水环境质量评价方法分析及应用

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引言

水环境质量评价是按照评价目标选择相应水质参数、水质方法和计算方法，对水的利用价值及水的处理要求作出评定。评价的目的主要是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，找出流域的主要污染问题，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。水质评价按照评价的时间划分，有回顾评价、现状评价和水环境管理评价[1]。其中，水质现状评价是较常用的评价，通过水质现状评价可以揭示水环境质量的时空变化规律，分析造成这种时空变化的原因，了解水体污染对水生生态和人群健康的影响。

水质现状评价的主要步骤包括：确定评价范围、水质调查评估、确定评价参数、建立评价模式、进行模拟计算、给出评价结论6个步骤，水质评价结果的合理性取决于监测数据的准确性和评价方法的科学性。自20世纪60年代以来，国内外就不断有讨论水质评价的报道。近30年来，随着大量数学方法应用于水质评价中，水质评价已经成为我国环境质量评价中一个发展最快、进步最大的分支，目前有20余种水质评价方法在国内外被广泛采用。依据评价方法中采用的数学方法的不同，主要分为单因子评价法、污染指数评价法、水质指数法等。

一、水质评价方法概述

(一)单因子评价法

单因子评价法又称“单指标评价法”、“一票否决法”，是《水资源保护规划技术大纲》中推荐的方法，现行的《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中明确规定：“地表水环境质量评价应根据应实现的水域功能类别，选取相应类别标准，进行单因子评价。”它根据地表水环境质量标准中规定的污染指标限值与监测值比较，选取污染最严重指标的级别作为该断面水质级别[2]。单因子评价指数是最简单的环境质量指数，它是一个无量纲数，表示某种评价因子在环境中的观测值相对于环境质量评价标准的程度，即超标倍数。一般定义式为

Ii=Ci/Si

式中:Ii为单因子评价指数；Ci为第i种评价因子在环境中的监测测值；Si为第i种评价因子的评价标准值。Ii的数值越大表示该单项的环境质量越差。

很明显，单因子评价法可以直接了解水质状况与评价标准之间的关系，有利于提出针对性的水环境治理措施，但是单因子评价采取最差因子“赋全权”的做法不利于对水环境质量的整体认识，只是得到了某一种因子的质量状况，无法给出水环境质量的综合状况，不能反映水环境质量的全貌。

(二)污染指数法

污染指数法是用水体各监测项目的监测结果与其评价标准之比作为该项目的污染分指数，然后通过各种数学手段将各项目的分指数综合而得到该水体的污染指数，以此代表水体的污染程度，以及进行不同水体或同一水体不同时期的水质比较。对分指数的处理不同，使水质评价污染指数存在着不同的形式。包括简单叠加指数、算术平均值指数、最大值指数、加权平均指数等[3]。

1.简单叠加指数

选定若干评价参数，将各参数的实际浓度Ci和其相应的评价标准浓度Cai相比，求出各参数的分指数，将各分指数加和。即：

简单叠加指数是最基本的污染指数计算方法，其不足在于评价结果受评价参数的不同和评价参数项数的影响，可比性不高。并且无法区别不同污染物对水质的影响。

2.算数平均值指数

计算原理与简单叠加指数相同，由于选用的评价参数的项数直接影响结果数值的大小，为消除项数不同对指数值的影响，将分指数和除以参加评价的项数(n)，即：

与简单叠加指数相比，算术平均值指数消除了评价参数项数的不同对评价结果产生的影响，增加了一定的可比性。

3.最大指数

最大指数法亦称内梅罗指数，该方法特点是在计算式中含有评价参数中最大的分指数项。公式如下：

最大值指数充分重视某污染物出现的最大浓度值对水质的影响和作用。但在污染物波动大时，可能出现1个由最大值决定的高峰，反映不出其他污染指数的贡献。

4.加权平均指数

根据污染物对环境影响作用的不同，人为地引入加权值Wi，计算公式为：

加权平均指数通过加权考虑了不同污染物对水质的不同影响，可以有针对性地突出某种污染物的作用。但当超标指数过多或者超标倍数较大时。加权平均指数的值会低于最大值指数，可能会掩盖污染问题。权值如何取值客观合理是一个关键问题。

污染指数评价是对整体水质作出定量描述.根据定量结果，按照一定的分级标准对水质作出定性评价。只要项目、标准、监测结果可靠，综合评价从总体上看可以基本反映水体污染的性质和程度，而且对于全国流域尺度而言，污染指数评价法计算简便,便于进行不同水体之间或同一水体时间序列上的基本污染状况和变化的比较。污染指数评价方法的缺点是，不能很好地与国家统一的水质功能类别相一致，各种方法均根据各自指数大小规定污染等级，没有完善统一的环境质量分级系统[4]。不同的指数之间、指数分级与环境质量标准之间都缺乏可比性。评价结果只能说明污染程度的轻重，不能确定其功能的具体类别；同时，同一类水体的水质标准有一个变化范围。权重取值不同会对评判结果带来影响。综合指数评价法在污染物浓度不大或不需要对水质功能类别进行评价的情况下可以使用。

(三)水质指数法

1.水质标识指数法

水质标识指数法分单因子水质标识指数和综合水质标识指数两步进行，评价标准为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[5]。

(1)单因子水质标识指数

单因子水质标识指数P 由一位整数、小数点后2位或3位有效数字组成，表示为：

Pi=X1·X2X3

式中： X1代表第i 项水质指标的水质类别；X2代表监测数据在X1类水质变化区间中所处的位置，根据公式按四舍五入原则计算确定；X3代表水质类别与功能区划设定类别的比较结果，视评价指标的污染程度，X3为1位或2位有效数字。X1.X2代表了单项水质指标的类别和污染程度。根据Pi的数值可以确定水质类别、水质数据、水环境功能区类别，可以比较水质的污染程度，Pi越大，水质越差，污染越严重。

(2)综合水质标识指数

综合指数评价法是对各污染指标的相对污染指综合水质标识指数，可以表达河流总体的综合水质信息[6]。综合水质标识指数由整数位和3～4位小数位组成，结构为

Pwq=X1·X2X3X4

式中，X1.X2由计算获得，X3和X4根据比较结果得到。其中，X1为水体总体的水质类别；X2为水质在X1类水质变化区间内所处位置，从而实现在同类水质中进行优劣比较；X3为参与水质评价的评价因子中，劣于水环境功能区目标的单项指标个数；X4为水质类别与水体功能区类别的比较结果。综合水质标识指数的核心是X1.X2的计算，即根据监测数据确定水体的综合水质类别，并确定水质在该类别变化区间中的位置。计算公式如下：

式中：m为参加综合水质评价的水质单项因子的数目；P1，……，Pm分别为第1，……m个评价因子的单因子水质标识指数。综合水质标识指数法结合了国家标准规定的水质类别，可以对水质类别进行定性评价，并且考虑了水质污染程度的比较，可以在同一类水的水质指标中进行定量比较，还能判别河流水体是否黑臭。综合水质标识指数法的缺点是每项评价因子的权重是相等的，并且计算量较大[6]。

2.水质标识评价法

江苏省太湖流域河流水质评价的推荐方法——水质指数评价方法，在江苏省太湖流域河流水质评价中，根据河流污染的特点，综合考虑了单因子指数评价、综合污染指数评价和综合水质标识指数评价方法。水质指数组成为：WQI=X1.X2(X3)，式中：X1为水质类别；X2为水质在为水质在该类别变化区间中所处的位置；X3为首要污染因子，其水质指数的计算公式为：

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、高锰酸盐指数、氨氮和其他参加评价指标的单因子水质指数；Max指取所有参加评价指标的单因子水质指数的最大值。

二、水质标识指数法在水质评价中的应用

怀柔水库是北京市重要的饮用水源保护区，目前其水质评价主要采用单因子污染指数法，该法以参评的某一项最差的水质类别作为该监测点的综合水质类别，具有一定的片面性和局限性[7]。采用水质标识指数法对怀柔水库水质进行评价，其评价结果可较好满足水环境管理人员的需求。本次评价选取怀柔水库2009 年7月27日北京市水文总站对怀柔水库水质进行监测的数据，分别采用单因子污染指数法和水质标识指数法评价。评价项目分别为DO、CODMn、NH3-N、TP及TN。以《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)为评价标准。

(一)单因子污染指数评价结果

对水库采用单因子污染指数法评价结果如表1所示：

表1怀柔水库2009年7月27日水质监测数据及单因子污染指数法评价结果mg/L

从表1可以看出，用单因子污染指数评价法评价怀柔水库坝前、库东、库西、前辛庄及峰山口等5个站点的水质类别均为Ⅲ类，口头站的水质类别为Ⅳ类。

(二)水质标识指数法结果

对水库采用水质标识指数法评价结果如表2所示：

表2怀柔水库2009年7月27日水质单因子及综合水质标识指数法评价结果

从表2 可以看出，用单因子水质标识指数法评价怀柔水库坝前、库东、库西、前辛庄及峰山口水质类别为Ⅲ类，口头水质为Ⅳ类。单因子水质标识指数法分析超标项目为CODMn、TP 及TN。其中坝前、库东及库西CODMn监测数据位于Ⅲ类水区间中距下限值分别20%、10%及20%的位置，水环境功能区目标为Ⅱ类，CODMn分别劣于水环境功能区目标值1 个类别； 库东TP监测数据位于Ⅲ类水区间中距下限值60%的位置，水环境功能区目标为Ⅱ类，TP劣于水环境功能区目标值1 个类别； 坝前、库东、库西、前辛庄及峰山口TN监测数据位于Ⅲ类水区间中距下限值分别40%、60%、40%、70%及50%的位置，水环境功能区目标为Ⅱ类，TN分别劣于水环境功能区目标值1 个类别； 口头TN监测数据位于Ⅳ类水区间中距下限值分别70%的位置，水环境功能区目标为Ⅱ类，TN分别劣于水环境功能区目标值2个类别。

从表2可以看出，用综合水质标识指数法评价怀柔水库坝前、库东、库西、前辛庄、口头及峰山口水质类别为Ⅱ类，水质类别与怀柔水库所执行的地表水饮用水水源保护区Ⅱ类水功能相同。其中坝前、库东、库西、前辛庄、口头及峰山口综合水质在Ⅱ类水区间中距下限值分别40%、60%、30%、20%、80%及20%的位置，参与评价的5 项指标中劣于水环境功能区水质类别的指标分别有2个、3个、2个、1个、1个及1个。综合对比坝前、库东、库西、前辛庄、口头及峰山口监测点水质指标类别表现为： 口头>库东>坝前>峰山口>库西>前辛庄。

(三)单因子污染指数法与水质标识指数法比较分析

在平常工作中，我们更多的是关心监测点水质具体类别和是否达到水环境功能区标准，以及没有达标水质项目超标情况。这些信息从单因子污染指数评价中无法得到，但是从单因子水质标识指数法评价中可以直接读取，极大地方便了工作需要。

近年来，针对怀柔水库的水环境保护，北京市京密引水管理处和地方政府部门联合做了大量工作，比如加大了水政执法力度； 库区周边种植涵养林； 水库上游小流域治理； 加大库区保洁力度； 实施封闭式管理等，水库CODMn、TN 及TP 等指标从连续监测结果看有所改善。如果用单因子污染指数法评价，水质评价一直为Ⅲ类，无法看出这几年针对怀柔水库水质改善所做工作取得的成绩； 如果用单因子水质标识指数法和综合水质标识指数法评价可以直观地看出CODMn、TP 及TN 等这些超标水质指标监测数据的下降，能直观反映管理单位所做工作取得的成绩。

通过综合水质标识指数法分析看出怀柔水库水质属于Ⅱ类，达到功能区目标值。但是利用单因子水质标识指数法分析也可以看出部分站点也有个别项目存在超标，特别是TP、TN 等项目。怀柔水库在北京市的防洪、供水等方面发挥着重要作用，必须高度重视怀柔水库水源保护。通过水质标识指数法这种评价方法得出的结论可以为下一步的水环境保护提供科学依据。

三、总结

水环境系统是一个复杂的、不确定系统，还没有一个大家公认的和通用的水环境质量评价数学模型，也没有建立一个通用的数学模型选用的标准和规则。现有的水环境评价模型都有各自的优缺点，如何针对流域的具体情况，根据评价目的和流域特征选择合适的评价方法以及有代表性的评价参数，使评价结果更加真实和准确，评价过程和参数简单可行，仍是今后需继续研究的问题[8]。水环境评价是以监测数据为依据，对水环境现状及其变化规律作出分析和评价，从而为环境决策和管理服务。从这一角度出发，一个好的水质评价方法应满足准确性、可比性和可行性等特点。评价结果的水质类别要符合国家水质控制标准的要求，与国家水质控制标准有可比性和一致性，同一类别中的水体可以进行比较，能够说明地表水的质量和功能，并且评价方法应该简单实用。便于在实际的评价工作中推广。同时，评价模型中的参数应该既全面准确，又不至于难于获取。今后，还需要根据以上要求对各种评价方法进行进一步的研究和完善。