基于改良綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的松花江流域(吉林省)水質(zhì)評價

殷 飛，金世佳

(1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，吉林 吉林 132101；2. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110866)

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和人口的增長，河流以及湖庫的水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了惡化的趨勢，局部地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展受到阻礙，甚至成為影響和制約區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題之一。國家環(huán)保部在2014年《中國環(huán)境狀況公報》中指出，長江、黃河等7大流域和浙閩片河流、西北諸河、西南諸河共有968個國控水質(zhì)監(jiān)測點，其中水質(zhì)處于Ⅳ～Ⅴ類和劣Ⅴ類的比例占27.7%和9.2%[1]，我國地表水體依然為輕度污染。嚴重污染的水體會導(dǎo)致其喪失水生態(tài)功能和使用價值，從而威脅生態(tài)平衡，危害人類健康。因此，合理、正確地監(jiān)測和評價地表水水質(zhì)，不但可以為流域水體污染防治提供重要的理論依據(jù)，而且對于生活、生產(chǎn)用水和水生態(tài)安全極其重要。

對于水質(zhì)評價方法的研究非常多，比如綜合污染指數(shù)評價法[2,3]、模糊數(shù)學(xué)綜合評判[4-6]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7,8]、灰色關(guān)聯(lián)度法[9]、層次分析法[10,11]、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法[12,13]等，這些方法都存在著這樣或那樣的缺點。綜合污染指數(shù)法只能進行定性評價；模糊綜合評價法以水質(zhì)樣本的隸屬度最大來對應(yīng)水質(zhì)，定量計算相對復(fù)雜；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法因其樣本的選擇不固定而導(dǎo)致定性評價結(jié)果不太直觀；灰色關(guān)聯(lián)度法評價有可能掩蓋部分超標(biāo)污染因子對綜合評價結(jié)果的影響；層次分析法因其評價指標(biāo)體系不易確定問題可能影響評價結(jié)果，計算也較繁瑣。其中以綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法在水質(zhì)評價中應(yīng)用起來最為方便，并且可以比較簡單、準(zhǔn)確地對河流的綜合水質(zhì)進行定性、定量評價[14]，但是在應(yīng)用中因四舍五入時會出現(xiàn)小數(shù)點后第1位不為個數(shù)的現(xiàn)象，因而本研究對徐祖信的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法進行改進，進而對松花江流域吉林省段 2005-2014 年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行評價并分析其水質(zhì)變化的趨勢，以期為吉林省水環(huán)境治理與保護提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

松花江流域(N 41°42′～51°38′、E 119°52′～132°31′)面積55.68 萬km2，跨遼、吉、黑、內(nèi)蒙古4省(自治區(qū))，見圖1，包括哈爾濱、長春、吉林等105個市縣(旗)轄區(qū)，多年平均降水量為500 mm左右，汛期的降水量約占全年降水量的60%～80% 。其中吉林省松花江流域面積 7.80 萬km2，占松花江流域面積的14.01%，流經(jīng)長春市、吉林市等10個地市43個縣區(qū)，經(jīng)濟發(fā)展水平較高，是吉林省主要的商品糧產(chǎn)區(qū)和工業(yè)分布區(qū)，主要有吉林化工和長春汽車等重工業(yè)，因而也是松花江流域的主要污染源地，具體位置見圖2。

圖1 松花江流域位置[15]Fig.1 Location map of Songhuajiang river basin

圖2 研究區(qū)位置示意圖[16]Fig.2 Sketch map of location of the study area

松花江流域(吉林省段)內(nèi)工業(yè)布局密集，人口集中，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)及生活污水排放對流域內(nèi)的水體造成了嚴重程度的污染，其中長春、吉林2市對松花江流域(吉林省段)環(huán)境類型區(qū)的污染效應(yīng)系數(shù)分別達0.55 和0.22，2市共占 0.77[17]，而水體環(huán)境質(zhì)量的好壞直接影響到吉林省經(jīng)濟社會的發(fā)展和水生態(tài)的安全。因此本文選取國控水質(zhì)監(jiān)測斷面吉林省6個斷面(其中2005-2011年3個斷面，2012-2014年6個斷面)，分別為延邊圈河、吉林長春松花江、吉林白城白沙灘、吉林敦化新甸、吉林松原、吉林溪浪口，前3個斷面為共有斷面。

此次水質(zhì)評價指標(biāo)主要為溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮，所有水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)均來源于環(huán)保部數(shù)據(jù)中心的全國主要流域重點斷面水質(zhì)自動監(jiān)測周報，采用各項評價因子的年均值對松花江流域(吉林省段)的水質(zhì)進行評價，同時采用秩相關(guān)系數(shù)法來判定水質(zhì)的變化趨勢。

1.2 水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法

水質(zhì)評價方法已有許多研究成果，本研究采用改良的綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法，具體的步驟為：

(1)確定各水質(zhì)參數(shù)的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)P，表示為：Pi=X1·X2X3，總的來講Pi數(shù)值越大，表示第i項監(jiān)測指標(biāo)的水質(zhì)污染越嚴重。

(2)在單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)P的基礎(chǔ)上，確定綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)I：I=X1·X2X3X4，總的來講I數(shù)值越大，表示綜合水質(zhì)越差。

具體各字母含義見徐祖信等的研究[12,13]。

1.3 水質(zhì)變化趨勢檢驗

由于水質(zhì)監(jiān)測值會受到許多因素的影響，常常表現(xiàn)出波動性，時而趨于上升，時而趨于下降[18]，因而很難確定水質(zhì)的變化趨勢是上升還是下降，水質(zhì)變化趨勢的分析就必須依賴于數(shù)理統(tǒng)計學(xué)原理來進行趨勢檢驗分析[19]。

松花江流域吉林省段2005-2014年水質(zhì)變化趨勢分析采用的是我國環(huán)保部公布的《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法》中推薦的Daniel的趨勢檢驗，使用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法來判定。它的特點是將各監(jiān)測點水質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為依次的排名，而不用考慮實際值。采用此法可以全面了解水質(zhì)的變化趨勢，從而判別水質(zhì)是否好轉(zhuǎn)、加重或水質(zhì)變化平穩(wěn)[20]，從而避免單因子評價法造成的一些不合理現(xiàn)象。

具體過程如下：給定時間Y1,…,YN和相應(yīng)的監(jiān)測值X(即年均值C1，…，CN)，由小到大將順序排好，這種排列的次序就稱為秩。具體按下式計算：

式中：di表示變量Xi與Yi的差值；Xi表示Y1到Y(jié)N期間內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)由小到大排列的序號；Yi表示按時間排列的序號。

將|rs|同臨界值Wp進行比較。rs>Wp表明水質(zhì)變化趨勢具有顯著的意義：如果rs<0，則表明水質(zhì)趨于好轉(zhuǎn)；如果rs>0，則表明水質(zhì)趨于惡化。rs≤Wp表明水質(zhì)的變化不顯著，說明水質(zhì)變化趨于穩(wěn)定。

2 水質(zhì)評價及其變化趨勢分析

2.1 改良單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價

以延邊圈河溶解氧(6.34 mg/L)為例來說明單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)的計算，對照中華人民共和國地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，X2為2；X2代表6.34 mg/L在Ⅱ類水中所處的位置，7.50、6.00分別代表溶解氧在Ⅱ類水中的上限值和下限值，則X2=100 (7.50-6.34)/(7.50-6.00)=77；X3表示水質(zhì)類別(Ⅱ)好于功能區(qū)類別(Ⅲ)，則X3=0，即單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)為2.770。以此類推，對松花江流域吉林省段在2005-2014年各斷面水質(zhì)進行評價，見表1。結(jié)果表明：參與水質(zhì)評價的3項水質(zhì)指標(biāo)在10 a里僅有白城白沙灘和延邊圈河2個斷面的水質(zhì)指標(biāo)存在不同程度的超標(biāo)，超標(biāo)的水質(zhì)指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧；其中白城白沙灘斷面僅在2005年溶解氧超標(biāo)，延邊圈河斷面高錳酸鹽指數(shù)在10 a中均超標(biāo)，超標(biāo)頻次為10次，其余4個斷面都達標(biāo)(未知數(shù)據(jù)年份除外)。從表1可知，高錳酸鹽指數(shù)在松花江流域吉林省段水質(zhì)中超標(biāo)頻次最高，程度較深，是影響水質(zhì)的主要污染指標(biāo)。

表1 2005-2014年單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對各斷面水質(zhì)的評價結(jié)果Tab.1 Assessment of the section water quality based on the single factor water quality identification index in 2005-2014

注:“-”表示該年份無自動監(jiān)測的水質(zhì)數(shù)據(jù)。

2.2 改良綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價

單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)能夠很好地判別水體中主要的污染物，但是進行綜合評價時不應(yīng)以污染最嚴重的指標(biāo)來判定水質(zhì)的類別，需要綜合考慮各種污染物對水質(zhì)的影響。大量的研究表明，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的評價結(jié)果與灰色關(guān)聯(lián)法等的評價結(jié)果擬合程度最高，且運算結(jié)果更為穩(wěn)定、計算過程更為簡單、實用性更好[21,22]。因而，本文采用綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對松花江流域吉林省段的水質(zhì)進行綜合定性的評價，評價結(jié)果見表2。結(jié)果表明： 2005-2014年，僅有延邊圈河斷面在2006年綜合評價時為Ⅳ類水質(zhì)，未達到功能區(qū)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其余各斷面水質(zhì)不僅達到而且超過功能區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。在2014年，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)延邊圈河斷面最高(3.001 0)，溪浪口最低(2.280 0)，從優(yōu)到劣排序見圖3。

圖3 2014年各斷面綜合水質(zhì)的變化Fig.3 The comprehensive water quality of each section in 2014

2.3 典型方法的比較分析

單因子評價法在我國水質(zhì)監(jiān)測公報中被廣泛采用, 計算簡便，缺點是它常常以水質(zhì)最差因子所屬的水質(zhì)類別來判定綜合水質(zhì)；污染指數(shù)評價法不僅考慮單項最差的水質(zhì)指標(biāo)，而且考慮其他水質(zhì)評價指標(biāo)，通過采用加權(quán)等數(shù)學(xué)方法得到各單項污染指數(shù)的綜合指數(shù)來判定水體的綜合水質(zhì)。具體比較結(jié)果見表3。

表2 2005-2014年綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對各斷面水質(zhì)的評價結(jié)果Tab.2 Assessment of the section water quality based on the comprehensive water quality identification index in 2005-2014

表3 評價方法結(jié)果比較Tab.3 The comparison of evaluation methods

分析表3可知，單因子評價法的評價結(jié)果突出了污染最嚴重因子對水質(zhì)的影響，掩蓋了其他因子的影響，表現(xiàn)對水質(zhì)判別過為保護，因此，比較適合定性來確定水體中主要污染物。等權(quán)重污染指數(shù)法則通過比較計算結(jié)果是否大于1來判斷達到相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),但是在確定綜合水質(zhì)類別時則顯得無能為力。相比較以上2種評價方法，綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法則能直觀反映綜合水質(zhì)的級別，是否達到功能區(qū)目標(biāo)以及劣于功能區(qū)的單項指標(biāo)個數(shù)，計算過程簡單，無需復(fù)雜的矩陣運算和編程語言，具有很強的操作性和可推廣性，優(yōu)勢明顯，在一定程度上得到了廣泛的應(yīng)用。

2.4 水質(zhì)變化趨勢分析

對松花江流域吉林省國控斷面的水質(zhì)進行常規(guī)監(jiān)測和分析、評價非常重要，通過水質(zhì)變化趨勢的分析，不僅能夠判定松花江流域目前實行的水污染治理措施是否得當(dāng)，而且對進一步采取何種有效的管理與治理措施具有重要的意義。本文采用環(huán)境保護部常用的Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對2005-2014年的水質(zhì)變化趨勢進行分析，前提是使用該方法需要足夠的數(shù)據(jù)，一般至少具備4對及以上的數(shù)據(jù)[23]，因為松原、敦化新甸、溪浪口斷面只有3 a數(shù)據(jù)，所以只能選取其余3個斷面數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果見表4。

表4結(jié)果表明，松花江流域吉林省3個斷面均為|rs|>Wp0.05，說明這些斷面的水質(zhì)在10 a間呈顯著好轉(zhuǎn)趨勢，從而說明流域治理措施效果明顯。主要措施為吉林省“十一五”、“十二五”期間相繼投資50.39 億元和97.87億元建設(shè)了一批重點項目防治松花江水污染，同時加以生態(tài)恢復(fù)，確保松花江得以休養(yǎng)生息。

表4 2005-2014年松花江流域吉林省各斷面水質(zhì)變化趨勢分析Tab.4 Water quality trend analysis of song hua river basin on jilin province section in 2005-2014

注：Wp0.05=0.56。

3 結(jié) 語

(1)本文采用改良的單因子和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法對松花江流域吉林省段進行評價，從而實現(xiàn)對河流水質(zhì)進行簡單而準(zhǔn)確的定性和定量評價。

(2)通過對單因子評價法、污染指數(shù)法以及綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法比較，表明綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法優(yōu)勢明顯，比較實用，易于在其他河流等水環(huán)境評價中推廣使用；利用評價的水質(zhì)因子太少，不能全面反映真實的水質(zhì)情況，需要進一步收集數(shù)據(jù)。

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