基于3種水質(zhì)指數(shù)方法的鄱陽湖五河水質(zhì)分析與評價

摘要：為了研究鄱陽湖五大水系的污染現(xiàn)狀，采用灰色關(guān)聯(lián)法、單因子評價法和綜合污染指數(shù)評價法，選取溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮和總磷5個評價因子，對贛江、信江、撫河、修河和饒河水質(zhì)進行了分析評價。結(jié)果表明研究水域水質(zhì)總體為Ⅰ—Ⅲ類，由于農(nóng)業(yè)污水排放導致五河全年總氮含量均過高，同時由于七八月份溫度過高導致溶解氧含量過低。運用灰色關(guān)聯(lián)法、單因子評價法和綜合污染指數(shù)評價法，分析3種方法的優(yōu)缺點，對比綜合分析其評價結(jié)果，其中綜合污染指數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)法得出的結(jié)果較為客觀，其產(chǎn)生的研究結(jié)果可為鄱陽湖五河水污染防治以及水質(zhì)綜合管理提供參考。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)評價；灰色關(guān)聯(lián)法；單因子評價法；綜合污染指數(shù)評價法；五河流域

中圖分類號：TV131.2+9文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）07-0084-08

葉方琪，計勇，惠源，等.基于3種水質(zhì)指數(shù)方法的鄱陽湖五河水質(zhì)分析與評價［J］.人民珠江，2024，45（7）：84-91.

Water Quality Analysis and Evaluation of Five Rivers in Poyang Lake Based on Three WaterQuality Index Methods

YE Fangqi，JI Yong*，HUI Yuan，ZHANG Chenhui，CHENG Yuxiang

（School of Hydraulicamp;Ecological Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China）

Abstract：To study the pollution status of the five water systems of Poyang Lake，this paper analyzes and evaluates the water quality of the Ganjiang River，Xinjiang River，F(xiàn)uhe River，Xiuhe River，and Raohe River by adopting the gray correlation method，the single-factor evaluation method and the comprehensive pollution index evaluation method.Five evaluation factors，namely，dissolved oxygen，potassium permanganate，ammonia nitrogen，total nitrogen，and total phosphorus are selected.The results show that the overall water quality of the studied waters is between Class I and Class III，with all five rivers showing excessive total nitrogen levels throughout the year due to agricultural wastewater discharge，and low dissolved oxygen levels in July and August due to high temperatures.By using the gray correlation method，single factor evaluation method，and integrated pollution index evaluation method，the study analyzes the advantages and disadvantages of the three methods，and compares and synthesizes the evaluation results.Specifically，the integrated pollution index method and the gray correlation method provide more objective results，and the results of the study can be used as a reference for the prevention and control of water pollution in the\"Five Rivers\"as well as for the integrated management of water quality.

Keywords：water quality evaluation;gray correlation method;single factor evaluation method;integrated pollution index evaluation method;five river basins

水環(huán)境質(zhì)量評價是進行水資源保護與管理的基礎(chǔ)性工作，能為水資源的合理開發(fā)與利用提供科學依據(jù)［1］。目前常用的水質(zhì)評價方法主要有單因子評價法、層次分析法、綜合污染指數(shù)法、模糊綜合評價法［2］、灰色關(guān)聯(lián)法［3］、隨機森林評價法［4］和綜合水質(zhì)指數(shù)法［5-6］等。其中，單因子指數(shù)法簡便易行，但可能忽略其他影響因素，導致評價結(jié)果偏差［7］；綜合污染指數(shù)法是在單因子指數(shù)法的基礎(chǔ)上通過不同污染指標之間的數(shù)學關(guān)系確定水質(zhì)情況，能夠較為準確地反映水質(zhì)狀況［8］；灰色關(guān)聯(lián)法基于水質(zhì)評價中的不確定性，對樣本多少和有無規(guī)律都無限定，不會出現(xiàn)量化結(jié)果與定性分析結(jié)果不符的情況［9］。綜合運用這3種評價方法，可以對鄱陽湖五河的水質(zhì)進行全面準確的分析評價。

鄱陽湖流域位于長江中下游南岸，受長江和五河（贛江、撫河、信江、饒河、修水）來水影響，流域水位變化年內(nèi)季節(jié)性和年際間差異性較大［10］。鄱陽湖是中國重要濕地，在維護本地區(qū)乃至國家生態(tài)安全中發(fā)揮著極其重要的作用［11］，但由于人類活動的長期干擾，一些水體已經(jīng)發(fā)生了水質(zhì)惡化、富營養(yǎng)化［12］、濕地面積急劇減少和生物多樣性下降等生態(tài)失衡現(xiàn)象。從2009年國務(wù)院批準實施《鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃》以來，圍繞“保持鄱陽湖一湖清水”這一主題開展了一系列研究，如Wu等［13］利用聚類分析法，對2009—2015年鄱陽湖15個采樣點的水質(zhì)進行研究，發(fā)現(xiàn)鄱陽湖由北到南的污染負荷存在明顯的季節(jié)性波動，并且呈現(xiàn)出逐年惡化的趨勢；Li等［14］運用Mann-Kendall趨勢分析法、Pettitt測試等方法，對1980—2018年鄱陽湖的水質(zhì)和水文情勢變化特征進行分析，揭示了過去30多年間，湖泊水環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)了顯著下降，水體中TN、TP和高錳酸鹽指數(shù)均有明顯升高。其中，前者的方法具有較大的主觀性，且計算較為復雜，后者的分析方法容易受到異常值的影響，所以本文選取3種水質(zhì)指數(shù)方法對研究區(qū)域水質(zhì)情況進行綜合分析評價。

本項研究采用多種方法對鄱陽湖及其5條入湖河流的水質(zhì)進行了深入分析，旨在全面了解水質(zhì)狀況并找出關(guān)鍵問題。通過灰色關(guān)聯(lián)法、單因子評價法和綜合污染指數(shù)評價法的綜合應用，以及對溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）和總磷（TP）5個重要指標的選取，研究不僅提供了豐富的數(shù)據(jù)支撐，而且為解決水質(zhì)問題提供了科學依據(jù)，對于保護和改善水資源環(huán)境具有重要的實踐意義。本研究以2022年為基準年，對同一時期鄱陽湖五河流域的水質(zhì)進行綜合評價。

1研究區(qū)域及方法

1.1研究區(qū)域概況

鄱陽湖（東經(jīng)115°50′～116°44′，北緯28°25′～29°45′）位于江西省北部，其流域總面積16.22萬km2，占江西省國土面積的94.2%，主要由贛江、撫河、信江、饒河、修水五大河流及其各級支流組成（圖1），是一個典型的亞熱帶季風性濕潤氣候，夏季高溫多雨，冬季溫暖濕潤，河流湖泊存在明顯的豐、平、枯三季特征［15］。鄱陽湖作為長江下游的關(guān)鍵湖泊水體，在流域水土保持、洪水管理以及生物多樣性保護等領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，但近年來，鄱陽湖流域社會經(jīng)濟快速發(fā)展，人口密度普遍增加，造成流域內(nèi)水生態(tài)退化等一系列問題。

1.2數(shù)據(jù)來源

采用鄱陽湖五河流域7個監(jiān)測斷面2022年4 h一測的水質(zhì)數(shù)據(jù)作為水質(zhì)評價指標實測數(shù)據(jù)，其來自國家地表水水質(zhì)自動檢測實時數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)，監(jiān)測站點覆蓋鄱陽湖流域內(nèi)包括贛江、撫河、信江、昌江、樂安、潦河、修河等7個河流水系。本研究選取溶解氧、氨氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、總氮5項指標的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為水質(zhì)評價對象，其中各站點地理位置及研究區(qū)域水系特征見圖1。本研究過程中使用ArcMap10.8進行地理信息可視化處理，使用Excel、SPSS22.2、Origin2018等軟件進行數(shù)據(jù)分析處理。

1.3評價方法

1.3.1單因子評價法

單因子評價法是一種依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》的單因素評估方法，并根據(jù)水的水功能區(qū)分級，對每一項指標的單因子指數(shù)進行計算，據(jù)此判斷各項指標是否達到或超過標準，最終選擇污染最重的那一類指標所屬的水質(zhì)類別為最終水質(zhì)類別［16］。對于本文所涉及的指標，其單因子指數(shù)的計算可分為2種情況：①非溶解氧指標，單因子指數(shù)Pi=Ci/Si；②溶解氧指標，單因子指數(shù)Pi=Si/Ci，其中Ci為指標i的實測濃度，Si為與水體功能類別對應的指標i濃度限值。

1.3.2綜合污染指數(shù)評價法

綜合污染指數(shù)法是以單因子評價法為基礎(chǔ)，對其單因子指數(shù)進行綜合計算的方法，見式（1）：

式中：Pi為單因子指數(shù)。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法》，綜合污染指數(shù)評價分級見表1。

1.3.3灰色關(guān)聯(lián)法

灰色關(guān)聯(lián)法是將地表水評價指標與其標準作為一個系統(tǒng)，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對地表水質(zhì)進行綜合評價［17-18］。該方法的基本思想是：把水質(zhì)因子作為參照序列，以各被評價對象的評價指標的標準為對照序列，對數(shù)據(jù)進行歸一化處理，獲得對應的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，計算出灰色關(guān)聯(lián)度，最終按照最大隸屬度的原則判斷水質(zhì)等級。參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》，將地表水級別分為5類?；疑P(guān)聯(lián)分析法的統(tǒng)計學過程如下［19-20］。

a）初始化原始數(shù)據(jù)。由于影響因子的計量單位不同，導致原始數(shù)據(jù)在量綱和數(shù)量級上存在差異。對各個評價對象的水質(zhì)評價而言，各個水質(zhì)的單位可能不完全相同，因此，在計算關(guān)聯(lián)度之前，必須對監(jiān)測數(shù)據(jù)和等級標準值進行無量綱化處理。

b）指標體系的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計算?；疑P(guān)聯(lián)系數(shù)是地表水環(huán)境質(zhì)量標準5類水域功能標準限值與實測數(shù)列的關(guān)聯(lián)程度值，通過比較無量綱化后實測數(shù)列數(shù)值與無量綱化后地表水環(huán)境質(zhì)量標準5類水域功能標準限值，由式（2）計算地表水環(huán)境質(zhì)量標準5類水域功能標準限值與實測數(shù)列的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi矩陣：

式中：i，min、i，max分別為DO、CODMn、NH3-N、TP、TN無量綱化后實測數(shù)列與無量綱化后地表水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水標準限值絕對差矩陣中最小值、最大值；ξ為分辨系數(shù)，一般在0～1，本文取值0.5；Δ為實測數(shù)列無量綱化后數(shù)值與地表水環(huán)境質(zhì)量標準5類水域功能標準限值的絕對差。

c）計算灰色關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度即灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值，其中最大關(guān)聯(lián)度值對應的地表水環(huán)境質(zhì)量標準5類水域功能標準分類級別即為評價對象的地表水環(huán)境質(zhì)量等級，見式（3）：

Ri=i（3）

式中：Ri為灰色關(guān)聯(lián)度；n為評價因子的個數(shù)。

2研究結(jié)果

2.1單因子評價法水質(zhì)評價結(jié)果

單因子評價能更好地體現(xiàn)單一污染指標對水環(huán)境質(zhì)量的影響，能更直接地反映監(jiān)測指標的超標倍數(shù)，凸顯出重點污染指標，從而更好地指導河流管理。鄱陽湖五河采用單因子評價方法，見表2。

本文研究了鄱陽湖五河的水質(zhì)現(xiàn)狀，結(jié)果表明除信江6—11月，撫河9月，修河4—5、7—11月的水質(zhì)為Ⅲ級，五河的其他月份河流水質(zhì)等級均為Ⅳ級或Ⅴ級，其中贛江、信江、撫河和饒河的主要污染物指標為TN，修河的主要污染物1—3月為DO，4—12月為TN。

2.2綜合污染指數(shù)法水質(zhì)評價結(jié)果

利用綜合污染指數(shù)評價法，在單因子評價法的基礎(chǔ)上通過不同污染指標之間的數(shù)學關(guān)系式確定水質(zhì)情況，得出鄱陽湖五河水質(zhì)評價結(jié)果見表3。

表3可知，鄱陽湖五河2022年水質(zhì)等級處于Ⅰ—Ⅲ級。結(jié)果表明：贛江除2月水質(zhì)屬于Ⅲ級，其余月份均屬于Ⅱ級；撫河4—6、12月屬Ⅲ級，其余月份屬Ⅱ級；修河水質(zhì)最優(yōu)，6、8月水質(zhì)等級屬Ⅱ級，其余月份屬Ⅰ級；信江12月水質(zhì)等級屬Ⅲ級，其余月份屬Ⅱ級；饒河7、9、12月水質(zhì)等級屬Ⅲ級，其余月份屬Ⅱ級。

2.3灰色關(guān)聯(lián)法水質(zhì)評價結(jié)果

運用灰色關(guān)聯(lián)法，通過對鄱陽湖五河的水質(zhì)綜合質(zhì)量等級的劃分，得出五河的水質(zhì)等級見表4。

從表4可以看出，按照最大隸屬度原理，贛江2、9、12月的水質(zhì)類別屬Ⅱ類，其余月份水質(zhì)類別均屬Ⅰ類；撫河2、4、5、6、8月的水質(zhì)類別屬Ⅱ類，其余月份水質(zhì)類別屬Ⅰ類；修河和信江2022年水質(zhì)類別均屬Ⅰ類；饒河的7月水質(zhì)類別屬Ⅲ類，6、8、9、12月的水質(zhì)類別屬Ⅱ類，其余月份水質(zhì)類別屬Ⅰ類。綜合來看，鄱陽湖五河2022年水質(zhì)類別處于Ⅰ—Ⅲ類，且大部分月份的水質(zhì)類別均達到了Ⅰ類，總體來說，鄱陽湖五河2022年水質(zhì)較優(yōu)，與皮家駿等［21］于2017年所進行的鄱陽湖五河水質(zhì)研究相比，總體水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)，主要得益于江西省鄱陽湖流域治理工程的實施。2.4鄱陽湖五河水質(zhì)指標時空分布結(jié)果鄱陽湖五河水質(zhì)指標的時空變化特征見圖2。

結(jié)果表明，五河全年總氮指標含量監(jiān)測結(jié)果大部分都達到了Ⅳ級或Ⅴ級，信江7—11月溶解氧指標達到了Ⅳ級，饒河7月總磷指標達到了Ⅲ類水質(zhì)標準，其余指標評價等級均達到了Ⅰ級和Ⅲ級之間，水質(zhì)較好。綜上所述，鄱陽湖五河水體主要污染源為總氮。

3討論

3.1水質(zhì)指標的時空變化原因

鄱陽湖五河7—10月都出現(xiàn)了溶解氧含量過低的情況，這可能是由于夏季表層水溫上升導致的水體溶解氧降低，楊艾琳等［22］對福建省流域與近海區(qū)域溶解氧時空格局與低氧調(diào)控機制的調(diào)查，其結(jié)果表明，河口低氧現(xiàn)象在夏季出現(xiàn)頻率最高，并且低氧問題較其他水域更為突出，主要是由于陸源污染輸入和還原性污染物耗氧導致。

鄱陽湖五河2022年全年的河流總氮含量都過高，可能是陸地氮肥及生活污水的排放引起水體富營養(yǎng)化共同導致。自1940年以來，隨著城鎮(zhèn)人口密度增大，農(nóng)業(yè)開發(fā)強度加大，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物量增大，鄱陽湖周圍生活、農(nóng)業(yè)和工業(yè)污水的排放量明顯增大［23］。據(jù)《江西省環(huán)境統(tǒng)計年報》分析，江西省超過78%的工業(yè)污水會直接排放入五河，最終匯入鄱陽湖，其中含有大量的氮磷、重金屬和有機污染物，對鄱陽湖的水質(zhì)產(chǎn)生了嚴重的影響。王朔月等［24］研究發(fā)現(xiàn)2017—2018年，鄱陽湖流域從支流到干流的氮磷濃度呈“階梯式”增長趨勢。同時水體中的營養(yǎng)成分過多，致使藻類大量滋生，引起了水體富營養(yǎng)化［25-26］。同時，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，鄱陽湖流域的徑流量也在不斷減少，從而使得排放的污染物產(chǎn)生富集現(xiàn)象，Lei等［27］指出氣候變化和人類活動共同作用對其影響最大，影響占比分別為57%和42%；在年際尺度上氣候變化對徑流深度的影響占比高達91.88%。因此，河流生態(tài)保護既要控制源頭，又要保持其生態(tài)環(huán)境，以增強水體的自我修復能力，達到可持續(xù)發(fā)展的目標。

自2009年“鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)”提出以來，雖然周邊地區(qū)經(jīng)濟得到快速發(fā)展，但由于缺乏長效穩(wěn)定的可持續(xù)發(fā)展措施，人類活動對流域水生生態(tài)系統(tǒng)造成了破壞和保護的失衡，導致環(huán)境問題嚴峻。在“十三五”期間，通過對小流域進行綜合整治，提高了水環(huán)境質(zhì)量，為下一步的水環(huán)境保護打下了堅實的基礎(chǔ)。然而，分析結(jié)果顯示，“十四五”期間仍需加強對TN等主要污染指標的調(diào)查和長期監(jiān)測，嚴格管理流域水環(huán)境，實施相應整治措施，提升鄱陽湖流域的整體水體自凈能力和水生態(tài)健康狀況。

3.2 3種分析方法評價結(jié)果比較

為了評價3種評價方法的比較結(jié)果，將3種結(jié)果對鄱陽湖五河不同月份的評價結(jié)果匯總于圖3，總體而言，灰色關(guān)聯(lián)法的評價結(jié)果得出的水質(zhì)等級最優(yōu)，其次為綜合污染指數(shù)法，單因子評價法得出的水質(zhì)等級最差。

單因子評價法通過比較單個水質(zhì)參數(shù)與其評價標準來確定水質(zhì)類別，具有概念明確、計算簡單的優(yōu)點。然而，由于只考慮一個因素，其結(jié)果可能不夠全面。在復雜的水質(zhì)評價中，單因子評價法得出的結(jié)果可能過于嚴苛，選取最差的某一項指標所屬的等級決定整個水質(zhì)的等級。例如武俐等［16］利用單因子評價法、改進的綜合污染指數(shù)法和基于TOPSIS的信息加權(quán)與排序法對小浪底水庫水質(zhì)進行分析，其中單因子指數(shù)法得出的水質(zhì)評價結(jié)果遠遠劣于其余2種評價方法得出的評價結(jié)果，其水質(zhì)等級為Ⅴ級，因此，對于五河的水質(zhì)評價，使用該方法可能得出較為消極的結(jié)果，不能反映整體水質(zhì)。若采取該方法，還可能導致過度保護現(xiàn)象的出現(xiàn)。

綜合污染指數(shù)法基于單因子評價法，運用數(shù)學統(tǒng)計方法，得到綜合污染指數(shù)，但在一定程度上會忽略了主要污染因子的影響。選取合適的污染指標和評價標準受到地區(qū)和時間等因素影響，且不同的數(shù)學方法可能影響計算結(jié)果。此外，該方法不能提供具體污染指標對水環(huán)境質(zhì)量的貢獻程度，需要針對實際情況進行調(diào)整和改進，例如在修河2月份的水質(zhì)評價中，未考慮總氮含量過高現(xiàn)象，導致評價結(jié)果偏高。

灰色關(guān)聯(lián)法是通過對各要素之間的相似性和差異性，對各要素在總體目標中的作用進行評價的一種多因子分析方法。其優(yōu)點在于可以處理不完全信息和不確定性問題，并綜合考慮各因素之間的相互關(guān)系。此外，灰色關(guān)聯(lián)法可以通過歷史數(shù)據(jù)分析預測未來發(fā)展趨勢，為決策提供依據(jù)。本方法所需資料少，工作量小，能有效降低非對稱星系造成的損失。但需要注意其局限性，如需要選擇合適的參考序列和權(quán)重系數(shù)，對數(shù)據(jù)準確性和可靠性要求較高，且對于復雜問題的解釋能力可能較弱。因此，在應用灰色關(guān)聯(lián)法時需要考慮實際情況進行合理選擇和使用。

當前水環(huán)境質(zhì)量評價的方法有很多，因此，如何正確地選擇一種適合的方法是非常重要的?；ㄈ鹣榈龋?8］采用單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、模糊綜合評價法和灰色關(guān)聯(lián)法分別進行水質(zhì)評價，其結(jié)果表明灰色關(guān)聯(lián)法評價的水質(zhì)狀況較其他方法更優(yōu)，其受到權(quán)重的影響也較小。因此，為確保河流水環(huán)境質(zhì)量評估結(jié)果的準確、科學、全面和客觀，研究應當基于灰色關(guān)聯(lián)法的基礎(chǔ)上，避免單因子評價法的弊端，結(jié)合綜合污染指數(shù)法，對河流水質(zhì)情況進行綜合分析。

4結(jié)論

a）在實際應用中，應根據(jù)具體情況選擇合適的水質(zhì)評價方法。當個別指標超標嚴重時，采用單因子評價法；當河流各指標所屬類別相近或差異較大時，采用綜合污染指數(shù)評價法或灰色關(guān)聯(lián)分析法；當需要分析同一河流的水質(zhì)多年變化趨勢時，也可采用這2種方法。單因子評價法較為嚴格和保守，而綜合評價法更全面、適用范圍更廣泛。因此，在河流水質(zhì)評價時，應充分分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)評價目的選擇合適的評價方法，必要時可綜合考慮幾種方法的評價結(jié)果，以滿足管理需求。

b）根據(jù)2022年鄱陽湖五河的水質(zhì)指標，運用單因子評價法、綜合污染指數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)法進行水質(zhì)評價。評價結(jié)果顯示，灰色關(guān)聯(lián)法和綜合污染指數(shù)法評價得到的鄱陽湖五河的總體水質(zhì)位于Ⅰ—Ⅲ級，而單因子評價法所得到的五河總體水質(zhì)均劣于Ⅳ級水質(zhì)標準。主要污染指標為總氮和溶解氧，與陸地氮肥和生活污水排放有關(guān)。建議加強河流排放標準管理，倡導居民合理使用化肥飼料，共同保護流域水質(zhì)。

c）根據(jù)鄱陽湖五河2022年各監(jiān)測因子的時空動態(tài)變化圖，分析得出鄱陽湖五河溶解氧過低和總氮含量過高。由于夏季雨后表層水溫升高導致溶解氧減少，氮肥和污水排放導致水體富營養(yǎng)化。鄱陽湖流域徑流量減少，污染物聚集，總氮超標。需從源頭控制污染，實施濃度與總量雙控策略，保護生態(tài)，增強水體自凈能力，嚴格監(jiān)測主要污染指標，整治流域水環(huán)境，提升水生態(tài)健康。

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（責任編輯：李澤華）