地表水水质评价体系实用性探讨——以西藏拉鲁湿地为例*

苏思强 周会东 邵蓓 胡亚燕 杜建军 王祝** 苏淼淼

1.西藏自治区地质矿产勘查开发局中心实验室；2.西藏自治区科技信息研究所，西藏 拉萨 850000

水资源是自然资源的重要组成部分，是所有生物结构组成和生命活动的主要物质基础。水质评价是水环境保护管理的重要依据，有效的水质评价受测试数据的准确性和评价方法的科学性两方面因素影响[1，2]。为此，许多学者在保证测试数据准确性的前提下对水质评价方法的实用性展开研究，寻求科学准确的水质评价方法[3-7]。国内外常用的水质评价方法主要有指数评价法[8-12]、灰色关联度法[13]、模糊数学评价法[14]、人工神经网络评价法[15]、综合水质标识指数法[16]以及主成分分析法[17]等，其中以单因子指数法和改进的内梅罗指数法为代表的指数评价法因其数学模型简洁、运算过程简便、物理概念清晰而得到最为广泛的应用。

水质评价是一个复杂的过程，想要科学准确地进行水质评价，需要选择合适的评价指标体系以及科学合理的评价方法[6]。单因子指数法通过简单的数学计算即可确定水体污染指标及超标倍数，但以最差指标所属类别来定义水体综合水质类别忽视了其他指标对水质的影响，使评价结果不能客观反映水体综合水质状况。相比单因子指数法“最差规则”的评价标准[6]，改进的内梅罗指数法考量了评价体系中所有指标对水质的影响，更能体现综合水质状况，具有数学模型简洁，物理概念清晰，运算过程简便等特点[18]，广泛应用于河流、水库、湖泊、湿地等地表水水质评价[18-23]。汤玉强[23]和王紫媛[24]等，通过改进内梅罗污染指数的算法提高内梅罗指数法在地表水水质评价中的实用性，而针对评价指标体系在水质评价中实用性的研究鲜见报道。

本文基于西藏拉鲁湿地2022 年1 月（枯水期）和2022 年8 月（丰水期）水质监测数据，采用改进的内梅罗指数法，建立了3种评价指标体系，通过与单因子指数法评价结果对比，探讨评价指标体系的易用性、准确性及实用性。

1 水质评价方法

1.1 单因子指数法

单因子指数法是将评价体系中某指标的实测浓度值与该指标的评价标准限值进行比较，得到该指标的污染指数Pi，通过污染指数Pi的大小确定单项指标所属类别（当Pi＞1 时，表示该项指标超标，水体受到污染；当时，表示该项指标未超标，水体未受到污染），以最差的水质指标所属类别来定义水体综合水质类别。参考罗孝芹[8]、朱国宇[25]、杜娟娟[26]等对单因子指数Pi计算公式的描述，确定单因子指数计算公式如下：

式中：Pi为参评因子i 的单因子指数；Ci为参评因子i 的实测浓度值，单位为mg/L；Si为参评因子i 的评价标准限值，单位为mg/L。

pH的单因子指数计算公式：

式中：PpH为pH 的单因子指数；pHi为样品的pH实测值；pHsd、pHsh分别为评价标准中pH 的下限、上限值。

DO的单因子指数计算公式：

式中：PDO为DO 的单因子指数；Of为某水温、气压条件下的饱和溶解氧浓度，单位为mg/L，其计算公式为：Of=468/（36.1+T），T为水温（℃）；CDO—溶解氧实测浓度值，单位为mg/L；SDO为溶解氧的评价标准限值，单位为mg/L。

1.2 改进的内梅罗指数法

相比单因子指数法以最差指标所属类别来定义综合水质类别，忽视其他指标对水质的影响。改进的内梅罗指数法在传统内梅罗指数法基础上，对评价指标体系中单项污染指数最大的指标和权重最大的指标考量的同时，充分考虑评价体系中其他指标对水体质量的影响，使水质评价结果更为客观准确。

1.2.1 单项污染指数的确定。单项污染指数的具体计算方法和单因子指数法相同，将某种指标的实测浓度值与该指标的评价标准限值进行比较得出。根据GB 3838-2002《地表水环境质量标准》水域环境功能划分，拉鲁湿地属国家自然保护区，以Ⅰ类水为计算标准，各指标实测浓度值分别与Ⅰ类水标准限值进行比较。

1.2.2 评价指标赋权。改进的内梅罗指数法是一种多因子综合评价法，评价指标的赋权是综合评价法中十分重要的环节，对水质评价结果的影响不容忽视[3]。在各类水质标准中，标准限值最大的指标含量超标对水质影响能力相对最小，标准限值最小的指标含量超标对水质影响相对最大[27]。各指标对水质评价的影响程度是通过权重来体现的，权重越大代表该指标在水质评价中的影响越大[5]。国内外权重确定主要通过主观赋权和客观赋权两大类方法实现，具体方法包括专家调查法、二项系数法、层次分析法、主成分分析法、直接给出法、比较矩阵法和环比评分法等[28]。本文参考关云鹏[27]和孙艳[29]等对评价指标赋权的描述，确定评价指标权重计算方法，具体计算见式（6）：

式中：ωi为参评因子i的权重值；Smax为n个参评因子中标准浓度的最大值；Si为参评因子i的标准限值。

1.2.3 内梅罗污染指数的确定。参考汤玉强[23]和王紫媛[24]等对内梅罗污染指数算法改进的描述，确定内梅罗污染指数算法，具体计算如下：

式中：Fj为第j号采样点水样改进后的内梅罗污染指数；Pi,max为单项污染指数最大值；Pω为最大权重参评因子的单项污染指数；Pωi为加权后的单项污染指数平均值。

1.2.4 评价指标体系的确定。影响水质评价的因素众多且复杂，评价指标的选择以及各指标赋权的合理性，直接影响评价结果的准确性[9]，选取不同的指标作为评价体系，可能得到不同的评价结果。因此，如何选择合适的评价指标体系显得尤为重要。权重计算针对的是评价体系内的指标，不同评价体系之间，由于选择的指标不同，各污染指标的权重值将存在差异，权重最大的指标也会有所改变，最终导致水质等级划分标准存在差异，影响水质评价结果。为探讨改进的内梅罗指数法评价指标体系的实用性，本文建立了3种评价指标体系，分别包含了不同的污染指标，对比水质评价结果，讨论评价过程中存在的问题。

1.2.4.1 评价体系1。水质评价主要目的是判断水体是否存在污染并找出污染因子分析污染来源，为水环境保护与管理提供依据。考虑到水质的影响因素主要来自污染指标，仅将存在污染的指标纳入评价指标体系，建立评价体系1。

1.2.4.2 评价体系2。改进的内梅罗指数法不仅对所有污染指标进行考量，同时也考虑到不存在污染的指标对水体质量的贡献，有实测值的指标对水质均存在影响。因此，为了使评价更能体现水质综合状况，将有实测值的指标均纳入评价指标体系，建立评价体系2。

1.2.4.3 评价体系3。未检出指标即低于检出限的指标由于不存在污染，同样对水体质量有贡献，区别在于有实测值的指标单项污染指数不为零，未检出的指标单项污染指数以零计。GB 3838-2002《地表水环境质量标准》基本指标包括24个项目，但是水温、pH、粪大肠菌群3个指标计量单位与其他指标不一致无法进行权重计算，将除开这3个指标的其他21个基本指标全部纳入评价指标体系，建立评价体系3。

2 研究区域

2.1 研究区域概况

西藏拉鲁湿地位于拉萨市西北角，地理坐标为91°03′41″E～91°06′48″E，29°39′25″N～29°42′08″N，平均海拔3645m，是世界上海拔最高、面积最大的城市天然湿地。本文基于拉鲁湿地2022 年1 月（枯水期）和2022 年8 月（丰水期）水质监测数据，分别采用单因子指数法和改进的内梅罗指数法3种评价体系对拉鲁湿地不同时期各监测点综合水质进行评价，监测点包含湿地2个入水口S1和S2、1个湿地内水S3、2个出水口S4和S5，具体监测点分布见图1。

图1 拉鲁湿地水质监测点分布

2.2 水样的测定

分别于2022年1月（枯水期）和2022年8月（丰水期）进行采样，采用便携式水质分析仪（哈纳HI98194，意大利）对各采样点的水温、pH 值、溶解氧进行现场测定，每个采样点采集水样3 L，送往实验室进行检测，检测项目及检测方法见表1。

表1 检测项目及检测方法

3 结果与讨论

3.1 单因子指数法水质评价

根据GB 3838-2002《地表水环境质量标准》水域环境功能类别划分，西藏拉鲁湿地属于国家自然保护区，以Ⅰ类水为标准，根据式（1）至式（5）分别计算枯水期、丰水期各水质指标单因子污染指数，各指标的测试值、单因子指数Pi及分类评价分类见表2、表3。

表2 枯水期各水质指标含量、污染指数及评价 测试值：mg/L

表3 丰水期各水质指标含量、污染指数及评价 测试值：mg/L

3.1.1 枯水期水质评价。由表2 可知，枯水期拉鲁湿地各监测点pH、CODMn、CODCr、BOD5、Cu、Zn、F-、Se、As、Hg、Cd、Cr6+、Pb、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化物、粪大肠菌群等19 个指标的Pi值均小于1，不存在污染，单项指标均符合地表水Ⅰ类水质标准；DO、NH3-N、TP 和TN4 个指标存在不同程度的污染，含量分别达到5.29～9.51、0.054～0.34、0.00～0.073、0.74～2.44 mg/L。单因子指数法表明，枯水期拉鲁湿地5 个监测点水体均存在不同程度污染，水质类别介于III 类到劣V 类，其中最好水质在S5 监测点，符合地表水III 类水质标准，S2 监测点水质符合Ⅳ类水，S3、S4两个监测点水质均仅达到Ⅴ类水，S1监测点水质甚至达不到Ⅴ类水标准。

3.1.2 丰水期水质评价。由表3 可知，丰水期拉鲁湿地各监测点pH、CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、Cu、Zn、F-、Se、As、Hg、Cd、Cr6+、Pb、氰化物、挥发酚、阴离子表面活性剂、硫化物、粪大肠菌群等19 个指标的Pi值均小于1，不存在污染，单项指标均符合地表水Ⅰ类水质标准。DO、TP、TN 和石油类4个指标存在不同程度的污染，含量分别达到0.26～6.80、0.00～0.042、0.25～1.58、0.15～0.19 mg/L。单因子指数法表明，丰水期拉鲁湿地5 个监测点水体均存在不同程度污染，水质类别介于IV 类到劣V 类，S2、S3 两个监测点水质符合IV类水，S1、S4两个监测点水质仅达到Ⅴ类水，S5监测点水质甚至达不到Ⅴ类水标准。

3.2 改进的内梅罗指数法水质评价

3.2.1 评价体系1各指标权重值确定。根据表2、表3各指标测试值，拉鲁湿地存在污染的指标为DO、NH3-N、TP、TN 以及石油类，将这5 个指标建立为评价体系1，通过式（6）计算各指标在不同水质类别中的权重值ωi，具体结果见表4。由表4 可知，在评价体系1 中Ⅰ类、Ⅳ类、Ⅴ类水权重最大的指标为TP，Ⅱ类和Ⅲ类水权重最大的指标为石油类，权重最小的指标均为DO。说明在该评价体系下，TP和石油类在水质评价中的影响最大，DO的影响最小。

表4 评价体系1各指标污染权重

3.2.2 评价体系2各指标权重值确定。根据表2、表3各指标测试值，拉鲁湿地各监测点DO、CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TP、TN、Cu、Zn、F-、As、Cd、Pb、石油类14个指标有实测值，将这14 个指标建立为评价体系2，通过式（6）计算各指标在不同水质类别中的权重值ωi，具体结果见表5。由表5 可知，在评价体系2 中权重最大的指标为Cd，权重最小的指标为CODCr。说明在该评价体系下，Cd在水质评价中的影响最大，CODCr的影响最小。

表5 评价体系2各指标污染权重

3.2.3 评价体系3各指标权重值确定。根据表2、表3各指标测试值，拉鲁湿地各监测点Se、Hg、Cr6+、氰化物、挥发酚、阴离子表面活性剂、硫化物等7 个指标均未检出，与评价体系2中有实测值的14个指标一起建立为评价体系3，通过式（6）计算各指标在不同水质类别中的权重值ωi，具体结果见表6。由表6 可知，在评价体系3中权重最大的指标为Hg，权重最小的指标为CODCr。说明在该评价体系下，Hg 在水质评价中的影响最大，CODCr的影响最小。

表6 评价体系3各指标污染权重

3.2.4 各评价体系污染等级的划分。参考汤玉强[23]和关云鹏[27]对各类污染等级划分的描述，根据式（7）、式（8）计算出各评价体系中不同水质类别内梅罗污染指数法临界值，并以此进行污染等级划分，具体结果见表7。由表7 可知，不同的评价体系，由于考量的指标多少不同，使各指标污染权重存在差异，污染等级划分标准亦不相同。评价体系1由于仅考量存在污染的指标，间接导致评价体系中各污染指标权重值相对增大，最终导致内梅罗污染指数临界值增大，当水质污染严重时污染等级划分范围拓宽，使评价结果将存在过保护现象；评价体系3由于考量的指标太多，虽然评价体系中各污染指标权重值相对减小，但最终导致内梅罗污染指数临界值更大，当水质污染严重时污染等级划分范围拓宽更广，使评价结果过保护现象更明显；评价体系2仅考量有实测值的指标，各污染指标权重值处在两个评价体系之间，内梅罗污染指数临界值相对适中，污染等级划分和水质评价结果较为适宜，相对于评价体系3 减少了无实测值指标的统计和计算，实用性优于另外两个评价体系。

表7 各评价体系内梅罗污染指数临界值与污染等级划分

3.2.5 各评价体系内梅罗污染指数计算与水质评价。根据式（7）、式（8）结合表2、表3 拉鲁湿地不同时期各指标单项污染指数与表4、表5、表6 三种评价体系中各指标权重值计算出各监测点水体相应的内梅罗污染指数，再根据表7 分别对拉鲁湿地两个时期水质进行评价，评价结果见表8。由表8 可知，改进的内梅罗指数法表明，拉鲁湿地各监测点不同时期水质均存在不同程度污染，枯水期拉鲁湿地水质介于Ⅳ类到Ⅴ类，以Ⅳ类为主；丰水期拉鲁湿地各监测点水质均为Ⅳ类水。

表8 不同评价方法和评价体系对拉鲁湿地不同时期水质评价

3.2.5.1 不同评价体系对拉鲁湿地水质评价结果比较。由表8 可知，通过改进的内梅罗指数法3 种评价指标体系对拉鲁湿地两个时期水质进行评价，3 种评价指标体系对丰水期水质评价结果一致，对枯水期水质评价结果略有差异。从内梅罗污染指数方面分析，评价体系1 由于仅考虑存在污染的指标，使污染指标权重值增大，最终导致各监测点水体内梅罗污染指数均大于其他两个评价体系；评价体系2 和评价体系3内梅罗污染指数接近，是由于权重最大指标污染指数接近于零，相当于仅有最大污染指数和有实测值的指标加权参与计算。从评价结果方面分析，评价体系1和2 评价结果相同，主要是评价体系3 引入未检出指标，导致权重最大的指标改变，污染等级划分范围变宽，使评价结果相对优于其他两个评价体系，水质评价结果过保护现象明显。综合分析，仅考量有实测值指标的评价体系2 更能反映水质综合状况，在实际应用中可根据不同需求选择不同的评价体系进行水质评价。

3.2.5.2 不同评价方法对拉鲁湿地水质评价结果比较。由表8 可知，单因子指数法由于仅考虑最差指标所属类别，未考量评价体系中其他污染因子对水质的影响，导致评价结果存在偏差，同时也不能充分反映水质综合状况。改进的内梅罗指数法充分考虑了评价体系中所有指标对水质的影响，更能客观反映水质综合状况。例如，枯水期S1、S3、S4 三个监测点最差指标均为TN，单因子指数法仅考虑TN 所属类别，分别评价为劣Ⅴ类、Ⅴ类、Ⅴ类水质，而改进的内梅罗指数法充分考量了评价体系中无污染指标对水质的贡献，故评价结果优于单因子指数法，分别评价为Ⅴ类、Ⅳ类、Ⅳ类水质；枯水期S5 监测点污染因子为DO、NH3-N 和TN，最差指标为DO 和TN，均符合地表水Ⅲ类水，单因子指数法评价为Ⅲ类水质，而改进的内梅罗指数法充分考量了评价体系中所有污染指标对水质的影响，故评价结果劣于单因子指数法，评价为Ⅳ类水质。

单因子指数法不能区分不同污染类别同等级水质之间优劣情况，改进的内梅罗指数法可通过内梅罗污染指数对同类水质进行定量比较。例如，枯水期和丰水期S4监测点水质污染因子不同，单因子指数法均评价为Ⅴ类水，改进的内梅罗指数法均评价为Ⅳ类水，通过内梅罗污染指数大小可知S4监测点水质丰水期优于枯水期。同理，通过内梅罗污染指数比较，可知除S5监测点外，其余监测点水质均是丰水期优于枯水期。

4 结论

（1）单因子指数法计算简单，能直观地分析出污染因子，对单项指标的评价意义重大，但以最差水质指标所属类别来定义水体综合水质类别，容易导致评价结果出现偏差，同时也不能充分反映水体综合水质状况；改进的内梅罗指数法不仅考量了评价体系中所有污染指标对水质的影响，更是考量了评价体系中不存在污染的指标对水质的贡献，使评价结果更能反映水体综合水质状况，并且通过内梅罗污染指数可在同类水质之间进行定量比较。

（2）改进的内梅罗指数法不同评价体系由于考量的指标不同，各污染指标权重值存在差异，直接导致评价等级划分范围存在差异，仅考量污染指标和考量过多指标均会导致评价结果出现过保护现象，而仅考量有实测值指标的评价结果更能反映水体综合状况，实用性最佳。在实际应用当中，可根据不同需求选择不同的评价体系进行水质综合评价。

（3）采用单因子指数法和改进的内梅罗指数法对西藏拉鲁湿地两个时期水质进行评价，结果表明2 种方法均能在一定程度上反映拉鲁湿地各监测点不同时期的水质状况。2 种评价方法由于评价标准不同，导致评价结果略有差异。单因子指数法表明，枯水期拉鲁湿地水质介于Ⅲ类和劣Ⅴ类，以Ⅴ类为主；丰水期拉鲁湿地水质介于Ⅳ类和劣Ⅴ类，以Ⅳ类和Ⅴ类为主。改进的内梅罗指数法表明，枯水期拉鲁湿地水质介于Ⅳ类和Ⅴ类，以Ⅳ类为主；丰水期拉鲁湿地各监测点水质均为Ⅳ类水。