改进的综合水质标识指数法在河流水质评价中的应用

周 默

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114000)

综合水质标识指数法是一种利用一组由4位有效数字组成的综合水质标识指数来反映综合水质情况的水质评价方法。相较于单因子水质评价法[1]、内梅罗指数法[2]、模糊数学法[3]、人工神经网络法[4]、物元分析法[5]等常用的水质评价方法，综合水质标识指数法计算过程简单、评价结果信息丰富且科学直观，同时能够对劣Ⅴ类水进行进一步评价，是一种易于掌握且适合推广的水质评价方法。本文通过对结合了不同赋权方式的综合水质标识指数法进行分析比对，并对鞍山市境内太子河河段进行水质评价，以了解目标河段的综合水质情况，同时为综合水质标识指数法在河流水质评价工作中的应用提供实例参考。

1 评价方法

1.1 综合水质标识指数

综合水质标识指数由一组4位数字组成，包含了参评断面的综合水质类别、达标情况等多方面的信息[6]。综合水质标识指数结构如下：

WQI=X1X2X3X4

(1)

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为综合水质类别与水环境功能区类别的比较结果。

综合水质标识指数计算的关键在于X1X2的计算，计算公式如下：

(2)

式中：ωi为各参评因子的单因子水质标识指数的权重；Pi为单因子水质标识指数。

由式(2)可知，权重系数的不同会给水质评价工作带来不同的结果。因此，赋权方法的选择至关重要。本文选择了算数平均法、超标倍数法、熵值赋权法3种常用的赋权方法进行比较分析。

1.1.1 算数平均法

算数平均法是综合水质标识指数法的传统赋权方式，对所有参评指标赋予相同的权重，即X1X2等于各项参评指标的单因子水质标识指数的算数平均值。

1.1.2 超标倍数法

根据各参评指标的单因子水质标识指数来确定权重，计算公式如下：

(3)

式中：n为参评因子个数。

1.1.3 熵值赋权法[7]

在信息论中，熵值是系统有序化程度的一个度量，可以用来度量数据所提供信息量的大小。通过确定评价指标的熵值可进一步计算相应指标的权重,具体计算步骤如下：

a.建立评价指标矩阵。设有m个评价对象，n个评价指标，则有

R=(rij)mn(i=1，2，…，m；j=1,2，…，n)

(4)

b.归一化处理。

(5)

c.计算各指标的熵值。

(6)

其中

d.计算各指标的权重。

(7)

1.2 综合水质类别的判定

综合水质标识级别评价的判断标准[6]见表1。

表1 基于综合水质指数的综合水质类别判定

1.3 综合水质随时空变化的评价

综合水质随时空的变化可用图形进行表述，同时也可进行定性评价，表达为基本不变、轻微变化及显著变化[6]，具体评价标准见表2。

表2 综合水质随时空变化的判断标准

2 评价结果

2.1 断面概况

选取小河口、小姐庙以及三岔河3个断面进行水质评价。其中，小河口水质站为太子河干流断面，位于海城市高坨镇高坨村，属于地表水省级重点水质站；小姐庙水质站为太子河干流断面，位于海城市牛庄镇小西村，属于地表水国家重点水质站；三岔河水质站为浑河、太子河汇流后首个水质监测断面，位于海城市西四镇八家子村，属于地表水国家重点水质站。

根据3个监测断面2021年的检测数据，选取DO、CODMn、BOD5、NH3-N、TP 5个水质监测指标，按照《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的地表水Ⅲ类水质的相关限值进行水质评价工作[8]。

2.2 单因子水质标识指数法评价结果

从单因子水质标识指数法评价结果来看，小河口断面2月为劣Ⅴ类水质、3月为Ⅳ类水质，主要污染因子为NH3-N，其他月份均为Ⅲ类及以上水质；小姐庙断面1月为Ⅳ类水质、2月为Ⅴ类水质、10月为劣Ⅴ类水质，主要污染因子为NH3-N、TP，其他月份均为Ⅲ类及以上水质；三岔河断面2月为Ⅴ类水质，1月、3月、8月为Ⅳ类水质，主要污染因子为NH3-N、DO，其他月份均为Ⅲ类及以上水质。单因子水质标识指数法评价结果见表3。

表3 单因子水质标识指数法水质评价结果

水体中过量的氮磷主要来源于农业退水、生活污水、人畜的粪便、工业废水等[9]。而浑河、太子河流域人口密集，工农业发达，应注重可能引起水体氮磷含量升高的工农业生产污水以及生活污水排放的管理。

2.3 综合水质标识指数评价结果

2.3.1 综合水质类别评价

相较于单因子水质标识指数法的评价结果，综合水质标识指数法的评价结果更优。这主要是因为综合水质标识指数法考虑了所有参评指数对综合水质的影响，同时能够通过不同的权重计算方法使评价结果得到优化，从而使评价结果能够更加科学合理地反映水体的综合水质情况。

由表4可知，不同的赋权方法所得到的评价结果有所差异。算数平均法采用等权重的赋权方式，即对所有参评指标赋相同的权重，这种方式重视各评价指标的整体影响，忽略了各指标之间的差异。超标倍数法考虑了污染严重指标的贡献力，即污染越严重的指标，权重赋值越大，这种方式过于突出主要污染物的影响，导致计算结果偏大。熵值赋权法仅依赖于数据本身的离散性，客观性较强[10]，同时，综合考虑了各参评指标之间的内在联系，既能体现各指标之间的差异又能够避免异常值对评价结果的影响。因此本文采用结合熵值赋权法的综合水质标识指数法的评价结果。

由综合水质标识指数法的评价结果可知，各断面的年均水质均为Ⅱ类。但从各月水质评价结果上看，小河口断面2月为Ⅴ类水质，其他月份均能达到Ⅲ类水质及以上；小姐庙断面10月为Ⅳ类水质，其他月份均能达到Ⅲ类水质及以上；三岔河断面各月皆为Ⅲ类水质及以上。评价结果见表4和图1。

表4 综合水质标识指数法评价结果

图1 各断面综合水质标识指数变化示意图

2.3.2 综合水质随时空变化的评价

由表5和表6可以看出，3个断面1—2季度、3—4季度之间水质变化相对显著，且2季度、3季度水质较好。这可能与北方降水以及气温的变化规律有关，1季度、4季度北方气温偏低，降水减少，水体自净能力下降使得污染物浓度较高。

表5 季度综合水质标识指数法评价结果

表6 季度间变化的评价结果

由表2和表4经过计算可知，小河口断面至小姐庙断面河段变化了4.2%，为基本不变；小姐庙断面至三岔河断面河段变化了4.3%，为基本不变。

根据河段随时空变化的评价结果不仅可以了解具体变化的程度，同时给出了定性的评价结果，结果更加直观，有助于公众对水质变化的理解。

3 结 语

a.单因子水质标识指数法因过于突出最大污染因子的影响，从而导致评价结果偏高，并不适合在综合水质评价工作中单独使用，但单因子水质标识指数法的评价结果能够帮助相关工作人员迅速识别超标因子。

b.综合水质标识指数法能够客观地反映综合水质状况，同时能够定量定性地分析综合水质情况以及水质在时间和空间上的变化，并能够进行同类水质间的比较。这不仅能够为相关工作人员提供数据，同时定性的分析结果也能够方便公众了解水质及其变化程度。不同的赋权方式能够产生不同的评价结果，利用综合水质标识指数法进行综合水质评价工作时应根据工作需要选择合适的赋权方式。

c.经过分析比对，本文选择结合熵值赋权法的综合水质标识指数法进行目标河段的水质分析，结果显示评价河段主要污染因子为NH3-N、TP，应注意沿线生产、生活废水的收集与排放管理。