幾種水質評價方法在地表水評價中的應用及比較研究

周 默

(遼寧省鞍山水文局,遼寧 鞍山 114000)

水環境現狀評價是水質調查的繼續[1]。自20世紀60年代以來,國內外學者已研究出幾十種評價方法,包括單因子評價法[2]、污染指數法[3]、模糊數學評價法[4]、灰色系統評價法[5]、水質標識指數評價法[6]等。由于影響水質評價的因素眾多且復雜,選取不同的評價方法可能得到不同的評價結果。因此,如何選擇合適的評價方法尤為重要。本文以鞍山市境內的地表水國家重要水質站2021年的監測數據為例,利用單因子評價法、改進的內梅羅指數法、灰色聚類法以及水質標識指數法進行水質評價,比較不同的評價方法在實際應用中的優缺點。

1 基本理論與方法

1.1 單因子評價法

單因子評價法是將所有參評指標與《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)標準限值進行比對,選擇水質最差的單項指標所屬類別作為該水域綜合水質類別[7-8]。

1.2 改進的內梅羅指數法

綜合污染指數法的核心思想是將所有參評水質指標的單項污染指數通過各種數學方法得到一個綜合指數,從而得到綜合水質評價結果[8]。改進的內梅羅指數法是同時將最大污染因子及權重最高污染因子的污染指數引入公式的一種較為常用的綜合污染指數法。其計算公式如下:

a.綜合污染指數的計算:

式中:WQI為改進的內梅羅污染指數;max(Ii)為污染指數的最大值;avg(Ii)為污染指數的算數平均值;Iw為權重最大的某項水質指標的污染指數。

b.各項污染因子的權重計算[9]:

式中:ri為污染因子的相關性比值;Smax為污染因子標準值的最大值:Si為污染因子對應的標準值;wi為污染因子的權重值。

1.3 灰色聚類法

灰色聚類法[8,10]通過將評價樣本和標準的歸一化處理,計算歸一化樣本在不同水質類別之間的聚類系數,并根據聚類系數的大小來判斷評價樣本所屬的綜合水質類別。計算公式如下:

a.數據的標準化處理:

式中:xki為第k個樣本第i項指標的標準化值;rij為第i項指標第j個灰類的標準化處理值;Cki為第k個樣本第i項指標的實測值;S0i為第i項指標的參考標準;Sij為灰類值。

b.確定白化函數。

①非溶解氧指標的白化函數:

第i項指標的灰類1的白化函數為

第i項指標的灰類(j=2,3,4)的白化函數為

第i項指標的灰類5的白化函數為

②溶解氧指標的白化函數

灰類1的白化函數為

灰類j(j=2,3,4)的白化函數為

灰類5的白化函數為

c.聚類系數的計算:

式中:ηij為某監測斷面第i項指標第j個灰類的聚類權;ωij為各污染指標各灰類權重;fij(xki)為樣本植xki的白化函數值;εkj為第k個監測斷面關于第j個灰類的聚類系數。

1.4 綜合水質標識指數法

綜合水質標識指數法是借助一組數字,定性或定量地判定綜合水質類別與污染程度,并標識水環境功能的達標情況。綜合水質標識指數結構為

式中:X1為綜合水質類別;X2為綜合水質在X1類水質變化區間內所處的位置;X3為參評指標中劣于水環境功能區目標的水質指標個數;X4為綜合水質類別劣于水環境功能區類別個數[8]。

2 評價結果與討論

2.1 評價區域概況

本文選取了2021年岫巖、小偏嶺、文家街、紅土嶺、太平溝5個鞍山市境內的地表水國家重要水質站的溶解氧、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數、氨氮、總磷5項主要污染指標進行比較分析。其中,岫巖與小偏嶺位于鞍山市岫巖縣境內,處于大洋河干流;文家街位于大洋河支流哨子河;紅土嶺位于鞍山市海城市,處于太子河支流海城河;太平溝位于鞍山市境內,處于太子河支流楊柳河。5個監測斷面的水質目標均為地表水Ⅱ類。

2.2 評價結果

各方法的評價結果見表1～表4和圖1。

圖1 以岫巖斷面為例的評價結果差異對比

表1 單因子評價法評價結果

表4 綜合水質標識指數法評價結果

表2 改進的內梅羅指數法評價結果

表3 灰色聚類法評價結果

續表

2.3 討論

通過比較可以看出,4種評價方法均能在一定程度上反映水體質量情況,但4種評價方法應用于同一監測斷面時評價結果會有所差異。

從評價結果來看,單因子評價法的評價結果能夠得到水質類別、超標因子,并能夠迅速計算出相應的超標倍數,如2021年5月岫巖的評價結果為Ⅲ類水質,超標因子為CODMn。但其無法進行同一類別不同水體間的比較,如2021年1月岫巖與文家街的評價結果均為Ⅰ類水質,但無法繼續比較兩個監測斷面的水質優劣。同時應當注意的是,就綜合水質評價而言,結果表現為過保護,不利于反映水體功能是否能夠滿足使用要求。改進的內梅羅指數法和灰色聚類法的評價結果能夠得到水質類別及相應水質類別的歸屬程度。如2021年太平溝2月和3月灰色聚類法的評價結果均為Ⅰ類水質,聚類系數分別為0.995和0.680,通過比較聚類系數的大小就能實現同類水質不同水體間的比較。但改進的內梅羅指數法和灰色聚類法的評價結果不能迅速識別超標因子的超標倍數,同時這兩種方法也不能對劣Ⅴ類水進行進一步評價和判斷其黑臭情況。綜合水質標識指數法的評價結果能夠得到水質類別、綜合水質在相應水質類別變化區間所處的位置、超標因子的數量以及劣Ⅴ類水是否黑臭(判斷標準:當6.0＜X1X2≤7.0時,水質劣于Ⅴ類水,但不黑臭;當X1X2＞7.0時,水質劣于Ⅴ類水,并且黑臭[7]),但不能迅速識別超標倍數。

從評價過程來看,單因子評價法的評價過程簡單直接,通過數據間的比較就能得到參評斷面的水質類別;灰色聚類法的評價過程最為復雜,對水質評價工作者有一定的要求;內梅羅污染指數法和綜合水質標識指數法計算過程難度適中,相對易于掌握。

3 結 語

本文通過采用4種不同的水質評價方法對5個鞍山市境內的地表水國家重要水質站2021年的綜合水質進行評價,得到相應的水質評價結果。結果表明4種評價方法都能夠在一定程度上反映水體質量狀況。采用改進的內梅羅指數法、灰色聚類法以及綜合水質標識指數法得到的綜合水質評價結果更為科學合理,而單因子評價法更適合用于篩選超標因子以及計算超標倍數,可在水質評價工作中同其他方法配合使用。對污染較為嚴重的水體進行水質評價,4種方法中能夠對劣Ⅴ類水進行進一步評價的綜合水質標識指數法相較于其他評價方法更有優勢。■