水污染指数法在湘江长沙段支流水质评价中的应用分析

彭小玉，周理程，吴文晖，陈 军，揭 骁

(1.湖南省生态环境监测中心，长沙 410019；2. 国家环境保护重金属污染监测重点实验室，长沙 410019；3.湖南省环境保护科学研究院，长沙 410004；4. 湖南省长沙生态环境监测中心，长沙 410001)

前 言

地表水水质评价是水环境管理的基础性工作。目前，地表水水质评价方法种类繁多，我国环保部门普遍采用的水质评价方法是单因子评价法，但该方法无法定量反映水质变化。近年来，相关学者对多种水质评价进行了综合比较及实例分析，如尹海龙等人[1]对单因子评价法、污染指数法、模糊评价法、灰色系统评价法、层次分析法、人工神经网络法、水质标识指数法等7种水质评价方法进行了比较研究；安乐生等人[2]以太湖流域为例对单因子评价法、内梅罗指数法、综合水质标识法、模糊综合判断法、灰色关联分析法等五种水质评价方法进行了比较研究；张亚丽等人[3]以丹江口流域为例对单因子评价法、综合污染指数评价方法、模糊综合评判法、主成分分析法、水污染指数法进行了比较分析。诸多方法中，单因子评价法能够给出水质类别，但无法定量反映水质变化；综合污染指数法、内梅罗指数法能够将水质量化，但无法直观判断水质类别；模糊评价法、灰色系统评价法、灰色关联分析法、层次分析法、人工神经网络法等方法评价计算过程复杂，可操作性差[4-5]。

为克服单因子评价法、综合污染指数法、内梅罗指数法、模糊评价法、灰色系统评价法、灰色关联分析法、层次分析法、人工神经网络法等评价方法的局限，本文采用水污染指数法对湘江长沙段支流2016～2018年的水质状况进行评价，并与单因子评价法、综合污染指数法的评价结果进行比较分析。

1 评价区域和数据来源

湘江，又名湘水，是湖南省最大的河流。湘江长沙段全长约74km，由南向北自昭山进入长沙，经三汊矶转向西北，至乔口而出长沙境区，境内有靳江、浏阳河、捞刀河和沩水等4条主要支流，是长沙居民生活用水和工业用水的重要水源，也是沿岸生活污水和工农业废水的纳污水体，其水质好坏直接关系到沿岸居民的身体健康和社会稳定[6-7]。

湘江长沙段4条主要支流靳江河、浏阳河、捞刀河和沩水共设置监测断面17个，其中靳江河1个、浏阳河8个、捞刀河4个、沩水4个。评价所采用的数据为2016～2018年水质监测数据，参与评价的指标为《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中表1除水温、总氮和粪大肠菌群以外的21项指标。

图1 湘江长沙段支流监测断面布设图Fig.1 The monitoring sections in the tributary of Xiangjiang River in Changsha city

2 评价方法

2.1 水污染指数法

水污染指数法延续了单因子评价法以污染最严重的指标作为水质类别判断的依据，根据水质类别与WPI值对应表，应用内插方法计算出某一断面每个参与水质评价指标的WPI值，选取最高的WPI值作为该断面的WPI值[8～10]。

表1 水质类别与WPI值对应表Tab.1 Water quality categories and WPI values

2.1.1 Ⅰ～Ⅴ类水质限值时WPI值计算方法

(1)

式中，C(i)为第i个评价指标的监测浓度值，Cl(i) 为第i个评价指标所在类别标准的下限浓度值，Ch(i) 为第i个评价指标所在类别标准的上限浓度值，WPIl(i) 为第i个评价指标所在类别标准下限浓度值所对应的指数值，WPIh(i) 为第i个评价指标所在类别标准上限浓度值所对应的指数值，WPI(i) 为第i个评价指标所对应的指数值。

2.1.2 超过Ⅴ类水质限值时WPI值计算方法

(2)

式中，C5(i)为第i个评价指标的Ⅴ类标准限值。

2.2 单因子评价法

单因子评价法是我国《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中规定的评价方法，即以水质最差的单项指标所属的类别来确定水体综合水质类别。其方法是用水体各监测指标的监测结果对照该指标的分类标准，确定该指标的水质类别，在所有参与评价指标的水质类别中选取水质类别最差的那个作为水体水质类别。

2.3 综合污染指数法

综合污染指数法是对各污染指标的相对污染指数进行统计，得出代表水体污染程度的数值。在一般情况下综合污染指数评价方法的应用，是假设各参与评价因子对水质的贡献基本相同，采用各评价因子标准指数加和的算术平均值进行计算[7]。综合污染指数评价方法的计算公式为：

(3)

(4)

式中，P综合污染指数，Pi为第i项评价指标的污染指数，Ci为第i个评价指标的监测浓度值，C0i为第i个评价指标的标准限值(文中取Ⅲ类标准限值)，n为参与评价指标项数。

3 结果与讨论

3.1 水污染指数法的评价结果

2016-2018年湘江长沙段主要支流靳江河、浏阳河、捞刀河和沩水17个监测断面水污染指数法的评价结果见图2。

图2 2016～2018年湘江长沙段主要支流水污染指数法评价结果Fig.2 The evaluation results of water pollution index method for main tributaries of Xiangjiang River in Changsha city from 2016 to 2018

由图2可知，2016～2018年JJ-1断面WPI值维持在40～60区间，水质维持为Ⅲ类，其中2017年断面WPI值较2016年和2018年稍低，表明2017年靳江河口断面水质较2016年和2018年稍有好转。

2016～2018年，浏阳河水域LY-1断面WPI值维持在20，水质维持为Ⅰ类；LY-2断面WPI值维持在20～40区间，水质维持为Ⅱ类；LY-3、LY-4、LY-5和LY-6断面WPI值维持在40～60区间，水质维持为Ⅲ类，其中，除LY-4外，其余3个断面2016～2018年断面WPI值呈下降趋势，表明断面水质在逐渐好转；LY-7断面2016～2017年WPI值维持在60～80区间，水质维持为Ⅳ类，2018年WPI值在40～60区间，水质为Ⅲ类，水质逐年好转；LY-8断面2016～2018年WPI值逐年降低，2016～2018年水质分别为Ⅴ类、Ⅳ类和Ⅲ类，水质逐年好转。从空间层面分析，断面WPI值从上游到下游基本呈上升趋势，其中同为Ⅲ类水质的LY-3、LY-4、LY-5和LY-6断面，根据断面WPI值可知，LY-3断面的水质状况较好，而2016年LY-5断面的水质状况较差，2017～2018年LY-4断面的水质状况较差。

2016～2018年，捞刀河水域LD-2断面2016～2017年WPI值维持在20～40区间，水质维持为Ⅱ类，2018年WPI值在40～60区间，水质为Ⅲ类，断面WPI值逐年升高，说明水质逐年下降；LD-1、LD-3和LD-4断面WPI值均维持在40～60区间，水质维持为Ⅲ类，其中LD-1断面2017年水质相对较好，LD-3和LD-4断面2017年水质相对较差。

2016～2018年，沩水WS-1断面WPI值维持在20～40区间，水质维持为Ⅱ类；WS-2和WS-3断面WPI值均维持在40～60区间，水质维持为Ⅲ类，断面WPI值逐年升高，说明水质逐年下降，且WS-3断面WPI值高于WS-2断面WPI值，说明WS-3断面水质略差于WS-2断面水质；WS-4断面2016年和2018年断面水质相对较好，WPI值均在40～60区间，2017年断面水质最差，WPI值在80～100区间。

3.2 与单因子评价法评价结果的对比

单因子评价法和水污染指数法的评价结果列于表2。因两种评价方法均以污染最严重的指标作为断面水质类别判断的依据，故水质类别评价结果完全一致。但水污染指数法将水质进行了定量化评价，从而使水质类别相同的断面可进一步进行水质优劣的比较。如JJ-1断面2016～2018年均为Ⅲ类水质，通过水污染指数法评价可知，2017年水质优于2016年和2018年水质；2017年浏阳河水域LY-3、LY-4、LY-5、LY-6断面水质均为Ⅲ类，通过水污染指数法评价可知，LY-3断面水质优于LY-4、LY-6、LY-5断面水质。

表2 2016～2018年湘江长沙段主要支流单因子评价法和水污染指数法评价结果Tab.2 Results of single factor evaluation method and water pollution index method for main tributaries of Xiangjiang River in Changsha city from 2016 to 2018

3.3 与综合污染指数法评价结果的对比

综合污染指数法和水污染指数法的评价结果见图3。由图3可以看出，除个别断面评价结果存在差异外，如2016年LY-5、LY-8和WS-3断面，2017年LY-5断面，2018年LY-8和WS-4断面，其余断面两种评价方法所得结论基本一致。存在差异的原因在于2016年LY-5桥和WS-3断面总磷污染较为突出，LY-8断面氨氮污染较为突出；2017年LY-5断面总磷污染较为突出；2018年LY-8断面氨氮污染较为突出，WS-4断面化学需氧量污染较为突出。综合污染指数法是假设各参与评价因子对水质的贡献基本相同，而水污染指数法是以污染最严重的指标作为水质类别判断的依据，两种评价方法的判断依据不同，从而导致个别单项指标污染突出的断面其评价结果存在差异。

图3 2016～2018年湘江长沙段主要支流综合污染指数法和水污染指数法评价结果Fig.3 Evaluation results of comprehensive pollution index method and water pollution index method of main tributaries of Xiangjiang River in Changsha city from 2016 to 2018

4 结 论

本文采用水污染指数法对湘江长沙段主要支流17个监测断面的水质状况进行了评价，并将评价结果与传统的单因子评价法、综合污染指数法的评价结果进行了对比。结果表明，水污染指数法能够同时满足水质类别评价和水质定量评价，且评价结果与传统方法基本保持一致。该方法既延续了我国《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)规定的单因子评价法，使其评价结果与历史数据相比具有延续性和可比性，同时又能将评价结果进行量化，从而实现对不同时段不同水体、水质类别相同的水体等进行优劣比较，且计算简单、可操作性强，有利于管理人员跨过繁杂的原始数据快速掌握不同水体的污染程度，是水资源保护和管理工作中一项有力的工具。