标识污染功能指数的创建及在汉江水质测评中的应用

刘超，成定北，李寒松，李志安，李昊，成国俊，王霞

1.西北农林科技大学动物科技学院，陕西 杨凌 712100

2.安康市水产品质量监测检验站，陕西 安康 725021

3.咸阳市渭城区动物卫生监督所，陕西 咸阳 712000

标识污染功能指数的创建及在汉江水质测评中的应用

刘超1，成定北2，李寒松2，李志安2，李昊2，成国俊2，王霞3

1.西北农林科技大学动物科技学院，陕西 杨凌 712100

2.安康市水产品质量监测检验站，陕西 安康 725021

3.咸阳市渭城区动物卫生监督所，陕西 咸阳 712000

为准确测评汉江安康段水质，基于水体水质评价的确定性方法，以GB 11607—1989《渔业水质标准》建立标识污染功能指数进行水质测评，并与以GB 3838—2002《地表水环境质量标准》建立的污染指数测评结果作比较。结果表明：汉江安康段为地表水Ⅱ类水质，为宜渔水体区，属氮磷轻微污染水域。标识污染功能指数测评结果与叠加污染指数法、算术平均污染指数法和内梅罗污染指数法高度拟合，能准确表达水体质量和功能，并可进行水体间相互比较。说明标识污染功能指数可作为汉江水体的测评指标。

水质评价方法；河流污染；标识污染功能指数

由于不确定型水质评价时会受较多因素影响，如以模糊评价[1-2]和灰色评价[3-4]为主的评价方法确定参评指标权重时主观因素影响较重，主成分分析法低估了非主体成分的影响[5-6]，人工神经网络分析法[7]计算复杂，难以推广应用，因此提出了确定性水质评价[8]方法。如王妮娜等[9-10]研究了水体COD、BOD与DO浓度之间线性相关及COD与BOD的季节变化；唐立新等[11]用标识指数的单因子方法进行水质评价；胡成等[12-14]对标识指数法进行改进建立了改进法；范志锋等[15]校验了标识指数法；郭明明[16]用去除pH、点状量化DO为定值的方法，减少pH指标选择和DO向量化对指数值的影响。但上述方法都是基于地表水质量标准，比较不同指数对水体污染程度的表达，对参评指标pH的点集聚性状和DO的反向影响研究甚少，且对质量相近水体难以区别。

汉江是南水北调的主体水源[17]，在陕西安康市境内长346 km。近年来安康市通过调整产业结构，引导水产业向生态型[18]集约化发展[19]，对水源的保护极为重要。王秋利等[20-21]对汉江安康段水资源及污染状况进行了调查；刘秀华等[22]研究了汉江水体对丹江口水库水质影响。为准确表达水体质量和功能，笔者根据汉江安康段水质测定结果，通过限权pH(7.5)，点状标量化DO(7.5)，以GB 11607—1989《渔业水质标准》[23]和GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[24]为基准，结合GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》[25]，比较了不同评价法所得汉江水体污染指数，同时建立了汉江标识污染功能指数水质评价方法。

1 材料和方法

1.1 样品采集

水样采自汉江安康段，从上游到下游依次设置了石泉小刚桥(入康点)、紫阳汉王镇、紫阳汉江、瀛湖翠屏岛、白河出陕断面(出康点)5个断面(图1)。采样深度位于水面下1 m处；参照HJ 494—2009《水质采样技术指导》方法瞬时取样；采集后的样品运至实验室保存并测定；采样时间为2014年的3月、7月和10月(分别对应冬季库区不投饵水体、投饵养殖季节水体和投饵养殖季节后水体)；每个采样月分别在10日、20日和30日采样3次，以3个样品的均值作为该月检测结果。

图1 采样点示意Fig.1 The sampling locations

1.2 理化指标测定

采集后的水样按照表1方法测定pH、溶解氧(DO)浓度、化学需氧量(CODMn)、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)浓度、总磷(TP)浓度、总氮(TN)浓度7项理化指标。

表1 水样水质测定方法

1.3 确定型水质评价污染指数计算方法

1.3.1 标识污染功能指数法

标识污染功能指数定义为水质理化指标实测值与该水体用途功能标准值之比，其计算公式为：

Pi=CiSi

式中：C1为实测值，C2为功能用途标准值，.为比例关系，C1.C2为水质标识污染功能指数符号；Pi为污染指标的单因子水质指数，即每个指标所占权重；Ci为第i个指标实测值；Si为第i个指标的标准值，其中，pH为7.5，DO、NH3-N和TN浓度分别为7.5、0.05和0.05 mgL(GB 11607—1989标准限值)，TP浓度、CODMn和BOD5分别为0.1、4.0和3.0 mgL(GB 3838—2002中Ⅱ类标准限值)；n为参评指标的数目；i为参评项目的起始数。

1.3.2 叠加污染指数法与算术平均污染指数法

叠加污染指数(I)及算术平均污染指数(PI)计算公式为：

PI=In

式中Si′对应各指标GB 3838—2002的Ⅱ类标准限值。

1.3.3 内梅罗污染指数法

汉江安康段水质内梅罗污染指数(SI)计算公式：

SI={[(Ci2}

式中Si″分别对应GB 3838—2002的Ⅱ类标准限值(内梅罗污染指数1，SI-1)和GB 11607—1989标准限值〔内梅罗污染指数2(标识污染功能指数)，SI-2〕计算。

1.4 数据分析处理

以GB 11607—1989和GB 3838—2002评估各采样点样品测定结果，进行q检验方差分析，对差异显著项目再进行t检验。

2 结果与分析

2.1 测定结果

各监测点水质理化指标测定结果见表2。

表2 2014年汉江安康段水质理化指标测定结果

Table 2 The physicochemical index of the Ankang section of Hanjiang River in 2014 mgL

表2 2014年汉江安康段水质理化指标测定结果

采样点月份pHDO浓度CODMnBOD5Np-N浓度TP浓度1)TN浓度石泉小刚桥(入康点)37.63±0.027.62±0.151.9±0.012.2±0.040.371±0.0220.010±0.010.389±0.01278.11±0.046.87±0.091.9±0.022.1±0.030.220±0.0080.023±0.0020.389±0.009107.26±0.037.91±0.072.1±0.011.7±0.040.132±0.0070.022±0.0010.620±0.008年均值7.67(Ⅰ)7.47(Ⅰ)1.97(Ⅰ)2.0(Ⅰ)0.241(Ⅱ)0.018A(Ⅰ)0.466(Ⅱ)紫阳汉王镇37.60±0.067.60±0.111.8±0.022.2±0.020.351±0.0040.030±0.0010.366±0.00878.00±0.116.88±0.061.9±0.042.0±0.020.250±0.0060.043±0.0030.339±0.008107.23±0.137.90±0.092.0±0.061.8±0.040.130±0.0060.030±0.0020.420±0.013年均值7.61(Ⅰ)7.46(Ⅰ)1.90(Ⅰ)2.0(Ⅰ)0.244(Ⅱ)0.034(Ⅱ)0.375(Ⅱ)紫阳汉江37.82±0.027.90±0.061.9±0.032.2±0.050.155±0.0050.030±0.0030.303±0.00777.72±0.047.04±0.022.0±0.051.8±0.050.257±0.0120.024±0.0040.361±0.005107.33±0.087.98±0.132.0±0.041.7±0.010.153±0.0040.034±0.0050.630±0.005年均值7.62(Ⅰ)7.98(Ⅰ)1.97(Ⅰ)1.9(Ⅰ)0.188a(Ⅱ)0.029(Ⅱ)0.431(Ⅱ)瀛湖翠屏岛37.50±0.067.40±0.081.6±0.032.0±0.020.355±0.0090.031±0.0020.336±0.01477.40±0.086.80±0.041.8±0.022.2±0.020.255±0.0080.044±0.0020.369±0.006107.63±0.137.41±0.052.1±0.022.0±0.020.160±0.0030.036±0.0020.408±0.004年均值7.51(Ⅰ)7.20(Ⅰ)1.83(Ⅰ)2.07(Ⅰ)0.257(Ⅱ)0.037(Ⅱ)0.371a(Ⅱ)白河出陕断面(出康点)37.42±0.127.42±0.042.0±0.042.3±0.020.360±0.0110.019±0.0010.418±0.01177.29±0.147.00±0.032.0±0.102.3±0.070.283±0.0120.039±0.0010.418±0.009107.82±0.077.68±0.032.1±0.082.0±0.040.233±0.0050.031±0.0010.688±0.005年均值7.51(Ⅰ)7.37(Ⅰ)2.03(Ⅱ)2.20(Ⅰ)0.292(Ⅱ)0.030(Ⅱ)0.508(Ⅲ)汉江安康段年均值7.58(Ⅰ)7.50(Ⅰ)1.94(Ⅰ)2.03(Ⅰ)0.244(Ⅱ)0.030(Ⅱ)0.430(Ⅱ)

注：pH无量纲；同列肩标小写字母不同者为显著差异(P<0.05),大写字母不同者为极显著差异(P<0.01)；括号中数值为符合GB 3838—2002标准限值的类别。

1)TP浓度执行GB 11607—1989水质标准，其他指标执行GB 3838—2002水质标准。

由表2可知，入康点水质理化指标中达到GB 3838—2002标准限值中Ⅰ类水质的为5项，Ⅱ类水质为2项；出康点水质理化指标中达到GB 3838—2002标准限值中Ⅰ类水质的为3项，Ⅱ类水质为3项，Ⅲ类水质为1项(TN浓度)。入康点TP浓度(P<0.01)、瀛湖翠屏岛TN浓度(P<0.05)低于其他各采样点，出康点TN浓度升高(P>0.05)。TP浓度呈显著变化(P<0.01)，由入康点的Ⅰ类水质升高到Ⅱ类水质(相邻监测点紫阳汉王镇)，且一直维持到出康点；其次是TN浓度，由入康点Ⅱ类水质上升到出康点的Ⅲ类水质(P>0.05)，瀛湖翠屏岛TN浓度显著低于上游和下游点位(P<0.05)。pH、DO浓度、CODMn、BOD5、NH3-N浓度等5项指标无显著变化(P>0.05)，其中，NH3-N浓度稳定在Ⅱ类水质，CODMn在出康点上升到Ⅱ类水质，pH、DO浓度、BOD5稳定在Ⅰ类水质。

2.2 年度水质评估

由表2可知，pH、DO浓度、CODMn、BOD5均达到GB 3838—2002中的Ⅰ类水质标准限值，但NH3-N浓度、TP浓度、TN浓度未达到Ⅰ类水质要求，因此汉江整体属Ⅱ类水质。汉江污染属北方江河氮磷污染型[26]，处于轻度污染期[27]。

2.3 水质季节变化分析

根据不同月的测定结果(表3)可知，TN浓度在3月和7月达到GB 3838—2002中Ⅱ类标准限值，10月升高到Ⅲ类(P<0.01)；CODMn在3月和7月达到Ⅰ类，10月上升到Ⅱ类(P>0.05)。季节变化表现为：pH先升后降(P>0.05)；DO浓度和BOD5(P<0.01)及NH3-N浓度(P<0.05)逐渐下降；CODMn(P>0.05)和TN浓度逐渐升高(P<0.01)；TP浓度快升(P<0.01)慢降(P>0.05)。

表3 汉江安康段水质不同月测定平均值差异分析

Table 3 The seasonal difference analysis of the Ankang section of Hanjiang River in different months mgL

表3 汉江安康段水质不同月测定平均值差异分析

月份pHDO浓度CODMnBOD5Np-N浓度TP浓度TN浓度37107.59(Ⅰ)7.70(Ⅰ)7.45(Ⅰ)7.59(Ⅰ)6.92A(Ⅰ)7.78(Ⅰ)1.84(Ⅰ)1.92(Ⅰ)2.06(Ⅱ)2.18(Ⅰ)2.04(Ⅰ)1.84A(Ⅰ)0.318c(Ⅱ)0.252b(Ⅱ)0.162a(Ⅱ)0.024A(Ⅱ)0.035(Ⅱ)0.031(Ⅱ)0.362(Ⅱ)0.375(Ⅱ)0.553A(Ⅲ)

注：同表2。

2.4 相关分析

各理化指标相关性分析结果如表4所示。由表4可见，pH与DO浓度、TP浓度呈中度负相关；DO浓度与TN浓度呈中度正相关，与BOD5、NH3-N浓度、TP浓度呈中度负相关；CODMn与TN浓度呈强正相关，与BOD5、NH3-N浓度呈中度负相关，张晟等[28]

证实水库水体CODMn与BOD5存在线性回归关系；BOD5与NH3-N浓度呈强正相关，与TN浓度呈中度负相关；NH3-N浓度与TN浓度呈中度负相关。R2检验显示，NH3-N浓度与CODMn、BOD5显著呈负相关和正相关(P<0.05)，TN浓度与CODMn呈极显著正相关(P<0.01)。

表4 相关系数计算分析结果

注：同行肩标小写字母不同者为显著相关(P<0.05)，大写字母不同者为极显著相关(P<0.01)。

2.5 回归分析

对相关系数显著和极显著变量之间建立回归方程。BOD5与NH3-N浓度存在线性回归关系y=1.492x+1.668(图2)。式中：x为NH3-N浓度；y为BOD5。CODMn与NH3-N浓度存在线性回归关系y=2.151-0.863x(图3)。式中：x为NH3-N浓度；y为CODMn。CODMn与TN浓度存在线性回归关系y=0.702x+1.637(图4)。式中：x为TN浓度；y为CODMn。结果表明，汉江安康段水质CODMn高低可预示水体中TN浓度的多少；根据CODMn还可预测NH3-N浓度。测定了水体NH3-N浓度可通过回归方程计算BOD5。

图2 BOD5与NH3-N浓度的线性回归关系Fig.2 The linear regression BOD5 with NH3-N

图3 CODMn与NH3-N浓度的线性回归关系Fig.3 The linear regression CODMn with NH3-N

图4 CODMn与TN浓度的线性回归关系Fig.4 The linear regression CODMn with TN

2.6 水质评价

以确定性评价的单因子评价法和综合指数法计算水质参数，结果见表5。

2.6.1 单因子法

单因子评价法为一票否决[29]，徐祖信[30]将单因子水质指数做量纲化处理(整数1位，小数1位)，与超标数混合编码(如全年水质为2.4，且超标数3个，即为2.43)，构成标识指数以识别水体信息，但该方法未考虑水体用途功能，且仅有数据前2位难以区别水质接近的水体。笔者以水体用途功能为参照，构建水体标识污染功能指数，保留4位小数，可比较相近水体水质。结果表明，出康点及10月的水质为Ⅲ类，其余点位及季节为Ⅱ类。达到Ⅲ类水质的为TN污染，Ⅱ类水质的为NH3-N、TP和TN污染。在7项水质指标中，入康点有5项指标达到Ⅰ类水质，2项指标达到Ⅱ类水质；中间点位有4项指标为Ⅰ类水质，2～3项指标为Ⅱ类水质；到出康点有3项指标为Ⅰ类水质，3项指标为Ⅱ类水质，1项指标为Ⅲ类水质。全年平均有4项指标达Ⅰ类水质，3项指标达Ⅱ类水质，属地表水Ⅱ类水质，为宜渔水体区。

2.6.2 综合指数法

以标识污染功能指数法、叠加污染指数法、算术平均污染指数法测评，污染最高点是出康点，最低是紫阳汉王镇；季节性污染指数最高为10月，最低为7月。3种指数法的测评结果相同。全年标识污染功能指数计算值为2.421 8，其首位值与年均水质测评结果(Ⅱ类)相同。

2.6.3 内梅罗污染指数法

内梅罗标识污染功能指数可抵消内梅罗污染指数最大项重复计算而屏蔽其他污染指标作用的缺陷[31]，使计算结果逼真。以内梅罗污染指数1(污染指数)测评，污染最高点是紫阳汉江，最低点是瀛湖翠屏岛；最大污染季节为10月，最小污染季节为3月，该结果与标识污染功能指数、叠加指数、算术平均指数中的1个点重合，且显示污染处警戒线水平[32]。以内梅罗污染指数2(标识污染功能指数)测评，最大污染点是出康点，最小为紫阳汉王镇；季节性污染最大点为10月，最小为7月。其结果与标识污染功能指数、叠加指数、算术平均指数8个点中的6个重合，且显示出康点为中污染区，其余为轻污染区。

参照2种不同标准计算的内梅罗污染指数测评结果表明，10月相同，其余不同；内梅罗污染指数1污染最重是紫阳汉江，最轻是瀛湖翠屏岛；内梅罗污染指数2污染最重是出康点，最轻是紫阳汉王镇(表6)。全年测评结果表明，内梅罗污染指数1为达到污染警戒线，内梅罗污染指数2为轻污染。内梅罗污染指数2测评结果(PI=1.855 6)在小数部分四舍五入后与水质类别码(Ⅱ)相同。

表5 2014年汉江安康段水质测评结果

注：括号中数字表示在测评中污染程度的排名；1为污染程度最高，5为污染程度最低。C1.C2为标识污染功能指数；I为叠加污染指数；PI为算术平均污染指数；SI-1为内梅罗污染指数1；SI-2为内梅罗标识污染功能指数。

表6 2014年汉江安康段2种参照标准的内梅罗污染指数测评结果比较

7项参评指标分析，pH为无量纲点集聚参数，小于该点测值，加大污染程度却降低指数值，反向影响指数计算结果；DO浓度愈高水质愈好而污染指数愈大，同样产生反向效果。程江等建议[33]，用DO、KMnO4指数、BOD5、NH3-N、TP 5项指标单因子指数算术均值作为标识指数，但对DO的反向影响效果未做处理。

2.7 水体水质污染指数的拟合分析

以监测点及季节性指数计算结果进行拟合分析，计算指数间拟合度(R2)列于表7。由表7可见，叠加指数与算术平均值指数拟合度为100%(R2=1)，显示算术平均指数实质是叠加指数除以参评指标数所得；以地表水标准为参照的内梅罗污染指数1与其他指数拟合程度较低，而以渔业用水标准为参照的内梅罗污染指数2(内梅罗标识污染功能指数)与标识污染功能指数、叠加指数、算术平均指数有较高的拟合。

表7 污染指数拟合度(R2)计算分析

注：I、PI、SI-1和SI-2同表5。

3 结论与讨论

(1)汉江安康段2014年水体水质总体评定为符合《地表水环境质量标准》Ⅱ类水质，属轻微污染，主要污染因子为N、P超标，其中pH、DO浓度、CODMn、BOD5等4项指标达Ⅰ类水质标准，NH3-N、TP和TN浓度3项指标为Ⅱ类水质。汉江安康段水体水质季节变化明显，与3月和7月比，10月NH3-N浓度、BOD5显著降低，DO浓度、TN浓度、TP浓度、CODMn增高，TN浓度达Ⅲ类水质；3月和7月各项指标无显著变化，维持Ⅱ类水质。水体pH无显著季节变化，常年维持偏碱性。从pH和DO浓度上分析，汉江安康段为宜渔水体，适于高耗氧名贵鱼类养殖。参照《生活饮用水卫生标准》，汉江水体的pH、NO3-N浓度、CODMn等均符合饮用水标准。

(3)研究以水体用途功能为参照，构建水体标识污染功能指数，保留4位小数位，可比较相近水体水质，测评结果与叠加指数、算术平均指数、内梅罗标识污染功能指数高度拟合。指数值在小数第1位四舍五入后与单因子测评结果一致，可用作水体质量标识代码。

(4)7项参评指标分析，pH为无量纲点集聚参数，小于该点测值，加大污染程度却降低指数值，反向影响指数计算结果；DO浓度愈高水质愈好而污染指数愈大，同样产生反向效果。参照饮用水、渔业用水、工业用水等水体用途功能指标，限权约束点状标量性状，构建水体标识污染功能指数，更具应用前景。

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Establishment of Identification Pollution Function Index and Its Application in Water Quality Assessment of Hanjiang River

LIU Chao1, CHENG Dingbei2, LI Hansong2, LI Zhian2, LI Hao2, CHENG Guojun2, WANG Xia3

1.College of Animal Science and Technology, Northwest Agriculture and forestry University, Yangling 712100, China 2.Aquatic Products Quality Inspection Station of Ankang City, Ankang 725021, China 3.Animal Health Supervision Institute of Weicheng in Xianyang City, Xianyang 712000, China

In order to accurately measure the water quality of Ankang section of the Hanjiang River, based on the deterministic method of the water quality evaluation, the methods of the Identification Pollution Function Index based onWaterQualityStandardforFisheries(GB 11607-1989), and the Pollution Index based on theEnvironmentalQualityStandardsforSurfaceWater(GB 3838-2002) were constructed respectively, and the measurement results compared. The results showed that the water quality of Ankang section of the Hanjiang River is Grade Ⅱ of surface water and suitable for fishing, being slightly polluted by N and P. The results derived from the Identification Pollution Function Index were strongly consistent with those from Overlaying Pollution Index, Arithmetic-average Pollution Index and Nemerow Pollution Index, and are able to accurately express the quality and functions of water body and to compare the water quality among different water bodies. The Identification Pollution Function Index can be used as evaluation index for the water body of the Hanjiang River.

water quality evaluation method; river pollution; identification function index of pollution

刘超，成定北，李寒松，等.标识污染功能指数的创建及在汉江水质测评中的应用[J].环境工程技术学报,2016,6(1):57-64.

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2015-06-20

陕西省农业科技创新与攻关项目(2015NY168)

刘超(1961—)，男，研究员，主要从事水产养殖研究，liu3chao@tom.com

X824

1674-991X(2016)01-0057-08

10.3969j.issn.1674-991X.2016.01.009