地下水質評價中兩類內梅羅指數(shù)法修正方法的對比分析及應用研究

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(1.中國地質環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.哈爾濱工業(yè)大學建筑設計研究院，黑龍江 哈爾濱 150090 )

在北方地區(qū)，地下水對城市供水有重要的意義。但隨著城市化的發(fā)展，地下水質量受人類影響程度增加，地下水質量評價對于城鎮(zhèn)化的推進顯得越來越重要。各種地下水質量評價方法和被不斷研究、改進。內梅羅指數(shù)法是一種經(jīng)典的地下水綜合評價方法[1-4]。該方法具有計算過程簡潔，能夠定性和定量的反映水質污染的性質和程度等其他水質評價方法所不具備的優(yōu)點，因而成為地下水質量綜合評價最常用的方法之一。在地下水質評價中，內梅羅指數(shù)法經(jīng)常以各種修正方法的形式應用。李亞松(2009)[1]在內梅羅指數(shù)法中考慮重金屬的累積效應，根據(jù)各指標毒性引入權重的概念，并用各指標均值平衡最大值對最終結果的影響。李玲玲(2015)[2]用最大值和算術平均值的均值代替最大值，削弱極大值的作用。并將評價指標的危害性和該指標排放標準聯(lián)系起來?？芪慕?2012)[5]提出了一種通過構建函數(shù)使單項組分的評價分值連續(xù)的修正方法。倪天翔(2018)[6]改進了單項組分的評價分值的函數(shù)構建方法，使得該函數(shù)期望值與修正前一致。目前，對內梅羅指數(shù)法的修正方法很多，但缺乏對這些方法的分類總結和適用情況的分析。

1 內梅羅指數(shù)法的步驟及缺點

(1)首先根據(jù)地下水質量標準中的地下水質量分類指標進行各單項組分評價，劃分組分所屬質量類別。

(2)對各類別按照表1的規(guī)定分別確定單項組分的評價分值Fi[4]

(3)按式(1)和式(2)計算綜合評價分值F

(1)

(2)

表1 地下水質量評分

(4)根據(jù)F值，按照表2的規(guī)定劃分地下水質量級別。

表2 地下水質量分級

內梅羅指數(shù)法存在以下缺點：

(1)Fi在各級水質指標臨界值附近突變，具有截然性和非連續(xù)性，但污染物濃度卻是連續(xù)分布在各級標準附近，污染物濃度的微小變化都將導致Fi值的較大變化，而在同一級標準范圍內，污染物濃度變化卻對Fi值沒有影響。

(3)同等對待各個污染因子的作用。在現(xiàn)實中，各個污染因子毒性不同，累積性不同，降解難易及去除性難易程度不同，超標造成的后果也不盡相同。但在內梅羅指數(shù)法的公式中，并未對同處一個質量級別的不同污染因子的Fi值區(qū)別對待。

基于以上原因，在各類文獻中，內梅羅指數(shù)法經(jīng)常以各種修正方法的形式進行應用。這些修正方法各不相同，自成體系，具有各自的適用情況。對這些修正方法進行分類、類比、分析顯得很有必要。

2 內梅羅指數(shù)法的修正方法

根據(jù)對現(xiàn)有的內梅羅指數(shù)法及修正方法相關文獻的總結[1-2,5-26]，目前，應用較多的內梅羅指數(shù)修正方法主要有兩種思路:一種是通過將各污染物指標賦予不同的權重從而給予他們不同的地位，并用最大值與平均值的均值代替最大值，從而降低最大值對結果的影響，概括為引入權重法；另一種是構建Fi的連續(xù)函數(shù)取代原Fi的離散取值，并適當提升對結果的影響，概括為引入函數(shù)法。

2.1 引入權重法

2.1.1 權重的計算

將各種評價因子Si的Ⅲ類水標準按由小到大的順序排列，將其最大值Smax同Si比較，并令Ri為第i種評價因子的相關性比值，則

(3)

(4)

2.1.2 Fmax的修正

(5)

(6)

式中：Fw為權重前n項組分的平均評分值，n值根據(jù)評價數(shù)據(jù)確定；Fi為前n項組分的評分值；m為前n項組分中劣于3類水標準的項數(shù)。當m=0時，F(xiàn)w=0

(7)

2.2 引入函數(shù)法

2.2.1 對Fi值的修正

(8)

式中：Fi′為修正后的Fi值；u為污染物濃度值；Si為該項指標的第i級標準限值，i=1,2,3,4,5。由于地下水質量標準Ⅴ類和Ⅳ類標準取值相同，人為規(guī)定S5=2S4。

(9)

兩種修正方法均沿用了地下水質量標準中F的計算公式和質量級別限值，沒有做出改動。

3 實例應用

本文實例應用華北平原區(qū)地下水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。研究區(qū)位于華北平原北部。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)較多，為了簡化計算同時避免主觀因素干擾，用excel中的rand()函數(shù)隨機生成監(jiān)測點號，在132組數(shù)據(jù)中選取20個監(jiān)測點的地下水樣品測試數(shù)據(jù)進行評價，參評指標包括總硬度、溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物、鐵、錳、銅、鋅等地下水質量標準中涉及的指標27項，這些指標及相應的評價因子相關性比值Ri和權重Wi見表3。

對于pH、嗅和味和肉眼可見物三項憑借三類水標準難以量化的指標，人為規(guī)定權重值與溶解性總固體相同。

從表3可以看出，各項指標間權重差異巨大。最大權重為最小權重的106倍。27項指標權重總和為1，但汞一項指標就占0.54，前四項指標權重總和為0.92，在引入權重法的計算中，后面的指標數(shù)值對結果的影響已經(jīng)很小。這種方法是引入權重法權重計算的通用方法。但又過分夸大了重金屬及毒理性指標的作用，使得其他指標作用過小。按照《地下水質量標準》，地下水質量綜合評價F值法劃分的地下水質量級別是“優(yōu)良、良好、較好、較差、極差”為便于表達，將各級別按順序表示為I、II、III、IV、V。

按照三種方法分別計算的水質評價結果見表4。

表3 引入權重法評價指標及權重表(按權重值從大到小排列)

表4 評價結果

由表4可以看出，兩種方法都解決了“III類水缺失”的問題。修正前，水質評價結果為I、 IV、 V類。經(jīng)兩種方法修正后，均出現(xiàn)了III類水。說明兩種方法都在一定程度上解決了傳統(tǒng)方法評價結果過于集中的問題。

圖1 Fmax與F關系圖

4 討論

5 結語

(1)兩種修正方法均保留了內梅羅指數(shù)法計算簡潔，運算方便的優(yōu)點，并在一定程度上解決了傳統(tǒng)內梅羅指數(shù)法的評價結果過于集中的問題，評價結果更為客觀、準確。

(2)引入權重法通過將各污染物指標賦予不同的權重從而給予他們不同的地位，突出了毒理性指標和重金屬的影響。在修正后的Fmax中引入“平均”的概念，降低了單一的最大值對結果中的影響。但是，當Fmax出現(xiàn)在權重較低的項目時，修正前后的評價結果差異比較大。該方法適合評價毒理性指標和重金屬指標污染較突出的地下水。

(4)兩種方法各有優(yōu)缺點和各自的適用情況，因此，在實際應用中，應該結合研究區(qū)的水質特點進行選擇使用，從而取得最優(yōu)的評價結果。