黑臭水體評價指標及評價方法*

呂保玉，白海強

（廣西壯族自治區生態環境監測中心，廣西 南寧530028）

水體黑臭是水體有機污染的一種極端現象，是對水體極端污染狀態的一種描述，泛指是指呈黑色或泛黑色，散發出令人感覺不愉快臭味甚至作嘔的水體。水體黑臭不僅影響外在形象，更對居民的生活造成危害，早在多年前，水體黑臭問題已引起國內外政府機構、人民群眾和相關專家的關注，近幾年關注力更為突出，因此，各類學者、專家對黑臭水體的認識也在不斷深入，研究也得到了不斷發展。要消除黑臭水體，必須了解其產生的機理及評價方法，才能更好的指導黑臭水體的治理。筆者總結了黑臭水體的研究歷程、多年來評價指標的選擇與各個評價方法的優缺點，為其得到更好的治理起指導作用。

1 黑臭水體的研究歷程

縱觀國內外研究，最初，水體黑臭只是簡單的通過顏色、氣味、混濁度等一系列感官性狀來進行定性的評定，經過一定時期的發展，開始逐漸選用體現水化學指標以及生物指標進行定量評價，并采取一系列的措施；其發展過程大致分為3 個階段：初始起步階段、摸索發展階段、深入擴張階段。

初始起步階段 首次關注到了黑臭水體的存在，指出了黑臭水體的涵義，初步分析了黑臭水體的形成機理和其產生的原因。早在1963 年，上海自來水公司首次提出了水體的黑臭現象，指出黑臭水體的存在。到1979 年，Lazaro 指出黑臭水體的概念，即一種極端水污染狀態。1983~1997 年期間，更多研究者將研究方向開始偏向黑臭水體產生的原因及機理考究，發現有機物污染，熱污染以及底泥污染、放線菌分解產生喬司脒、水體中Fe 和S 的形態轉化等跟水體產生黑臭有關[1]，等等。

摸索發展階段 主要針對水體黑臭的產生原因及機理進行深入研究，并開始探索黑臭水體的初步治理技術和修復方法。2001 年，孫從軍等利用人工曝氣復氧方式對黑臭水體進行治理，取得了顯著效果[2]。2005 年，金承翔等通過曝氣充氧、植物凈化技術和生物制劑組合生物技術對黑臭水體的凈化能力進行了研究[3]。2011 年，崔偉等人構建生物試復合垂直流人工濕地系統對黑臭水體的去除具有顯著作用[4]，等等。

深入擴張階段 主要偏重于黑臭水體評價方法、指標體系的建立，進一步豐富了黑臭水體的治理修復技術。2005 年徐祖信提出了綜合水質標識指數，在黑臭水體的評價中得到了極為廣泛的應用[5]。2007 年至今，眾多學者利用綜合水質標識指數或對該方法進行改進后應用到黑臭水體的評價上[6，7]。2012 年，徐明德等人建立了針對干旱地區城市河流黑臭水體評價指數模型[8]。2015 年，張晶堯等利用商權物元可拓模型對河流黑臭進行了評價研究[9]，等等。

2 評價指標

水體黑臭的指標是研究其成因、判斷其黑臭程度及科學合理地管理水體的重要內容。

要給出合適的評價指標，就需了解其成因。多年來，在黑臭水體的成因研究中，多數專家認為它是一種生物化學現象，即當水體遭受嚴重有機污染時，水中有機物的好氧分解使得水體中耗氧速率超過復氧速率，造成水體缺氧，導致有機物降解速度降低甚至降解不完全。在缺氧的水體中，有機物分解產生硫化物、H2S、硫醇類、胺、NH3和其它帶異味、易揮發的小分子化合物，因而散發出臭味。同時，沉積物中產生的 CH4、N2、H2S 等難溶于水的氣體，在上升過程中攜帶污泥容易形成FeS、MnS 等黑色物質進入水相，使水體發黑，認為水體發黑主要是由于水中鐵、錳元素與硫化物作用生成的沉淀物[10]。

胡國臣等人[11]發現溶解氧、生化需氧量和水相中還原菌數、水體黑臭有較好的相關性。呂佳佳等人[12]指出：在黑臭形成的水質因素方面，TOC 和TN 都是黑臭水體形成的必要條件，Fe2+濃度不僅與色度有關，還與臭度有關，Fe2+是水體臭味產生的必要條件，S 與水體的黑臭緊密相關，但不是黑臭水形成的限制因素；環境條件方面，溫度是黑臭形成的必要條件，DO 是臭味產生的必要條件。

但為使污染物指標與感官相一致，可檢測水體的臭閾值、透明度、色度、溶解氧和氧化還原電位等理化特征指標。臭閾值、透明度和色度可直接反映水體黑臭程度，溶解氧和氧化還原電位可反映水體發生黑臭的趨勢。

綜合考慮，黑臭水體評價指標應包括兩方面：物理指標和化學指標。與黑臭水體水質相關的指標主要包括:臭閾值、色度、透明度、溶解氧、氧化還原電位、化學需氧量、NH3-N、溫度、pH 值、鐵和錳、硫化物等。這些指標可作為水體黑臭程度判斷、成因分析、水質變化預測和治理方案制定的重要依據。

3 評價方法及其優缺點

水體黑臭的評價方法是了解水體是否黑臭或黑臭程度的依據，是解決水體黑臭的前提和基礎，可為黑臭水體后期的治理和修復提供理論和技術支撐。對于水體黑臭評價來說，雖然國內外經過了幾十年的研究，取得了大量成果，但至今仍沒有統一的水體黑臭評價方法和標準，每條黑臭水體都需要建立特有的評價模型，增大了水體黑臭評價的工作量和難度，成為水體黑臭評價工作的一大瓶頸。

縱觀學者們有關水體黑臭的評價方法，種類繁多。在黑臭水體評價指標研究中包括了物理指標和化學指標兩方面，評價方法也多從這兩方面入手。

3.1 物理指標法

物理指標法多是從黑臭水體的概念和人的感官來描述定性的，認可較多的是感官評價法，在識別水體是否黑臭時，主要針對感官性指標，不需要任何技術手段就能判斷。這種方法簡便可行、客觀，也可充分反映居民的關切，可操作性強。但它的描述具有很強的主觀性，由于人的視覺和嗅覺有差別，判斷結果會不同，且沒有形成統一標準，如何準確運用人的感覺表述黑臭水體是未來實踐工作中亟需開展的工作。

3.2 化學指標法

化學指標法是基于水質的一些化學指標參數進行一定的計算來評價的，在化學指標方面又分為單一指標和綜合指標；綜合指標法是通過構建綜合指標全面評價水體黑臭程度，應用較多的有綜合污染指數評價法（又可分為：黑臭多因子加權指數法、有機污染指數法、多元非線性回歸法、綜合水質標識指數評價法等）、其他評價法（模糊綜合評價法、灰色系統理論評價法和人工神經網絡評價法）等。

3.2.1 單因子指數法 該方法是通過計算超標指數來確定評價等級的方法，是將某種污染物實測濃度與該種污染物的評價標準進行比較以確定水質類別的方法。國內很多學者普遍以溶解氧這一指標作為界定水體是否黑臭的標準，也有學者通過測定水體的色度、黑度以及臭閾值等指標,用以表征黑臭水體的程度；戴樹桂等通過模擬試驗得出色度作為水體黑臭判別的臨界指標[13]；俞欣得到氧化還原電位與部分黑臭因子之間具有較好的相關性[14]。該方法的優點為概念明確、計算簡單，缺點是每個指標的影響權重均為100%，是一種一票否決制，不能體現其對環境效應的差異性。該方法不宜單獨使用，需結合其他評價方法才能發揮其優點。

3.2.2 綜合指數評價法 1974 年，國內學者關伯仁首先提出了從綜合的角度來表示水質的污染情況和水體的評價。水質綜合指數評價法通過對各個水質監測項目的數據結果與評價標準進行對比聯系，得到各個指標的污染指數，然后采用某一種或多種數學運算方法，將各個水質指標綜合整理，得到水質綜合指數，并用該指數作為水質評價的尺度，來評估水質優劣。常用的有：黑臭指數法（黑臭多因子加權指數法和有機污染指數法）、多元非線性回歸法、綜合水質標識指數評價法等。

3.2.2.1 黑臭指數法 常用的黑臭多因子加權指數法是對蘇州河水質特點建立的黑臭評價關系式，有機污染指數法是針對黃浦江水質特點建立的黑臭評價關系式，這兩種都是針對上海地區的水質特征提出來的評價方法，針對性較強，其結果的正確率相對較高，這兩種方法均是建立影響水體黑臭的環境因素和黑臭狀況主要指標之間的判別關系式[15]，雖在城市水體黑臭評價方法在評價城市內河黑臭問題起到積極的作用，但沒有明確提出其適用范圍。不同學者，研究不同地區的不同水體，其使用的判別式不同，選擇的黑臭指標也不同，因此，黑臭指數的判別標準和閾值差異很大。李鵬章[16]通過實際采樣，對8種判別式的可靠性進行了測試和驗證，計算結果對比，得出不同的判別式對同一水體黑臭情況的判定結果不一樣，且最高判定正確率只有20%。可見，該方法地域性和針對性太強，不同區域不同水體需要重新摸索建立適合的判別關系式。

3.2.2.2 多元非線性回歸法 由于黑臭水體評價的指標與各水質指標之間的關系是復雜的，有的學者認為不能用簡單的線性關系來表示，因此，便建立評價指標與各項水質指標之間的非線性關系。Canfield等通過對弗羅里達州的165 個湖泊的水色研究，建立了葉綠素a、TP、TN 與色度的多元非線性回歸方程。國外學者通過監測水體大量指標（如pH 值、水溫、濁度、透明度、電導率、COD、DO、TP、NH3-N、藍細菌總生物量、藻類總量和喬司脒等濃度，建立多元非線性回歸模型預測研究水體黑臭，雖然能夠較全面、準確地預測水體的黑臭狀況，但由于涉及到的參數太多，監測過程也比較復雜.國內使用非線性回歸模型多用來評價湖泊、水庫，缺乏河道黑臭的研究報道，值得進一步研究。

3.2.2.3 綜合水質標識指數評價法 2005 年徐祖信在研究上海市河流水質時根據《水環境質量標準》中的評價指標建立的水質評價方法，它是由1 位整數和3 位或4 位小數組成[17]。公式如下：

綜合水質標識指數總體上包括兩部分: X1.X2是綜合水質指數，是重點，通過計算得出；X3和X4是標識碼，在求得綜合水質指數的基礎上，通過判斷得出。

式中 X1：河流總體的綜合水質類別；X2：在X1類水質變化區間內，水質所處位置；X3：與水環境功能區目標相比，水質監測的指標不達標的個數；X4：標識碼，代表的是所要評價的水質類別與水體功能區類別的比較結果。

該方法可以反映河流水質狀況，既可結合國家標準評價綜合水質類別又能反映綜合水質的連續性變化情況，還可判斷水體黑臭程度，可以靈活應用在某一流域的不同斷面監測點，也可以應用在不同流域，分別分析出水質狀況。但也存在黑臭評價指標涵蓋面較寬、獲取數據不夠便捷、快速，臨界值設定依據不清[18，19]，具有地域性，對黑臭水體的劃分等級不深入等情況。

3.2.3 其他綜合評價法 被國內外學者認可較多的黑臭水體綜合評價法主要有模糊綜合評價法、灰色系統理論評價法和人工神經網絡評價法。模糊綜合評價法和灰色系統理論評價法屬于矩陣運算分析法，是基于矩陣運算形成的分析方法。

3.2.3.1 模糊綜合評價法 通過衡量各項水質參數在總體評價中的地位，給各參數賦予適當的權重，判斷各指標對水環境質量標準的隸屬度，形成隸屬度矩陣，通過運用模糊矩陣計算，獲得一個綜合隸屬度。這一評價方法把水系統中的模糊性和不確定性很好的體現出來，符合客觀事實，所以評價結果一定程度上具有一定的合理性。但其評判一般采用線性加權平均，使得評判結果容易出現均化、跟實際情況失真等現象，導致判斷不準確或者可比性差等問題，而且其評價過程十分復雜，可操作性較差[20]。

3.2.3.2 灰色系統理論評價法 1982 年，我國鄧聚龍教授創立了灰色系統理論，它以“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”不確定性系統為研究對象。常用“黑”表示信息未知，用“白”表示信息完全明確，用“灰”表示部分信息明確、部分信息不明確。通過計算各個水質指標的實測濃度與各個級別水環境質量標準之間的關聯度，再依據關聯度的大小來判斷水質的好壞[21]。關聯度越高，說明監測的水質數據樣本越貼近該級別的水環境質量標準，則表明此實測數據就是所要評價的水質級別[22]。和模糊綜合評價法一樣，水環境系統所具有的不確定性在灰色系統理論評價法中也有較好的體現，灰色系統理論評價法的優點是結果簡單、可比，缺點是存在分辨率低等問題。

3.2.3.3 人工神經網絡法 人工神經網絡起源于20世紀50 年代，它是一門非線性學科，利用類似于大腦神經突觸聯接的結構進行信息處理的一種數學模型。利用該方法評價，需先把水環境質量標準中指定的指標濃度限值和評價公式建成樣本庫輸入網絡，作為材料對其進行學習訓練，當網絡接受后即可用來對所需水質進行評價。這種方法運算速度快，結果準確，出錯率低，應用前景廣泛，但其需要人工提前輸入大量的參數作為樣本，若樣本之間的協同性較差時，導致結果出現均一化。

4 結論與展望

總的來說，目前國內外對黑臭水體產生的機理、評價選用的指標和評價方法已開展眾多研究，但依然存在不足與瓶頸，形成機理還未全面明確，評價的指標和體系還未統一建立。大多數研究集中在選用少數幾個水質指標（多數是化學指標）進行評價分析, 這雖然在一定程度上能反映出水體的黑臭情況，但若能結合實際，把人的感官如視覺、嗅覺、情緒反應等情況考慮進去，再從生物學角度利用一些水生生物指標（如浮游動植物、底棲動物、魚類等）來判別黑臭水體狀況和級別就更加完善，尚需進一步探索。