徐金鵬，冉志海，劉 朦，管新建，孟 鈺

（1.河南省南陽水文水資源勘測局，河南南陽 473000；2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001）

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展與人類活動影響，水體污染、水生態(tài)惡化等問題已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。為實時掌握水體水質(zhì)狀況，從保護和控制水質(zhì)角度出發(fā)，實施水質(zhì)評價是對水體質(zhì)量有效評估的重要手段［1］。因此需要探討能夠定量、定性的表達水體水質(zhì)，公平公正的水質(zhì)評價方法。由于河流的空間異質(zhì)性，水質(zhì)評價主要根據(jù)監(jiān)測斷面各污染物濃度實測值，選取恰當?shù)姆椒ㄟM行綜合評價，旨在使得評價結(jié)果真實、合理地反映水體水質(zhì)［2］。客觀合理的評價對于掌握水質(zhì)變化狀況和趨勢、確定影響水質(zhì)變化的關(guān)鍵因素及污染源、保護水資源的合理開發(fā)利用起著舉足輕重的作用［3］。

目前水質(zhì)評價在污染控制和資源管理中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著歐盟2000年頒布的《水框架指令》從流域尺度給出實施污染物綜合管理的措施，水質(zhì)評估在河流中越來越重要［4-6］。選擇合適的評價方法是客觀、合理地評價水質(zhì)狀況的前提。常用的方法有其優(yōu)缺點，如灰色聚類法［7］在選擇評價函數(shù)時有較強的人為主觀性，但操作簡單；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［8］考慮了各指標間關(guān)聯(lián)度，評價指標選取全面，評價結(jié)果較為合理，但是操作性較難且對數(shù)據(jù)要求極高；模糊數(shù)學(xué)評價法［9，10］將影響因素定量化，其關(guān)鍵在于污染物權(quán)重的確定，但忽略了各指標間的相互聯(lián)系。內(nèi)梅羅指數(shù)法也是學(xué)者常用的評價方法之一，其操作簡單明了，但突出了最大污染指數(shù)對水質(zhì)的影響，易造成夸大某些污染物對水質(zhì)的影響，同時對各污染指標權(quán)重因素考慮不足［11-13］。因此，本文對傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法進行改進，利用層次分析法和熵權(quán)法確定各污染物的組合權(quán)重，充分考慮各污染物對水質(zhì)的影響，采用修正最大污染指數(shù)計算方法削弱污染指數(shù)最大值的主導(dǎo)作用，并以南陽市白河為研究對象，利用此改進方法對其4 個監(jiān)測斷面2015-2018年水質(zhì)污染指標進行評價，根據(jù)斷面監(jiān)測點水質(zhì)等級利用反距離權(quán)重法對水質(zhì)等級進行空間插值，得到白河流域的水質(zhì)等級空間分布，從而進行時空變化分析，將點面分析相結(jié)合，旨在使得評價結(jié)果合理反映白河實際水質(zhì)狀況。

1 改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法及空間插值法

1.1 傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)法

傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法是通過污染因子的實測值Ci與對應(yīng)的指標標準Si來確定單因子污染指數(shù)Fi，進而求解內(nèi)梅羅指數(shù)P［14］。計算公式如下：

式中：maxFi為傳統(tǒng)最大污染指數(shù)；Fˉi為平均污染指數(shù)。

1.2 改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法

傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)主要根據(jù)最大污染指數(shù)和指標平均值進行求解，忽略了各指標權(quán)重對水質(zhì)影響，故利用層次分析法和熵權(quán)法確定各污染物的組合權(quán)重，充分考慮各污染物對水質(zhì)的影響，以彌補權(quán)重引起的不足，提高水質(zhì)評價的準確性；并改善最大污染指數(shù)計算方法，引入權(quán)重最大污染指數(shù)及平均污染指數(shù)來削弱污染指數(shù)最大值的主導(dǎo)作用，由此對傳統(tǒng)內(nèi)梅羅進行改進。

1.2.1 改進內(nèi)梅羅指數(shù)確定方法

為削弱污染指數(shù)最大值的主導(dǎo)作用，引入最大權(quán)重污染指數(shù)maxFω、加權(quán)平均污染指數(shù)來修正最大污染指數(shù)的計算，采用加權(quán)平均法確定平均污染指數(shù)：

式中：P′為修正的內(nèi)梅羅指數(shù)，ωi為組合權(quán)重，組合權(quán)重采用主客觀組合賦權(quán)確定，主觀權(quán)重w(AHP)i采用層次分析法、客觀權(quán)重w(E)i采用熵權(quán)法，根據(jù)最小相對信息熵原理，用拉格朗日乘子法優(yōu)化進行組合權(quán)重計算，如下：

1.2.2 組合賦權(quán)的權(quán)重確定方法

（1）層次分析法。層次分析法是將某一目標拆解為多層次多指標，分析同一層次各指標兩兩元素之間的重要性，從而將指標定性表達得出各層次的排序，進而求得目標層的權(quán)重值［15］。本研究將目標層定義為水質(zhì)評價指標權(quán)重，將基準層定義為水質(zhì)類別Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類，將方案層定義為水質(zhì)污染指標。

首先構(gòu)建判斷矩陣。兩兩比較同一層次的各指標的重要性結(jié)合標度表，得到判斷矩陣A：

根據(jù)式（6）計算各指標的權(quán)重值w(AHP)i：

然后按式（7）～（9）進行一致性檢驗：

計算最大特征檢驗數(shù)λmax：

計算CI值：

計算CR：

式中：CR一致性比例；為RI取值查閱層次階數(shù)表可得，CR＜0.1即通過一致性檢驗。

（2）熵權(quán)法。熵權(quán)法能將多個指標轉(zhuǎn)換為一個綜合指數(shù)，處理了指標不統(tǒng)一標準的問題，是一種克服了評價指標受人為主觀性影響的客觀方法，能比較客觀反映各指標對評價目標的貢獻程度［16］。

首先計算相對隸屬度矩陣。m個評估對象，n個評估所組成的相對隸屬度矩陣R=(rij)m×n（i=1～m，j=1～n）是根據(jù)式（10）～（11）進行標準化處理得到的：

其次計算各指標的比重fij及熵值Hi。根據(jù)式（12）～（13）確定評價指標的熵值，計算如下：

計算各項指標權(quán)重w(E)i：

1.3 反距離權(quán)重法

反距離權(quán)重法是依據(jù)空間異質(zhì)性和空間相關(guān)性從而進行加權(quán)平均內(nèi)插的空間插值法，主要利用觀測點與插值點之間的距離得出空間分布特征，該法認為距離觀測點越近影響越大，是反距離插值的［18］。該法體現(xiàn)了空間變化特征，所以常用于生態(tài)環(huán)境治理及災(zāi)害管理中。

由于河流的空間異質(zhì)性，各區(qū)域水質(zhì)受上下游位置、地形分布等影響。本研究將改進內(nèi)梅羅指數(shù)法的水質(zhì)等級標準作為依據(jù)，并根據(jù)改進方法評價后的各監(jiān)測斷面的水質(zhì)等級，利用ArcGIS中的反距離權(quán)重法對監(jiān)測斷面進行插值，從而得到整個流域的水質(zhì)等級空間分布，對流域空間分布進行可視化分析。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

白河流域干流在南陽市內(nèi)主要流經(jīng)南召縣、南陽市區(qū)和新野縣（32°05′～33°55′N，111°15′～113°55′E），總面積1.22 萬km2。水資源總量51.93 億m3，多年平均降雨量達到826.7 mm，水資源豐富、水系發(fā)達（見圖2）。然而，由于近年來的采砂行為，阻礙了河流水系的流通性，且南陽市城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程的加快，導(dǎo)致大量污水排入白河，河水中污染物（COD、NH3-N、TP、BOD5）濃度含量劇增，導(dǎo)致白河水體受到嚴重污染，魚類生存環(huán)境差。且河道內(nèi)外的部門之間競爭性用水加劇，導(dǎo)致河道內(nèi)生態(tài)水量被不斷擠占與壓縮，從而導(dǎo)致河道內(nèi)水生態(tài)系統(tǒng)退化甚至破壞。隨著南陽工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、城市生活及改善生態(tài)環(huán)境的需要，有限的水資源滿足不了用水需求，供需矛盾日趨突出，水環(huán)境狀況日益惡化。為掌握白河水質(zhì)狀況，亟須對白河水質(zhì)進行評價。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本次評價以南陽白河2015-2018年的鴨河口水庫、南陽市臥龍區(qū)丁奉店村、瓦店、新甸鋪水文站4 個監(jiān)測斷面為對象（見圖1中的1、2、3、4 標號），選取溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）6 個污染指標進行水質(zhì)評價分析。相關(guān)數(shù)據(jù)來源于《南陽水文水資源勘測局》，見表1。

表1 2015-2018年各斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)mg/LTab.1 Water quality monitoring data of each section from 2015 to 2018

3 結(jié)果與分析

3.1 組合賦權(quán)的權(quán)重

采用層次分析法與熵權(quán)法，計算各指標的主觀權(quán)重與客觀權(quán)重，并根據(jù)式（4）～（14）得到組合權(quán)重值，結(jié)果如表2所示。根據(jù)主觀權(quán)重和組合權(quán)重結(jié)果，NH3-N 和COD 兩個指標權(quán)重值最大，而NH3-N 和COD 的主要來源是生活污染和工業(yè)廢水的排放，表明城鎮(zhèn)化率增大和工業(yè)發(fā)展在一定程度上加劇了水體惡化，工業(yè)排污標準及保護水質(zhì)意識有待提升；而在客觀權(quán)重及組合權(quán)重結(jié)果中，DO 指標權(quán)重值最小，溶解氧是各種水生生物呼吸代謝的基礎(chǔ)，其高低直接反映了生物的生存繁衍和水體的自凈作用，對維護水體天然環(huán)境至關(guān)重要。

表2 各指標主客觀權(quán)重Tab.2 Subjective and objective weight of each indicator

3.2 基于傳統(tǒng)-改進內(nèi)梅羅指數(shù)法的斷面水質(zhì)評價

本次水質(zhì)計算指標選?、蝾悶樗|(zhì)標準，根據(jù)式（3）～（4），對各污染指標進行Ⅱ類水質(zhì)標準的改進內(nèi)梅羅指數(shù)水質(zhì)級別劃分［17］（見表3），并計算各斷面逐年改進內(nèi)梅羅指數(shù)，并對照水質(zhì)等級劃分表進行水質(zhì)級別評判，同時與傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法進行對比分析，結(jié)果如表4和圖2所示。

表3 改進內(nèi)梅羅指數(shù)水質(zhì)等級劃分表Tab.3 Improved Nemerow index water quality grading table

表4 各斷面兩種評價方法評價結(jié)果Tab.4 Evaluation results of two evaluation methods for each section

根據(jù)圖2可知，從時間維度看：除南陽市臥龍區(qū)丁奉店村斷面指數(shù)變化較大（越來越小），其余每年各斷面水質(zhì)指數(shù)變化幅度不大；從空間維度看：內(nèi)梅羅指數(shù)在南陽市臥龍區(qū)丁奉店村斷面最大（每年水質(zhì)均為Ⅳ類水）。分析原因，一方面是因為南陽市臥龍區(qū)丁奉店村斷面位于南陽市區(qū)，市區(qū)是經(jīng)濟發(fā)展快速的區(qū)域，與經(jīng)濟發(fā)展相并而來的是污染物排放量的逐漸增加，經(jīng)過市區(qū)水質(zhì)受到不同程度的污染，使得南陽市臥龍區(qū)丁奉店村斷面內(nèi)梅羅指數(shù)最大；另一方面是因為南陽市區(qū)實施有效的限制排污措施，使得水質(zhì)有所轉(zhuǎn)化，所以南陽市臥龍區(qū)丁奉店村斷面的內(nèi)梅羅指數(shù)越來越小，但是該斷面每年的水質(zhì)均為Ⅳ類水，還需進一步加強排污監(jiān)管。

從傳統(tǒng)與改進評價方法對比來看：傳統(tǒng)指數(shù)高于改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法。這是因為傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法依賴于濃度含量最高的污染物，往往忽略其他污染物對水體水質(zhì)的影響，易造成評價結(jié)果偏差；從改進的內(nèi)梅羅指數(shù)評價結(jié)果來看，除南陽市臥龍區(qū)丁奉店村斷面水質(zhì)每年均為Ⅳ類水，其余斷面的水質(zhì)均在Ⅲ類及以上，改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法采用主客觀賦權(quán)的方法，避免了主觀賦權(quán)對污染嚴重指標的賦權(quán)過大，同時克服了客觀賦權(quán)造成的權(quán)重平均化，因此評價更為合理。

3.3 基于空間插值的白河流域水質(zhì)空間變化分析

根據(jù)改進內(nèi)梅羅指數(shù)水質(zhì)等級劃分表（表3）及各個斷面點計算得到的修正內(nèi)梅羅指數(shù)，結(jié)合ArcGIS10.2 軟件中的空間分析-插值分析-反距離權(quán)重法，得到流域內(nèi)各水質(zhì)等級空間分布圖，見圖3。

在流域水質(zhì)等級空間分布上：從圖3可以看出，白河流域無較優(yōu)（Ⅰ類）及較差（Ⅴ類）水質(zhì)等級區(qū)域。鴨河口水庫小范圍之內(nèi)（2016年及2017年范圍較大）區(qū)域水質(zhì)最佳，達到Ⅱ類水質(zhì)標準；流域上游及下游區(qū)域（2015年及2016年為部分區(qū)域）水質(zhì)屬于Ⅲ類水質(zhì)標準；在上游流入南陽市區(qū)及其市區(qū)流經(jīng)的區(qū)域（2017年及2018年僅僅為南陽市區(qū)部分區(qū)域），水質(zhì)最差，達到Ⅳ類水質(zhì)標準。整個流域水質(zhì)等級空間差異性較大。這與流域內(nèi)人口與經(jīng)濟分布相對應(yīng)，隨著南陽城鎮(zhèn)化的發(fā)展，越靠近市中心區(qū)域，人口越密集，工業(yè)區(qū)密集。COD 及BOD5主要污染源是生活污水和工業(yè)廢水的排放，這就使得南陽市中心區(qū)域水質(zhì)最差。且白河為南陽母親河，為保護白河水質(zhì)，2015年南召縣人民政府發(fā)布《關(guān)于建立鴨河口水庫水生態(tài)環(huán)境保護長效機制的實施意見》文件，提出對鴨河口水庫水生態(tài)保護若干意見及責(zé)權(quán)，使得鴨河口區(qū)域水質(zhì)較好。

在流域水質(zhì)等級時間分布上：Ⅱ類水只出現(xiàn)在鴨河口水庫附近區(qū)域（2017年除外），且出現(xiàn)的面積2017年最大，2016年次之，2015年及2018年較小。Ⅲ類水面積有增加的趨勢，Ⅳ類水出現(xiàn)的面積逐漸減小，整體水質(zhì)趨于好轉(zhuǎn)。南陽市環(huán)保局2012年印發(fā)執(zhí)行《唐白河流域水污染綜合整治實施方法》，針對唐白河出現(xiàn)的水污染進行治理，白河是其中的重要實施區(qū)域，引發(fā)對水質(zhì)污染治理的重視。隨后2015年的《關(guān)于建立白河水生態(tài)環(huán)境保護長效機制的意見》及省常委2017年頒布的《南陽市白河水系水環(huán)境保護條例》等相關(guān)文件出臺，使得南陽白河流域水質(zhì)有好轉(zhuǎn)的趨勢，可見政策的支持與推行對水環(huán)境保護有顯著作用，能有效調(diào)動各用水主體保護生態(tài)環(huán)境的積極性，促進經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

4 結(jié) 語

本文采用改進內(nèi)梅羅指數(shù)法對南陽市白河4 個監(jiān)測斷面2015-2018年的水質(zhì)污染指標進行評價，并根據(jù)各監(jiān)測斷面點的水質(zhì)等級結(jié)合反距離權(quán)重空間插值法，得到整個流域水質(zhì)等級空間分布，主要得出以下結(jié)論。

（1）改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法采用主客觀賦權(quán)的方法，充分考慮各污染物含量對水體的影響程度，同時對修正最大污染指數(shù)的計算引入權(quán)重最大污染指數(shù)和加權(quán)平均污染指數(shù)，以削弱最大值的影響；與傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法相比克服了權(quán)重及突出極大值的影響，使得評價結(jié)果更為準確、合理。

（2）由改進的內(nèi)梅羅指數(shù)水質(zhì)評價結(jié)果表明，南陽市臥龍區(qū)丁奉店村斷面水質(zhì)每年均為Ⅳ類水，但有逐年下降的趨勢，表明污染得到了一定的控制，其余斷面的水質(zhì)均在Ⅲ類及以上。評價結(jié)果與斷面實際監(jiān)測數(shù)據(jù)情況相符，該方法較為合理，具有一定的操作性。

（3）根據(jù)ArcGIS 空間插值法-反距離權(quán)重插值法可以較為全面反映整個流域水質(zhì)等級空間分布情況，使得水質(zhì)等級空間分布更加可視化，將點（監(jiān)測斷面點）面（整個流域）分析相結(jié)合，使得分析更加全面合理?！?/p>