改進的綜合水質標識指數法在河流水質評價中的應用

周 默

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

綜合水質標識指數法是一種利用一組由4位有效數字組成的綜合水質標識指數來反映綜合水質情況的水質評價方法。相較于單因子水質評價法[1]、內梅羅指數法[2]、模糊數學法[3]、人工神經網絡法[4]、物元分析法[5]等常用的水質評價方法，綜合水質標識指數法計算過程簡單、評價結果信息豐富且科學直觀，同時能夠對劣Ⅴ類水進行進一步評價，是一種易于掌握且適合推廣的水質評價方法。本文通過對結合了不同賦權方式的綜合水質標識指數法進行分析比對，并對鞍山市境內太子河河段進行水質評價，以了解目標河段的綜合水質情況，同時為綜合水質標識指數法在河流水質評價工作中的應用提供實例參考。

1 評價方法

1.1 綜合水質標識指數

綜合水質標識指數由一組4位數字組成，包含了參評斷面的綜合水質類別、達標情況等多方面的信息[6]。綜合水質標識指數結構如下：

WQI=X1X2X3X4

(1)

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為綜合水質類別與水環境功能區類別的比較結果。

綜合水質標識指數計算的關鍵在于X1X2的計算，計算公式如下：

(2)

式中：ωi為各參評因子的單因子水質標識指數的權重；Pi為單因子水質標識指數。

由式(2)可知，權重系數的不同會給水質評價工作帶來不同的結果。因此，賦權方法的選擇至關重要。本文選擇了算數平均法、超標倍數法、熵值賦權法3種常用的賦權方法進行比較分析。

1.1.1 算數平均法

算數平均法是綜合水質標識指數法的傳統賦權方式，對所有參評指標賦予相同的權重，即X1X2等于各項參評指標的單因子水質標識指數的算數平均值。

1.1.2 超標倍數法

根據各參評指標的單因子水質標識指數來確定權重，計算公式如下：

(3)

式中：n為參評因子個數。

1.1.3 熵值賦權法[7]

在信息論中，熵值是系統有序化程度的一個度量，可以用來度量數據所提供信息量的大小。通過確定評價指標的熵值可進一步計算相應指標的權重,具體計算步驟如下：

a.建立評價指標矩陣。設有m個評價對象，n個評價指標，則有

R=(rij)mn(i=1，2，…，m；j=1,2，…，n)

(4)

b.歸一化處理。

(5)

c.計算各指標的熵值。

(6)

其中

d.計算各指標的權重。

(7)

1.2 綜合水質類別的判定

綜合水質標識級別評價的判斷標準[6]見表1。

表1 基于綜合水質指數的綜合水質類別判定

1.3 綜合水質隨時空變化的評價

綜合水質隨時空的變化可用圖形進行表述，同時也可進行定性評價，表達為基本不變、輕微變化及顯著變化[6]，具體評價標準見表2。

表2 綜合水質隨時空變化的判斷標準

2 評價結果

2.1 斷面概況

選取小河口、小姐廟以及三岔河3個斷面進行水質評價。其中，小河口水質站為太子河干流斷面，位于海城市高坨鎮高坨村，屬于地表水省級重點水質站；小姐廟水質站為太子河干流斷面，位于海城市牛莊鎮小西村，屬于地表水國家重點水質站；三岔河水質站為渾河、太子河匯流后首個水質監測斷面，位于海城市西四鎮八家子村，屬于地表水國家重點水質站。

根據3個監測斷面2021年的檢測數據，選取DO、CODMn、BOD5、NH3-N、TP 5個水質監測指標，按照《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)的地表水Ⅲ類水質的相關限值進行水質評價工作[8]。

2.2 單因子水質標識指數法評價結果

從單因子水質標識指數法評價結果來看，小河口斷面2月為劣Ⅴ類水質、3月為Ⅳ類水質，主要污染因子為NH3-N，其他月份均為Ⅲ類及以上水質；小姐廟斷面1月為Ⅳ類水質、2月為Ⅴ類水質、10月為劣Ⅴ類水質，主要污染因子為NH3-N、TP，其他月份均為Ⅲ類及以上水質；三岔河斷面2月為Ⅴ類水質，1月、3月、8月為Ⅳ類水質，主要污染因子為NH3-N、DO，其他月份均為Ⅲ類及以上水質。單因子水質標識指數法評價結果見表3。

表3 單因子水質標識指數法水質評價結果

水體中過量的氮磷主要來源于農業退水、生活污水、人畜的糞便、工業廢水等[9]。而渾河、太子河流域人口密集，工農業發達，應注重可能引起水體氮磷含量升高的工農業生產污水以及生活污水排放的管理。

2.3 綜合水質標識指數評價結果

2.3.1 綜合水質類別評價

相較于單因子水質標識指數法的評價結果，綜合水質標識指數法的評價結果更優。這主要是因為綜合水質標識指數法考慮了所有參評指數對綜合水質的影響，同時能夠通過不同的權重計算方法使評價結果得到優化，從而使評價結果能夠更加科學合理地反映水體的綜合水質情況。

由表4可知，不同的賦權方法所得到的評價結果有所差異。算數平均法采用等權重的賦權方式，即對所有參評指標賦相同的權重，這種方式重視各評價指標的整體影響，忽略了各指標之間的差異。超標倍數法考慮了污染嚴重指標的貢獻力，即污染越嚴重的指標，權重賦值越大，這種方式過于突出主要污染物的影響，導致計算結果偏大。熵值賦權法僅依賴于數據本身的離散性，客觀性較強[10]，同時，綜合考慮了各參評指標之間的內在聯系，既能體現各指標之間的差異又能夠避免異常值對評價結果的影響。因此本文采用結合熵值賦權法的綜合水質標識指數法的評價結果。

由綜合水質標識指數法的評價結果可知，各斷面的年均水質均為Ⅱ類。但從各月水質評價結果上看，小河口斷面2月為Ⅴ類水質，其他月份均能達到Ⅲ類水質及以上；小姐廟斷面10月為Ⅳ類水質，其他月份均能達到Ⅲ類水質及以上；三岔河斷面各月皆為Ⅲ類水質及以上。評價結果見表4和圖1。

表4 綜合水質標識指數法評價結果

圖1 各斷面綜合水質標識指數變化示意圖

2.3.2 綜合水質隨時空變化的評價

由表5和表6可以看出，3個斷面1—2季度、3—4季度之間水質變化相對顯著，且2季度、3季度水質較好。這可能與北方降水以及氣溫的變化規律有關，1季度、4季度北方氣溫偏低，降水減少，水體自凈能力下降使得污染物濃度較高。

表5 季度綜合水質標識指數法評價結果

表6 季度間變化的評價結果

由表2和表4經過計算可知，小河口斷面至小姐廟斷面河段變化了4.2%，為基本不變；小姐廟斷面至三岔河斷面河段變化了4.3%，為基本不變。

根據河段隨時空變化的評價結果不僅可以了解具體變化的程度，同時給出了定性的評價結果，結果更加直觀，有助于公眾對水質變化的理解。

3 結 語

a.單因子水質標識指數法因過于突出最大污染因子的影響，從而導致評價結果偏高，并不適合在綜合水質評價工作中單獨使用，但單因子水質標識指數法的評價結果能夠幫助相關工作人員迅速識別超標因子。

b.綜合水質標識指數法能夠客觀地反映綜合水質狀況，同時能夠定量定性地分析綜合水質情況以及水質在時間和空間上的變化，并能夠進行同類水質間的比較。這不僅能夠為相關工作人員提供數據，同時定性的分析結果也能夠方便公眾了解水質及其變化程度。不同的賦權方式能夠產生不同的評價結果，利用綜合水質標識指數法進行綜合水質評價工作時應根據工作需要選擇合適的賦權方式。

c.經過分析比對，本文選擇結合熵值賦權法的綜合水質標識指數法進行目標河段的水質分析，結果顯示評價河段主要污染因子為NH3-N、TP，應注意沿線生產、生活廢水的收集與排放管理。