周 默

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

綜合水質(zhì)標識指數(shù)法是一種利用一組由4位有效數(shù)字組成的綜合水質(zhì)標識指數(shù)來反映綜合水質(zhì)情況的水質(zhì)評價方法。相較于單因子水質(zhì)評價法[1]、內(nèi)梅羅指數(shù)法[2]、模糊數(shù)學法[3]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法[4]、物元分析法[5]等常用的水質(zhì)評價方法，綜合水質(zhì)標識指數(shù)法計算過程簡單、評價結果信息豐富且科學直觀，同時能夠?qū)α英躅愃M行進一步評價，是一種易于掌握且適合推廣的水質(zhì)評價方法。本文通過對結合了不同賦權方式的綜合水質(zhì)標識指數(shù)法進行分析比對，并對鞍山市境內(nèi)太子河河段進行水質(zhì)評價，以了解目標河段的綜合水質(zhì)情況，同時為綜合水質(zhì)標識指數(shù)法在河流水質(zhì)評價工作中的應用提供實例參考。

1 評價方法

1.1 綜合水質(zhì)標識指數(shù)

綜合水質(zhì)標識指數(shù)由一組4位數(shù)字組成，包含了參評斷面的綜合水質(zhì)類別、達標情況等多方面的信息[6]。綜合水質(zhì)標識指數(shù)結構如下：

WQI=X1X2X3X4

(1)

式中：X1為綜合水質(zhì)類別；X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處的位置；X3為參評指標中劣于水環(huán)境功能區(qū)目標的水質(zhì)指標個數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類別與水環(huán)境功能區(qū)類別的比較結果。

綜合水質(zhì)標識指數(shù)計算的關鍵在于X1X2的計算，計算公式如下：

(2)

式中：ωi為各參評因子的單因子水質(zhì)標識指數(shù)的權重；Pi為單因子水質(zhì)標識指數(shù)。

由式(2)可知，權重系數(shù)的不同會給水質(zhì)評價工作帶來不同的結果。因此，賦權方法的選擇至關重要。本文選擇了算數(shù)平均法、超標倍數(shù)法、熵值賦權法3種常用的賦權方法進行比較分析。

1.1.1 算數(shù)平均法

算數(shù)平均法是綜合水質(zhì)標識指數(shù)法的傳統(tǒng)賦權方式，對所有參評指標賦予相同的權重，即X1X2等于各項參評指標的單因子水質(zhì)標識指數(shù)的算數(shù)平均值。

1.1.2 超標倍數(shù)法

根據(jù)各參評指標的單因子水質(zhì)標識指數(shù)來確定權重，計算公式如下：

(3)

式中：n為參評因子個數(shù)。

1.1.3 熵值賦權法[7]

在信息論中，熵值是系統(tǒng)有序化程度的一個度量，可以用來度量數(shù)據(jù)所提供信息量的大小。通過確定評價指標的熵值可進一步計算相應指標的權重,具體計算步驟如下：

a.建立評價指標矩陣。設有m個評價對象，n個評價指標，則有

R=(rij)mn(i=1，2，…，m；j=1,2，…，n)

(4)

b.歸一化處理。

(5)

c.計算各指標的熵值。

(6)

其中

d.計算各指標的權重。

(7)

1.2 綜合水質(zhì)類別的判定

綜合水質(zhì)標識級別評價的判斷標準[6]見表1。

表1 基于綜合水質(zhì)指數(shù)的綜合水質(zhì)類別判定

1.3 綜合水質(zhì)隨時空變化的評價

綜合水質(zhì)隨時空的變化可用圖形進行表述，同時也可進行定性評價，表達為基本不變、輕微變化及顯著變化[6]，具體評價標準見表2。

表2 綜合水質(zhì)隨時空變化的判斷標準

2 評價結果

2.1 斷面概況

選取小河口、小姐廟以及三岔河3個斷面進行水質(zhì)評價。其中，小河口水質(zhì)站為太子河干流斷面，位于海城市高坨鎮(zhèn)高坨村，屬于地表水省級重點水質(zhì)站；小姐廟水質(zhì)站為太子河干流斷面，位于海城市牛莊鎮(zhèn)小西村，屬于地表水國家重點水質(zhì)站；三岔河水質(zhì)站為渾河、太子河匯流后首個水質(zhì)監(jiān)測斷面，位于海城市西四鎮(zhèn)八家子村，屬于地表水國家重點水質(zhì)站。

根據(jù)3個監(jiān)測斷面2021年的檢測數(shù)據(jù)，選取DO、CODMn、BOD5、NH3-N、TP 5個水質(zhì)監(jiān)測指標，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)的地表水Ⅲ類水質(zhì)的相關限值進行水質(zhì)評價工作[8]。

2.2 單因子水質(zhì)標識指數(shù)法評價結果

從單因子水質(zhì)標識指數(shù)法評價結果來看，小河口斷面2月為劣Ⅴ類水質(zhì)、3月為Ⅳ類水質(zhì)，主要污染因子為NH3-N，其他月份均為Ⅲ類及以上水質(zhì)；小姐廟斷面1月為Ⅳ類水質(zhì)、2月為Ⅴ類水質(zhì)、10月為劣Ⅴ類水質(zhì)，主要污染因子為NH3-N、TP，其他月份均為Ⅲ類及以上水質(zhì)；三岔河斷面2月為Ⅴ類水質(zhì)，1月、3月、8月為Ⅳ類水質(zhì)，主要污染因子為NH3-N、DO，其他月份均為Ⅲ類及以上水質(zhì)。單因子水質(zhì)標識指數(shù)法評價結果見表3。

表3 單因子水質(zhì)標識指數(shù)法水質(zhì)評價結果

水體中過量的氮磷主要來源于農(nóng)業(yè)退水、生活污水、人畜的糞便、工業(yè)廢水等[9]。而渾河、太子河流域人口密集，工農(nóng)業(yè)發(fā)達，應注重可能引起水體氮磷含量升高的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污水以及生活污水排放的管理。

2.3 綜合水質(zhì)標識指數(shù)評價結果

2.3.1 綜合水質(zhì)類別評價

相較于單因子水質(zhì)標識指數(shù)法的評價結果，綜合水質(zhì)標識指數(shù)法的評價結果更優(yōu)。這主要是因為綜合水質(zhì)標識指數(shù)法考慮了所有參評指數(shù)對綜合水質(zhì)的影響，同時能夠通過不同的權重計算方法使評價結果得到優(yōu)化，從而使評價結果能夠更加科學合理地反映水體的綜合水質(zhì)情況。

由表4可知，不同的賦權方法所得到的評價結果有所差異。算數(shù)平均法采用等權重的賦權方式，即對所有參評指標賦相同的權重，這種方式重視各評價指標的整體影響，忽略了各指標之間的差異。超標倍數(shù)法考慮了污染嚴重指標的貢獻力，即污染越嚴重的指標，權重賦值越大，這種方式過于突出主要污染物的影響，導致計算結果偏大。熵值賦權法僅依賴于數(shù)據(jù)本身的離散性，客觀性較強[10]，同時，綜合考慮了各參評指標之間的內(nèi)在聯(lián)系，既能體現(xiàn)各指標之間的差異又能夠避免異常值對評價結果的影響。因此本文采用結合熵值賦權法的綜合水質(zhì)標識指數(shù)法的評價結果。

由綜合水質(zhì)標識指數(shù)法的評價結果可知，各斷面的年均水質(zhì)均為Ⅱ類。但從各月水質(zhì)評價結果上看，小河口斷面2月為Ⅴ類水質(zhì)，其他月份均能達到Ⅲ類水質(zhì)及以上；小姐廟斷面10月為Ⅳ類水質(zhì)，其他月份均能達到Ⅲ類水質(zhì)及以上；三岔河斷面各月皆為Ⅲ類水質(zhì)及以上。評價結果見表4和圖1。

表4 綜合水質(zhì)標識指數(shù)法評價結果

圖1 各斷面綜合水質(zhì)標識指數(shù)變化示意圖

2.3.2 綜合水質(zhì)隨時空變化的評價

由表5和表6可以看出，3個斷面1—2季度、3—4季度之間水質(zhì)變化相對顯著，且2季度、3季度水質(zhì)較好。這可能與北方降水以及氣溫的變化規(guī)律有關，1季度、4季度北方氣溫偏低，降水減少，水體自凈能力下降使得污染物濃度較高。

表5 季度綜合水質(zhì)標識指數(shù)法評價結果

表6 季度間變化的評價結果

由表2和表4經(jīng)過計算可知，小河口斷面至小姐廟斷面河段變化了4.2%，為基本不變；小姐廟斷面至三岔河斷面河段變化了4.3%，為基本不變。

根據(jù)河段隨時空變化的評價結果不僅可以了解具體變化的程度，同時給出了定性的評價結果，結果更加直觀，有助于公眾對水質(zhì)變化的理解。

3 結 語

a.單因子水質(zhì)標識指數(shù)法因過于突出最大污染因子的影響，從而導致評價結果偏高，并不適合在綜合水質(zhì)評價工作中單獨使用，但單因子水質(zhì)標識指數(shù)法的評價結果能夠幫助相關工作人員迅速識別超標因子。

b.綜合水質(zhì)標識指數(shù)法能夠客觀地反映綜合水質(zhì)狀況，同時能夠定量定性地分析綜合水質(zhì)情況以及水質(zhì)在時間和空間上的變化，并能夠進行同類水質(zhì)間的比較。這不僅能夠為相關工作人員提供數(shù)據(jù)，同時定性的分析結果也能夠方便公眾了解水質(zhì)及其變化程度。不同的賦權方式能夠產(chǎn)生不同的評價結果，利用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法進行綜合水質(zhì)評價工作時應根據(jù)工作需要選擇合適的賦權方式。

c.經(jīng)過分析比對，本文選擇結合熵值賦權法的綜合水質(zhì)標識指數(shù)法進行目標河段的水質(zhì)分析，結果顯示評價河段主要污染因子為NH3-N、TP，應注意沿線生產(chǎn)、生活廢水的收集與排放管理。