不同水质评价方法在丹江口流域水质评价中应用比较

2015-04-26张亚丽姚志鹏王潇磊

中国环境监测 2015年3期

张亚丽，周扬，程真，姚志鹏，申剑，王潇磊

1．河南农业大学资源与环境学院河南省高校农业资源利用工程技术研究中心，河南郑州 450002

2．中国环境监测总站国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

3．河南省环境监测中心，河南郑州 450004

河流水质评价是水环境管理的基础性工作，采用科学合理的水质评价方法，才能准确地反映当前的水体质量和污染状况，弄清水体质量变化发展的规律，找出主要污染问题，为水污染治理、水功能区划、水环境规划以及水环境管理提供依据［1］。国外对河流水质状况评价的研究始于20世纪60年代，随着人们对环境状况的关注而逐渐兴起。以Jacobs［2］提出水体质量评价的水质指数(WQI)概念和公式为标志，掀起了西方研究水环境质量的热潮，许多学者采用不同方法对水环境质量评价进行了研究。国内对水环境质量研究也有近30年的历史，水质评价方法多种多样，如单因子评价法、综合污染指数法等。中国现行的水环境质量标准为原国家环保总局2002年颁布的《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，但在实际工作中却没有成为统一的参考标准［3］。综合国内外研究，目前在河流水质评价方面，尚无统一、公认的评价模式。本文结合河南省环保厅关于丹江口流域水质评价工作，以丹江口流域7个河流常规监测断面为研究对象，采用单因子评价法、水污染指数法、综合污染指数法、模糊综合评判法、主成分分析法5种评价方法，对丹江口流域的水质进行评价，综合分析评价结果，并对各评价方法优缺点及适用范围进行比较分析。

1 评价区域和数据来源

丹江口库区及上游地区流域面积9.52万平方公里，是南水北调中线工程的水源区，其干流多为沿岸居民的生活饮用水水源。研究选取丹江口库区上游7个河流常规监测断面，断面名称分别为陈家坡、东河口、高湾、剑河口、浪河口、神定河口、泗河口。评价所采用的数据为这7个断面2012年1—12月的月平均监测数据。参与评价的指标为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)表1中除水温、pH、总氮外的21项指标。

2 几种河流水质评价方法概述

河流水质评价方法众多，研究采用环境监测较常用的单因子指数评价方法、综合污染指数评价方法、模糊综合评判法、主成分分析法、水污染指数法5种评价方法。综合5种方法，根据其评价步骤，可概括为单因子评价法和包括后4种的综合指标法。单因子评价法简单明了，将各参数浓度与评价标准对比，以最差的水质类别作为水质综合评价结果，是各种综合评价法的基础;综合指标法以综合为特点，选取合适的评价因子，建立评价模型，是目前水质评价研究的热点。5种评价方法各有特色，适用条件也有所差异，其对比情况见表1。其中，水质类别与WPI的对应值见表2。

表1 5种水质评价方法及其适用条件

表2 水质类别与WPI对应值

3 评价结果比较分析

5种评价方法对2012年丹江口7个监测断面评价结果见表3。根据水环境管理需求，分别从水质定性评价、定量评价、主要污染指标识别3方面，将各方法得出的结果进行对比分析。

表3 丹江口河流断面水质监测结果对比

3.1 水质定性评价

单因子指数评价方法、模糊综合评判法、水污染指数法可以根据国家规定的地表水分类标准进行评价，并得到相应的水质类别。其中，由于单因子指数法和水污染指数法均采用最差污染物指标水质作为断面的水质类别。从表3可以看出，两种方法得到的水质类别完全相同。而应用模糊综合评判法评价时，由于考虑了水环境的复杂性和分级界限的模糊性，采用隶属函数描述水质分级界限，并根据各水质指标的实际状况赋予其相应的权重，相比单因子指数法和水污染指数法的以最差值确定水质类别，前者具有较好的合理性，也是其水质评价结果相对于另两种定性评价方法较好的原因。研究选取的7个断面应用模糊综合评判法得到的评价结果均优于单因子评价法和水污染指数法。但模糊综合评判法无法确定河流断面的主要污染物，且因其与水质标准结合计算隶属度，无法对劣V类水质进行识别，故其在评价水质中存在一定的局限性。从表3中可直观看出，综合污染指数法和主成分分析法无法确定水质断面的水质类别。

3.2 水质定量评价

水污染指数法、模糊综合评判法、综合污染指数法、主成分分析法通过数学模型的计算均能对水质进行定量评价，但模糊综合评判法定量所得分值为水质类别评判值，与其他3种方法分值意义不同，因此不再与其他3种方法所得结果进行比较。综合污染指数法、主成分分析法、水污染指数法在水质定量评价时，都是数值越大水质越差。由表3可以看出，3种定量评价方法评价结果的分值间没有可比性，但评价结果趋势基本一致，水质最差断面为神定河口，陈家坡、高湾、东河口等断面水质相对较好。运用定量评价可以在水质分析时更加准确详实地了解不同水体间的差异，有利于对水环境管理的科学预测，但不能体现水质类别的分类，同时各种评价方法得出的结果无法直接比较使得结果的直观性和对比性较弱，而且数据处理时都存在较大的计算量，可操作性较差。

3.3 主要污染指标识别

单因子评价法、综合污染指数法、主成分分析法均能进行主要污染指标的识别。单因子评价法一般根据指标的超标倍数［12］来筛选主要污染指标，综合污染指数法则主要根据污染分担率［13］来进行上述工作。分别采用这两种方法对2012年丹江口流域7个断面主要污染指标进行筛选，结果见表4。

表4 单因子评价法和综合污染指数法识别的主要污染指标

单因子评价法筛选主要污染指标的原则和水污染指数法相似，当断面水质为优或良好时，不评价主要污染指标，对断面水质类别超过国家Ⅲ类标准的，取超过Ⅲ类标准限值倍数最大的前3项作为该断面的主要污染指标;当不同指标对应的水质类别相同时计算超标倍数，将超标指标按其超标倍数大小排列，取超标倍数最大的前3项为主要污染指标。由表1水污染指数评价方法可知，水污染指数法与单因子评价法得出的结果完全一致，故在表4中不再列出。

综合污染指数法是根据污染分担率对断面主要污染指标进行筛选的，一般选取污染分担率最大的前3项指标作为该断面的主要污染指标，但其无法进行断面水质类别的判定，故使其在选取主要污染指标的过程中易识别出一些污染程度较轻的指标。

主成分分析法是根据累计方差贡献率大于85%的主成分载荷值大小来进行主要污染指标的识别［14］。应用SPSS软件建立模型，根据提取主成分的一般要求(累积贡献率＞85%)，只需提取前3个主成分，其方差贡献率分别为58.55%、24.21%、9.62%，累积贡献率达92.38%，代表了水质评价中原始指标提供的大部分信息，且第一主成分方差贡献率最大，故与第一主成分关系密切的指标被认为是水质状况的控制指标。根据计算结果可知，与第一主成分关系密切的指标有溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、氨氮、总磷、铜、氟化物、硒、镉、氰化物、石油类、阴离子表面活性剂共12个指标。对比表4的结果，主成分分析法的结果存在较大差异。分析发现，差异存在的原因有两点:1)主成分分析法作为多元统计分析方法的一种，在进行水质评价时要求数据呈正态分布或接近正态分布，但在SPSS中对选取的数据检验后，发现其未能满足条件要求;2)选取的丹江口流域7个河流水质断面在空间位置上较为离散，从属于不同的河流，地理位置上跨度较大，水文水质环境存在较大差异，使得主成分在筛选以及权重赋值过程中出现较大偏差，一些污染程度较轻但离散程度较大的指标被筛选为主要污染指标并被赋予较高权重，进一步导致结果失真。