我國河流水質綜合評價方法研究

1河流水質綜合評價的困境河流污染是中國最大的水環境問題，與經濟發展和人民生活質量密切相關。現在它也是國家管理的中心。為保護水資源,控制水污染,滿足國家對各流域的水環境質量進行系統規劃和管理的要求,首先需要掌握全國水環境污染的時間和空間分布。區域水環境質量評價作為水資源保護的一項重要基礎性工作,是進行水資源系統管理的一項重要依據。而由于河流水質綜合評價自身存在的特殊性,其評價方法的缺陷一直是對水資源進行科學管理的瓶頸之一。主要表現為:(1)迄今沒有一個被大家公認通用的、具有可比性的水質綜合評價數學模型。各地各部門在進行水質評價時,選用模型的任意性很強,評價的結果不便于與其它地區水質狀況進行比較,因而也不能準確反映本地的相對污染狀態,國家難以全面掌握水環境污染的時空分布態勢,其結果難以被公眾接受,達不到水質評價的目的。1999年12月在廣州召開的全國綜合評價技術研討會提出,要把水環境綜合評價方法的統一和改進問題作為目前需要重點解決的問題之一。(2)缺乏比較客觀的確定環境因子權重的量化方法。在多因子的水質綜合評價中,各因子對環境污染的貢獻是不同的,而目前缺乏統一的客觀的定權方法,這對評價結果的可比性影響較大。2河流水質綜合評價方法我國1974年提出用數學模式綜合評價水污染至今,關于河流水質綜合評價方法的研究比較活躍,到現在為止,各家提出的綜合評價水質的方法或指數就有二、三十種。概括起來可大致分為指數法和不確定性方法兩大類。2.1污染綜合評價的建立這類模式的特點在于均以監測數據與評價標準之比作為分指數,然后通過數學綜合運算得出一個綜合指數,以此代表水體的污染程度,以及進行不同河流或同一河流不同時期的水質比較。指數化綜合評價是對整體水體質量的定量描述,只要項目、標準、監測結果可靠,綜合評價從總體上看是可以基本反映污染的性質和程度的。而且對于全國流域尺度而言,指數化綜合評價方法計算簡便,便于進行水系之間或同一水系時間上的基本污染狀況和變化的比較。因此中國環境監測總站在進行水質評價時采取了這種方法。對分指數的處理不同,使指數法存在著不同的形式。如簡單迭加型、算術平均型、加權平均型、內梅羅水質指數和羅斯水質指數等。如果從國家對全國河流水質統一管理、統一評價和進行環境保護的需要來看,各種方法存在的共同缺欠在于都不能很好地與國家統一的水質功能類別相一致,各種方法都各自按其指數大小分出了污染等級,但這樣的評價結果只能定性地說明污染程度是輕、嚴重還是非常嚴重,不能確定其功能類別為幾類。如1996年度環境質量報告書中,淮河淮南段污染指數較蚌埠段大,水質類別卻是淮南Ⅳ類,蚌埠Ⅴ類。2.2綜合水質評價時的適用性近年來國內關于環境質量評價方法的研究中,不確定性方法的研究非常廣泛和活躍,其中多數已見于對水環境質量的評價。研究者認為,水體是一個充滿不確定性因素、變化復雜的環境,其中進入水體的污染物成分和數量是隨時間和空間變化的不確定量,水質級別、分類標準都存在著模糊性,因而水環境系統是一個有著隨機性、模糊性和灰色性的不確定的系統。傳統的不確定性研究方法主要是隨機理論、模糊集理論、灰色系統理論、熱力學理論和信息論,近年來發展了各種耦合方法,并引入新的不確定性研究方法,如人工神經網絡、物元分析法、集對分析法和TOPSIS法等。展現了我國水環境研究方法的百花齊放、百家爭鳴的特色。用不確定性方法進行環境質量評價,從理論上講,由于體現了環境中客觀存在的模糊性和不確定性,符合客觀規律,具有一定的合理性。但是用于綜合水質評價時,存在以下共同的問題沒有明確,影響其適用性:(1)對綜合水質評價目的的理解。水質評價只有在明確用途、目的的前提下,有針對性地選擇適當的項目及相應標準進行評價,才是正確有效的評價。而目前對水質評價方法的研究則存在著就方法論方法而不研究其用途的現象,籠而統之地選取GB3838-88為標準,而評價結果僅是污染輕重程度的分類,與標準規定的功能類別相混淆。我們認為,以GB3838-88為標準的綜合水質評價,其目的是為了有效地保護環境、維護生態平衡,為管理者提供準確的水質信息,作為統一管理、規劃、控制水質污染的依據。因此評價的結果應具有代表性和可比性,應能反映水質的功能類別,而不應是一個模糊的污染程度為某類的概念。(2)對水環境質量標準的理解。不確定性方法認為,水質類別標準是一些模糊概念,認為當兩個樣本中,某種污染物濃度相差不大卻被劃分為兩類并不合理,因此在評價時往往將標準視為參考值。這在大氣或多介質的環境質量綜合評價中是合理的,但在河流水質的綜合評價中卻是行不通的。這是由人和生物對河流水質的敏感性決定的,河流水質標準是“限值”的概念,水中污染物成分復雜,任何一種污染物超標都對水體功能造成破壞。如為保證生態學上不產生有害作用,CN-不允許超過0.04mg/L,這相當于Ⅱ類標準的限值(0.05mg/L),超過這個濃度將不能作為Ⅱ類功能使用,即“適用于集中式生活飲用水水源地一級保護區,珍貴魚類保護區,魚蝦產卵場等”。(3)對綜合水質類別的理解。用不確定性方法進行綜合水質類別判定時認為,要考慮所選取的指標的綜合作用,如果多數指標級別較低,而僅有幾項指標級別高,則不應把綜合水質定為較高級別。而實際上,國標GB3838-88中對地面水綜合評價已確定悲觀的原則,即以單項指標最差所屬級別確定其綜合水質級別。這是符合實際的,因為若某項指標嚴重超標,已不適于飲用卻仍評為可作為飲用水源地的Ⅲ類水,將給人民生命健康帶來威脅。許多實際工作者已經注意到,數學模型的有效性并不同數學模型本身的繁雜程度來決定。數學模型實質上是一種反映真實系統的手段,模型的性質應當適合于所研究問題的性質。有些數學模型模式選取越來越復雜,計算結果越來越繁多,模型本身看來很完善,卻忽視了水質評價的特性,難以在實際工作中發揮作用。水質綜合評價工作應從實際出發,要從簡練明了入手,達到評價目的即可,應發展標準化的計算方法和評價方法,使評價結果有代表性和可比性。3城市河流水質評價的必要性我們認為,以適應國家對水資源系統規劃、管理和決策的需要為目的,水質綜合評價方法應滿足以下要求:(1)對我國各大流域有一定的普遍適用性,其結果能反映我國河流污染的特點,給決策者提供我國河流污染的空間分布信息。(2)要便于時間比較。能反映某條河流水質隨時間的變化情況。(3)要能反映河流水質評價的特殊性。水質綜合評價與其它介質評價的區別在于:水質評價采取了悲觀的原則,國標GB3838-88中規定,“若某水體中,有一項污染指標的濃度值超過相應標準規定的濃度限值,則表明該水體不支持這一水質類別的使用功能”,水質標準反映的是某種使用功能的允許值,這點是不同于大氣或噪聲的污染程度的評價的。(4)要便于公眾接受。評價結果要簡單、明了,意義明確。一方面給決策者一目了然的水質污染信息,另一方面使群眾易于接受,發揮監督作用。4與水質類別正負關聯指數法由于其計算簡便,并且評價結果便于比較,因此比較適合管理者對流域尺度的統一管理、規劃和控制。目前國家的環境質量報告書中仍采用這種方法。但現有的綜合污染指數采用的是分指數算術平均的方法,視各種污染物對水質的影響等同,缺乏科學性,并且其結果與水體的功能類別不統一,存在矛盾的現象(如水質類別差的反而污染指數小)。若綜合污染指數與水質類別統一起來,并給與科學的權重,將大大提高指數法的適用性。根據這種情況,作者提出了一種改進的綜合水質指數。4.1wi的算法其公式為:Ρj=qj+ρ×n∑i=1wiΡij∑wiPj=qj+ρ×∑i=1nwiPij∑wi式中,Pj為j斷面的綜合水質指數;qj為j斷面綜合水質類別(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ及劣Ⅴ類分別對應1,2,3,4,5,6);ρ為系數,它的作用是滿足ρ×n∑i=1wiΡij∑wi＜1Pij為j斷面i項污染指標的分指數(為濃度值與標準值的比值,這里取Ⅰ類標準值);Wi為i項污染指標的權重。這樣綜合水質指數就由整數和小數兩部分構成:整數部分代表斷面水質功能類別,使綜合水質指數與水質類別統一起來;小數部分為各污染指數的加權平均,以區別同類水質的優劣,提高了分辨率。Wi的算法如下:wi=si1si5這種定義權重的方法是以污染物超標倍數對河流水質的貢獻率大小為依據的。例如,水質標準中總氰化物Ⅴ類標準為Ⅰ類標準的40倍,而高錳酸鹽指數Ⅴ類標準為Ⅰ類標準的5倍,那么,如果總氰化物和高錳酸鹽指數濃度都達到Ⅰ類標準的10倍,則對總氰化物來說仍為Ⅱ類,而高錳酸鹽指數則達到了劣Ⅴ類。也就是說高錳酸鹽超標比氰化物超標對水質污染的貢獻大。根據這種思想,高錳酸鹽的權重應為總氰化物權重的8倍。公式中ρ是經驗系數,要考慮到小數即不能過小,又要具有較高的分辨率。作者經實際大量數據驗證,選取如下:當水質類別為Ⅰ類時,ρ=1;當水質類別為Ⅱ類時,ρ=0.47;當水質類別為Ⅲ類時,ρ=0.45;當水質類別為Ⅳ類時,ρ=0.41;當水質類別為Ⅴ類時,ρ=0.18;當水質類別為劣Ⅴ類時,ρ=0.17。當水質類別為劣Ⅴ類時,可能出現指數過大,ρ=0.17仍不能使ρ∑WiPij/∑Wi<1,則規定ρ∑WiPij/∑Wi=0.9994.2河流流域的綜合水質指數其公式為:Ρ=m∑j=11xint(Ρj)式中,P為河段(流域)綜合水質指數;m為監測斷面數;Pj為j斷面的綜合水質指數。5解決了綜合污染指數與水質類別不相見表1改進的綜合水質指數法是根據水質評價的特點提出的,即具有明確的功能分類,及各污染指標的標準限值。原則上對具有該特點的各種環境質量綜合評價都適用,如湖泊、水庫以及地下水質綜合評價并具有以下優點:(1)對斷面的水質指數采取類別與指數相結合的辦法,解決了綜合污染指數與水質類別不相吻合的缺陷,提高了水質類別判定的分辨率,解決了可比性的問題。(2)權重的選取基于不同污染指標超標對水質類別貢獻大小不同的思想。由于水質標準的制定是在研究污染物在水中的遷移轉化規律