我國(guó)河流水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法研究

我國(guó)河流水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法研究

1河流水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的困境河流污染是中國(guó)最大的水環(huán)境問(wèn)題，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活質(zhì)量密切相關(guān)?，F(xiàn)在它也是國(guó)家管理的中心。為保護(hù)水資源,控制水污染,滿足國(guó)家對(duì)各流域的水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和管理的要求,首先需要掌握全國(guó)水環(huán)境污染的時(shí)間和空間分布。區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)作為水資源保護(hù)的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作,是進(jìn)行水資源系統(tǒng)管理的一項(xiàng)重要依據(jù)。而由于河流水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)自身存在的特殊性,其評(píng)價(jià)方法的缺陷一直是對(duì)水資源進(jìn)行科學(xué)管理的瓶頸之一。主要表現(xiàn)為:(1)迄今沒(méi)有一個(gè)被大家公認(rèn)通用的、具有可比性的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型。各地各部門(mén)在進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí),選用模型的任意性很強(qiáng),評(píng)價(jià)的結(jié)果不便于與其它地區(qū)水質(zhì)狀況進(jìn)行比較,因而也不能準(zhǔn)確反映本地的相對(duì)污染狀態(tài),國(guó)家難以全面掌握水環(huán)境污染的時(shí)空分布態(tài)勢(shì),其結(jié)果難以被公眾接受,達(dá)不到水質(zhì)評(píng)價(jià)的目的。1999年12月在廣州召開(kāi)的全國(guó)綜合評(píng)價(jià)技術(shù)研討會(huì)提出,要把水環(huán)境綜合評(píng)價(jià)方法的統(tǒng)一和改進(jìn)問(wèn)題作為目前需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題之一。(2)缺乏比較客觀的確定環(huán)境因子權(quán)重的量化方法。在多因子的水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中,各因子對(duì)環(huán)境污染的貢獻(xiàn)是不同的,而目前缺乏統(tǒng)一的客觀的定權(quán)方法,這對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的可比性影響較大。2河流水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法我國(guó)1974年提出用數(shù)學(xué)模式綜合評(píng)價(jià)水污染至今,關(guān)于河流水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法的研究比較活躍,到現(xiàn)在為止,各家提出的綜合評(píng)價(jià)水質(zhì)的方法或指數(shù)就有二、三十種。概括起來(lái)可大致分為指數(shù)法和不確定性方法兩大類(lèi)。2.1污染綜合評(píng)價(jià)的建立這類(lèi)模式的特點(diǎn)在于均以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之比作為分指數(shù),然后通過(guò)數(shù)學(xué)綜合運(yùn)算得出一個(gè)綜合指數(shù),以此代表水體的污染程度,以及進(jìn)行不同河流或同一河流不同時(shí)期的水質(zhì)比較。指數(shù)化綜合評(píng)價(jià)是對(duì)整體水體質(zhì)量的定量描述,只要項(xiàng)目、標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠,綜合評(píng)價(jià)從總體上看是可以基本反映污染的性質(zhì)和程度的。而且對(duì)于全國(guó)流域尺度而言,指數(shù)化綜合評(píng)價(jià)方法計(jì)算簡(jiǎn)便,便于進(jìn)行水系之間或同一水系時(shí)間上的基本污染狀況和變化的比較。因此中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站在進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)采取了這種方法。對(duì)分指數(shù)的處理不同,使指數(shù)法存在著不同的形式。如簡(jiǎn)單迭加型、算術(shù)平均型、加權(quán)平均型、內(nèi)梅羅水質(zhì)指數(shù)和羅斯水質(zhì)指數(shù)等。如果從國(guó)家對(duì)全國(guó)河流水質(zhì)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一評(píng)價(jià)和進(jìn)行環(huán)境保護(hù)的需要來(lái)看,各種方法存在的共同缺欠在于都不能很好地與國(guó)家統(tǒng)一的水質(zhì)功能類(lèi)別相一致,各種方法都各自按其指數(shù)大小分出了污染等級(jí),但這樣的評(píng)價(jià)結(jié)果只能定性地說(shuō)明污染程度是輕、嚴(yán)重還是非常嚴(yán)重,不能確定其功能類(lèi)別為幾類(lèi)。如1996年度環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)中,淮河淮南段污染指數(shù)較蚌埠段大,水質(zhì)類(lèi)別卻是淮南Ⅳ類(lèi),蚌埠Ⅴ類(lèi)。2.2綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)的適用性近年來(lái)國(guó)內(nèi)關(guān)于環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)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(shù)已見(jiàn)于對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的評(píng)價(jià)。研究者認(rèn)為,水體是一個(gè)充滿不確定性因素、變化復(fù)雜的環(huán)境,其中進(jìn)入水體的污染物成分和數(shù)量是隨時(shí)間和空間變化的不確定量,水質(zhì)級(jí)別、分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)都存在著模糊性,因而水環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)有著隨機(jī)性、模糊性和灰色性的不確定的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的不確定性研究方法主要是隨機(jī)理論、模糊集理論、灰色系統(tǒng)理論、熱力學(xué)理論和信息論,近年來(lái)發(fā)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)、物元分析法、集對(duì)分析法和TOPSIS法等。展現(xiàn)了我國(guó)水環(huán)境研究方法的百花齊放、百家爭(zhēng)鳴的特色。用不確定性方法進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià),從理論上講,由于體現(xiàn)了環(huán)境中客觀存在的模糊性和不確定性,符合客觀規(guī)律,具有一定的合理性。但是用于綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí),存在以下共同的問(wèn)題沒(méi)有明確,影響其適用性:(1)對(duì)綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)目的的理解。水質(zhì)評(píng)價(jià)只有在明確用途、目的的前提下,有針對(duì)性地選擇適當(dāng)?shù)捻?xiàng)目及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià),才是正確有效的評(píng)價(jià)。而目前對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的研究則存在著就方法論方法而不研究其用途的現(xiàn)象,籠而統(tǒng)之地選取GB3838-88為標(biāo)準(zhǔn),而評(píng)價(jià)結(jié)果僅是污染輕重程度的分類(lèi),與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功能類(lèi)別相混淆。我們認(rèn)為,以GB3838-88為標(biāo)準(zhǔn)的綜合水質(zhì)評(píng)價(jià),其目的是為了有效地保護(hù)環(huán)境、維護(hù)生態(tài)平衡,為管理者提供準(zhǔn)確的水質(zhì)信息,作為統(tǒng)一管理、規(guī)劃、控制水質(zhì)污染的依據(jù)。因此評(píng)價(jià)的結(jié)果應(yīng)具有代表性和可比性,應(yīng)能反映水質(zhì)的功能類(lèi)別,而不應(yīng)是一個(gè)模糊的污染程度為某類(lèi)的概念。(2)對(duì)水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的理解。不確定性方法認(rèn)為,水質(zhì)類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)是一些模糊概念,認(rèn)為當(dāng)兩個(gè)樣本中,某種污染物濃度相差不大卻被劃分為兩類(lèi)并不合理,因此在評(píng)價(jià)時(shí)往往將標(biāo)準(zhǔn)視為參考值。這在大氣或多介質(zhì)的環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)中是合理的,但在河流水質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)中卻是行不通的。這是由人和生物對(duì)河流水質(zhì)的敏感性決定的,河流水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是“限值”的概念,水中污染物成分復(fù)雜,任何一種污染物超標(biāo)都對(duì)水體功能造成破壞。如為保證生態(tài)學(xué)上不產(chǎn)生有害作用,CN-不允許超過(guò)0.04mg/L,這相當(dāng)于Ⅱ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的限值(0.05mg/L),超過(guò)這個(gè)濃度將不能作為Ⅱ類(lèi)功能使用,即“適用于集中式生活飲用水水源地一級(jí)保護(hù)區(qū),珍貴魚(yú)類(lèi)保護(hù)區(qū),魚(yú)蝦產(chǎn)卵場(chǎng)等”。(3)對(duì)綜合水質(zhì)類(lèi)別的理解。用不確定性方法進(jìn)行綜合水質(zhì)類(lèi)別判定時(shí)認(rèn)為,要考慮所選取的指標(biāo)的綜合作用,如果多數(shù)指標(biāo)級(jí)別較低,而僅有幾項(xiàng)指標(biāo)級(jí)別高,則不應(yīng)把綜合水質(zhì)定為較高級(jí)別。而實(shí)際上,國(guó)標(biāo)GB3838-88中對(duì)地面水綜合評(píng)價(jià)已確定悲觀的原則,即以單項(xiàng)指標(biāo)最差所屬級(jí)別確定其綜合水質(zhì)級(jí)別。這是符合實(shí)際的,因?yàn)槿裟稠?xiàng)指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo),已不適于飲用卻仍評(píng)為可作為飲用水源地的Ⅲ類(lèi)水,將給人民生命健康帶來(lái)威脅。許多實(shí)際工作者已經(jīng)注意到,數(shù)學(xué)模型的有效性并不同數(shù)學(xué)模型本身的繁雜程度來(lái)決定。數(shù)學(xué)模型實(shí)質(zhì)上是一種反映真實(shí)系統(tǒng)的手段,模型的性質(zhì)應(yīng)當(dāng)適合于所研究問(wèn)題的性質(zhì)。有些數(shù)學(xué)模型模式選取越來(lái)越復(fù)雜,計(jì)算結(jié)果越來(lái)越繁多,模型本身看來(lái)很完善,卻忽視了水質(zhì)評(píng)價(jià)的特性,難以在實(shí)際工作中發(fā)揮作用。水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)工作應(yīng)從實(shí)際出發(fā),要從簡(jiǎn)練明了入手,達(dá)到評(píng)價(jià)目的即可,應(yīng)發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算方法和評(píng)價(jià)方法,使評(píng)價(jià)結(jié)果有代表性和可比性。3城市河流水質(zhì)評(píng)價(jià)的必要性我們認(rèn)為,以適應(yīng)國(guó)家對(duì)水資源系統(tǒng)規(guī)劃、管理和決策的需要為目的,水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法應(yīng)滿足以下要求:(1)對(duì)我國(guó)各大流域有一定的普遍適用性,其結(jié)果能反映我國(guó)河流污染的特點(diǎn),給決策者提供我國(guó)河流污染的空間分布信息。(2)要便于時(shí)間比較。能反映某條河流水質(zhì)隨時(shí)間的變化情況。(3)要能反映河流水質(zhì)評(píng)價(jià)的特殊性。水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)與其它介質(zhì)評(píng)價(jià)的區(qū)別在于:水質(zhì)評(píng)價(jià)采取了悲觀的原則,國(guó)標(biāo)GB3838-88中規(guī)定,“若某水體中,有一項(xiàng)污染指標(biāo)的濃度值超過(guò)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的濃度限值,則表明該水體不支持這一水質(zhì)類(lèi)別的使用功能”,水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)反映的是某種使用功能的允許值,這點(diǎn)是不同于大氣或噪聲的污染程度的評(píng)價(jià)的。(4)要便于公眾接受。評(píng)價(jià)結(jié)果要簡(jiǎn)單、明了,意義明確。一方面給決策者一目了然的水質(zhì)污染信息,另一方面使群眾易于接受,發(fā)揮監(jiān)督作用。4與水質(zhì)類(lèi)別正負(fù)關(guān)聯(lián)指數(shù)法由于其計(jì)算簡(jiǎn)便,并且評(píng)價(jià)結(jié)果便于比較,因此比較適合管理者對(duì)流域尺度的統(tǒng)一管理、規(guī)劃和控制。目前國(guó)家的環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)中仍采用這種方法。但現(xiàn)有的綜合污染指數(shù)采用的是分指數(shù)算術(shù)平均的方法,視各種污染物對(duì)水質(zhì)的影響等同,缺乏科學(xué)性,并且其結(jié)果與水體的功能類(lèi)別不統(tǒng)一,存在矛盾的現(xiàn)象(如水質(zhì)類(lèi)別差的反而污染指數(shù)小)。若綜合污染指數(shù)與水質(zhì)類(lèi)別統(tǒng)一起來(lái),并給與科學(xué)的權(quán)重,將大大提高指數(shù)法的適用性。根據(jù)這種情況,作者提出了一種改進(jìn)的綜合水質(zhì)指數(shù)。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(zhì)指數(shù);qj為j斷面綜合水質(zhì)類(lèi)別(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ及劣Ⅴ類(lèi)分別對(duì)應(yīng)1,2,3,4,5,6);ρ為系數(shù),它的作用是滿足ρ×n∑i=1wiΡij∑wi＜1Pij為j斷面i項(xiàng)污染指標(biāo)的分指數(shù)(為濃度值與標(biāo)準(zhǔn)值的比值,這里?、耦?lèi)標(biāo)準(zhǔn)值);Wi為i項(xiàng)污染指標(biāo)的權(quán)重。這樣綜合水質(zhì)指數(shù)就由整數(shù)和小數(shù)兩部分構(gòu)成:整數(shù)部分代表斷面水質(zhì)功能類(lèi)別,使綜合水質(zhì)指數(shù)與水質(zhì)類(lèi)別統(tǒng)一起來(lái);小數(shù)部分為各污染指數(shù)的加權(quán)平均,以區(qū)別同類(lèi)水質(zhì)的優(yōu)劣,提高了分辨率。Wi的算法如下:wi=si1si5這種定義權(quán)重的方法是以污染物超標(biāo)倍數(shù)對(duì)河流水質(zhì)的貢獻(xiàn)率大小為依據(jù)的。例如,水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中總氰化物Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的40倍,而高錳酸鹽指數(shù)Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的5倍,那么,如果總氰化物和高錳酸鹽指數(shù)濃度都達(dá)到Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的10倍,則對(duì)總氰化物來(lái)說(shuō)仍為Ⅱ類(lèi),而高錳酸鹽指數(shù)則達(dá)到了劣Ⅴ類(lèi)。也就是說(shuō)高錳酸鹽超標(biāo)比氰化物超標(biāo)對(duì)水質(zhì)污染的貢獻(xiàn)大。根據(jù)這種思想,高錳酸鹽的權(quán)重應(yīng)為總氰化物權(quán)重的8倍。公式中ρ是經(jīng)驗(yàn)系數(shù),要考慮到小數(shù)即不能過(guò)小,又要具有較高的分辨率。作者經(jīng)實(shí)際大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證,選取如下:當(dāng)水質(zhì)類(lèi)別為Ⅰ類(lèi)時(shí),ρ=1;當(dāng)水質(zhì)類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)時(shí),ρ=0.47;當(dāng)水質(zhì)類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)時(shí),ρ=0.45;當(dāng)水質(zhì)類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)時(shí),ρ=0.41;當(dāng)水質(zhì)類(lèi)別為Ⅴ類(lèi)時(shí),ρ=0.18;當(dāng)水質(zhì)類(lèi)別為劣Ⅴ類(lèi)時(shí),ρ=0.17。當(dāng)水質(zhì)類(lèi)別為劣Ⅴ類(lèi)時(shí),可能出現(xiàn)指數(shù)過(guò)大,ρ=0.17仍不能使ρ∑WiPij/∑Wi<1,則規(guī)定ρ∑WiPij/∑Wi=0.9994.2河流流域的綜合水質(zhì)指數(shù)其公式為:Ρ=m∑j=11xint(Ρj)式中,P為河段(流域)綜合水質(zhì)指數(shù);m為監(jiān)測(cè)斷面數(shù);Pj為j斷面的綜合水質(zhì)指數(shù)。5解決了綜合污染指數(shù)與水質(zhì)類(lèi)別不相見(jiàn)表1改進(jìn)的綜合水質(zhì)指數(shù)法是根據(jù)水質(zhì)評(píng)價(jià)的特點(diǎn)提出的,即具有明確的功能分類(lèi),及各污染指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)限值。原則上對(duì)具有該特點(diǎn)的各種環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)都適用,如湖泊、水庫(kù)以及地下水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)并具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)對(duì)斷面的水質(zhì)指數(shù)采取類(lèi)別與指數(shù)相結(jié)合的辦法,解決了綜合污染指數(shù)與水質(zhì)類(lèi)別不相吻合的缺陷,提高了水質(zhì)類(lèi)別判定的分辨率,解決了可比性的問(wèn)題。(2)權(quán)重的選取基于不同污染指標(biāo)超標(biāo)對(duì)水質(zhì)類(lèi)別貢獻(xiàn)大小不同的思想。由于水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的制定是在研究污染物在水中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律