三种常用水质评价方法的对比分析研究

潘 荦，黄晓荣,，魏晓玥，张 浪

(1.四川大学水利水电学院，成都 610065；2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

河流水质评价是合理开发利用和保护河流的一项基本工作，是有效控制污染的重要措施，对于人类的生存以及经济社会的发展具有重大的意义。河流水质评价是一个复杂的过程，要想科学准确地对河流水质进行评价，需要选用合适的指标以及科学合理的评价方法。从20世纪60年代开始，就有学者陆续提出河流水质的评价方法。在众多方法中，我国专家学者重点关注的主要有单因子评价法、污染指数法、河流综合水质标识指数法、模糊数学评价法、灰色聚类法、人工神经网络评价法[1-4]等。对于上述方法，国内学者已进行了大量研究与改进工作[5-8]，具有一定的理论价值，但基于各种条件的限制，未能广泛应用于实践，从而缺乏现实意义。本文旨在利用四川省金堂县境内沱江水系五个监测断面2011-2015年的实测数据，构建两套评价指标体系，简单介绍国际上广泛用于评价饮用水水质的加拿大水质指数法[9,10]，并将其与我国工程实际中常用的评价河流水质的单因子评价法以及内梅罗污染指数法进行对比，以期为我国的河流水质评价提供新的思路。

1 水质评价方法

1.1 单因子评价法

单因子评价法是《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中规定的河流水质评价方法，其将各监测指标的实测值与国家规定的相应指标的标准限值进行对比来确定每项指标的水质类别，然后再以该监测断面中最差指标的水质类别作为该断面的水质类别[11,12]。

1.2 内梅罗污染指数法

内梅罗指数是一种计权型多因子环境质量指数，兼顾了单因子污染指数的平均值和最高值，可以突出污染较重的污染物的作用，其计算公式如下[13,14]：

(1)

(2)

(3)

式中：ci表示某监测指标实测浓度；csi表示对应监测指标的标准限值；Ii为单项污染指数；Iimax为参与评价的最大单因子指数；Iave为参与评价的单因子指数的均值；n为监测指标总个数；I为内梅罗指数。

1.3 加拿大水质指数(CCME WQI)法

加拿大水质指数法是国际上广泛用于评价饮用水水质的一种方法，其从范围(F1)、频率(F2)、振幅(F3)3个方面考虑了各个监测地点的监测值是否超过了标准限值，其计算公式如下[15,16]：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

对式(8)，excursion表示未达标指标的实测值相对于标准限值的偏移量，分两种情况讨论：

对于规定了上限值的指标(负向指标)：

(9)

对于规定了下限值的指标(正向指标，如溶解氧，pH)：

(10)

式中：p为未达标的指标的数量；N为监测指标的总数量；q为未达标的数据的个数；M为所有监测地点的监测数据的总个数；ci为某监测指标实测浓度；csi为对应监测指标的标准限值。

运用上面的公式，校正范围、频率、振幅3个因素，可以得到一个处于0～100的变化区间的水质指数，再据此将水质分为5级，具体分级情况见表1[10]。

表1 CCME WQI分级Tab.1 CCME WQI categorization scheme

2 实例分析

本文基于四川省金堂县境内沱江水系2011-2015年的水质监测数据，分别采用单因子评价法、内梅罗污染指数法以及加拿大水质指数法(CCMEWQI)对该水系各断面的综合水质进行评价(断面分布情况见图1)。根据该地区水环境的特点，本文构建了两套评价指标体系，以反映不同指标选择对评价结果的影响。方案一：选用《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中规定的24项基本项目中除去水温的23个指标；方案二：根据金堂县政府的要求，选用pH、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、挥发酚、总磷、总砷、总镉共9个指标，选择《地表水环境质量标准》Ⅲ类作为评价标准。3种评价方法得到的结果见表2。

2.1 评价结果

由表2可以看出，3种水质评价方法均能从一定程度上反映各断面的水质情况，其中中河和毗河的水质较差，北河的水质最好。同时，两套评价指标体系得到的评价结果稍有差异，单因子评价法和内梅罗污染指数法采用方案二得到的评价结果优于采用方案一得到的结果，而加拿大水质指数法正好相反。其中，方案一涵盖的指标较广，得到的结果更能反映各断面的综合水质情况；方案二考虑的是政府重点考察的指标，得到的结果更能反映政府的需求。

2.2 分析与讨论

由于3种方法的评判标准不一致，无法进行直接比较，故将上述表2的结果绘于图2～图4，利用各断面水质的年际变化情况以及各年份各断面水质的排名情况来比较3种方法的评价结果。

2.2.1 同一评价指标体系不同评价方法之间的结果对比分析

由图2(a)可以看出(1～6分别代表Ⅰ～劣Ⅴ类)，单因子评价法很难体现各断面水质的年际变化及其水质排名情况，多个断面都具有相同的水质分级，且大多都为Ⅴ类或劣Ⅴ类水质。由图3(a)、图4(a)可以看出，内梅罗污染指数法及加拿大水质指数法均能在一定程度上反映各断面水质的年际变化及其水质排名情况，且除个别断面及年份外，两种方法得到的结果相似。进一步分析发现，两种方法主要是在评价三皇庙断面的水质变化情况以及2011年和2015年各断面水质排名情况时出现了差异，其中：在三皇庙断面处，内梅罗污染指数法的评价结果为2013年的水质优于2015年的水质，而加拿大水质指数法得到的结果正好相反；受此结果影响，2015年的各断面水质排名情况也有所差异；在评价2011年各断面水质排名情况时，内梅罗污染指数法的评价结果显示三皇庙断面的水质优于毗河一桥断面，而加拿大水质指数法的结果正好相反。为了进一步解释产生这种差异性的原因，我们对其原始监测数据进行了分析，发现2013年三皇庙断面的超标指标个数有6个，监测数据超标个数有34个，而2015年的超标指标个数只有4个，监测数据超标个数有33个，但2015年的总磷和总氮超标极为严重；2011年三皇庙断面的超标指标个数有3个，监测数据超标个数有16个，而毗河一桥断面的超标指标个数只有2个，监测数据超标个数有14个，但其氨氮和总氮的超标情况更为严重。这就解释了产生上述结果的原因—内梅罗污染指数法在计算综合水质指数时只考虑了超标量的影响，并且极端指标的超标量会对其结果产生较大影响，而加拿大水质指数法不仅考虑了各指标的超标量的影响，还同时考虑了超标指标数以及超标次数的作用，能够很好地平抑极端指标的影响，得到一个更符合实际的结果。

图2 单因子评价法评价结果Fig.2 Evaluation results of single-factor water quality evaluation method

图3 内梅罗污染指数法评价结果Fig.3 Evaluation results of Nemerow index method

图4 加拿大水质指数法评价结果Fig.4 Evaluation results of CCME WQI method

观察图2(b)、图3(b)、图4(b)，得到的结果与上述结果大体一致。由此可见，加拿大水质指数法不仅适用于饮用水水质的评价，也可用于河流水质的综合评价。

2.2.2 同一评价方法不同评价指标体系之间的结果对比分析

由图2～图4可知，除个别断面外，单因子评价法和内梅罗污染指数法采用方案二得到的评价结果均优于采用方案一得到的结果，而加拿大水质指数法则正好相反，这表明不同的评价指标不仅会直接影响评价结果，并且其对于不同评价方法的影响还不相同。由此可见，我们亟须建立一套完善的评价指标体系，以针对不同的情况选用不同的指标做出最合理的评价。

关于评价指标体系的构建，法国提供了很好的范例。自20世纪90年代，法国便开始采用“水质评估系统”作为评估水质的框架，其利用适应性等级、质量指数以及质量指数分级来评估水体水质[17]。其中，就河流而言，该系统将其划分为了“饮用、休闲、灌溉、家畜饮水、农业用水”这5种用途以及水生生物功能这一项功能来确定其适用性等级，并且对于不同的功能和用途采用不同的评价指标[18]。参考法国水质评估系统的做法，我们可以根据具体需求和考虑将评价指标进一步划分为各个子指标体系，并由此得到各个子指数或等级来进行水质评价。除此之外，需要注意的是，在进行各断面水质比较时，必须选用同一套子指标体系。

3 结 语

(1)本文采用单因子评价法、内梅罗污染指数法以及加拿大水质指数法对四川省金堂境内沱江水系5个断面的水质进行了评价，结果表明3种方法均能在一定程度上反映各断面水质情况，说明3种方法均可用于河流水质评价。

(2)单因子评价法采用“最差规则”对水质进行分级，最终水质等级仅由最差指标决定；内梅罗污染指数法虽兼顾了单因子污染指数的平均值和极值的影响，但极端指标仍会对其结果产生较大的影响，且该法只能体现水体是否达到了功能区目标，不能反映水体的具体类别；加拿大水质指数(CCMEWQI) 法考虑了“范围、频率、振幅”3个因素的共同作用，涵盖了所有监测指标和数据，能够平抑极端指标的影响，同时其还能根据水质指数值进行水体分级，使同类水质水体之间的优劣比较得以实现，是一种比较全面的综合水质评价方法。

(3)不同指标的选择不仅会影响评价结果，并且其对于不同评价方法的影响有所差异。因此，我们亟须建立一套完善的评价指标体系，根据不同的需求和考虑将评价指标划分为不同的子指标体系，并由此求得子指数或等级来进行水质评价。