基于综合污染指数法和灰关联分析法的长江黄石段水质评价

宁阳明，尹发能，李香波

(湖北师范大学 城市与环境学院，湖北 黄石 435002)

0 引言

河流水质评价是水环境保护与管理的基础性和根本性工作。目前，河流水质评价方法主要有单因子评价法[1]、综合污染指数法、内梅罗污染指数法[2]、模糊综合评价法[3]、人工神经网络法[4]、灰色系统评价法[5]等。由于在有限的时间和空间范围内监测获得的水环境质量评价指标的信息是不完全和不确切的，这就表明水环境系统是一个灰色系统。基于灰色理论的灰关联分析法[6]正是体现水环境系统的不确定性，且该方法计算简单，具有可比性。因此，本研究运用灰关联分析法分析2017年长江黄石段三峡断面和风波港断面的水质状况，并将评价结果与单因子评价法和综合污染指数法的评价结果进行对比，以期为长江黄石段水资源开发利用和污染防治提供科学依据。

1 评价方法

1.1 单因子评价法

单因子评价法以各参数浓度与评价标准进行对比，根据比值与1的大小来确定水质是否达到此类标准，并以最差的水质类别作为水质综合评价的结果[7]。其计算公式为：

G=maxGi

(1)

(2)

式中，Gi为i项污染物的水质类别；Ci为第i项污染物的浓度值；Co为第i项污染物的评价标准。

1.2 综合污染指数法

综合污染指数法是对各监测污染指标的相对污染指数进行统计，再将各单项污染指数相加并计算算术平均值，从而得到综合污染指数。根据污染指数可判断出水体的污染程度及主要污染物[8]。其计算公式为：

(3)

(4)

式中，Ci为第i项污染物的浓度值；Co为第i项污染物的评价标准，Pi为第i项污染物的污染指数，m为污染指数总数。

根据《地表水环境质量评价办法》，综合污染指数评价分级见表1.

表1 综合污染指数评价分级

1.3 隶属度法

隶属度法指某一污染指标属于某类标准，它在这类标准中占有的程度，其计算公式为[9]：

(5)

式中，y为对应于x1所规定的那一类水质的隶属度；x为实测值；x0、x1-x0为相邻两级的标准值。

由隶属度计算可知，在同一类别上，隶属度越大水质越差，隶属度越小则水质越好。

1.4 灰关联分析法

1.4.1 确定比较数列和参考数列 以地表水水质分级标准作为比较数列，各评价因子的实测值作为参考数列，分别用Xi(k)和Yj(k)表示[10]。

Xi(k)={Xi(1),Xi(2),…,Xi(n)}(i=1,2,3,…,m;k=1,2,3,…,n)

(6)

Yj(k)={Yj(1),Yj(2),…,Yj(n)}(j=1,2,3,…,h;k=1,2,3,…,n)

(7)

1)氨氮、总氮等属于偏小型分布指标，可按下列两式分别变换数列Xi(k)和Yj(k).

(8)

bti=(smi-sti)/(smi-s1i)

(9)

2)溶解氧属于偏大型分布指标，可按下列两式分别变换数列Xi(k)和Yj(k).

(10)

bti=(sti-smi)/(s1i-smi)

(11)

1.4.3 关联系数计算 经数据归一化转化的参考数列和比较数列，用式12求两者之间的灰关联系数εi(k)[10].

(12)

式中，Δi(k)为第k项指标Xi和Yi的绝对差；Δmin和Δmax分别为各项指标的绝对差中最小值和最大值；ρ为分辨系数，其作用在于提高灰关联系数之间的差异显著性，ρ越小，分辨力越大，一般在0～1，大多数情况下取0.5.

1.4.4 计算关联度和确定水质等级 对关联系数进行加权求关联度，当权重取值为1/n时，可得关联度[10]：

求出ri后，根据关联度最大原则确定各河流断面水质等级。

2 研究区域和水质数据

2.1 研究区域

为了解长江黄石段(见图1)水质状况和变化趋势[12]，选用2017年长江黄石段三峡断面(断面2)和风波港断面(断面4)在枯水期(1月)、丰水期(7月)和平水期(11月)的水质监测数据(NH3-N、TN、TP、DO、BOD5、CODMn、COD)进行分析评价。其中，三峡断面为鄂州市和黄石市交界处的对照断面，风波港断面为西塞山区河口镇的削减断面。

图1 长江黄石段河道形态

2.2 数据来源

分析2017年长江黄石段三峡断面和风波港断面的水质状况，其研究数据来自黄石市生态环境局网站(http://sthjj.huangshi.gov.cn/)，见表2.

表2 2017年长江黄石段水质监测结果(mg/L)

2.3 评价标准

根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，长江黄石段三峡断面和风波港断面水质需满足Ⅲ类水质标准，该水质指标评价限值见表3.

表3 《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)

3 结果与分析

3.1 单因子评价法评价结果

运用单因子评价法对三峡断面和风波港断面水质进行分析评价，评价结果见表4.

由表4可知，两个断面NH3-N浓度在枯水期和丰水期属于地表水Ⅱ类标准，在平水期属于Ⅰ类标准，且三峡断面该指标Pj值呈现枯水期>丰水期>平水期，而风波港断面则呈现枯水期>平水期>丰水期；在各监测时期总氮浓度均大于1.5mg /L，属于地表水Ⅴ类标准，均出现枯水期>丰水期>平水期，且该指标在枯水期的Pj值均大于1，分别为1.075，1.105；总磷浓度均处于0.1～0.2mg /L之间，属于地表水Ⅲ类标准，均出现枯水期>丰水期>平水期；DO、BOD5、CODMn、COD等指标均优于地表水Ⅲ类标准。综上可知，2017年两个断面水质超标，属于地表水Ⅴ类标准，三峡断面水质劣于风波港断面，且在各监测时期中枯水期各指标浓度(除DO外)最高；总氮是影响长江黄石段水质的主要污染因子。黄石市是一座矿冶企业众多，人口密集，农业发达，河湖密布的城市，大量的工业废水、生活污水、农业废水以及畜禽养殖和渔业养殖投放的饲料排入河流[13]，是造成水体总氮超标的主要原因。

表4 2017年长江黄石段水质单因子法评价结果 (mg/L)

3.2 综合污染指数法评价结果

运用综合污染指数法对三峡断面和风波港断面水质进行分析评价，评价结果见表5.

由表5可知，三峡断面和风波港断面综合污染指数均发生变化，但变化的范围较小，且呈现出递减趋势，在枯水期综合污染指数分别为0.782mg/L，0.737mg/L，属于中度污染；在丰水期和平水期综合污染指数分别为0.658mg/L、0.644mg/L，0.627mg/L、0.624mg/L，均属于轻度污染。三峡断面综合污染指数各监测时期均大于风波港断面，表明三峡断面水质劣于风波港断面。两个断面综合污染程度均呈现出：枯水期>丰水期>平水期。枯水期综合污染指数大可能是由以下原因造成的：一是枯水期青山湖、花湖、磁湖等湖泊和长江河道清淤疏浚以及冬季风强劲，使得底泥发生扰动，聚集的内源污染物质释放，造成水体的二次污染[14]；二是枯水期河流水量少，水体自净能力较差。丰水期综合污染指数较大主要是由工农业生产、畜禽养殖和渔业养殖等活动频繁带来的大量有机污染物引起的。

表5 2017年长江黄石段综合污染指数水质评价结果(mg/L)

3.3 隶属度法评价结果

运用隶属度法对三峡断面和风波港断面水质进行分析评价，评价结果见表6.

在枯水期，三峡断面和风波港断面达到Ⅰ类水质标准的有3项指标，NH3-N、CODMn为Ⅱ类水质，TP为Ⅲ类水质。三峡断面NH3-N隶属度高于风波港断面，分别为0.86、0.769；风波港断面TP隶属度高于三峡断面，分别为0.5、0.41.

在丰水期，三峡断面和风波港断面达到Ⅰ类水质标准的有3项指标，NH3-N、CODMn、TP分别为Ⅱ类、Ⅳ类和Ⅲ类水质，而三峡断面和风波港断面DO分别为Ⅱ类、Ⅲ类水质。

在平水期，三峡断面和风波港断面达到Ⅰ类水质标准的有5项指标，TN、TP分别为Ⅳ类和Ⅲ类水质，且隶属度均在0.1及以下。

综上可知，两个监测断面在各监测时期水质均较好，且在平水期水质优于枯水期和丰水期。

表6 2017年长江黄石段水质隶属度评价结果(mg/L)

3.4 灰关联度分析法评价结果

3.4.1 确定比较数列和参考数列 由表2和表3确定三峡断面和风波断面水质评价的比较数列和参考数列。

3.4.2 归一化处理 将评价断面的比较数列和参考数列按照公式(8)～(11)进行归一化处理，结果见表7和表8.

由表7可知，归一化数值越小，表示水质越差。由表8可知，三峡断面和风波港断面各监测时期总氮和总磷的归一化数值偏小，说明此时两个断面水质主要受总氮和总磷的影响。

表7 地表水环境质量分级标准值归一化处理结果

表8 三峡断面和风波港断面水质监测值归一化处理结果

3.4.3 关联度计算和水质等级评价 按照公式(12)计算出两个断面各监测时期各项水质指标相应的关联系数，再将所求的关联系数按照公式(13)求出两个断面各监测时期相对应地表水环境质量等级的关联度，并根据最大关联度原则确定河流断面的水质等级。结果见表9.

由表9可知，两个断面各监测时期灰关联度分析评价的结果均在地表水Ⅲ类标准范围内，其中枯水期三峡断面和丰水期风波港断面属于Ⅱ类，两个断面其余时期均属于Ⅰ类，表明监测断面的水质较好。

表9 三峡断面和风波港断面水质关联度计算结果

4 水质评价方法比较

单因子评价法以最差的单项水质指标所属类别作为待评水域的综合水质类别，能够确保水体安全，但该方法采用“一票否决”的严格评价标准，评价结论过于保守，不利于水体功能的综合使用。如2017年三峡断面和风波港断面总氮超标，浓度值均大于1.5mg /L，就此判断两个断面水质为Ⅴ类标准，弱化了其它指标对水质的影响，评价结果过于严苛。

综合污染指数法将各单项污染指数的算术平均值作为综合污染指数值，该方法可以反映河流水质污染程度，但不能判断其水质类别。如2017年三峡断面和风波港断面枯水期属于中度污染，平水期和丰水期属于轻度污染，但综合污染指数法无法判断出两个断面水质是否符合该功能区Ⅲ类标准。

灰关联度分析法通过计算待评水域各评价因子的实测浓度与各级水质标准的关联度，并根据关联度判断该水域的水质等级。灰关联分析法克服了单因子评价法对水质总体评价的局限性，较好地解决了评价标准中分级不科学对评价结果影响的问题。通过对2017年三峡断面和风波港断面水质的分级标准和实测值进行归一化处理，再计算河流断面的关联度，最终判断出枯水期三峡断面和丰水期风波港断面属于Ⅱ类标准，两个断面其余时期均属于Ⅰ类标准。该方法评价结果更全面客观地反映该河流断面的水质状况。

隶属度法指某一污染指标属于某类标准，它在这类标准中占有的程度，在同一类别上，隶属度越大水质越差，反之亦然。隶属度法不仅能区别同类水体的污染程度，而且可以比较不同监测断面的水质情况，并根据隶属度判断监测断面的水质功能，该方法优于单因子评价法和综合污染指数法，但隶属度法只考虑了污染指标和标准值的比较，计算过于简单，未免有失客观。如李国发[9]在评价长江黄石段三峡断面时，因9个评价指标中有7个评价指标标准类别为Ⅰ类，就判断该断面水质属于Ⅰ类，但从该文献评价结果可知CODMn、NH3-N分别为Ⅱ类、Ⅴ类，隶属度分别为0.52、1.0，可见此时三峡断面的综合水质应该达不到Ⅰ类。灰关联分析法首先将水质分级标准和实测值进行归一化，其次求出两者之间的灰关联系数，再次将关联系数进行加权求出关联度，最后根据关联度确定水质等级。该方法避免忽略某些污染浓度值大的评价指标对水质的影响，同时分析了各污染指标对监测断面水质的综合污染程度，评价的结果更为全面科学。