基于不同评价方法的威海市河流水质研究

余金玲，田丽蓉，吴海涛，吴玉帅，顾声龙*

(1.青海大学水利电力学院，青海 西宁 810016； 2.黄河上游生态保护与高质量发展实验室，青海 西宁 810016)

随着社会经济的快速发展，人类活动对河流、湖泊、港湾等水环境造成了不可逆转的危害[1]。威海市位于沿海地区，由于沿岸工农业生产的发展和城市化进程的加快，大量废水被排入河流，虽然政府加大了污水处理厂的建设，但污染物排放总量持续增加，远远超出水体自净能力和环境容量[2]，严重影响当地水质状况。李作宁等[3]对威海市2008—2010年的生活用水进行水质采样检测发现，该区域卫生饮用水微生物超标严重；衣伟虹等[4]采用单项组分评价和综合评价相结合的方法对威海市环翠区内浅层地下水进行分析评价，结果表明大部分地区水质较好，部分区域水质变差，其主要超标因子有硫酸盐、硝酸盐和氯化物等。

在水环境保护与治理过程中，水质评价是合理开发利用和保护水资源的基础性工作。常用的水质评价方法主要有单因子评价法[5]、综合污染指数法[6]、模糊综合评价法[7]和主成分分析法[8]等。目前，水质评价多以生活用水、地下水为主，对河流水质的研究较少且评价方法比较单一。本文以国家环境保护行政主管部门设置并控制的威海市泰祥桥断面、浪暖口断面、南桥断面、二水厂断面四个国控断面为研究对象，选取单因子评价法、综合污染指数法、模糊综合评价法对2017—2020年四个国控断面的水质进行综合评价，通过对威海市河流水质特征的分析，充分了解该区域河流水质的污染情况和变化趋势，以期为威海市河流的水环境保护和治理提供依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区域概况

威海市位于山东半岛东部，南北东三面濒临黄海，西与烟台市接壤，总面积为5 800 km2，海岸线长978.6 km，辖环翠区、文登区、荣成市、乳山市[9]。全市多年平均降水量为764.2 mm，其中汛期(6—9月)降水量约占全年降水量的71%，且年际、年内丰枯变化显著，连丰连枯现象经常出现，时空分布极不均匀[10]。威海市主要河流分布如图1所示。

图1 威海市主要河流分布Fig.1 Distribution of main rivers in Weihai

1.2 数据来源

本文水质数据来源于威海市生态环境局官网(https：//sthjj.weihai.gov.cn/)。根据文献[11]对威海市水污染状况的研究发现，威海市河流水质中氨氮、总磷和化学需氧量等污染物超标。因此，本文以高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、化学需氧量(COD)和总磷(TP)四个能反映威海市河流水质状况的监测指标为评价指标，对2017—2020年威海市泰祥桥断面、浪暖口断面、南桥断面和二水厂断面四个国控断面的水质进行评价分析。本文水质评价标准以GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[12]中Ⅲ类水质标准限值为依据(表1)。

表1 地表水环境质量标准基本项目标准限值

2 研究方法

2.1 单因子评价法

单因子评价法[13]是将每个评价指标的实测浓度与评价标准进行比较来确定各个评价指标的水质类别，并以最差的水质类别作为断面水质类别。公式如下：

(1)

式中：Pi为第i个水质指标的单因子评价指数;Ci为第i个水质指标的实测值(mg/L)；C0为第i个水质指标的评价标准值(mg/L)。

2.2 综合污染指数法

综合污染指数法[14]是将每个水质指标的实测浓度与评价标准之比作为单个污染指数，再将各单个污染指数相加计算算术平均值，进而求出综合污染指数，从而判断水体的污染程度。公式如下：

(2)

式中：P为水体的综合污染指数;n为水质指标的个数。将P与综合污染指数评价等级表(表2)作对照，评价出水体的水质级别。

表2 综合污染指数评价等级表

2.3 模糊综合评价法

模糊综合评价法应用于流域水质评价，可精简大量不确定因素所导致的模糊性和不确定性，例如水质指标的评价标准和水质级别的划分等[15]。

(1)建立评价因子集和评价标准集。建立评价因子集U={u1，u2，…，ui}，其中ui为第i个水质指标，i=1，2，…，n；n为所选水质指标的个数。已知选取了CODMn、NH3-N、COD和TP 4个水质指标，即评价因子集为U={CODMn，NH3-N，COD，TP}。

建立评价标准集V={v1，v2，…，vj}，其中vj为第j个类别的标准值，j=1，2，…，m；m为水质标准类别的个数。根据标准[12]将水质划分为5个类别，即评价标准集为V={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

(2)建立模糊评价矩阵。当第i个水质指标实测浓度为Ⅰ类水时，隶属度函数为：

(3)

当第i个水质指标实测浓度为j类水时(Ⅱ≤j≤Ⅴ)，隶属度函数为：

(4)

当第i个水质指标实测浓度为Ⅴ类或者劣Ⅴ类水时，隶属度函数为：

(5)

式(3)～(5)中，rij为第i个评价指标对第j类标准的隶属度；Sij为第i个水质指标第j类水质限值(mg/L)。

根据上述计算过程可以得出模糊评价集，模糊矩阵为：

(6)

(3)建立水质指标权重。目前，常用污染物浓度超标法来确定权重，即按各个综合评判指标的影响因子对其超标的情况分别进行加权，超标的数量越多，权重的值就越大。公式如下：

(7)

(8)

(4)建立模糊综合评价的模型。将归一化后的指标权重矩阵W和模糊关系矩阵R相乘，得到模糊积，形成一个评判矩阵B，依据相乘取大原则来评判出水质指标的等级类别，即：

(9)

3 结果与分析

3.1 各断面的水质时空变化分析

如图2所示，泰祥桥断面、浪暖口断面、南桥断面和二水厂断面CODMn实测浓度分别为3.3～8.3、1.9～5.8、2.5～12.2和1.2～5.7 mg/L；整体来看，南桥断面实测浓度最高，其次为泰祥桥断面、浪暖口断面，二水厂断面实测浓度最低；2017—2020年CODMn浓度泰祥桥断面基本稳定，浪暖口断面、南桥断面和二水厂断面随时间的增加而增加；泰祥桥断面和南桥断面的水质均达到Ⅳ类标准，浪暖口断面和二水厂断面的水质均达到Ⅲ类标准。

图2 2017—2020年各断面4个评价指标浓度的变化情况Fig.2 Variations of 4 water quality indexes concentration in each section from 2017 to 2020

2017—2020年泰祥桥断面、浪暖口断面、南桥断面和二水厂断面NH3-N实测浓度分别为0.04～1.24、0.08～0.92、0.03～2.89和0.02～0.38 mg/L；除南桥断面外，其他三个断面NH3-N浓度基本维持稳定；南桥断面2018年和2019年NH3-N浓度各有一个月明显偏高，分别为2.09 mg/L和2.89 mg/L；泰祥桥断面和浪暖口断面水质基本达到了Ⅲ类标准，南桥断面因两个异常浓度值的存在水质成为Ⅴ类水标准，二水厂断面水质达到了Ⅱ类标准。

泰祥桥断面COD实测浓度为12.8～28 mg/L，均值为20.6 mg/L，浓度逐年降低，其中最高值出现在2017年，最低值出现在2018年，水质达到Ⅳ类标准；浪暖口断面COD实测浓度为5～25 mg/L，均值为13.79 mg/L，水质达到Ⅳ类标准；南桥断面COD实测浓度为7～39 mg/L，均值为24.19 mg/L，浓度变化范围较大，呈增加趋势，最低值为2018年的7 mg/L，最高值为2020年的39 mg/L，水质达到Ⅴ类标准;二水厂断面COD实测浓度为6～25 mg/L，均值为12.32 mg/L，浓度整体比较稳定。

泰祥桥断面、浪暖口断面、南桥断面和二水厂断面TP实测浓度分别为0.02～0.103、0.01～0.91、0.02～0.23、0.01～0.27 mg/L；除浪暖口断面外，其他三个断面的TP浓度相对稳定；浪暖口断面2018年的TP浓度偏高，为0.91 mg/L，水质超过Ⅴ类标准；泰祥桥断面水质为Ⅲ类标准；南桥断面和二水厂断面的水质为Ⅳ类标准。

3.2 单因子评价法评价结果分析

4个评价指标的单因子评价指数变化趋势如图3所示。2017年泰祥桥断面、浪暖口断面、南桥断面和二水厂断面CODMn、NH3-N和TP的浓度均达到Ⅲ类水质标准，COD是水质评价的主要指标；4个国控断面中，泰祥桥断面和南桥断面水质为Ⅳ类标准，浪暖口断面水质为Ⅲ类标准，二水厂断面水质为Ⅰ类标准。2018年各断面CODMn和NH3-N的浓度达到Ⅲ类水质标准，COD和TP是水质评价的主要指标；泰祥桥断面水质为Ⅲ类标准，浪暖口断面和南桥断面水质为Ⅳ类标准，二水厂断面水质为Ⅱ类标准。2019—2020年各断面NH3-N和TP的浓度到了Ⅲ类水质标准，CODMn和COD成为水质评价的主要指标;泰祥桥断面水质分别为Ⅳ类水和Ⅲ类水，浪暖口断面水质分别为Ⅲ类水和Ⅱ类水，南桥断面水质均为Ⅳ类水，二水厂断面水质均为Ⅱ类水。总体来看，泰祥桥断面和浪暖口断面的水质在逐渐变好，在2020年达到了Ⅲ类标准；二水厂断面的水质一直保持Ⅲ类及Ⅲ类以上标准。

图3 4个评价指标的单因子评价指数变化趋势Fig.3 Variations of single factor evaluation index of four evaluation indexes

3.3 综合污染指数法评价结果分析

由图4可知，泰祥桥断面和二水厂断面的综合污染指数变化趋势不大，污染程度为轻度污染；浪暖口断面的综合污染指数2017—2018年呈上升趋势，2018—2020年明显下降，污染程度为轻度污染；南桥断面的综合污染指数呈先下降后上升的趋势，污染程度为中度污染。

图4 综合污染指数的变化情况Fig.4 Variations of comprehensive pollution index

3.4 模糊综合评价法评价结果分析

2017—2020年泰祥桥断面、浪暖口断面、南桥断面和二水厂断面的水质普遍较好，基本都能达到Ⅲ类标准。由图5可知，泰祥桥断面、浪暖口断面、南桥断面和二水厂断面的水质状况分别为2017年Ⅰ类标准和Ⅲ类标准各占25%，Ⅱ类标准占50%；2018年Ⅰ类标准、Ⅱ类标准、Ⅲ类标准和Ⅳ类标准各占25%；2019年Ⅰ类标准和Ⅲ类标准各占50%；2020年Ⅰ类标准占50%，Ⅱ类标准和Ⅳ类标准各占25%。

图5 各断面的水质状况Fig.5 Water quality of each section

3.5 三种水质评价方法评价结果的对比分析

三种水质评价方法评价结果的对比分析如表3所示。以二水厂断面为例，2017—2020年二水厂断面水质单因子评价法评价结果为Ⅲ类水，综合污染指数法评价结果为Ⅱ类水，水质较好，模糊综合评价法评价结果均为Ⅰ类水。由此可知，单因子评价法评价结果最差，这可能是因为单因子评价法是以最差水质等级为评价结果导致的。综合污染指数法是对每个断面的多个指标进行综合评价，结果相对合理，与威海市生态环境局官网公布的水质数据更相符。模糊综合评价法评价结果整体偏优，比单因子评价法和综合污染指数法的评价结果更好。整体来看，模糊综合评价法最优，综合污染指数法其次，单因子评价法最差。

表3 三种水质评价方法评价结果的对比分析

综合污染指数法评价结果为二水厂断面水质最好，其次是泰祥桥断面和浪暖口断面，南桥断面的水质较差。

4 讨论与结论

河流水质评价能够反映河流水质的整体状况，对水环境保护与治理十分重要。与杨芳等[8]采用单一评价方法对水质进行评价的研究相比，本文选取单因子评价法、综合污染指数法、模糊综合评价法3种评价方法对威海市河流水质进行综合评价，直观地分析出河流水质达标情况及水体受污染程度，得到以下结论：

(1)从各断面的水质时空变化分析来看，每个断面的水质浓度逐年降低，这表明河流中的水体情况有所改善，水质状况逐渐变好。

(2)单因子评价法评价结果最差，模糊综合评价法评价结果整体偏优，而综合污染指数法评价结果与威海市生态环境局官网公布的水质数据更相符。综合污染指数法评价结果表明二水厂断面的水质最好，其次是泰祥桥断面和浪暖口断面，南桥断面的水质较差。

(3)威海市河流水质整体呈较好趋势，这说明相关部门对威海市水环境的保护与治理取得了一定成效。