水環境質量評價方法分析及應用

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引言

水環境質量評價是按照評價目標選擇相應水質參數、水質方法和計算方法，對水的利用價值及水的處理要求作出評定。評價的目的主要是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，找出流域的主要污染問題，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。水質評價按照評價的時間劃分，有回顧評價、現狀評價和水環境管理評價[1]。其中，水質現狀評價是較常用的評價，通過水質現狀評價可以揭示水環境質量的時空變化規律，分析造成這種時空變化的原因，了解水體污染對水生生態和人群健康的影響。

水質現狀評價的主要步驟包括：確定評價范圍、水質調查評估、確定評價參數、建立評價模式、進行模擬計算、給出評價結論6個步驟，水質評價結果的合理性取決于監測數據的準確性和評價方法的科學性。自20世紀60年代以來，國內外就不斷有討論水質評價的報道。近30年來，隨著大量數學方法應用于水質評價中，水質評價已經成為我國環境質量評價中一個發展最快、進步最大的分支，目前有20余種水質評價方法在國內外被廣泛采用。依據評價方法中采用的數學方法的不同，主要分為單因子評價法、污染指數評價法、水質指數法等。

一、水質評價方法概述

(一)單因子評價法

單因子評價法又稱“單指標評價法”、“一票否決法”，是《水資源保護規劃技術大綱》中推薦的方法，現行的《地表水環境質量標準》(GB3838—2002)中明確規定：“地表水環境質量評價應根據應實現的水域功能類別，選取相應類別標準，進行單因子評價。”它根據地表水環境質量標準中規定的污染指標限值與監測值比較，選取污染最嚴重指標的級別作為該斷面水質級別[2]。單因子評價指數是最簡單的環境質量指數，它是一個無量綱數，表示某種評價因子在環境中的觀測值相對于環境質量評價標準的程度，即超標倍數。一般定義式為

Ii=Ci/Si

式中:Ii為單因子評價指數；Ci為第i種評價因子在環境中的監測測值；Si為第i種評價因子的評價標準值。Ii的數值越大表示該單項的環境質量越差。

很明顯，單因子評價法可以直接了解水質狀況與評價標準之間的關系，有利于提出針對性的水環境治理措施，但是單因子評價采取最差因子“賦全權”的做法不利于對水環境質量的整體認識，只是得到了某一種因子的質量狀況，無法給出水環境質量的綜合狀況，不能反映水環境質量的全貌。

(二)污染指數法

污染指數法是用水體各監測項目的監測結果與其評價標準之比作為該項目的污染分指數，然后通過各種數學手段將各項目的分指數綜合而得到該水體的污染指數，以此代表水體的污染程度，以及進行不同水體或同一水體不同時期的水質比較。對分指數的處理不同，使水質評價污染指數存在著不同的形式。包括簡單疊加指數、算術平均值指數、最大值指數、加權平均指數等[3]。

1.簡單疊加指數

選定若干評價參數，將各參數的實際濃度Ci和其相應的評價標準濃度Cai相比，求出各參數的分指數，將各分指數加和。即：

簡單疊加指數是最基本的污染指數計算方法，其不足在于評價結果受評價參數的不同和評價參數項數的影響，可比性不高。并且無法區別不同污染物對水質的影響。

2.算數平均值指數

計算原理與簡單疊加指數相同，由于選用的評價參數的項數直接影響結果數值的大小，為消除項數不同對指數值的影響，將分指數和除以參加評價的項數(n)，即：

與簡單疊加指數相比，算術平均值指數消除了評價參數項數的不同對評價結果產生的影響，增加了一定的可比性。

3.最大指數

最大指數法亦稱內梅羅指數，該方法特點是在計算式中含有評價參數中最大的分指數項。公式如下：

最大值指數充分重視某污染物出現的最大濃度值對水質的影響和作用。但在污染物波動大時，可能出現1個由最大值決定的高峰，反映不出其他污染指數的貢獻。

4.加權平均指數

根據污染物對環境影響作用的不同，人為地引入加權值Wi，計算公式為：

加權平均指數通過加權考慮了不同污染物對水質的不同影響，可以有針對性地突出某種污染物的作用。但當超標指數過多或者超標倍數較大時。加權平均指數的值會低于最大值指數，可能會掩蓋污染問題。權值如何取值客觀合理是一個關鍵問題。

污染指數評價是對整體水質作出定量描述.根據定量結果，按照一定的分級標準對水質作出定性評價。只要項目、標準、監測結果可靠，綜合評價從總體上看可以基本反映水體污染的性質和程度，而且對于全國流域尺度而言，污染指數評價法計算簡便,便于進行不同水體之間或同一水體時間序列上的基本污染狀況和變化的比較。污染指數評價方法的缺點是，不能很好地與國家統一的水質功能類別相一致，各種方法均根據各自指數大小規定污染等級，沒有完善統一的環境質量分級系統[4]。不同的指數之間、指數分級與環境質量標準之間都缺乏可比性。評價結果只能說明污染程度的輕重，不能確定其功能的具體類別；同時，同一類水體的水質標準有一個變化范圍。權重取值不同會對評判結果帶來影響。綜合指數評價法在污染物濃度不大或不需要對水質功能類別進行評價的情況下可以使用。

(三)水質指數法

1.水質標識指數法

水質標識指數法分單因子水質標識指數和綜合水質標識指數兩步進行，評價標準為《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)[5]。

(1)單因子水質標識指數

單因子水質標識指數P 由一位整數、小數點后2位或3位有效數字組成，表示為：

Pi=X1·X2X3

式中： X1代表第i 項水質指標的水質類別；X2代表監測數據在X1類水質變化區間中所處的位置，根據公式按四舍五入原則計算確定；X3代表水質類別與功能區劃設定類別的比較結果，視評價指標的污染程度，X3為1位或2位有效數字。X1.X2代表了單項水質指標的類別和污染程度。根據Pi的數值可以確定水質類別、水質數據、水環境功能區類別，可以比較水質的污染程度，Pi越大，水質越差，污染越嚴重。

(2)綜合水質標識指數

綜合指數評價法是對各污染指標的相對污染指綜合水質標識指數，可以表達河流總體的綜合水質信息[6]。綜合水質標識指數由整數位和3～4位小數位組成，結構為

Pwq=X1·X2X3X4

式中，X1.X2由計算獲得，X3和X4根據比較結果得到。其中，X1為水體總體的水質類別；X2為水質在X1類水質變化區間內所處位置，從而實現在同類水質中進行優劣比較；X3為參與水質評價的評價因子中，劣于水環境功能區目標的單項指標個數；X4為水質類別與水體功能區類別的比較結果。綜合水質標識指數的核心是X1.X2的計算，即根據監測數據確定水體的綜合水質類別，并確定水質在該類別變化區間中的位置。計算公式如下：

式中：m為參加綜合水質評價的水質單項因子的數目；P1，……，Pm分別為第1，……m個評價因子的單因子水質標識指數。綜合水質標識指數法結合了國家標準規定的水質類別，可以對水質類別進行定性評價，并且考慮了水質污染程度的比較，可以在同一類水的水質指標中進行定量比較，還能判別河流水體是否黑臭。綜合水質標識指數法的缺點是每項評價因子的權重是相等的，并且計算量較大[6]。

2.水質標識評價法

江蘇省太湖流域河流水質評價的推薦方法——水質指數評價方法，在江蘇省太湖流域河流水質評價中，根據河流污染的特點，綜合考慮了單因子指數評價、綜合污染指數評價和綜合水質標識指數評價方法。水質指數組成為：WQI=X1.X2(X3)，式中：X1為水質類別；X2為水質在為水質在該類別變化區間中所處的位置；X3為首要污染因子，其水質指數的計算公式為：

X1·X2=Max(X1X2pH，X1X2DO，X1X2CODMn，X1X2NH3-N)

式中，X1。X2pH，X1。X2DO，X1、X2CODMn，X1。X2NH3-N等指pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數、氨氮和其他參加評價指標的單因子水質指數；Max指取所有參加評價指標的單因子水質指數的最大值。

二、水質標識指數法在水質評價中的應用

懷柔水庫是北京市重要的飲用水源保護區，目前其水質評價主要采用單因子污染指數法，該法以參評的某一項最差的水質類別作為該監測點的綜合水質類別，具有一定的片面性和局限性[7]。采用水質標識指數法對懷柔水庫水質進行評價，其評價結果可較好滿足水環境管理人員的需求。本次評價選取懷柔水庫2009 年7月27日北京市水文總站對懷柔水庫水質進行監測的數據，分別采用單因子污染指數法和水質標識指數法評價。評價項目分別為DO、CODMn、NH3-N、TP及TN。以《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)為評價標準。

(一)單因子污染指數評價結果

對水庫采用單因子污染指數法評價結果如表1所示：

表1懷柔水庫2009年7月27日水質監測數據及單因子污染指數法評價結果mg/L

從表1可以看出，用單因子污染指數評價法評價懷柔水庫壩前、庫東、庫西、前辛莊及峰山口等5個站點的水質類別均為Ⅲ類，口頭站的水質類別為Ⅳ類。

(二)水質標識指數法結果

對水庫采用水質標識指數法評價結果如表2所示：

表2懷柔水庫2009年7月27日水質單因子及綜合水質標識指數法評價結果

從表2 可以看出，用單因子水質標識指數法評價懷柔水庫壩前、庫東、庫西、前辛莊及峰山口水質類別為Ⅲ類，口頭水質為Ⅳ類。單因子水質標識指數法分析超標項目為CODMn、TP 及TN。其中壩前、庫東及庫西CODMn監測數據位于Ⅲ類水區間中距下限值分別20%、10%及20%的位置，水環境功能區目標為Ⅱ類，CODMn分別劣于水環境功能區目標值1 個類別； 庫東TP監測數據位于Ⅲ類水區間中距下限值60%的位置，水環境功能區目標為Ⅱ類，TP劣于水環境功能區目標值1 個類別； 壩前、庫東、庫西、前辛莊及峰山口TN監測數據位于Ⅲ類水區間中距下限值分別40%、60%、40%、70%及50%的位置，水環境功能區目標為Ⅱ類，TN分別劣于水環境功能區目標值1 個類別； 口頭TN監測數據位于Ⅳ類水區間中距下限值分別70%的位置，水環境功能區目標為Ⅱ類，TN分別劣于水環境功能區目標值2個類別。

從表2可以看出，用綜合水質標識指數法評價懷柔水庫壩前、庫東、庫西、前辛莊、口頭及峰山口水質類別為Ⅱ類，水質類別與懷柔水庫所執行的地表水飲用水水源保護區Ⅱ類水功能相同。其中壩前、庫東、庫西、前辛莊、口頭及峰山口綜合水質在Ⅱ類水區間中距下限值分別40%、60%、30%、20%、80%及20%的位置，參與評價的5 項指標中劣于水環境功能區水質類別的指標分別有2個、3個、2個、1個、1個及1個。綜合對比壩前、庫東、庫西、前辛莊、口頭及峰山口監測點水質指標類別表現為： 口頭>庫東>壩前>峰山口>庫西>前辛莊。

(三)單因子污染指數法與水質標識指數法比較分析

在平常工作中，我們更多的是關心監測點水質具體類別和是否達到水環境功能區標準，以及沒有達標水質項目超標情況。這些信息從單因子污染指數評價中無法得到，但是從單因子水質標識指數法評價中可以直接讀取，極大地方便了工作需要。

近年來，針對懷柔水庫的水環境保護，北京市京密引水管理處和地方政府部門聯合做了大量工作，比如加大了水政執法力度； 庫區周邊種植涵養林； 水庫上游小流域治理； 加大庫區保潔力度； 實施封閉式管理等，水庫CODMn、TN 及TP 等指標從連續監測結果看有所改善。如果用單因子污染指數法評價，水質評價一直為Ⅲ類，無法看出這幾年針對懷柔水庫水質改善所做工作取得的成績； 如果用單因子水質標識指數法和綜合水質標識指數法評價可以直觀地看出CODMn、TP 及TN 等這些超標水質指標監測數據的下降，能直觀反映管理單位所做工作取得的成績。

通過綜合水質標識指數法分析看出懷柔水庫水質屬于Ⅱ類，達到功能區目標值。但是利用單因子水質標識指數法分析也可以看出部分站點也有個別項目存在超標，特別是TP、TN 等項目。懷柔水庫在北京市的防洪、供水等方面發揮著重要作用，必須高度重視懷柔水庫水源保護。通過水質標識指數法這種評價方法得出的結論可以為下一步的水環境保護提供科學依據。

三、總結

水環境系統是一個復雜的、不確定系統，還沒有一個大家公認的和通用的水環境質量評價數學模型，也沒有建立一個通用的數學模型選用的標準和規則。現有的水環境評價模型都有各自的優缺點，如何針對流域的具體情況，根據評價目的和流域特征選擇合適的評價方法以及有代表性的評價參數，使評價結果更加真實和準確，評價過程和參數簡單可行，仍是今后需繼續研究的問題[8]。水環境評價是以監測數據為依據，對水環境現狀及其變化規律作出分析和評價，從而為環境決策和管理服務。從這一角度出發，一個好的水質評價方法應滿足準確性、可比性和可行性等特點。評價結果的水質類別要符合國家水質控制標準的要求，與國家水質控制標準有可比性和一致性，同一類別中的水體可以進行比較，能夠說明地表水的質量和功能，并且評價方法應該簡單實用。便于在實際的評價工作中推廣。同時，評價模型中的參數應該既全面準確，又不至于難于獲取。今后，還需要根據以上要求對各種評價方法進行進一步的研究和完善。