基于感官色度的含沙水体景观质量定量评价方法研究

余娅丽，蒲迅赤，李 然，蒋 红，李 永

（1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

基于感官色度的含沙水体景观质量定量评价方法研究

余娅丽1，蒲迅赤1，李 然1，蒋 红2，李 永1

（1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

水体景观质量评价是构成环境影响评价体系的重要部分。目前对水体景观质量中水体颜色的评价主要以定性评价为主，而传统的可定量评价水体颜色的指标色度并不适用于工程含沙水体。为此，本文提出了可用于含沙水体景观颜色定量评价的感官色度概念，定义水体感官色度为由水体中溶解物质和非溶解物质共同作用导致的肉眼直接观测到的水体颜色。通过分光光度法实验，确定了有色含沙水体感官色度测量的特征波长为350 nm，同时通过测量不同色度及浊度混合水体在特征波长下的吸光度发现，感官色度标准值与样品的吸光度呈良好的线性关系，并且与肉眼观测结果相符，表明本文定义的水体感官色度可以得到较准确的定量表征并且能够真实反映肉眼观测情况。据此建立了基于水质分析的感官色度评价方法。同时，通过对高含沙水体以及紫坪铺库区实际天然水体感官色度的测量，证明了感官色度评价方法应用于工程含沙水体景观质量定量评价的合理性和可行性。

感官色度；泥沙；水体景观；定量评价；分光光度法

1 研究背景

水体景观质量是环境质量中至关重要的一个部分［1］。在环境影响评价过程中，特别是当工程涉及到一些环境敏感区域，比如风景名胜区、自然保护区和人文宗教区等对景观要求较高的区域时，水体景观质量评价就成为环境影响评价中不可忽略且非常重要的一个部分［2］。

在工程整个生命周期中，无论是施工期还是运行期，都极易有各种因素导致水体景观变异，比如泥沙、微生物和重金属等，其中泥沙是最常见的一种影响水体景观颜色差异的因素［3］，有研究［4］给出了实际天然水体清浑交汇的景观影响情况，泥沙介入对水体景观造成了巨大的影响。目前，在环境影响评价中尚没有可以定量评价泥沙影响下水体景观颜色变化的方法［5］，这对涉及环境敏感区的科学评价造成了很大的困难。

作为表征水体色调和饱和度的重要物理量，色度是水质监测和景观影响评价中非常重要的参数［6］。我国关于水体色度检测的国标检测方法［7］（GB/T 11903—1989）为铂钴比色法和稀释倍数法，均是对过滤后的水体进行色度测量（本文称为真色色度），为节约检测成本，余庆等［8］提出并证实了用铬钴标准液代替铂钴标准液的可行性和合理性。此外，国内外很多学者还提出了测量水体色度的分光光度法［9-13］，其中美国在其发行的《水和废水检测标准方法》［14］中介绍了多个基于分光光度法测量水体色度的方法。台湾地区的环保部门借鉴美国标准方法，也颁布了对水体真色色度的测量标准［15］（NIEA W 223.51B）。但所有这些方法均是对去掉悬浮物之后透明水体进行色度检测，因此主要适用于城市饮用水以及非溶解态物质含量较少的景观水及污染水等水体的影响评价［16-18］。

实际上，对于含沙水体特别是高含沙水体，视觉上的水体颜色一部分来自于水体真色色度，而另外一部分来自水体中的悬浮泥沙，因此，目前色度测量方法得到的结果与实际肉眼观测到的水体色度有相当大的差异。陈鸣等［19］分析指出，非溶解态物质通过对浊度的影响而对城市水体景观产生重要影响，但没有提出考虑浊度影响的色度检测和度量方法。王军等［20］提出了基于反射光谱的水体表观质量评价方法，定性研究了色度和浊度对水体表观质量的影响，但未能确定水体中色度和浊度对水体表观质量影响的定量关系，同时由于反射光谱法操作复杂，因此这种方法难以在工程中推广应用。综上所述，目前关于受泥沙含量影响的水体景观色度的检测方法和影响评价还有待研究。研究这种因为泥沙介入而造成水体景观变异现象的基理，确定考虑泥沙含量影响的水体感官色度的定量变化，对于环境影响评价中定量评价水体景观质量影响，指导采取合理有效的水体景观预防和控制措施，具有重要的科学意义和参考价值。

为此，本文旨在探讨一种可以用于表征水体真色色度与浊度（含沙量）综合作用所导致的水体感官色度变化的度量指标和测量方法，同时研究水体中泥沙含量对这种感官色度的影响关系以及其在工程中的适用性。

2 感官色度的定义与内涵

现实中，水体在感官上产生的色度是由水体中溶解物质和非溶解态物质共同引起的，其中溶解物质的影响体现为水体的真色色度，而非溶解态物质特别是悬浮颗粒，在物理指标上主要体现为水体浊度。为此，本文将水体感官色度定义为水体真色色度和水体浊度对人眼的共同作用结果，即有色水体在未过滤条件下，用肉眼直接观测到的水体颜色。这一指标是从肉眼感官角度定义的，包含了水体色调和透明度等在视觉上造成差异的所有因素，是水体真色色度和其它非溶解态物质在肉眼感官上的综合体现。

人对水体景观的视觉感知主要源于水体的真色色度和浊度，在水质检测的分光光度法中，产生水体真色色度的溶解物质会对入射光产生吸收，导致水体吸光度的变化，而产生水体浊度的非溶解态悬浮物质会对入射光产生散射，同样导致水体吸光度的变化。吸光度可以体现真色色度与浊度的共同影响，即一个吸光度可以对应多个真色色度与浊度的组合，真色色度与吸光度、浊度与吸光度之间都可以建立定量关系。在采用分光光度计测量水体的真色色度和浊度时，需要采用分光光度计定量测量方法，即首先建立吸光度与测量指标标准液的关系曲线（简称标准曲线），而后测量样品的吸光度，则可通过对应标准曲线得到待测样品值。可见在分光光度计定量测量方法中，吸光度仅作为一个无量纲的光学中间量，因此通过分析真色色度与浊度共同影响下水体吸光度的变化，探求能与吸光度建立定量关系、并与肉眼观测结果保持一致的感官色度指标，即可定量评价水体的景观质量。

对于有色含沙水体，其水样可由具有代表性的真色色度标准液和浊度标准液的混合液来代替，进而探究感官色度（o）、真色色度（r）、浊度（t）和吸光度（a）之间的基理关系以确定水体感官色度评价方法，并通过对不同有色含沙水体感官色度的测量来验证其合理性和适用性。

3 感官色度评价方法的建立

根据感官色度的定义与内涵，本文拟建立基于水质试验的感官色度评价方法。根据美国及台湾地区颁布的对水体色度的测量标准，采用分光光度法不仅较为准确，并且能消除肉眼观测造成的主观误差，为此本文确定采用分光光度计定量测量方法开展感官色度的研究。整个体系主要包括两部分试验：有色含沙水体特征波长试验和感官色度度量体系试验。

3.1 有色含沙水体特征波长的确定采用分光光度计测量时首先要确定测量样品的特征波长，而分光光度法中，在最大吸收波长处可以得到最好的灵敏度，因此通过全波段扫描，以确定样品在全波段扫描下的最大吸收峰来确定样品测量中的特征波长。对于含沙水体，韩震等［21］研究表明，全波段扫描寻找波峰是探究含沙水体特性的一种有效方法。因此本文首先通过试验探求有色含沙水体的最大吸收峰。实验仪器为TU1950型紫外-可见分光光度计。材料为真色色度标准液—铬钴标准溶液［8］；黄沙，粒径d=0.018 mm。

将真色色度标准液、黄沙用纯水配制成真色色度值为30度，含沙量分别为50、200、350 mg/L的3组混合液，采用紫外-可见分光光度计在300～850 nm波长范围内扫描测量混合液的吸光度，绘制吸收曲线。

根据试验方法得到的扫描结果如图1所示。由图1中可以看出，不同含沙量水体在全波段扫描下只有1个吸收峰，且峰值出现在350 nm左右。因此，可将350 nm作为有色含沙水体的特征波长。

3.2 感官色度度量体系的确定为了进一步研究有色含沙水体感官色度的度量体系，寻找合理的水体感官色度标准液，试验将真色色度标准液、浊度标准液（福尔马肼标准溶液［22］）用纯水稀释后混合，配成真色色度值为0～100度（间隔10度）、浊度值为0～100NTU（间隔10NTU）的121组混合液。采用紫外-可见分光光度计在特征波长下测量各组混合液的吸光度，并将混合液置于50 mL比色管中，以白纸做背景，俯视观察水体颜色并与色卡进行比对。色卡采用《中国建筑色卡240色卡升级版》，此版本是在GSB 16-1517-2002《中国建筑色卡》和GSB 16-2062-2007《中国颜色体系标准样册》的基础上精选出来的，适用于建筑设计、环境设计等领域颜色的表示、再现和信息交换。色卡的颜色标号用色调、明度/彩度（HV/C）表示，白色为中性色，以N后加明度表示。

根据对有色含沙水体的波长扫描结果，在350 nm处测量真色色度与浊度混合液的吸光度，吸光度测量结果见图2，图中真色色度与浊度均表示混合后水体的真色色度值与浊度值。分析图2可以发现，在浊度一定的条件下，吸光度随真色色度的增大而增大，在真色色度一定的条件下，吸光度随浊度的增大而增大，真色色度与吸光度、浊度与吸光度均呈正相关关系。

图1 不同真色色度与含沙量水体全波段下波长扫描结果

图2 不同真色色度与浊度混合液的吸光度测量结果关系

对图2中的结果进行分析发现，如果定义图2中真色色度与浊度数值相同时的点（图中提取点）对应的混合液为感官色度的标准液，即当混合液的真色色度为“X度”、浊度为“X NTU”时，定义此混合液的感官色度值同样为“X感官色度”，则吸光度与混合液的感官色度之间可以建立很好的相关关系，如图3所示。由图3可知，根据本文所定义的水体感官色度值与在350 nm波长下的吸光度表现出了很好的线性关系，表明按此定义水体感官色度的度量值可以得到较准确的定量表征。为了检验水体感官色度的这个度量值的定义是否与实际肉眼的观测结果相符，需要将这个定义的感官色度标准液与标准色卡进行比对。

图3 吸光度与感官色度的关系

将前文试验中的混合液与色卡进行比对，比对结果见表1。色卡颜色标号为色调明度/彩度，色调表示为数值加上基本色的英文符号，数值从0至10，标号“5”为该颜色最纯正的色调，向两端依次偏向另一种色调；明度以数值表示放在色调后面，以一个空格分开；彩度也以数值表示放在明度后面，以斜线分开。分析表1发现，感官色度由低到高，色调变化依次为白（N）、黄绿（GY）、黄（Y）和红（R），同种色调下彩度相对增加，整体颜色逐渐变黄，变浓。即从视觉角度上看，标准液颜色逐渐加深，感官色度与肉眼观测的结果保持一致，呈正相关性，水体感官色度度量体系与实际工程景观可以实现很好的结合。

表1 不同感官色度对应色卡标号

4 感官色度评价方法的应用研究与讨论

4.1 感官色度对高含沙水体的应用研究对于高含沙水体，其浊度可能大于前述试验标准液的限值（100 NTU）。为此，本文进一步探讨应用本文定义的感官色度进行测量时，通过稀释水样测量高浊度水体感官色度的可行性。根据拟建的感官色度体系，试验采用黄沙（粒径d=0.018 mm）与纯水配制成500 mg/L与1 000 mg/L的水样，并分别稀释2倍和5倍，在350 nm波长下测量其感官色度值，结果见表2。

表2 含沙水体稀释前后感官色度

对表2数据分析发现，含沙水体稀释前后感官色度之比与稀释倍数非常接近，相对误差小于10%，可见含沙水体的感官色度与稀释倍数成反比，即与含沙浓度成正比。因此对于高含沙水体，其感官色度可进行稀释后再进行测量，说明感官色度评价方法对不同含沙浓度的水体有较好的适用性。

4.2 感官色度在实际天然水体中的应用研究为验证感官色度评价方法对实际天然水体的适用性，选择四川紫坪铺水库库区天然水域进行取样和分析。

选择库区水体较为清澈的坝下水文站断面（1#）、较为浑浊的百花大桥断面（2#）以及非常浑浊的支流渔子溪断面（3#），分别测量水样的含沙量、真色色度和感官色度，同时与肉眼观测结果进行比较。断面位置和测量结果见表3，由表3绘3个断面的感官色度与含沙量关系见图4。

图4 紫坪铺库区3个断面感官色度与含沙量关系

根据表3可以看出，3个断面的真色色度基本为零，且差异很小，说明真色色度无法很好的体现出水体中泥沙的影响。根据图4可以看出，随含沙量的增大，3个断面的感官色度依次增大，感官色度与含沙量呈正相关关系。同时结合现场肉眼观测结果可以发现，坝下水文站（1#）、百花大桥（2#）、渔子溪断面（3#）的水体颜色由浅入深，由清澈至越来越浑浊，相应的感官色度也逐渐增大，表明感官色度与肉眼观测结果保持了良好的一致性。进一步说明了感官色度评价方法的合理性以及对实际天然水体具有较好的适用性。

表3 紫坪铺库区3个取样点的断面信息及测量结果

2015年4月27日，对紫坪铺库区渔子溪电站尾水（清水）与干流浑水形成的清浑交汇区进行了取样分析。试验在右岸尾水出口清水区和左岸干流浑水区分别取样分析，测量水样的含沙量、真色色度以及感官色度，现场观测和测量结果见表4。从表4可以看出，清水区和浑水区水体颜色差异明显，但其真色色度分别为4.5度和4.9度，差异很小，说明真色色度不能很好地反映出肉眼的真实感官。而感官色度在清水区为1.0度，浑水区为53.3度，与肉眼观测结果保持了良好的一致性，说明感官色度评价方法对清浑交汇区天然水体具体较好的适用性。

表4 紫坪铺库区清浑交汇区水体断面信息及测量结果

4.3 感官色度评价方法讨论本文提出的感官色度评价方法是一种基于水质分析实验的景观质量评价方法，与王军等［20］提出的基于反射光谱的水体表观质量评价方法有着很大不同。虽然水体的真色色度与浊度均是研究的重点，但反射光谱法主要针对水体反射光携带的信息，需要进行复杂的光谱变换与计算，通过反射率和反射光谱间接反映水体表观质量，需要在暗室中组装测量系统进行测量，操作复杂，难度较大，不易于在实际工程中推广应用。本文提出的感官色度法主要针对水体本身的真色色度与浊度（即含沙量）对水体吸光度的影响，通过基于分光光度法的定量测量方法建立感官色度度量体系，直接采用感官色度指标评价水体景观质量，不需要其它指标间接反映，操作相对简单，易于现场推广采用。

由于进行了复杂的光谱变换，反射光谱法的应用不受水体色调的限制。而本文提出的感官色度评价方法由于采用了铬钴标准液（黄色），因此，目前建立的测量标准系统仅适用于偏黄色系的水体，并且由于该方法主要针对含沙水体，试验中并未考虑水样中微生物及重金属等指标的影响，因此感官色度评价方法是否可推广应用于微生物或重金属含量较高的水体景观质量定量评价还有待进一步研究。

5 结论与展望

本文通过对目前水体色度测量方法的分析，结合对水体景观质量定量判别的实际需要，从实际肉眼感官角度出发，认为水体在感官上的色度为水体真色色度和水体浊度综合作用，提出了具有实际应用价值的感官色度的概念。在此基础上采用分光光度法试验发现，有色含沙水体在350 nm处有最大吸收峰，色度与浊度等比例混合液在350 nm波长下的感官色度与吸光度呈良好的线性关系并且与肉眼观测结果保持一致。据此建立了以350 nm为特征波长，以色度标准液与浊度标准液的等比例混合液作标准液的感官色度评价方法。

通过对紫坪铺库区不同含沙水体感官色度的测量和应用研究，证明了感官色度评价方法可以应用于工程含沙水体景观质量的定量评价。水体感官色度评价方法的建立，突破了目前色度测量方法仅能测量水体真色色度的局限，将色度这一感官指标推广到含沙水体，用感官色度直接表征肉眼真实感觉，有利于更真实、更有效地对浊度影响的含沙水体景观进行定量评价。

由于本文建立的感官色度评价方法中采用了色度标准液（铬钴标准液），而铬钴标准液的色调为黄色，因此感官色度评价方法现仅适用于色调为偏黄色系的水体，对于其它色系水体的感官色度评价方法以及感官色度是否可推广应用于微生物或重金属含量较高的水体景观质量定量评价还有待进一步研究。不断完善不同色系下的水体感官色度评价方法，结合数值模拟预测成果开展不同水体混合区中感官色度影响的定量评价是未来研究中的重点。

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A study on organoleptic chromaticity-based quantitative assessment method for landscape quality of sandy water

YU Yali1，PU Xunchi1，LI Ran1，JIANG Hong2，LI Yong1
（1.State Key Laboratory of Hydraulics&Mountain River Engineering Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Chengdu Engineering Corporation Limited Power China，Chengdu 610072，China）

The assessment of water landscape quality is an important part of environmental impact assessment.At present，the method that assesses the water color in water landscape quality is qualitative assessment.The chromaticity，a traditional index which quantitatively assesses the water color，could not be applied to the engineering sandy water.Therefore，this paper presents a concept of organoleptic chromaticity according to the engineering requirement.In this paper，water organoleptic chromaticity is defined as a water chromaticity which is caused by both soluble substances and insoluble substances and observed directly by naked eyes.Through a large number of spectrophotometric experiments，350nm was defined as the characteristic wavelength of water organoleptic chromaticity measurement for colored sandy water.The absorbance of water with different turbidity and chromaticity shows that it is linear with the organoleptic chromaticity，and the results was the same as the observation of naked eyes.The results have shown that the organoleptic chromaticity could be quantified exactly，and could actually reflect the observation of naked eyes.Accordingly，the assessment method of organoleptic chromaticity based on water quality analysis was established.Measuring the organoleptic chromaticity of water with high sediment concentrations and the engineering water in Zipingpu Reservoir Area，the results have demonstrated that the assessment method of organoleptic chromaticity could be applied to the quantitative assessment of landscape quality for engineering sandy water.

organoleptic chromaticity；sediment；water landscape；quantitative assessment；spectrophotometry

X832

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.06.003

1672-3031（2015）06-0414-07

（责任编辑：王冰伟）

2015-06-18

余娅丽（1990-），女，四川成都人，硕士生，主要从事环境水力学与水污染控制研究。E-mail：cdyuyali@163.com

蒲讯赤（1968-），男，博士，主要从事环境水力学与环境工程研究。E-mail：puxunchi@163.com