徐金鵬，冉志海，劉 朦，管新建，孟 鈺

（1.河南省南陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局，河南南陽(yáng) 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(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人類活動(dòng)影響，水體污染、水生態(tài)惡化等問(wèn)題已經(jīng)成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。為實(shí)時(shí)掌握水體水質(zhì)狀況，從保護(hù)和控制水質(zhì)角度出發(fā)，實(shí)施水質(zhì)評(píng)價(jià)是對(duì)水體質(zhì)量有效評(píng)估的重要手段［1］。因此需要探討能夠定量、定性的表達(dá)水體水質(zhì)，公平公正的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。由于河流的空間異質(zhì)性，水質(zhì)評(píng)價(jià)主要根據(jù)監(jiān)測(cè)斷面各污染物濃度實(shí)測(cè)值，選取恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，旨在使得評(píng)價(jià)結(jié)果真實(shí)、合理地反映水體水質(zhì)［2］。客觀合理的評(píng)價(jià)對(duì)于掌握水質(zhì)變化狀況和趨勢(shì)、確定影響水質(zhì)變化的關(guān)鍵因素及污染源、保護(hù)水資源的合理開(kāi)發(fā)利用起著舉足輕重的作用［3］。

目前水質(zhì)評(píng)價(jià)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(shí)施污染物綜合管理的措施，水質(zhì)評(píng)估在河流中越來(lái)越重要［4-6］。選擇合適的評(píng)價(jià)方法是客觀、合理地評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況的前提。常用的方法有其優(yōu)缺點(diǎn)，如灰色聚類法［7］在選擇評(píng)價(jià)函數(shù)時(shí)有較強(qiáng)的人為主觀性，但操作簡(jiǎn)單；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［8］考慮了各指標(biāo)間關(guān)聯(lián)度，評(píng)價(jià)指標(biāo)選取全面，評(píng)價(jià)結(jié)果較為合理，但是操作性較難且對(duì)數(shù)據(jù)要求極高；模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)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(biāo)間的相互聯(lián)系。內(nèi)梅羅指數(shù)法也是學(xué)者常用的評(píng)價(jià)方法之一，其操作簡(jiǎn)單明了，但突出了最大污染指數(shù)對(duì)水質(zhì)的影響，易造成夸大某些污染物對(duì)水質(zhì)的影響，同時(shí)對(duì)各污染指標(biāo)權(quán)重因素考慮不足［11-13］。因此，本文對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行改進(jìn)，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(duì)水質(zhì)的影響，采用修正最大污染指數(shù)計(jì)算方法削弱污染指數(shù)最大值的主導(dǎo)作用，并以南陽(yáng)市白河為研究對(duì)象，利用此改進(jìn)方法對(duì)其4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面2015-2018年水質(zhì)污染指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)等級(jí)利用反距離權(quán)重法對(duì)水質(zhì)等級(jí)進(jìn)行空間插值，得到白河流域的水質(zhì)等級(jí)空間分布，從而進(jìn)行時(shí)空變化分析，將點(diǎn)面分析相結(jié)合，旨在使得評(píng)價(jià)結(jié)果合理反映白河實(shí)際水質(zhì)狀況。

1 改進(jìn)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(guò)污染因子的實(shí)測(cè)值Ci與對(duì)應(yīng)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)Si來(lái)確定單因子污染指數(shù)Fi，進(jìn)而求解內(nèi)梅羅指數(shù)P［14］。計(jì)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(jìn)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(biāo)平均值進(jìn)行求解，忽略了各指標(biāo)權(quán)重對(duì)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(duì)水質(zhì)的影響，以彌補(bǔ)權(quán)重引起的不足，提高水質(zhì)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性；并改善最大污染指數(shù)計(jì)算方法，引入權(quán)重最大污染指數(shù)及平均污染指數(shù)來(lái)削弱污染指數(shù)最大值的主導(dǎo)作用，由此對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)梅羅進(jìn)行改進(jìn)。

1.2.1 改進(jìn)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(lái)修正最大污染指數(shù)的計(jì)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(duì)信息熵原理，用拉格朗日乘子法優(yōu)化進(jìn)行組合權(quán)重計(jì)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(biāo)拆解為多層次多指標(biāo)，分析同一層次各指標(biāo)兩兩元素之間的重要性，從而將指標(biāo)定性表達(dá)得出各層次的排序，進(jìn)而求得目標(biāo)層的權(quán)重值［15］。本研究將目標(biāo)層定義為水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，將基準(zhǔn)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(biāo)。

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

根據(jù)式（6）計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重值w(AHP)i：

然后按式（7）～（9）進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

計(jì)算最大特征檢驗(yàn)數(shù)λmax：

計(jì)算CI值：

計(jì)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(guò)一致性檢驗(yàn)。

（2）熵權(quán)法。熵權(quán)法能將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為一個(gè)綜合指數(shù)，處理了指標(biāo)不統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，是一種克服了評(píng)價(jià)指標(biāo)受人為主觀性影響的客觀方法，能比較客觀反映各指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的貢獻(xiàn)程度［16］。

首先計(jì)算相對(duì)隸屬度矩陣。m個(gè)評(píng)估對(duì)象，n個(gè)評(píng)估所組成的相對(duì)隸屬度矩陣R=(rij)m×n（i=1～m，j=1～n）是根據(jù)式（10）～（11）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到的：

其次計(jì)算各指標(biāo)的比重fij及熵值Hi。根據(jù)式（12）～（13）確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值，計(jì)算如下：

計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)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(jìn)行加權(quán)平均內(nèi)插的空間插值法，主要利用觀測(cè)點(diǎn)與插值點(diǎn)之間的距離得出空間分布特征，該法認(rèn)為距離觀測(cè)點(diǎn)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(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法的水質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，并根據(jù)改進(jìn)方法評(píng)價(jià)后的各監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)等級(jí)，利用ArcGIS中的反距離權(quán)重法對(duì)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行插值，從而得到整個(gè)流域的水質(zhì)等級(jí)空間分布，對(duì)流域空間分布進(jìn)行可視化分析。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

白河流域干流在南陽(yáng)市內(nèi)主要流經(jīng)南召縣、南陽(yáng)市區(qū)和新野縣（32°05′～33°55′N，111°15′～113°55′E），總面積1.22 萬(wàn)km2。水資源總量51.93 億m3，多年平均降雨量達(dá)到826.7 mm，水資源豐富、水系發(fā)達(dá)（見(jiàn)圖2）。然而，由于近年來(lái)的采砂行為，阻礙了河流水系的流通性，且南陽(yáng)市城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)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(yán)重污染，魚(yú)類生存環(huán)境差。且河道內(nèi)外的部門(mén)之間競(jìng)爭(zhēng)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(yáng)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(duì)白河水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次評(píng)價(jià)以南陽(yáng)白河2015-2018年的鴨河口水庫(kù)、南陽(yáng)市臥龍區(qū)丁奉店村、瓦店、新甸鋪水文站4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面為對(duì)象（見(jiàn)圖1中的1、2、3、4 標(biāo)號(hào)），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(gè)污染指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)分析。相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于《南陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局》，見(jiàn)表1。

表1 2015-2018年各斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(jì)算各指標(biāo)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(gè)指標(biāo)權(quán)重值最大，而NH3-N 和COD 的主要來(lái)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(biāo)準(zhǔn)及保護(hù)水質(zhì)意識(shí)有待提升；而在客觀權(quán)重及組合權(quán)重結(jié)果中，DO 指標(biāo)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(duì)維護(hù)水體天然環(huán)境至關(guān)重要。

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

3.2 基于傳統(tǒng)-改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法的斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)

本次水質(zhì)計(jì)算指標(biāo)選取Ⅱ類為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)式（3）～（4），對(duì)各污染指標(biāo)進(jìn)行Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)水質(zhì)級(jí)別劃分［17］（見(jiàn)表3），并計(jì)算各斷面逐年改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)，并對(duì)照水質(zhì)等級(jí)劃分表進(jìn)行水質(zhì)級(jí)別評(píng)判，同時(shí)與傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表4和圖2所示。

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

表4 各斷面兩種評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Evaluation results of two evaluation methods for each section

根據(jù)圖2可知，從時(shí)間維度看：除南陽(yáng)市臥龍區(qū)丁奉店村斷面指數(shù)變化較大（越來(lái)越?。溆嗝磕旮鲾嗝嫠|(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(yáng)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?yàn)槟详?yáng)市臥龍區(qū)丁奉店村斷面位于南陽(yáng)市區(qū)，市區(qū)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速的區(qū)域，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相并而來(lái)的是污染物排放量的逐漸增加，經(jīng)過(guò)市區(qū)水質(zhì)受到不同程度的污染，使得南陽(yáng)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?yàn)槟详?yáng)市區(qū)實(shí)施有效的限制排污措施，使得水質(zhì)有所轉(zhuǎn)化，所以南陽(yáng)市臥龍區(qū)丁奉店村斷面的內(nèi)梅羅指數(shù)越來(lái)越小，但是該斷面每年的水質(zhì)均為Ⅳ類水，還需進(jìn)一步加強(qiáng)排污監(jiān)管。

從傳統(tǒng)與改進(jìn)評(píng)價(jià)方法對(duì)比來(lái)看：傳統(tǒng)指數(shù)高于改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法。這是因?yàn)閭鹘y(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(duì)水體水質(zhì)的影響，易造成評(píng)價(jià)結(jié)果偏差；從改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，除南陽(yáng)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(jìn)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(duì)污染嚴(yán)重指標(biāo)的賦權(quán)過(guò)大，同時(shí)克服了客觀賦權(quán)造成的權(quán)重平均化，因此評(píng)價(jià)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(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)水質(zhì)等級(jí)劃分表（表3）及各個(gè)斷面點(diǎn)計(jì)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(jí)空間分布圖，見(jiàn)圖3。

在流域水質(zhì)等級(jí)空間分布上：從圖3可以看出，白河流域無(wú)較優(yōu)（Ⅰ類）及較差（Ⅴ類）水質(zhì)等級(jí)區(qū)域。鴨河口水庫(kù)小范圍之內(nèi)（2016年及2017年范圍較大）區(qū)域水質(zhì)最佳，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；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(biāo)準(zhǔn)；在上游流入南陽(yáng)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(yáng)市區(qū)部分區(qū)域），水質(zhì)最差，達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)流域水質(zhì)等級(jí)空間差異性較大。這與流域內(nèi)人口與經(jīng)濟(jì)分布相對(duì)應(yīng)，隨著南陽(yáng)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(yáng)市中心區(qū)域水質(zhì)最差。且白河為南陽(yáng)母親河，為保護(hù)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(kù)水生態(tài)環(huán)境保護(hù)長(zhǎng)效機(jī)制的實(shí)施意見(jiàn)》文件，提出對(duì)鴨河口水庫(kù)水生態(tài)保護(hù)若干意見(jiàn)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(jí)時(shí)間分布上：Ⅱ類水只出現(xiàn)在鴨河口水庫(kù)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(shì)，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(yáng)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(shí)施方法》，針對(duì)唐白河出現(xiàn)的水污染進(jìn)行治理，白河是其中的重要實(shí)施區(qū)域，引發(fā)對(duì)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(hù)長(zhǎng)效機(jī)制的意見(jiàn)》及省常委2017年頒布的《南陽(yáng)市白河水系水環(huán)境保護(hù)條例》等相關(guān)文件出臺(tái)，使得南陽(yáng)白河流域水質(zhì)有好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，可見(jiàn)政策的支持與推行對(duì)水環(huán)境保護(hù)有顯著作用，能有效調(diào)動(dòng)各用水主體保護(hù)生態(tài)環(huán)境的積極性，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)南陽(yáng)市白河4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面2015-2018年的水質(zhì)污染指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并根據(jù)各監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)的水質(zhì)等級(jí)結(jié)合反距離權(quán)重空間插值法，得到整個(gè)流域水質(zhì)等級(jí)空間分布，主要得出以下結(jié)論。

（1）改進(jìn)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(duì)水體的影響程度，同時(shí)對(duì)修正最大污染指數(shù)的計(jì)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(píng)價(jià)結(jié)果更為準(zhǔn)確、合理。

（2）由改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，南陽(yáng)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(shì)，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(píng)價(jià)結(jié)果與斷面實(shí)際監(jiān)測(cè)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(gè)流域水質(zhì)等級(jí)空間分布情況，使得水質(zhì)等級(jí)空間分布更加可視化，將點(diǎn)（監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)）面（整個(gè)流域）分析相結(jié)合，使得分析更加全面合理?！?/p>