潘 犖，黃曉榮,，魏曉玥，張 浪

(1.四川大學水利水電學院，成都 610065；2.四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065)

河流水質評價是合理開發(fā)利用和保護河流的一項基本工作，是有效控制污染的重要措施，對于人類的生存以及經濟社會的發(fā)展具有重大的意義。河流水質評價是一個復雜的過程，要想科學準確地對河流水質進行評價，需要選用合適的指標以及科學合理的評價方法。從20世紀60年代開始，就有學者陸續(xù)提出河流水質的評價方法。在眾多方法中，我國專家學者重點關注的主要有單因子評價法、污染指數(shù)法、河流綜合水質標識指數(shù)法、模糊數(shù)學評價法、灰色聚類法、人工神經網絡評價法[1-4]等。對于上述方法，國內學者已進行了大量研究與改進工作[5-8]，具有一定的理論價值，但基于各種條件的限制，未能廣泛應用于實踐，從而缺乏現(xiàn)實意義。本文旨在利用四川省金堂縣境內沱江水系五個監(jiān)測斷面2011-2015年的實測數(shù)據(jù)，構建兩套評價指標體系，簡單介紹國際上廣泛用于評價飲用水水質的加拿大水質指數(shù)法[9,10]，并將其與我國工程實際中常用的評價河流水質的單因子評價法以及內梅羅污染指數(shù)法進行對比，以期為我國的河流水質評價提供新的思路。

1 水質評價方法

1.1 單因子評價法

單因子評價法是《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)中規(guī)定的河流水質評價方法，其將各監(jiān)測指標的實測值與國家規(guī)定的相應指標的標準限值進行對比來確定每項指標的水質類別，然后再以該監(jiān)測斷面中最差指標的水質類別作為該斷面的水質類別[11,12]。

1.2 內梅羅污染指數(shù)法

內梅羅指數(shù)是一種計權型多因子環(huán)境質量指數(shù)，兼顧了單因子污染指數(shù)的平均值和最高值，可以突出污染較重的污染物的作用，其計算公式如下[13,14]：

(1)

(2)

(3)

式中：ci表示某監(jiān)測指標實測濃度；csi表示對應監(jiān)測指標的標準限值；Ii為單項污染指數(shù)；Iimax為參與評價的最大單因子指數(shù)；Iave為參與評價的單因子指數(shù)的均值；n為監(jiān)測指標總個數(shù)；I為內梅羅指數(shù)。

1.3 加拿大水質指數(shù)(CCME WQI)法

加拿大水質指數(shù)法是國際上廣泛用于評價飲用水水質的一種方法，其從范圍(F1)、頻率(F2)、振幅(F3)3個方面考慮了各個監(jiān)測地點的監(jiān)測值是否超過了標準限值，其計算公式如下[15,16]：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

對式(8)，excursion表示未達標指標的實測值相對于標準限值的偏移量，分兩種情況討論：

對于規(guī)定了上限值的指標(負向指標)：

(9)

對于規(guī)定了下限值的指標(正向指標，如溶解氧，pH)：

(10)

式中：p為未達標的指標的數(shù)量；N為監(jiān)測指標的總數(shù)量；q為未達標的數(shù)據(jù)的個數(shù)；M為所有監(jiān)測地點的監(jiān)測數(shù)據(jù)的總個數(shù)；ci為某監(jiān)測指標實測濃度；csi為對應監(jiān)測指標的標準限值。

運用上面的公式，校正范圍、頻率、振幅3個因素，可以得到一個處于0～100的變化區(qū)間的水質指數(shù)，再據(jù)此將水質分為5級，具體分級情況見表1[10]。

表1 CCME WQI分級Tab.1 CCME WQI categorization scheme

2 實例分析

本文基于四川省金堂縣境內沱江水系2011-2015年的水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別采用單因子評價法、內梅羅污染指數(shù)法以及加拿大水質指數(shù)法(CCMEWQI)對該水系各斷面的綜合水質進行評價(斷面分布情況見圖1)。根據(jù)該地區(qū)水環(huán)境的特點，本文構建了兩套評價指標體系，以反映不同指標選擇對評價結果的影響。方案一：選用《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)中規(guī)定的24項基本項目中除去水溫的23個指標；方案二：根據(jù)金堂縣政府的要求，選用pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、揮發(fā)酚、總磷、總砷、總鎘共9個指標，選擇《地表水環(huán)境質量標準》Ⅲ類作為評價標準。3種評價方法得到的結果見表2。

2.1 評價結果

由表2可以看出，3種水質評價方法均能從一定程度上反映各斷面的水質情況，其中中河和毗河的水質較差，北河的水質最好。同時，兩套評價指標體系得到的評價結果稍有差異，單因子評價法和內梅羅污染指數(shù)法采用方案二得到的評價結果優(yōu)于采用方案一得到的結果，而加拿大水質指數(shù)法正好相反。其中，方案一涵蓋的指標較廣，得到的結果更能反映各斷面的綜合水質情況；方案二考慮的是政府重點考察的指標，得到的結果更能反映政府的需求。

2.2 分析與討論

由于3種方法的評判標準不一致，無法進行直接比較，故將上述表2的結果繪于圖2～圖4，利用各斷面水質的年際變化情況以及各年份各斷面水質的排名情況來比較3種方法的評價結果。

2.2.1 同一評價指標體系不同評價方法之間的結果對比分析

由圖2(a)可以看出(1～6分別代表Ⅰ～劣Ⅴ類)，單因子評價法很難體現(xiàn)各斷面水質的年際變化及其水質排名情況，多個斷面都具有相同的水質分級，且大多都為Ⅴ類或劣Ⅴ類水質。由圖3(a)、圖4(a)可以看出，內梅羅污染指數(shù)法及加拿大水質指數(shù)法均能在一定程度上反映各斷面水質的年際變化及其水質排名情況，且除個別斷面及年份外，兩種方法得到的結果相似。進一步分析發(fā)現(xiàn)，兩種方法主要是在評價三皇廟斷面的水質變化情況以及2011年和2015年各斷面水質排名情況時出現(xiàn)了差異，其中：在三皇廟斷面處，內梅羅污染指數(shù)法的評價結果為2013年的水質優(yōu)于2015年的水質，而加拿大水質指數(shù)法得到的結果正好相反；受此結果影響，2015年的各斷面水質排名情況也有所差異；在評價2011年各斷面水質排名情況時，內梅羅污染指數(shù)法的評價結果顯示三皇廟斷面的水質優(yōu)于毗河一橋斷面，而加拿大水質指數(shù)法的結果正好相反。為了進一步解釋產生這種差異性的原因，我們對其原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析，發(fā)現(xiàn)2013年三皇廟斷面的超標指標個數(shù)有6個，監(jiān)測數(shù)據(jù)超標個數(shù)有34個，而2015年的超標指標個數(shù)只有4個，監(jiān)測數(shù)據(jù)超標個數(shù)有33個，但2015年的總磷和總氮超標極為嚴重；2011年三皇廟斷面的超標指標個數(shù)有3個，監(jiān)測數(shù)據(jù)超標個數(shù)有16個，而毗河一橋斷面的超標指標個數(shù)只有2個，監(jiān)測數(shù)據(jù)超標個數(shù)有14個，但其氨氮和總氮的超標情況更為嚴重。這就解釋了產生上述結果的原因—內梅羅污染指數(shù)法在計算綜合水質指數(shù)時只考慮了超標量的影響，并且極端指標的超標量會對其結果產生較大影響，而加拿大水質指數(shù)法不僅考慮了各指標的超標量的影響，還同時考慮了超標指標數(shù)以及超標次數(shù)的作用，能夠很好地平抑極端指標的影響，得到一個更符合實際的結果。

圖2 單因子評價法評價結果Fig.2 Evaluation results of single-factor water quality evaluation method

圖3 內梅羅污染指數(shù)法評價結果Fig.3 Evaluation results of Nemerow index method

圖4 加拿大水質指數(shù)法評價結果Fig.4 Evaluation results of CCME WQI method

觀察圖2(b)、圖3(b)、圖4(b)，得到的結果與上述結果大體一致。由此可見，加拿大水質指數(shù)法不僅適用于飲用水水質的評價，也可用于河流水質的綜合評價。

2.2.2 同一評價方法不同評價指標體系之間的結果對比分析

由圖2～圖4可知，除個別斷面外，單因子評價法和內梅羅污染指數(shù)法采用方案二得到的評價結果均優(yōu)于采用方案一得到的結果，而加拿大水質指數(shù)法則正好相反，這表明不同的評價指標不僅會直接影響評價結果，并且其對于不同評價方法的影響還不相同。由此可見，我們亟須建立一套完善的評價指標體系，以針對不同的情況選用不同的指標做出最合理的評價。

關于評價指標體系的構建，法國提供了很好的范例。自20世紀90年代，法國便開始采用“水質評估系統(tǒng)”作為評估水質的框架，其利用適應性等級、質量指數(shù)以及質量指數(shù)分級來評估水體水質[17]。其中，就河流而言，該系統(tǒng)將其劃分為了“飲用、休閑、灌溉、家畜飲水、農業(yè)用水”這5種用途以及水生生物功能這一項功能來確定其適用性等級，并且對于不同的功能和用途采用不同的評價指標[18]。參考法國水質評估系統(tǒng)的做法，我們可以根據(jù)具體需求和考慮將評價指標進一步劃分為各個子指標體系，并由此得到各個子指數(shù)或等級來進行水質評價。除此之外，需要注意的是，在進行各斷面水質比較時，必須選用同一套子指標體系。

3 結 語

(1)本文采用單因子評價法、內梅羅污染指數(shù)法以及加拿大水質指數(shù)法對四川省金堂境內沱江水系5個斷面的水質進行了評價，結果表明3種方法均能在一定程度上反映各斷面水質情況，說明3種方法均可用于河流水質評價。

(2)單因子評價法采用“最差規(guī)則”對水質進行分級，最終水質等級僅由最差指標決定；內梅羅污染指數(shù)法雖兼顧了單因子污染指數(shù)的平均值和極值的影響，但極端指標仍會對其結果產生較大的影響，且該法只能體現(xiàn)水體是否達到了功能區(qū)目標，不能反映水體的具體類別；加拿大水質指數(shù)(CCMEWQI) 法考慮了“范圍、頻率、振幅”3個因素的共同作用，涵蓋了所有監(jiān)測指標和數(shù)據(jù)，能夠平抑極端指標的影響，同時其還能根據(jù)水質指數(shù)值進行水體分級，使同類水質水體之間的優(yōu)劣比較得以實現(xiàn)，是一種比較全面的綜合水質評價方法。

(3)不同指標的選擇不僅會影響評價結果，并且其對于不同評價方法的影響有所差異。因此，我們亟須建立一套完善的評價指標體系，根據(jù)不同的需求和考慮將評價指標劃分為不同的子指標體系，并由此求得子指數(shù)或等級來進行水質評價。