改進的內梅羅污染指數法在黃河干流水質評價中的應用

吳喜軍，董 穎，張亞寧

(1. 榆林學院 陜西省陜北礦區生態修復重點實驗室，陜西 榆林 719000；2. 榆林學院建筑工程學院，陜西 榆林 719000)

黃河，中國人稱其為“母親河”，是我國的第二大河。發源于青海省巴顏喀拉山北麓約古宗列盆地，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東 9個省區，在山東墾利縣注入渤海。干流全長5 464 km，流域面積79.5 萬km2，天然河川徑流量580 億m3。黃河作為西北、華北地區的重要水源，不僅承擔著沿黃地區的生活及工農業生產供水，而且擔負著向河北、天津、青島、大同等跨流域調水的任務。隨著國民經濟的迅速發展和城鎮人口的增加，黃河流域廢污水和污染物排放量逐年增大，流域內各省區產生的污染物最終大部分進入黃河干流[1]，這已經引起了國內很多學者的關注，并相繼提出了有關黃河流域水體污染防治等措施，但對于黃河水質評價方面的研究并不多見。分析黃河的水質狀況可為黃河流域社會、經濟、環境協調發展，實現黃河水資源可持續利用提供科學依據。

目前水質評價采用的主要方法有：單因子評價法[2]、污染指數法、模糊綜合評價法[3,4]、灰色系統評價法[5]、BP神經網絡評價法[6]、主成分分析法[7]等，各種方法均有優缺點和其適用性與局限性[8,9]。其中，污染指數法可對水質狀況做出定量描述，且評價結果能夠反映水體污染程度[10]，本文采用污染指數法中的內梅羅污染指數法進行水質評價。但此方法存在過于突出分指數最大因子對水質的影響，且未考慮各污染因子權重的缺點，因此，本文采用改進的內梅羅污染指數法對黃河干流6個監測斷面的水質狀況進行綜合評價，并與灰色聚類法、單因子評價法的評價結果進行比較。

1 區域概況與基礎數據

1.1 區域概況

本研究區域為整個黃河干流，根據中華人民共和國生態環境部公布的地表水自動監測周報，選取黃河流域6個國控監測斷面，包括蘭州新城橋斷面、石嘴山麻黃溝斷面、包頭畫匠營子斷面、忻州萬家寨水庫斷面、濟源小浪底斷面和濟南濼口斷面，如圖1所示。

圖1 黃河干流監測斷面位置圖 1-甘肅蘭州新城橋斷面；2-寧夏石嘴山麻黃溝斷面； 3-內蒙包頭畫匠營子斷面；4-山西忻州萬家寨水庫斷面；5-河南濟源小浪底斷面；6-山東濟南濼口斷面

1.2 基礎數據

評價指標為溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(CODMn)和氨氮(NH3-N)。水質監測數據來源于中華人民共和國生態環境部公布的地表水自動監測周報，取2015年第3周到2016年第2周全年的平均值，見表1。

表1 2015年黃河干流國控斷面水質監測數據

2 改進的內梅羅污染指數法水質評價模型

內梅羅指數法是當前國內外進行綜合污染指數計算的最常用的方法之一。該方法先求出各因子的分指數(超標倍數)，然后求出各分指數的平均值，取最大分指數和平均值計算[11]。但此方法過于突出分指數最大因子對水質的影響，且未考慮各污染因子的權重[12]，故本文采用改進的內梅羅污染指數法進行水質評價。

2.1 確定水質計算標準，計算各污染因子的權重

首先根據被評價水體的水域功能，確定水質計算標準，然后根據公式(1)、公式(2)計算各污染因子的權重值。

(1)

ri=smax/si

(2)

式中：ωi為第i個污染因子的權重值；m為污染因子的個數。si為第i個污染因子的計算標準；smax為m個污染因子計算標準的最大值。

2.2 劃分污染等級

從水環境質量標準中選擇與被評價水體相同的污染因子，采用公式(3)～(5)計算各水質級別改進的內梅羅污染指數，從而得出用改進的內梅羅指數劃分的污染等級標準。

Fi=ci/si

(3)

(4)

(5)

2.3 計算各評價對象改進的內梅羅指數，判斷其水質級別

同樣根據公式(3)～(5)計算各評價對象改進的內梅羅指數，再對照劃分的污染等級標準，得出各評價對象的水質級別。

3 水質評價實例

選擇溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(CODMn)、氨氮(NH3-N)作為評價指標，選擇《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)[13]作為評價標準，將水質分為Ⅰ類(未污染)、Ⅱ類(輕污染)、Ⅲ類(中污染)、Ⅳ類(重污染)、Ⅴ類(嚴重污染)5個等級，如表2所示。

表2 地表水環境質量分級標準 mg/L

采用改進的內梅羅污染指數法對黃河干流6個監測斷面(圖1)進行水質評價，具體步驟如下。

(1)確定水質計算標準：根據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)，參與水質評價的黃河干流6個監測斷面水域功能區屬于Ⅲ類，本次水質評價以Ⅲ類水為計算標準。

(2)計算各污染因子的權重：由公式(1)、公式(2)計算各污染因子的權重值，計算結果見表3。

表3 各污染因子的權重值

由表3可以看出，氨氮(NH3-N)的權重值最大，即氨氮對該評價體系的影響最大，占到整個評價體系權重的73.2%。

(3)劃分污染等級：從《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)中選擇污染因子DO、CODMn、NH3-N，以Ⅲ類水為計算標準，采用公式(3)～(5)計算各水質級別改進的內梅羅污染指數，從而得出用改進的內梅羅指數劃分的污染等級標準，見表4。

表4 改進的內梅羅指數劃分的水質級別

對于DO：

式中：cim為飽和溶解氧的數值；P為當地實測大氣壓, 取6個監測斷面的平均大氣壓92.05 kPa；P0為標準大氣壓，101.325 kPa；T為檢測點河水溫度，取全年平均水溫5 ℃。

(4)計算各監測斷面改進的內梅羅污染指數：根據表1中的監測數據，按照如上步驟計算黃河干流6個監測斷面改進的內梅羅指數，計算結果見表5。

(5)判斷水質級別：根據表5計算數據，對照劃分的污染等級標準(表4)，得出黃河干流6個監測斷面的水質級別。

表5 各斷面改進的內梅羅污染指數及水質評價結果

由表5數據可以看出，蘭州新城橋斷面和濟南濼口斷面改進的內梅羅污染指數P′<0.387， 水質級別為Ⅰ類(未污染)，其余4個斷面改進的內梅羅污染指數0.387≤P′<0.674，水質級別為Ⅱ類(輕污染)。6個監測斷面的水質均在Ⅲ類標準范圍內，黃河干流整體水質狀況較好。

通過比較改進的內梅羅污染指數的大小，可以看出6個監測斷面水質由好到差的順序依次為：濟南濼口、蘭州新城橋、包頭畫匠營子、濟源小浪底、石嘴山麻黃溝、忻州萬家寨水庫。

4 評價結果的對比與分析

分別采用灰色聚類法和單因子評價法對黃河干流6個監測斷面(圖1)進行水質評價，并與改進的內梅羅污染指數法的評價結果進行比較，結果見表6。

表6 不同方法的水質評價結果對比

由表6可以看出：

(1)三種方法的評價結果基本一致，水質級別均為Ⅰ類和Ⅱ類，說明這幾種方法均有一定的合理性和適用性，但也存在一定的差異。

(2)單因子評價法的結論更加嚴格，這是因為單因子評價法未考慮各污染因子的權重，夸大了某一因子對水質的影響，且未考慮各污染因子的綜合作用。相比之下，改進的內梅羅污染指數法和灰色聚類法的評價結果更加合理。

(3)改進的內梅羅污染指數法可以通過比較污染指數的大小判斷同一級別水質的優劣，可作為本次評價優先選用的一種方法。

5 結 語

(1)用改進的內梅羅污染指數法和灰色聚類法評價黃河干流6個監測斷面的水質狀況，評價結果基本一致。均計算了各污染因子的權重，避免忽視某些濃度小但影響大的污染因子，且綜合考慮了各污染因子對水體的影響程度，克服了單因子評價法等傳統方法偏于主觀性、結論過于嚴格的弊端。評價結果客觀、合理。

(2)改進的內梅羅污染指數法的評價結果具有可比性。當評價結果為同一級別時，可以通過比較污染指數的大小區分水質狀況，評價結果具有足夠細微的辨識度，可以很好地反映黃河流域環境質量狀況，對其他流域的水質評價有一定的參考價值。

(3)由水質評價結果可知，黃河干流整體水質狀況較好，近年來針對黃河流域開展的一系列生態修復取得了明顯效果。