王 維， 王嗣彤， 常 健， 龔 晨， 尹振浩

(1.延邊大學(xué) 融合學(xué)院，吉林 延吉 133002；2.沈陽大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，沈陽 110003；3.延邊大學(xué) 農(nóng)學(xué)院；4.延邊大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院：吉林 延吉 133002)

Jacobs等[1]首次對水體質(zhì)量進(jìn)行指數(shù)化評(píng)價(jià)，自此，越來越多的學(xué)者開啟了對水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的探索。目前，國外對水質(zhì)評(píng)價(jià)的研究較多集中在多指標(biāo)、多維度的綜合性數(shù)據(jù)分析[2-3]，國內(nèi)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法層出不窮[4-6]，但評(píng)價(jià)方法種類繁多，且不系統(tǒng)，部分學(xué)者在水質(zhì)評(píng)價(jià)方法使用前缺少適用性分析，導(dǎo)致無法全面、真實(shí)地展現(xiàn)河流水質(zhì)狀況。一些學(xué)者討論了各個(gè)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法在不同流域的應(yīng)用效果[7-12]，可見每種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法在不同的流域會(huì)有不同的表現(xiàn)，因此在進(jìn)行水環(huán)境管理與分析前，進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)方法對于流域的適用性分析是必要的。

布爾哈通河是圖們江流域內(nèi)一條重要的二級(jí)支流，根據(jù)其他學(xué)者對于圖們江流域的河流水質(zhì)評(píng)價(jià)與研究[13-14]，布爾哈通河是該流域內(nèi)受污染最嚴(yán)重的河流，并且部分河段已經(jīng)處于嚴(yán)重污染狀態(tài)，急需對受污染嚴(yán)重河段提出水環(huán)境管理措施[15-16]。但這些研究的研究對象更多的是放在圖們江流域整體，對于布爾哈通河的研究不夠深入，使用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法不盡相同，缺乏圖們江流域水質(zhì)評(píng)價(jià)方法適用性分析，并且隨著城市化的加快，造成水環(huán)境污染的因素越來越復(fù)雜，簡單的水質(zhì)評(píng)價(jià)已經(jīng)無法反映水體具體受污染狀況。

該研究將布爾哈通河作為典例，使用水質(zhì)類別判定法[17](單因子評(píng)價(jià)法)、污染指數(shù)法(內(nèi)梅羅污染指數(shù)法[18-19]、綜合污染指數(shù)法)、分級(jí)評(píng)分法(模糊綜合評(píng)價(jià)法[20]和綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法[21])共5種常用的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法對布爾哈通河干流水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，比較各評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)以及在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)劣勢，擇出最能體現(xiàn)真實(shí)水質(zhì)情況的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，并設(shè)置水質(zhì)管理目標(biāo)值。該研究對于保障布爾哈通河水環(huán)境質(zhì)量以及圖們江流域河流生態(tài)系統(tǒng)治理具有重要意義。

1 研究區(qū)域與評(píng)價(jià)方法

1.1 研究區(qū)概況

布爾哈通河起源于吉林省安圖縣哈爾巴嶺山脈東南麓沼澤地，向東南橫穿延邊朝鮮族自治州中部平原盆地，于圖們市匯流至嘎呀河，最終匯入圖們江，全長171 km，海拔高度差574.2 m(圖1)。

圖1 布爾哈通河流域圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

該研究于2021年4、5、6、7月共4次對布爾哈通河流域進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，其中包括水樣采集、流量監(jiān)測及水質(zhì)指標(biāo)檢測等工作。如圖1所示，在布爾哈通河干流上共設(shè)置10個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面，分別標(biāo)志BG1～BG10。同時(shí)，在布爾哈通河8條支流匯入干流前共設(shè)置8個(gè)水質(zhì)監(jiān)測斷面，分別標(biāo)志BZ1～BZ8。各監(jiān)測斷面距布爾哈通河與嘎呀河交匯處的距離如表1。

表1 監(jiān)測斷面布設(shè)位置

1.3 測試儀器、方法和試劑

對采集的水樣進(jìn)行各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測，主要包括5日生化需氧量(BOD5)、高錳酸鹽指數(shù)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)以及溶解氧(DO)等指標(biāo)，所有水質(zhì)指標(biāo)均由《GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中分析方法監(jiān)測所得。其中，DO由電化學(xué)探頭法在水樣采集現(xiàn)場測得；BOD5分析方法為稀釋與接種法；高錳酸鹽指數(shù)分析方法為酸性法；TP分析方法為鉬酸銨分光光度法；TN分析方法為堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；NH3-N分析方法為納氏試劑比色法。將上述6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，利用5種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法對布爾哈通河干流水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因子評(píng)價(jià)法

單因子評(píng)價(jià)法是指將各水質(zhì)指標(biāo)的濃度代入到地表水水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(表2，下同)進(jìn)行比對，直接判斷每個(gè)指標(biāo)的水質(zhì)類別，將各個(gè)指標(biāo)中最差的水質(zhì)類別作為最終的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。單因子評(píng)價(jià)法的計(jì)算公式為：

表2 地表水水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

G=MAX(Gi)，

(1)

式中，G為該水體的水質(zhì)類別，Gi為i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別。

單因子評(píng)價(jià)結(jié)果如圖2，時(shí)間上，不同月份之間4月份水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果最差，水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅳ～劣Ⅴ類，5月份最好，水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅱ～Ⅳ類，6、7月份適中，水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果主要集中在Ⅲ～Ⅴ類；空間上，布爾哈通河上中游水質(zhì)類別整體集中在Ⅲ～Ⅳ類，下游水質(zhì)類別較高，集中在Ⅴ～劣Ⅴ類，主要污染監(jiān)測斷面為BG7、BG8。

圖2 單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 污染指數(shù)

污染指數(shù)法是將實(shí)測的某水質(zhì)指標(biāo)濃度與區(qū)域地表水水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對比，得出該指標(biāo)的單項(xiàng)污染指數(shù)Pi，Pi表示該污染物在水體中的污染程度，對Pi進(jìn)行不同形式的復(fù)合運(yùn)算分別得出綜合污染指數(shù)P綜和內(nèi)梅羅污染指數(shù)P內(nèi)。通過比較指數(shù)是否大于1來判斷該水體是否劣于水環(huán)境功能區(qū)既定的水質(zhì)類別，且數(shù)值越大污染越嚴(yán)重，內(nèi)梅污染指數(shù)法可通過水質(zhì)類別等級(jí)劃分表將輸出的污染指數(shù)轉(zhuǎn)化為水質(zhì)類別(表3)。

表3 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法水質(zhì)類別等級(jí)劃分表

單項(xiàng)污染指數(shù)Pi計(jì)算公式：

(2)

式中，Pi為i項(xiàng)的單項(xiàng)污染指數(shù)，Ci為污染物實(shí)測濃度，Co為該污染物標(biāo)準(zhǔn)濃度。

綜合污染指數(shù)P綜計(jì)算公式：

(3)

式中，m為監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)的總數(shù)。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)P內(nèi)計(jì)算公式：

(4)

2種污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3(綜合污染指數(shù)法無法輸出水質(zhì)類別，因此將縱坐標(biāo)設(shè)置為污染指數(shù))。

圖3 污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果對比

2種污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果相近，時(shí)間上，4月份河流水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果最差，多個(gè)監(jiān)測斷面的污染指數(shù)大于1，5月份最好，所有監(jiān)測斷面的污染指數(shù)都小于1，6、7月份適中，只有個(gè)別監(jiān)測斷面污染指數(shù)大于1；空間上，整體可以看出BG7、BG8監(jiān)測斷面的污染指數(shù)最大，其中4月份最嚴(yán)重，最高污染指數(shù)高達(dá)3.1。

2種方法所得4～7月污染指數(shù)相關(guān)系數(shù)的平均值為0.924，具有明顯的正相關(guān)性。說明2種污染指數(shù)法都能詳細(xì)的反映河流水質(zhì)變化規(guī)律，雖然無法從結(jié)果上評(píng)判哪種污染指數(shù)法表現(xiàn)更好，但是從計(jì)算方式上內(nèi)梅羅污染指數(shù)法能考慮污染最嚴(yán)重指標(biāo)對綜合水質(zhì)的影響，當(dāng)有指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)內(nèi)梅羅污染指數(shù)的響應(yīng)程度更激烈，由此說明內(nèi)梅羅污染指數(shù)法在算法上賡續(xù)了綜合污染指數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)，突出了污染最嚴(yán)重的指標(biāo)對水質(zhì)的影響，更真實(shí)、更直觀的反映綜合水質(zhì)狀況。

2.3 分級(jí)評(píng)分法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是根據(jù)隸屬度原理把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，考慮污染較為嚴(yán)重的指標(biāo)對評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。將實(shí)測水質(zhì)數(shù)據(jù)與水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)代入到“半梯形分布”隸屬函數(shù)中，得到各水質(zhì)指標(biāo)對各級(jí)水質(zhì)類別的隸屬度矩陣，將之與各水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重歸一化集相乘得到模糊矩陣，最終獲得水體水質(zhì)對各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)的隸屬程度，從而確定水質(zhì)類別。

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)是在單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法[22]的基礎(chǔ)上標(biāo)識(shí)了綜合水質(zhì)類別與水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況等信息，由整數(shù)和3位或4位小數(shù)位組成，其結(jié)構(gòu)為：

Ιwq=X1.X2X3X4，

(5)

式中，X1.X2是用于反映水環(huán)境狀況，而X3X4是用來判斷水體的水質(zhì)指標(biāo)與綜合水質(zhì)類別達(dá)標(biāo)情況。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)和水質(zhì)類別等級(jí)的對應(yīng)關(guān)系通過綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Ιwq的X1.X2表示，判斷關(guān)系見表3。

2種分級(jí)評(píng)分法評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4，與其他水質(zhì)評(píng)價(jià)方法結(jié)果相同，時(shí)間上5月份河流水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果最好且較為穩(wěn)定，其他月份上下浮動(dòng)較大，主要為BG1～BG3河段以及BG7、BG8監(jiān)測斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果相對于其他監(jiān)測斷面較差。

圖4 分級(jí)評(píng)分法評(píng)價(jià)結(jié)果對比

2種分級(jí)評(píng)分法評(píng)價(jià)結(jié)果差別較大，其中,綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法評(píng)價(jià)平均等級(jí)略高，主要水質(zhì)類別集中在Ⅱ～Ⅳ類，而模糊綜合評(píng)價(jià)法的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果上下浮動(dòng)大，評(píng)價(jià)結(jié)果從Ⅰ～Ⅴ類不等(圖4)。出現(xiàn)這種差異主要?dú)w因于2種方法的權(quán)重計(jì)算方式不同，綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法每項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重是相等的，且會(huì)淡化不同污染程度指標(biāo)對水體綜合評(píng)價(jià)的影響，更偏向于體現(xiàn)綜合水質(zhì)及水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)狀況；而模糊綜合評(píng)價(jià)法根據(jù)各水質(zhì)指標(biāo)的超標(biāo)、良好情況賦予相應(yīng)的權(quán)重，對水質(zhì)變化的敏感度更高。

2.4 5種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法特點(diǎn)對比

5種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法對布爾哈通河干流水質(zhì)評(píng)價(jià)綜合結(jié)果如表4，由表可知，4種方法所得水質(zhì)類別評(píng)價(jià)結(jié)果中單因子評(píng)價(jià)法最高，這主要?dú)w因于布爾哈通河水環(huán)境污染狀況復(fù)雜，單因子評(píng)價(jià)法未能考慮其他評(píng)價(jià)因子對評(píng)價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致了評(píng)價(jià)結(jié)果偏高，無法展現(xiàn)出真實(shí)的水體水質(zhì)狀況。

表4 不同月份水質(zhì)類別評(píng)價(jià)結(jié)果平均值對比

以上只對同類水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了對比，現(xiàn)將以上5種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法在布爾哈通河干流水質(zhì)評(píng)價(jià)應(yīng)用中的計(jì)算方式、應(yīng)用效果、合理性等方面進(jìn)行綜合對比分析，結(jié)果如表5，內(nèi)梅羅污染指數(shù)法具有水質(zhì)類別評(píng)價(jià)、同類水體之間比較、劣Ⅴ類水體水質(zhì)評(píng)價(jià)、計(jì)算簡易、權(quán)重賦予的優(yōu)點(diǎn)，并且由于該方法輸出的是連續(xù)的數(shù)值，評(píng)價(jià)結(jié)果能更直觀的體現(xiàn)河流水質(zhì)變化規(guī)律，因此認(rèn)為內(nèi)梅羅指數(shù)法更適用于圖們江流域水質(zhì)評(píng)價(jià)。

表5 5種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法特點(diǎn)對比

2.5 水質(zhì)管理目標(biāo)值設(shè)定

由表4不同月份水質(zhì)類別評(píng)價(jià)結(jié)果平均值對比結(jié)果可知，不同月份之間，4月綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果最差，5月最好，6、7月適中，不同月份間水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果的差異主要與河流徑流量有關(guān)，4月河流徑流量小，5月圖們江流域強(qiáng)降雨，河流徑流量隨之變大，6、7月份河流徑流量正常。同一月份之間單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果最高，模糊綜合評(píng)價(jià)法最低。

從5種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法得出的布爾哈通河干流水質(zhì)可以大致得出：BG1～BG6河段水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果上下浮動(dòng)不大，但受農(nóng)業(yè)灌溉用水影響，氮、磷隨灌溉水徑流至布爾哈通河，使BG1～BG3(安圖段)、BG5～BG6(延吉上段)個(gè)別監(jiān)測斷面水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果輕微上升；BG7～BG8(延吉下-磨盤山)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果最差，除5月外，4、6、7月份評(píng)價(jià)結(jié)果上升至Ⅳ～Ⅴ類。為探究BG7～BG8河段水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果差的原因，該研究分析了 BG5～BG8河段的點(diǎn)源污染物負(fù)荷。

從以上5種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，TN、TP為導(dǎo)致水質(zhì)類別偏高的主要水質(zhì)指標(biāo)，因此，該研究只分析了BG5～BG8河段TN、TP的污染源負(fù)荷占比(圖5)。該河段的TN、TP排放負(fù)荷占比最大的為延吉市污水處理廠，其次是海蘭河。海蘭河水流量大，污染物濃度低，理論上應(yīng)對布爾哈通河干流污染物起到稀釋的作用，因此確定延吉市污水處理廠是導(dǎo)致BG7～BG8河段河流水質(zhì)較差的主要原因。

圖5 布爾哈通河BG5-BG8河段TN、TP污染源負(fù)荷占比

利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對布爾哈通河設(shè)置水質(zhì)管理目標(biāo)值，以7月份為例，由圖3(d)可知，BG7、BG8監(jiān)測斷面的內(nèi)梅羅指數(shù)大于1，處于受污染狀態(tài)，為此將水質(zhì)管理目標(biāo)值設(shè)置為內(nèi)梅羅污染指數(shù)的1(Ⅲ類)。評(píng)價(jià)體系中受污染越嚴(yán)重的水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重越大，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試權(quán)重大的水質(zhì)指標(biāo)，使內(nèi)梅羅污染指數(shù)靠近水質(zhì)管理目標(biāo)值。結(jié)果表明，應(yīng)加強(qiáng)延吉市污水處理廠總氮、總磷去除率，使得BG7、BG8的TN降至1.2 mg/L、BG8的TP降至0.2 mg/L時(shí)，方能保證整條布爾哈通河達(dá)到水質(zhì)管理目標(biāo)值(表6)。

表6 水質(zhì)管理目標(biāo)值設(shè)定

3 結(jié)論

該文通過對比分析5種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法在布爾哈通河水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，充分挖掘5種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果表明,內(nèi)梅羅污染指數(shù)法最適用于布爾哈通河河流水質(zhì)評(píng)價(jià)。利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對布爾哈通河設(shè)置水質(zhì)管理目標(biāo)值，以期對布爾哈通河水環(huán)境質(zhì)量保護(hù)及治理提供重要參考，以上研究結(jié)果可廣泛應(yīng)用于圖們江流域河流水質(zhì)評(píng)價(jià)。