不同水质评价方法在布尔哈通河流域的适用性对比分析

2022-08-23王嗣彤尹振浩

延边大学农学学报 2022年2期

王维，王嗣彤，常健，龚晨，尹振浩

(1.延边大学融合学院，吉林延吉 133002；2.沈阳大学环境学院，沈阳 110003；3.延边大学农学院；4.延边大学地理与海洋科学学院：吉林延吉 133002)

Jacobs等[1]首次对水体质量进行指数化评价，自此，越来越多的学者开启了对水环境质量评价方法的探索。目前，国外对水质评价的研究较多集中在多指标、多维度的综合性数据分析[2-3]，国内水质评价方法层出不穷[4-6]，但评价方法种类繁多，且不系统，部分学者在水质评价方法使用前缺少适用性分析，导致无法全面、真实地展现河流水质状况。一些学者讨论了各个水质评价方法在不同流域的应用效果[7-12]，可见每种水质评价方法在不同的流域会有不同的表现，因此在进行水环境管理与分析前，进行水质评价方法对于流域的适用性分析是必要的。

布尔哈通河是图们江流域内一条重要的二级支流，根据其他学者对于图们江流域的河流水质评价与研究[13-14]，布尔哈通河是该流域内受污染最严重的河流，并且部分河段已经处于严重污染状态，急需对受污染严重河段提出水环境管理措施[15-16]。但这些研究的研究对象更多的是放在图们江流域整体，对于布尔哈通河的研究不够深入，使用的水质评价方法不尽相同，缺乏图们江流域水质评价方法适用性分析，并且随着城市化的加快，造成水环境污染的因素越来越复杂，简单的水质评价已经无法反映水体具体受污染状况。

该研究将布尔哈通河作为典例，使用水质类别判定法[17](单因子评价法)、污染指数法(内梅罗污染指数法[18-19]、综合污染指数法)、分级评分法(模糊综合评价法[20]和综合水质标识指数法[21])共5种常用的水质评价方法对布尔哈通河干流水质进行评价，比较各评价方法的特点以及在实际应用中的优劣势，择出最能体现真实水质情况的水质评价方法，并设置水质管理目标值。该研究对于保障布尔哈通河水环境质量以及图们江流域河流生态系统治理具有重要意义。

1 研究区域与评价方法

1.1 研究区概况

布尔哈通河起源于吉林省安图县哈尔巴岭山脉东南麓沼泽地，向东南横穿延边朝鲜族自治州中部平原盆地，于图们市汇流至嘎呀河，最终汇入图们江，全长171 km，海拔高度差574.2 m(图1)。

图1 布尔哈通河流域图

1.2 数据来源

该研究于2021年4、5、6、7月共4次对布尔哈通河流域进行现场调查，其中包括水样采集、流量监测及水质指标检测等工作。如图1所示，在布尔哈通河干流上共设置10个水质监测断面，分别标志BG1～BG10。同时，在布尔哈通河8条支流汇入干流前共设置8个水质监测断面，分别标志BZ1～BZ8。各监测断面距布尔哈通河与嘎呀河交汇处的距离如表1。

表1 监测断面布设位置

1.3 测试仪器、方法和试剂

对采集的水样进行各项水质指标的监测，主要包括5日生化需氧量(BOD5)、高锰酸盐指数、总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)以及溶解氧(DO)等指标，所有水质指标均由《GB3838-2002地表水环境质量标准》中分析方法监测所得。其中，DO由电化学探头法在水样采集现场测得；BOD5分析方法为稀释与接种法；高锰酸盐指数分析方法为酸性法；TP分析方法为钼酸铵分光光度法；TN分析方法为碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；NH3-N分析方法为纳氏试剂比色法。将上述6个水质指标作为评价因子，利用5种水质评价方法对布尔哈通河干流水质进行评价。

2 结果与分析

2.1 单因子评价法

单因子评价法是指将各水质指标的浓度代入到地表水水环境质量标准(表2，下同)进行比对，直接判断每个指标的水质类别，将各个指标中最差的水质类别作为最终的水质综合评价结果。单因子评价法的计算公式为：

表2 地表水水质评价标准

G=MAX(Gi)，

(1)

式中，G为该水体的水质类别，Gi为i项水质指标的水质类别。

单因子评价结果如图2，时间上，不同月份之间4月份水质评价结果最差，水质评价结果为Ⅳ～劣Ⅴ类，5月份最好，水质评价结果为Ⅱ～Ⅳ类，6、7月份适中，水质评价结果主要集中在Ⅲ～Ⅴ类；空间上，布尔哈通河上中游水质类别整体集中在Ⅲ～Ⅳ类，下游水质类别较高，集中在Ⅴ～劣Ⅴ类，主要污染监测断面为BG7、BG8。

图2 单因子评价法评价结果

2.2 污染指数

污染指数法是将实测的某水质指标浓度与区域地表水水环境质量标准对比，得出该指标的单项污染指数Pi，Pi表示该污染物在水体中的污染程度，对Pi进行不同形式的复合运算分别得出综合污染指数P综和内梅罗污染指数P内。通过比较指数是否大于1来判断该水体是否劣于水环境功能区既定的水质类别，且数值越大污染越严重，内梅污染指数法可通过水质类别等级划分表将输出的污染指数转化为水质类别(表3)。

表3 内梅罗污染指数法、综合水质标识指数法水质类别等级划分表

单项污染指数Pi计算公式：

(2)

式中，Pi为i项的单项污染指数，Ci为污染物实测浓度，Co为该污染物标准浓度。

综合污染指数P综计算公式：

(3)

式中，m为监测水质指标的总数。

内梅罗污染指数P内计算公式：

(4)

2种污染指数法的评价结果如图3(综合污染指数法无法输出水质类别，因此将纵坐标设置为污染指数)。

图3 污染指数法评价结果对比

2种污染指数法评价结果相近，时间上，4月份河流水质评价结果最差，多个监测断面的污染指数大于1，5月份最好，所有监测断面的污染指数都小于1，6、7月份适中，只有个别监测断面污染指数大于1；空间上，整体可以看出BG7、BG8监测断面的污染指数最大，其中4月份最严重，最高污染指数高达3.1。

2种方法所得4～7月污染指数相关系数的平均值为0.924，具有明显的正相关性。说明2种污染指数法都能详细的反映河流水质变化规律，虽然无法从结果上评判哪种污染指数法表现更好，但是从计算方式上内梅罗污染指数法能考虑污染最严重指标对综合水质的影响，当有指标严重超标时内梅罗污染指数的响应程度更激烈，由此说明内梅罗污染指数法在算法上赓续了综合污染指数法的优点，突出了污染最严重的指标对水质的影响，更真实、更直观的反映综合水质状况。

2.3 分级评分法

模糊综合评价法是根据隶属度原理把定性评价转化为定量评价，考虑污染较为严重的指标对评价结果的影响。将实测水质数据与水质评价标准代入到“半梯形分布”隶属函数中，得到各水质指标对各级水质类别的隶属度矩阵，将之与各水质指标的权重归一化集相乘得到模糊矩阵，最终获得水体水质对各级标准水质的隶属程度，从而确定水质类别。

综合水质标识指数是在单因子水质标识指数法[22]的基础上标识了综合水质类别与水质达标情况等信息，由整数和3位或4位小数位组成，其结构为：

Ιwq=X1.X2X3X4，

(5)

式中，X1.X2是用于反映水环境状况，而X3X4是用来判断水体的水质指标与综合水质类别达标情况。综合水质标识指数和水质类别等级的对应关系通过综合水质标识指数Ιwq的X1.X2表示，判断关系见表3。

2种分级评分法评价结果如图4，与其他水质评价方法结果相同，时间上5月份河流水质评价结果最好且较为稳定，其他月份上下浮动较大，主要为BG1～BG3河段以及BG7、BG8监测断面水质评价结果相对于其他监测断面较差。

图4 分级评分法评价结果对比

2种分级评分法评价结果差别较大，其中,综合水质标识指数法评价平均等级略高，主要水质类别集中在Ⅱ～Ⅳ类，而模糊综合评价法的水质评价结果上下浮动大，评价结果从Ⅰ～Ⅴ类不等(图4)。出现这种差异主要归因于2种方法的权重计算方式不同，综合水质标识指数法每项水质指标的权重是相等的，且会淡化不同污染程度指标对水体综合评价的影响，更偏向于体现综合水质及水质指标超标状况；而模糊综合评价法根据各水质指标的超标、良好情况赋予相应的权重，对水质变化的敏感度更高。

2.4 5种水质评价方法特点对比

5种水质评价方法对布尔哈通河干流水质评价综合结果如表4，由表可知，4种方法所得水质类别评价结果中单因子评价法最高，这主要归因于布尔哈通河水环境污染状况复杂，单因子评价法未能考虑其他评价因子对评价结果的贡献，导致了评价结果偏高，无法展现出真实的水体水质状况。

表4 不同月份水质类别评价结果平均值对比

以上只对同类水质评价方法的评价结果进行了对比，现将以上5种水质评价方法在布尔哈通河干流水质评价应用中的计算方式、应用效果、合理性等方面进行综合对比分析，结果如表5，内梅罗污染指数法具有水质类别评价、同类水体之间比较、劣Ⅴ类水体水质评价、计算简易、权重赋予的优点，并且由于该方法输出的是连续的数值，评价结果能更直观的体现河流水质变化规律，因此认为内梅罗指数法更适用于图们江流域水质评价。

表5 5种水质评价方法特点对比

2.5 水质管理目标值设定

由表4不同月份水质类别评价结果平均值对比结果可知，不同月份之间，4月综合水质评价结果最差，5月最好，6、7月适中，不同月份间水质评价结果的差异主要与河流径流量有关，4月河流径流量小，5月图们江流域强降雨，河流径流量随之变大，6、7月份河流径流量正常。同一月份之间单因子评价法评价结果最高，模糊综合评价法最低。

从5种水质评价方法得出的布尔哈通河干流水质可以大致得出：BG1～BG6河段水质评价结果上下浮动不大，但受农业灌溉用水影响，氮、磷随灌溉水径流至布尔哈通河，使BG1～BG3(安图段)、BG5～BG6(延吉上段)个别监测断面水质评价结果轻微上升；BG7～BG8(延吉下-磨盘山)水质评价结果最差，除5月外，4、6、7月份评价结果上升至Ⅳ～Ⅴ类。为探究BG7～BG8河段水质评价结果差的原因，该研究分析了 BG5～BG8河段的点源污染物负荷。

从以上5种水质评价方法应用中发现，TN、TP为导致水质类别偏高的主要水质指标，因此，该研究只分析了BG5～BG8河段TN、TP的污染源负荷占比(图5)。该河段的TN、TP排放负荷占比最大的为延吉市污水处理厂，其次是海兰河。海兰河水流量大，污染物浓度低，理论上应对布尔哈通河干流污染物起到稀释的作用，因此确定延吉市污水处理厂是导致BG7～BG8河段河流水质较差的主要原因。

图5 布尔哈通河BG5-BG8河段TN、TP污染源负荷占比

利用内梅罗污染指数法对布尔哈通河设置水质管理目标值，以7月份为例，由图3(d)可知，BG7、BG8监测断面的内梅罗指数大于1，处于受污染状态，为此将水质管理目标值设置为内梅罗污染指数的1(Ⅲ类)。评价体系中受污染越严重的水质指标权重越大，经过反复调试权重大的水质指标，使内梅罗污染指数靠近水质管理目标值。结果表明，应加强延吉市污水处理厂总氮、总磷去除率，使得BG7、BG8的TN降至1.2 mg/L、BG8的TP降至0.2 mg/L时，方能保证整条布尔哈通河达到水质管理目标值(表6)。