彭小玉，周理程，吳文暉，陳 軍，揭 驍

(1.湖南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，長(zhǎng)沙 410019；2. 國(guó)家環(huán)境保護(hù)重金屬污染監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410019；3.湖南省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙 410004；4. 湖南省長(zhǎng)沙生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，長(zhǎng)沙 410001)

前 言

地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)是水環(huán)境管理的基礎(chǔ)性工作。目前，地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)方法種類(lèi)繁多，我國(guó)環(huán)保部門(mén)普遍采用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法是單因子評(píng)價(jià)法，但該方法無(wú)法定量反映水質(zhì)變化。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者對(duì)多種水質(zhì)評(píng)價(jià)進(jìn)行了綜合比較及實(shí)例分析，如尹海龍等人[1]對(duì)單因子評(píng)價(jià)法、污染指數(shù)法、模糊評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法等7種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了比較研究；安樂(lè)生等人[2]以太湖流域?yàn)槔龑?duì)單因子評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)法、模糊綜合判斷法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等五種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了比較研究；張亞麗等人[3]以丹江口流域?yàn)槔龑?duì)單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)方法、模糊綜合評(píng)判法、主成分分析法、水污染指數(shù)法進(jìn)行了比較分析。諸多方法中，單因子評(píng)價(jià)法能夠給出水質(zhì)類(lèi)別，但無(wú)法定量反映水質(zhì)變化；綜合污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法能夠?qū)⑺|(zhì)量化，但無(wú)法直觀判斷水質(zhì)類(lèi)別；模糊評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等方法評(píng)價(jià)計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，可操作性差[4-5]。

為克服單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等評(píng)價(jià)方法的局限，本文采用水污染指數(shù)法對(duì)湘江長(zhǎng)沙段支流2016～2018年的水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1 評(píng)價(jià)區(qū)域和數(shù)據(jù)來(lái)源

湘江，又名湘水，是湖南省最大的河流。湘江長(zhǎng)沙段全長(zhǎng)約74km，由南向北自昭山進(jìn)入長(zhǎng)沙，經(jīng)三汊磯轉(zhuǎn)向西北，至喬口而出長(zhǎng)沙境區(qū)，境內(nèi)有靳江、瀏陽(yáng)河、撈刀河和溈水等4條主要支流，是長(zhǎng)沙居民生活用水和工業(yè)用水的重要水源，也是沿岸生活污水和工農(nóng)業(yè)廢水的納污水體，其水質(zhì)好壞直接關(guān)系到沿岸居民的身體健康和社會(huì)穩(wěn)定[6-7]。

湘江長(zhǎng)沙段4條主要支流靳江河、瀏陽(yáng)河、撈刀河和溈水共設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面17個(gè)，其中靳江河1個(gè)、瀏陽(yáng)河8個(gè)、撈刀河4個(gè)、溈水4個(gè)。評(píng)價(jià)所采用的數(shù)據(jù)為2016～2018年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中表1除水溫、總氮和糞大腸菌群以外的21項(xiàng)指標(biāo)。

圖1 湘江長(zhǎng)沙段支流監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)圖Fig.1 The monitoring sections in the tributary of Xiangjiang River in Changsha city

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 水污染指數(shù)法

水污染指數(shù)法延續(xù)了單因子評(píng)價(jià)法以污染最嚴(yán)重的指標(biāo)作為水質(zhì)類(lèi)別判斷的依據(jù)，根據(jù)水質(zhì)類(lèi)別與WPI值對(duì)應(yīng)表，應(yīng)用內(nèi)插方法計(jì)算出某一斷面每個(gè)參與水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的WPI值，選取最高的WPI值作為該斷面的WPI值[8～10]。

表1 水質(zhì)類(lèi)別與WPI值對(duì)應(yīng)表Tab.1 Water quality categories and WPI values

2.1.1 Ⅰ～Ⅴ類(lèi)水質(zhì)限值時(shí)WPI值計(jì)算方法

(1)

式中，C(i)為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)濃度值，Cl(i) 為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所在類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)的下限濃度值，Ch(i) 為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所在類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)的上限濃度值，WPIl(i) 為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所在類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)下限濃度值所對(duì)應(yīng)的指數(shù)值，WPIh(i) 為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所在類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)上限濃度值所對(duì)應(yīng)的指數(shù)值，WPI(i) 為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的指數(shù)值。

2.1.2 超過(guò)Ⅴ類(lèi)水質(zhì)限值時(shí)WPI值計(jì)算方法

(2)

式中，C5(i)為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值。

2.2 單因子評(píng)價(jià)法

單因子評(píng)價(jià)法是我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中規(guī)定的評(píng)價(jià)方法，即以水質(zhì)最差的單項(xiàng)指標(biāo)所屬的類(lèi)別來(lái)確定水體綜合水質(zhì)類(lèi)別。其方法是用水體各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)照該指標(biāo)的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，確定該指標(biāo)的水質(zhì)類(lèi)別，在所有參與評(píng)價(jià)指標(biāo)的水質(zhì)類(lèi)別中選取水質(zhì)類(lèi)別最差的那個(gè)作為水體水質(zhì)類(lèi)別。

2.3 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是對(duì)各污染指標(biāo)的相對(duì)污染指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出代表水體污染程度的數(shù)值。在一般情況下綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用，是假設(shè)各參與評(píng)價(jià)因子對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn)基本相同，采用各評(píng)價(jià)因子標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)加和的算術(shù)平均值進(jìn)行計(jì)算[7]。綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)方法的計(jì)算公式為：

(3)

(4)

式中，P綜合污染指數(shù)，Pi為第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的污染指數(shù)，Ci為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)濃度值，C0i為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值(文中?、箢?lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值)，n為參與評(píng)價(jià)指標(biāo)項(xiàng)數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 水污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果

2016-2018年湘江長(zhǎng)沙段主要支流靳江河、瀏陽(yáng)河、撈刀河和溈水17個(gè)監(jiān)測(cè)斷面水污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 2016～2018年湘江長(zhǎng)沙段主要支流水污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 The evaluation results of water pollution index method for main tributaries of Xiangjiang River in Changsha city from 2016 to 2018

由圖2可知，2016～2018年JJ-1斷面WPI值維持在40～60區(qū)間，水質(zhì)維持為Ⅲ類(lèi)，其中2017年斷面WPI值較2016年和2018年稍低，表明2017年靳江河口斷面水質(zhì)較2016年和2018年稍有好轉(zhuǎn)。

2016～2018年，瀏陽(yáng)河水域LY-1斷面WPI值維持在20，水質(zhì)維持為Ⅰ類(lèi)；LY-2斷面WPI值維持在20～40區(qū)間，水質(zhì)維持為Ⅱ類(lèi)；LY-3、LY-4、LY-5和LY-6斷面WPI值維持在40～60區(qū)間，水質(zhì)維持為Ⅲ類(lèi)，其中，除LY-4外，其余3個(gè)斷面2016～2018年斷面WPI值呈下降趨勢(shì)，表明斷面水質(zhì)在逐漸好轉(zhuǎn)；LY-7斷面2016～2017年WPI值維持在60～80區(qū)間，水質(zhì)維持為Ⅳ類(lèi)，2018年WPI值在40～60區(qū)間，水質(zhì)為Ⅲ類(lèi)，水質(zhì)逐年好轉(zhuǎn)；LY-8斷面2016～2018年WPI值逐年降低，2016～2018年水質(zhì)分別為Ⅴ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)，水質(zhì)逐年好轉(zhuǎn)。從空間層面分析，斷面WPI值從上游到下游基本呈上升趨勢(shì)，其中同為Ⅲ類(lèi)水質(zhì)的LY-3、LY-4、LY-5和LY-6斷面，根據(jù)斷面WPI值可知，LY-3斷面的水質(zhì)狀況較好，而2016年LY-5斷面的水質(zhì)狀況較差，2017～2018年LY-4斷面的水質(zhì)狀況較差。

2016～2018年，撈刀河水域LD-2斷面2016～2017年WPI值維持在20～40區(qū)間，水質(zhì)維持為Ⅱ類(lèi)，2018年WPI值在40～60區(qū)間，水質(zhì)為Ⅲ類(lèi)，斷面WPI值逐年升高，說(shuō)明水質(zhì)逐年下降；LD-1、LD-3和LD-4斷面WPI值均維持在40～60區(qū)間，水質(zhì)維持為Ⅲ類(lèi)，其中LD-1斷面2017年水質(zhì)相對(duì)較好，LD-3和LD-4斷面2017年水質(zhì)相對(duì)較差。

2016～2018年，溈水WS-1斷面WPI值維持在20～40區(qū)間，水質(zhì)維持為Ⅱ類(lèi)；WS-2和WS-3斷面WPI值均維持在40～60區(qū)間，水質(zhì)維持為Ⅲ類(lèi)，斷面WPI值逐年升高，說(shuō)明水質(zhì)逐年下降，且WS-3斷面WPI值高于WS-2斷面WPI值，說(shuō)明WS-3斷面水質(zhì)略差于WS-2斷面水質(zhì)；WS-4斷面2016年和2018年斷面水質(zhì)相對(duì)較好，WPI值均在40～60區(qū)間，2017年斷面水質(zhì)最差，WPI值在80～100區(qū)間。

3.2 與單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比

單因子評(píng)價(jià)法和水污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果列于表2。因兩種評(píng)價(jià)方法均以污染最嚴(yán)重的指標(biāo)作為斷面水質(zhì)類(lèi)別判斷的依據(jù)，故水質(zhì)類(lèi)別評(píng)價(jià)結(jié)果完全一致。但水污染指數(shù)法將水質(zhì)進(jìn)行了定量化評(píng)價(jià)，從而使水質(zhì)類(lèi)別相同的斷面可進(jìn)一步進(jìn)行水質(zhì)優(yōu)劣的比較。如JJ-1斷面2016～2018年均為Ⅲ類(lèi)水質(zhì)，通過(guò)水污染指數(shù)法評(píng)價(jià)可知，2017年水質(zhì)優(yōu)于2016年和2018年水質(zhì)；2017年瀏陽(yáng)河水域LY-3、LY-4、LY-5、LY-6斷面水質(zhì)均為Ⅲ類(lèi)，通過(guò)水污染指數(shù)法評(píng)價(jià)可知，LY-3斷面水質(zhì)優(yōu)于LY-4、LY-6、LY-5斷面水質(zhì)。

表2 2016～2018年湘江長(zhǎng)沙段主要支流單因子評(píng)價(jià)法和水污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.2 Results of single factor evaluation method and water pollution index method for main tributaries of Xiangjiang River in Changsha city from 2016 to 2018

3.3 與綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比

綜合污染指數(shù)法和水污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，除個(gè)別斷面評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異外，如2016年LY-5、LY-8和WS-3斷面，2017年LY-5斷面，2018年LY-8和WS-4斷面，其余斷面兩種評(píng)價(jià)方法所得結(jié)論基本一致。存在差異的原因在于2016年LY-5橋和WS-3斷面總磷污染較為突出，LY-8斷面氨氮污染較為突出；2017年LY-5斷面總磷污染較為突出；2018年LY-8斷面氨氮污染較為突出，WS-4斷面化學(xué)需氧量污染較為突出。綜合污染指數(shù)法是假設(shè)各參與評(píng)價(jià)因子對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn)基本相同，而水污染指數(shù)法是以污染最嚴(yán)重的指標(biāo)作為水質(zhì)類(lèi)別判斷的依據(jù)，兩種評(píng)價(jià)方法的判斷依據(jù)不同，從而導(dǎo)致個(gè)別單項(xiàng)指標(biāo)污染突出的斷面其評(píng)價(jià)結(jié)果存在差異。

圖3 2016～2018年湘江長(zhǎng)沙段主要支流綜合污染指數(shù)法和水污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.3 Evaluation results of comprehensive pollution index method and water pollution index method of main tributaries of Xiangjiang River in Changsha city from 2016 to 2018

4 結(jié) 論

本文采用水污染指數(shù)法對(duì)湘江長(zhǎng)沙段主要支流17個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并將評(píng)價(jià)結(jié)果與傳統(tǒng)的單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，水污染指數(shù)法能夠同時(shí)滿足水質(zhì)類(lèi)別評(píng)價(jià)和水質(zhì)定量評(píng)價(jià)，且評(píng)價(jià)結(jié)果與傳統(tǒng)方法基本保持一致。該方法既延續(xù)了我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)規(guī)定的單因子評(píng)價(jià)法，使其評(píng)價(jià)結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)相比具有延續(xù)性和可比性，同時(shí)又能將評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行量化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同時(shí)段不同水體、水質(zhì)類(lèi)別相同的水體等進(jìn)行優(yōu)劣比較，且計(jì)算簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)，有利于管理人員跨過(guò)繁雜的原始數(shù)據(jù)快速掌握不同水體的污染程度，是水資源保護(hù)和管理工作中一項(xiàng)有力的工具。