV882.1

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.017

水質評價是水資源規劃管理與保護的重要環節，也是地表水管理的關鍵，水質評價可了解水體污染程度及水質變化趨勢，有利于制定有效的整治方案，做好相應水體治理措施。作為中國北方主要水源之一，黃河流域水體的水質狀況受到學術界的廣泛關注，許多學者開展了大量針對黃河的水質評價研究工作。

當前評價河流水質的方法很多，如單因子評價法、物元分析法、聚類分析法、多元統計分析法、綜合水質指數法等。綜合水質指數法將多種污染因子的相對污染指數歸納為單一的污染指數，全面考慮了各污染因子對水質的貢獻度，克服了單因子評價法僅以最差指標確定水質優劣的缺點。但傳統的綜合水質指數法存在以下問題：一是大都將單因子指數作為分項指數，結果只能反映水質總體變化情況，不能對水質進行類別判斷；二是計算綜合指數時多以層次分析法、專家調查法等主觀方法進行賦權，存在不客觀、無統一標準的問題；三是雖然不再僅以最差指標確定水質，但是掩蓋了其對水質的突出影響。為解決上述問題，將反映水體水質類別及污染情況的水污染指數WPI作為分項指數，并采用主成分分析法對單個指標進行賦權，再利用內梅羅指數法對其進行改進以強調最嚴重污染因子的作用，即用WPI代替單因子指數作為分項指數，以主成分分析法實現賦權的客觀性，以改進內梅羅指數法突出強調最嚴重污染因子的作用，得到改進的綜合水質指數法WPCNI。筆者利用WPCNI指數法分析黃河干流水質時空演變特征，并對該方法得出的結果進行了對比和驗證。

1數據來源與方法

1.1 研究區概況與數據來源

黃河全長5464km，流域面積79.5萬km^2，是中國第二大長河，世界第五大長河，天然年徑流量占全國河川徑流量的2.1%。研究以全國主要流域重點斷面水質自動監測周報數據為評價數據集，選取黃河流域7個國控斷面作為研究對象，斷面位置見圖1。對各個斷面2004-2016年的pH值、溶解氧（DO）、高錳酸鉀指數（CODMn）及氨氮（NH3-N）進行數據分析，除去因儀器故障、河流斷流等而未監測的指標數據，共得到4521組監測數據。

1.2評價過程與方法

1.2.1WPI指數計算

將黃河7個不同斷面4種水質指標周測值轉化為水污染指數WPI。CODMn及NH3 -N水污染指數WPI的計算公式為式中：WPI（i）為第i個水質指標所對應的指數值；WPI1（i）為第i個水質指標下限所對應的指數值：WPIh （i）為第i個水質指標上限所對應的指數值：C（i）為第i個水質指標的監測濃度，mg/L； Cl（i）為第i個水質指標的下限，mg/L；Ch （i）為第i個水質指標的上限，mg/L。

DO水污染指數WPI的計算隨DO濃度不同而不同，且DO是水質指標標準中遞減性指標，當DO監測濃度值C（DO）>7.5時，WPI（DO）為20；當2.0<式中：C1（DO）為監測值所在類別標準的下限，mg/L；Ch（DO）為監測值所在類別標準的上限，mg/L；WPI1（DO）為監測值所對應水質類別的下限指數值；WPIh，（DO）為監測值所對應水質類別的上限指數值。

當pH值為0～6時，pH值水污染指數WPI（pH）為

1.2.2利用主成分分析法對指標賦權

（1）主成分數量選擇。對4種污染因子的WPI進行主成分分析，求協方差矩陣，得到樣本矩陣的特征值λi、貢獻率Ai和成分矩陣Ci，選擇累計貢獻率超過85%的前m種因子作為主成分，以反映原始數據的大部分信息。

（2）污染因子權重確定。根據李朝峰等的相關研究，通過成分矩陣Ci和特征值λi計算各污染因子的特征向量Ui：式中：WPIi為第i種水質指標對應的WPI；ωi為第i種水質指標對應的權重。

為了突出水質指數中最大指數的影響，引入改進內梅羅指數法，計算得到改進的綜合水質指數，定義為WPCNI，計算公式為

該值不僅可以直接反映水質好壞（值越小水質越好），而且可以直接借用WPI分級方法進行水質分級，水質類別為I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V、劣V類對應的WPCNI指數分別為0～ 20、20～40、40～60、60～80、80～100、>100。根據《地表水環境質量評價方法（試行）》，可依據不同水質類別的占比判斷河流水質狀況，水質定性評價分級見表1。

2結果與討論

2.1黃河干流水質

2.1.1指標權重

以黃河干流7個斷面2004-2016年監測數據月均值為基礎，采用主成分分析法計算得到pH、DO、CODMn及NH3-N各污染因子的權重分別為0.002、0.015、0.198、0.785。NH3-N權重最大，說明NH3-N指標浮動較大，其次為CODMn及DO，由于WPIpH變化極小，因此pH對水質的影響基本可以忽略。

2.1.2黃河干流水質綜合評價

匯總黃河干流2004-2016年7個斷面4521組周測數據的水質類別及主要污染因子可以得到，黃河干流以Ⅱ、Ⅲ類水體為主，分別占黃河干流總監測數據的64.21%、21.51%。根據《地表水環境質量標準》（GB3838-2002），不符合飲用水水源地Ⅲ類水的水體較少，其中Ⅳ、V和劣V類水分別占黃河干流總監測數據的5.75%、2.19%和1.13%。總體看來，黃河干流水質較好，達Ⅲ類水標準的占90.93%，水質類別為優。從主要污染因子來看，主要污染因子是NH3-N和CODMn，其中NH3-N占比為44%，CODMn占比為37%，DO占比為19%，pH的比例可以忽略。

2.2黃河干流水質年際演變特征

以黃河干流7個斷面2004-2016年監測數據的年均值為基礎，所得的水質類別占比、綜合水質指數WPCNI和各污染因子WPI隨時間變化情況見圖2。從圖2中看出，黃河干流I～Ⅲ類水體占比逐漸增大，適宜飲用，劣V類水體逐漸減少甚至消失，同時WPC-NI呈下降趨勢，水質總體呈逐漸好轉趨勢，嵇曉燕等在黃河水質變化趨勢研究中得出了相似結論。2004年黃河干流WPCNI為48.75，為Ⅲ類水體，水質達到Ⅲ類標準的水體僅為66.97%，劣V類水體為7.88%，水質狀況為輕度污染。2005年開始，Ⅱ類水體所占比例逐漸增加，水質從良好逐漸過渡到優，水質狀況較為穩定，波動不大。2008年，干流Ⅳ類水體出

現一定程度的增加，I、Ⅱ和Ⅲ類水體總體占比減少，但從這一年開始，基本不存在劣V類水體，2009年水質污染得到一定程度控制，Ⅳ類水體減少，同時I、Ⅱ和Ⅲ類水體數量超過90%且逐年提高。2016年干流WPCNI為29.05，I類水體超過10%，流域污染控制取得成效。NH3-N為最主要的污染因子，WPI值較大，但從2013年開始，CODMn的WPI值漸漸逼近NH3-N的，且于2015年成為最主要污染因子。WPI（DO）同WPCNI值變化趨勢相同，但WPI（DO）相對較低，對水體污染的貢獻率較低，pH值的WPI值幾乎不隨時間變化，基本可認為對水體污染沒有貢獻。

2.3黃河干流水質空間演變特征

2004-2016年不同監測斷面水質類別占比、WPCNI均值及最主要污染因子見圖3。由圖3可知，從空間上看，從烏海海勃灣到濟源小浪底間水質最差，與邢靜等的研究結果相似。污染嚴重的斷面為烏海海勃灣斷面、內蒙古包頭畫匠營子斷面，均屬黃河上游地區，水質劣于Ⅲ類的比例為20%左右，屬黃河干流水質超標率高的區域：蘭州新城橋和中衛新墩兩個斷面污染較少，水質大部分為Ⅱ類、Ⅲ類，水質達標率超過99%，且沒有劣V類水體：其他斷面地區治理情況良好，且對人海口污染控制嚴格，對不合格企業打擊力度較大，WPCNI較低，雖然較上游地區略高，但水質大部分也是Ⅱ類、Ⅲ類。

從圖3還可以看出，黃河干流主要污染物為有機物和氨氮，不同斷面最重污染因子有所差異。蘭州新城橋斷面最重污染因子為CODMn，與蘭州市內工廠的點源污染有關，同時上游農田以渠道灌溉為主，殘留的農藥、化肥等均會造成有機物污染；中衛新墩和烏海海勃灣斷面最重污染因子為NH3-N，氮肥的過量投入是寧夏地區氨氮超標的主要原因，且烏海海勃灣流域附近冶煉、煉焦等強污染企業發達；包頭畫匠營子斷面主要污染因子為CODMn，主要來源于沿線電廠、化工廠廢水的排放；受地區工農業發展廢污水和城鎮生活污水過度排放影響，加之污水處理設備老化，處理效率低，陜西省境內水質達標率低且氨氮污染嚴重；山西境內石油及焦炭生產企業多，氨氮污染也較為嚴重。

2.4改進的綜合水質指數法的優勢

黃河是中國北方的主要水源之一，大量研究聚焦于黃河水的水質評價，所用評價模型不盡相同。相較于先前的黃河水質評價方法，本研究構建的改進的綜合水質指數法表現出諸多優勢，見表2。

綜上，改進的綜合水質指數法綜合了多種水質評價方法的優點，且克服了上述評價方法的不足，在水質評價方面，特別在大河流域水質評價方面具有較強的優越性。

3結論

對黃河干流水質進行評價的實踐表明，改進的綜合水質指數法以水污染指數WPI為分項指數解決了傳統綜合水質指數法評價中難以評判水質類別的問題；采用主成分分析賦權法客觀體現了不同指標對水體污染的貢獻，解決了傳統綜合水質評價中賦權過于主觀的問題；引入改進內梅羅指數法克服了傳統綜合水質指數法不能反映最差水質類別影響的不足。

2004-2016年黃河干流7個斷面水質評價結果表明，黃河干流水質總體良好，達標率較高，且水質逐年改善，主要污染物為有機物和氨氮。從年際變化來看，2005年以后，水質污染程度呈逐年降低趨勢，污染控制較好，水質狀況得到改善。從水質空間變化看，黃河干流上游下段水體污染最為嚴重，最重污染因子為NH3-N；烏海海勃灣斷面和內蒙古包頭畫匠營子斷面污染最嚴重，但近幾年已得到有效控制；上游地區水質狀況較為穩定，最重污染因子為CODMn水質較好。