水環(huán)境質(zhì)量評價方法分析及應(yīng)用

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引言

水環(huán)境質(zhì)量評價是按照評價目標選擇相應(yīng)水質(zhì)參數(shù)、水質(zhì)方法和計算方法，對水的利用價值及水的處理要求作出評定。評價的目的主要是準確地反映當前的水體質(zhì)量和污染狀況，弄清水體質(zhì)量變化發(fā)展的規(guī)律，找出流域的主要污染問題，為水污染治理、水功能區(qū)劃、水環(huán)境規(guī)劃以及水環(huán)境管理提供依據(jù)。水質(zhì)評價按照評價的時間劃分，有回顧評價、現(xiàn)狀評價和水環(huán)境管理評價[1]。其中，水質(zhì)現(xiàn)狀評價是較常用的評價，通過水質(zhì)現(xiàn)狀評價可以揭示水環(huán)境質(zhì)量的時空變化規(guī)律，分析造成這種時空變化的原因，了解水體污染對水生生態(tài)和人群健康的影響。

水質(zhì)現(xiàn)狀評價的主要步驟包括：確定評價范圍、水質(zhì)調(diào)查評估、確定評價參數(shù)、建立評價模式、進行模擬計算、給出評價結(jié)論6個步驟，水質(zhì)評價結(jié)果的合理性取決于監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和評價方法的科學性。自20世紀60年代以來，國內(nèi)外就不斷有討論水質(zhì)評價的報道。近30年來，隨著大量數(shù)學方法應(yīng)用于水質(zhì)評價中，水質(zhì)評價已經(jīng)成為我國環(huán)境質(zhì)量評價中一個發(fā)展最快、進步最大的分支，目前有20余種水質(zhì)評價方法在國內(nèi)外被廣泛采用。依據(jù)評價方法中采用的數(shù)學方法的不同，主要分為單因子評價法、污染指數(shù)評價法、水質(zhì)指數(shù)法等。

一、水質(zhì)評價方法概述

(一)單因子評價法

單因子評價法又稱“單指標評價法”、“一票否決法”，是《水資源保護規(guī)劃技術(shù)大綱》中推薦的方法，現(xiàn)行的《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)中明確規(guī)定：“地表水環(huán)境質(zhì)量評價應(yīng)根據(jù)應(yīng)實現(xiàn)的水域功能類別，選取相應(yīng)類別標準，進行單因子評價?！彼鶕?jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標準中規(guī)定的污染指標限值與監(jiān)測值比較，選取污染最嚴重指標的級別作為該斷面水質(zhì)級別[2]。單因子評價指數(shù)是最簡單的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，它是一個無量綱數(shù)，表示某種評價因子在環(huán)境中的觀測值相對于環(huán)境質(zhì)量評價標準的程度，即超標倍數(shù)。一般定義式為

Ii=Ci/Si

式中:Ii為單因子評價指數(shù)；Ci為第i種評價因子在環(huán)境中的監(jiān)測測值；Si為第i種評價因子的評價標準值。Ii的數(shù)值越大表示該單項的環(huán)境質(zhì)量越差。

很明顯，單因子評價法可以直接了解水質(zhì)狀況與評價標準之間的關(guān)系，有利于提出針對性的水環(huán)境治理措施，但是單因子評價采取最差因子“賦全權(quán)”的做法不利于對水環(huán)境質(zhì)量的整體認識，只是得到了某一種因子的質(zhì)量狀況，無法給出水環(huán)境質(zhì)量的綜合狀況，不能反映水環(huán)境質(zhì)量的全貌。

(二)污染指數(shù)法

污染指數(shù)法是用水體各監(jiān)測項目的監(jiān)測結(jié)果與其評價標準之比作為該項目的污染分指數(shù)，然后通過各種數(shù)學手段將各項目的分指數(shù)綜合而得到該水體的污染指數(shù)，以此代表水體的污染程度，以及進行不同水體或同一水體不同時期的水質(zhì)比較。對分指數(shù)的處理不同，使水質(zhì)評價污染指數(shù)存在著不同的形式。包括簡單疊加指數(shù)、算術(shù)平均值指數(shù)、最大值指數(shù)、加權(quán)平均指數(shù)等[3]。

1.簡單疊加指數(shù)

選定若干評價參數(shù)，將各參數(shù)的實際濃度Ci和其相應(yīng)的評價標準濃度Cai相比，求出各參數(shù)的分指數(shù)，將各分指數(shù)加和。即：

簡單疊加指數(shù)是最基本的污染指數(shù)計算方法，其不足在于評價結(jié)果受評價參數(shù)的不同和評價參數(shù)項數(shù)的影響，可比性不高。并且無法區(qū)別不同污染物對水質(zhì)的影響。

2.算數(shù)平均值指數(shù)

計算原理與簡單疊加指數(shù)相同，由于選用的評價參數(shù)的項數(shù)直接影響結(jié)果數(shù)值的大小，為消除項數(shù)不同對指數(shù)值的影響，將分指數(shù)和除以參加評價的項數(shù)(n)，即：

與簡單疊加指數(shù)相比，算術(shù)平均值指數(shù)消除了評價參數(shù)項數(shù)的不同對評價結(jié)果產(chǎn)生的影響，增加了一定的可比性。

3.最大指數(shù)

最大指數(shù)法亦稱內(nèi)梅羅指數(shù)，該方法特點是在計算式中含有評價參數(shù)中最大的分指數(shù)項。公式如下：

最大值指數(shù)充分重視某污染物出現(xiàn)的最大濃度值對水質(zhì)的影響和作用。但在污染物波動大時，可能出現(xiàn)1個由最大值決定的高峰，反映不出其他污染指數(shù)的貢獻。

4.加權(quán)平均指數(shù)

根據(jù)污染物對環(huán)境影響作用的不同，人為地引入加權(quán)值Wi，計算公式為：

加權(quán)平均指數(shù)通過加權(quán)考慮了不同污染物對水質(zhì)的不同影響，可以有針對性地突出某種污染物的作用。但當超標指數(shù)過多或者超標倍數(shù)較大時。加權(quán)平均指數(shù)的值會低于最大值指數(shù)，可能會掩蓋污染問題。權(quán)值如何取值客觀合理是一個關(guān)鍵問題。

污染指數(shù)評價是對整體水質(zhì)作出定量描述.根據(jù)定量結(jié)果，按照一定的分級標準對水質(zhì)作出定性評價。只要項目、標準、監(jiān)測結(jié)果可靠，綜合評價從總體上看可以基本反映水體污染的性質(zhì)和程度，而且對于全國流域尺度而言，污染指數(shù)評價法計算簡便,便于進行不同水體之間或同一水體時間序列上的基本污染狀況和變化的比較。污染指數(shù)評價方法的缺點是，不能很好地與國家統(tǒng)一的水質(zhì)功能類別相一致，各種方法均根據(jù)各自指數(shù)大小規(guī)定污染等級，沒有完善統(tǒng)一的環(huán)境質(zhì)量分級系統(tǒng)[4]。不同的指數(shù)之間、指數(shù)分級與環(huán)境質(zhì)量標準之間都缺乏可比性。評價結(jié)果只能說明污染程度的輕重，不能確定其功能的具體類別；同時，同一類水體的水質(zhì)標準有一個變化范圍。權(quán)重取值不同會對評判結(jié)果帶來影響。綜合指數(shù)評價法在污染物濃度不大或不需要對水質(zhì)功能類別進行評價的情況下可以使用。

(三)水質(zhì)指數(shù)法

1.水質(zhì)標識指數(shù)法

水質(zhì)標識指數(shù)法分單因子水質(zhì)標識指數(shù)和綜合水質(zhì)標識指數(shù)兩步進行，評價標準為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)[5]。

(1)單因子水質(zhì)標識指數(shù)

單因子水質(zhì)標識指數(shù)P 由一位整數(shù)、小數(shù)點后2位或3位有效數(shù)字組成，表示為：

Pi=X1·X2X3

式中： X1代表第i 項水質(zhì)指標的水質(zhì)類別；X2代表監(jiān)測數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置，根據(jù)公式按四舍五入原則計算確定；X3代表水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果，視評價指標的污染程度，X3為1位或2位有效數(shù)字。X1.X2代表了單項水質(zhì)指標的類別和污染程度。根據(jù)Pi的數(shù)值可以確定水質(zhì)類別、水質(zhì)數(shù)據(jù)、水環(huán)境功能區(qū)類別，可以比較水質(zhì)的污染程度，Pi越大，水質(zhì)越差，污染越嚴重。

(2)綜合水質(zhì)標識指數(shù)

綜合指數(shù)評價法是對各污染指標的相對污染指綜合水質(zhì)標識指數(shù)，可以表達河流總體的綜合水質(zhì)信息[6]。綜合水質(zhì)標識指數(shù)由整數(shù)位和3～4位小數(shù)位組成，結(jié)構(gòu)為

Pwq=X1·X2X3X4

式中，X1.X2由計算獲得，X3和X4根據(jù)比較結(jié)果得到。其中，X1為水體總體的水質(zhì)類別；X2為水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處位置，從而實現(xiàn)在同類水質(zhì)中進行優(yōu)劣比較；X3為參與水質(zhì)評價的評價因子中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標的單項指標個數(shù)；X4為水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果。綜合水質(zhì)標識指數(shù)的核心是X1.X2的計算，即根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)確定水體的綜合水質(zhì)類別，并確定水質(zhì)在該類別變化區(qū)間中的位置。計算公式如下：

式中：m為參加綜合水質(zhì)評價的水質(zhì)單項因子的數(shù)目；P1，……，Pm分別為第1，……m個評價因子的單因子水質(zhì)標識指數(shù)。綜合水質(zhì)標識指數(shù)法結(jié)合了國家標準規(guī)定的水質(zhì)類別，可以對水質(zhì)類別進行定性評價，并且考慮了水質(zhì)污染程度的比較，可以在同一類水的水質(zhì)指標中進行定量比較，還能判別河流水體是否黑臭。綜合水質(zhì)標識指數(shù)法的缺點是每項評價因子的權(quán)重是相等的，并且計算量較大[6]。

2.水質(zhì)標識評價法

江蘇省太湖流域河流水質(zhì)評價的推薦方法——水質(zhì)指數(shù)評價方法，在江蘇省太湖流域河流水質(zhì)評價中，根據(jù)河流污染的特點，綜合考慮了單因子指數(shù)評價、綜合污染指數(shù)評價和綜合水質(zhì)標識指數(shù)評價方法。水質(zhì)指數(shù)組成為：WQI=X1.X2(X3)，式中：X1為水質(zhì)類別；X2為水質(zhì)在為水質(zhì)在該類別變化區(qū)間中所處的位置；X3為首要污染因子，其水質(zhì)指數(shù)的計算公式為：

X1·X2=Max(X1X2pH，X1X2DO，X1X2CODMn，X1X2NH3-N)

式中，X1。X2pH，X1。X2DO，X1、X2CODMn，X1。X2NH3-N等指pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和其他參加評價指標的單因子水質(zhì)指數(shù)；Max指取所有參加評價指標的單因子水質(zhì)指數(shù)的最大值。

二、水質(zhì)標識指數(shù)法在水質(zhì)評價中的應(yīng)用

懷柔水庫是北京市重要的飲用水源保護區(qū)，目前其水質(zhì)評價主要采用單因子污染指數(shù)法，該法以參評的某一項最差的水質(zhì)類別作為該監(jiān)測點的綜合水質(zhì)類別，具有一定的片面性和局限性[7]。采用水質(zhì)標識指數(shù)法對懷柔水庫水質(zhì)進行評價，其評價結(jié)果可較好滿足水環(huán)境管理人員的需求。本次評價選取懷柔水庫2009 年7月27日北京市水文總站對懷柔水庫水質(zhì)進行監(jiān)測的數(shù)據(jù)，分別采用單因子污染指數(shù)法和水質(zhì)標識指數(shù)法評價。評價項目分別為DO、CODMn、NH3-N、TP及TN。以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)為評價標準。

(一)單因子污染指數(shù)評價結(jié)果

對水庫采用單因子污染指數(shù)法評價結(jié)果如表1所示：

表1懷柔水庫2009年7月27日水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)及單因子污染指數(shù)法評價結(jié)果mg/L

從表1可以看出，用單因子污染指數(shù)評價法評價懷柔水庫壩前、庫東、庫西、前辛莊及峰山口等5個站點的水質(zhì)類別均為Ⅲ類，口頭站的水質(zhì)類別為Ⅳ類。

(二)水質(zhì)標識指數(shù)法結(jié)果

對水庫采用水質(zhì)標識指數(shù)法評價結(jié)果如表2所示：

表2懷柔水庫2009年7月27日水質(zhì)單因子及綜合水質(zhì)標識指數(shù)法評價結(jié)果

從表2 可以看出，用單因子水質(zhì)標識指數(shù)法評價懷柔水庫壩前、庫東、庫西、前辛莊及峰山口水質(zhì)類別為Ⅲ類，口頭水質(zhì)為Ⅳ類。單因子水質(zhì)標識指數(shù)法分析超標項目為CODMn、TP 及TN。其中壩前、庫東及庫西CODMn監(jiān)測數(shù)據(jù)位于Ⅲ類水區(qū)間中距下限值分別20%、10%及20%的位置，水環(huán)境功能區(qū)目標為Ⅱ類，CODMn分別劣于水環(huán)境功能區(qū)目標值1 個類別； 庫東TP監(jiān)測數(shù)據(jù)位于Ⅲ類水區(qū)間中距下限值60%的位置，水環(huán)境功能區(qū)目標為Ⅱ類，TP劣于水環(huán)境功能區(qū)目標值1 個類別； 壩前、庫東、庫西、前辛莊及峰山口TN監(jiān)測數(shù)據(jù)位于Ⅲ類水區(qū)間中距下限值分別40%、60%、40%、70%及50%的位置，水環(huán)境功能區(qū)目標為Ⅱ類，TN分別劣于水環(huán)境功能區(qū)目標值1 個類別； 口頭TN監(jiān)測數(shù)據(jù)位于Ⅳ類水區(qū)間中距下限值分別70%的位置，水環(huán)境功能區(qū)目標為Ⅱ類，TN分別劣于水環(huán)境功能區(qū)目標值2個類別。

從表2可以看出，用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法評價懷柔水庫壩前、庫東、庫西、前辛莊、口頭及峰山口水質(zhì)類別為Ⅱ類，水質(zhì)類別與懷柔水庫所執(zhí)行的地表水飲用水水源保護區(qū)Ⅱ類水功能相同。其中壩前、庫東、庫西、前辛莊、口頭及峰山口綜合水質(zhì)在Ⅱ類水區(qū)間中距下限值分別40%、60%、30%、20%、80%及20%的位置，參與評價的5 項指標中劣于水環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)類別的指標分別有2個、3個、2個、1個、1個及1個。綜合對比壩前、庫東、庫西、前辛莊、口頭及峰山口監(jiān)測點水質(zhì)指標類別表現(xiàn)為： 口頭>庫東>壩前>峰山口>庫西>前辛莊。

(三)單因子污染指數(shù)法與水質(zhì)標識指數(shù)法比較分析

在平常工作中，我們更多的是關(guān)心監(jiān)測點水質(zhì)具體類別和是否達到水環(huán)境功能區(qū)標準，以及沒有達標水質(zhì)項目超標情況。這些信息從單因子污染指數(shù)評價中無法得到，但是從單因子水質(zhì)標識指數(shù)法評價中可以直接讀取，極大地方便了工作需要。

近年來，針對懷柔水庫的水環(huán)境保護，北京市京密引水管理處和地方政府部門聯(lián)合做了大量工作，比如加大了水政執(zhí)法力度； 庫區(qū)周邊種植涵養(yǎng)林； 水庫上游小流域治理； 加大庫區(qū)保潔力度； 實施封閉式管理等，水庫CODMn、TN 及TP 等指標從連續(xù)監(jiān)測結(jié)果看有所改善。如果用單因子污染指數(shù)法評價，水質(zhì)評價一直為Ⅲ類，無法看出這幾年針對懷柔水庫水質(zhì)改善所做工作取得的成績； 如果用單因子水質(zhì)標識指數(shù)法和綜合水質(zhì)標識指數(shù)法評價可以直觀地看出CODMn、TP 及TN 等這些超標水質(zhì)指標監(jiān)測數(shù)據(jù)的下降，能直觀反映管理單位所做工作取得的成績。

通過綜合水質(zhì)標識指數(shù)法分析看出懷柔水庫水質(zhì)屬于Ⅱ類，達到功能區(qū)目標值。但是利用單因子水質(zhì)標識指數(shù)法分析也可以看出部分站點也有個別項目存在超標，特別是TP、TN 等項目。懷柔水庫在北京市的防洪、供水等方面發(fā)揮著重要作用，必須高度重視懷柔水庫水源保護。通過水質(zhì)標識指數(shù)法這種評價方法得出的結(jié)論可以為下一步的水環(huán)境保護提供科學依據(jù)。

三、總結(jié)

水環(huán)境系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、不確定系統(tǒng)，還沒有一個大家公認的和通用的水環(huán)境質(zhì)量評價數(shù)學模型，也沒有建立一個通用的數(shù)學模型選用的標準和規(guī)則?，F(xiàn)有的水環(huán)境評價模型都有各自的優(yōu)缺點，如何針對流域的具體情況，根據(jù)評價目的和流域特征選擇合適的評價方法以及有代表性的評價參數(shù)，使評價結(jié)果更加真實和準確，評價過程和參數(shù)簡單可行，仍是今后需繼續(xù)研究的問題[8]。水環(huán)境評價是以監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，對水環(huán)境現(xiàn)狀及其變化規(guī)律作出分析和評價，從而為環(huán)境決策和管理服務(wù)。從這一角度出發(fā)，一個好的水質(zhì)評價方法應(yīng)滿足準確性、可比性和可行性等特點。評價結(jié)果的水質(zhì)類別要符合國家水質(zhì)控制標準的要求，與國家水質(zhì)控制標準有可比性和一致性，同一類別中的水體可以進行比較，能夠說明地表水的質(zhì)量和功能，并且評價方法應(yīng)該簡單實用。便于在實際的評價工作中推廣。同時，評價模型中的參數(shù)應(yīng)該既全面準確，又不至于難于獲取。今后，還需要根據(jù)以上要求對各種評價方法進行進一步的研究和完善。