几种水质评价方法在地表水评价中的应用及比较研究

周 默

(辽宁省鞍山水文局,辽宁 鞍山 114000)

水环境现状评价是水质调查的继续[1]。自20世纪60年代以来,国内外学者已研究出几十种评价方法,包括单因子评价法[2]、污染指数法[3]、模糊数学评价法[4]、灰色系统评价法[5]、水质标识指数评价法[6]等。由于影响水质评价的因素众多且复杂,选取不同的评价方法可能得到不同的评价结果。因此,如何选择合适的评价方法尤为重要。本文以鞍山市境内的地表水国家重要水质站2021年的监测数据为例,利用单因子评价法、改进的内梅罗指数法、灰色聚类法以及水质标识指数法进行水质评价,比较不同的评价方法在实际应用中的优缺点。

1 基本理论与方法

1.1 单因子评价法

单因子评价法是将所有参评指标与《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)标准限值进行比对,选择水质最差的单项指标所属类别作为该水域综合水质类别[7-8]。

1.2 改进的内梅罗指数法

综合污染指数法的核心思想是将所有参评水质指标的单项污染指数通过各种数学方法得到一个综合指数,从而得到综合水质评价结果[8]。改进的内梅罗指数法是同时将最大污染因子及权重最高污染因子的污染指数引入公式的一种较为常用的综合污染指数法。其计算公式如下:

a.综合污染指数的计算:

式中:WQI为改进的内梅罗污染指数;max(Ii)为污染指数的最大值;avg(Ii)为污染指数的算数平均值;Iw为权重最大的某项水质指标的污染指数。

b.各项污染因子的权重计算[9]:

式中:ri为污染因子的相关性比值;Smax为污染因子标准值的最大值:Si为污染因子对应的标准值;wi为污染因子的权重值。

1.3 灰色聚类法

灰色聚类法[8,10]通过将评价样本和标准的归一化处理,计算归一化样本在不同水质类别之间的聚类系数,并根据聚类系数的大小来判断评价样本所属的综合水质类别。计算公式如下:

a.数据的标准化处理:

式中:xki为第k个样本第i项指标的标准化值;rij为第i项指标第j个灰类的标准化处理值;Cki为第k个样本第i项指标的实测值;S0i为第i项指标的参考标准;Sij为灰类值。

b.确定白化函数。

①非溶解氧指标的白化函数:

第i项指标的灰类1的白化函数为

第i项指标的灰类(j=2,3,4)的白化函数为

第i项指标的灰类5的白化函数为

②溶解氧指标的白化函数

灰类1的白化函数为

灰类j(j=2,3,4)的白化函数为

灰类5的白化函数为

c.聚类系数的计算:

式中:ηij为某监测断面第i项指标第j个灰类的聚类权;ωij为各污染指标各灰类权重;fij(xki)为样本植xki的白化函数值;εkj为第k个监测断面关于第j个灰类的聚类系数。

1.4 综合水质标识指数法

综合水质标识指数法是借助一组数字,定性或定量地判定综合水质类别与污染程度,并标识水环境功能的达标情况。综合水质标识指数结构为

式中:X1为综合水质类别;X2为综合水质在X1类水质变化区间内所处的位置;X3为参评指标中劣于水环境功能区目标的水质指标个数;X4为综合水质类别劣于水环境功能区类别个数[8]。

2 评价结果与讨论

2.1 评价区域概况

本文选取了2021年岫岩、小偏岭、文家街、红土岭、太平沟5个鞍山市境内的地表水国家重要水质站的溶解氧、五日生化需氧量、高锰酸盐指数、氨氮、总磷5项主要污染指标进行比较分析。其中,岫岩与小偏岭位于鞍山市岫岩县境内,处于大洋河干流;文家街位于大洋河支流哨子河;红土岭位于鞍山市海城市,处于太子河支流海城河;太平沟位于鞍山市境内,处于太子河支流杨柳河。5个监测断面的水质目标均为地表水Ⅱ类。

2.2 评价结果

各方法的评价结果见表1～表4和图1。

图1 以岫岩断面为例的评价结果差异对比

表1 单因子评价法评价结果

表4 综合水质标识指数法评价结果

表2 改进的内梅罗指数法评价结果

表3 灰色聚类法评价结果

续表

2.3 讨论

通过比较可以看出,4种评价方法均能在一定程度上反映水体质量情况,但4种评价方法应用于同一监测断面时评价结果会有所差异。

从评价结果来看,单因子评价法的评价结果能够得到水质类别、超标因子,并能够迅速计算出相应的超标倍数,如2021年5月岫岩的评价结果为Ⅲ类水质,超标因子为CODMn。但其无法进行同一类别不同水体间的比较,如2021年1月岫岩与文家街的评价结果均为Ⅰ类水质,但无法继续比较两个监测断面的水质优劣。同时应当注意的是,就综合水质评价而言,结果表现为过保护,不利于反映水体功能是否能够满足使用要求。改进的内梅罗指数法和灰色聚类法的评价结果能够得到水质类别及相应水质类别的归属程度。如2021年太平沟2月和3月灰色聚类法的评价结果均为Ⅰ类水质,聚类系数分别为0.995和0.680,通过比较聚类系数的大小就能实现同类水质不同水体间的比较。但改进的内梅罗指数法和灰色聚类法的评价结果不能迅速识别超标因子的超标倍数,同时这两种方法也不能对劣Ⅴ类水进行进一步评价和判断其黑臭情况。综合水质标识指数法的评价结果能够得到水质类别、综合水质在相应水质类别变化区间所处的位置、超标因子的数量以及劣Ⅴ类水是否黑臭(判断标准:当6.0＜X1X2≤7.0时,水质劣于Ⅴ类水,但不黑臭;当X1X2＞7.0时,水质劣于Ⅴ类水,并且黑臭[7]),但不能迅速识别超标倍数。

从评价过程来看,单因子评价法的评价过程简单直接,通过数据间的比较就能得到参评断面的水质类别;灰色聚类法的评价过程最为复杂,对水质评价工作者有一定的要求;内梅罗污染指数法和综合水质标识指数法计算过程难度适中,相对易于掌握。

3 结 语

本文通过采用4种不同的水质评价方法对5个鞍山市境内的地表水国家重要水质站2021年的综合水质进行评价,得到相应的水质评价结果。结果表明4种评价方法都能够在一定程度上反映水体质量状况。采用改进的内梅罗指数法、灰色聚类法以及综合水质标识指数法得到的综合水质评价结果更为科学合理,而单因子评价法更适合用于筛选超标因子以及计算超标倍数,可在水质评价工作中同其他方法配合使用。对污染较为严重的水体进行水质评价,4种方法中能够对劣Ⅴ类水进行进一步评价的综合水质标识指数法相较于其他评价方法更有优势。■