地表水水質評價體系實用性探討
——以西藏拉魯濕地為例*

蘇思強 周會東 邵蓓 胡亞燕 杜建軍 王祝** 蘇淼淼

1.西藏自治區地質礦產勘查開發局中心實驗室；2.西藏自治區科技信息研究所，西藏 拉薩 850000

水資源是自然資源的重要組成部分，是所有生物結構組成和生命活動的主要物質基礎。水質評價是水環境保護管理的重要依據，有效的水質評價受測試數據的準確性和評價方法的科學性兩方面因素影響[1，2]。為此，許多學者在保證測試數據準確性的前提下對水質評價方法的實用性展開研究，尋求科學準確的水質評價方法[3-7]。國內外常用的水質評價方法主要有指數評價法[8-12]、灰色關聯度法[13]、模糊數學評價法[14]、人工神經網絡評價法[15]、綜合水質標識指數法[16]以及主成分分析法[17]等，其中以單因子指數法和改進的內梅羅指數法為代表的指數評價法因其數學模型簡潔、運算過程簡便、物理概念清晰而得到最為廣泛的應用。

水質評價是一個復雜的過程，想要科學準確地進行水質評價，需要選擇合適的評價指標體系以及科學合理的評價方法[6]。單因子指數法通過簡單的數學計算即可確定水體污染指標及超標倍數，但以最差指標所屬類別來定義水體綜合水質類別忽視了其他指標對水質的影響，使評價結果不能客觀反映水體綜合水質狀況。相比單因子指數法“最差規則”的評價標準[6]，改進的內梅羅指數法考量了評價體系中所有指標對水質的影響，更能體現綜合水質狀況，具有數學模型簡潔，物理概念清晰，運算過程簡便等特點[18]，廣泛應用于河流、水庫、湖泊、濕地等地表水水質評價[18-23]。湯玉強[23]和王紫媛[24]等，通過改進內梅羅污染指數的算法提高內梅羅指數法在地表水水質評價中的實用性，而針對評價指標體系在水質評價中實用性的研究鮮見報道。

本文基于西藏拉魯濕地2022 年1 月（枯水期）和2022 年8 月（豐水期）水質監測數據，采用改進的內梅羅指數法，建立了3種評價指標體系，通過與單因子指數法評價結果對比，探討評價指標體系的易用性、準確性及實用性。

1 水質評價方法

1.1 單因子指數法

單因子指數法是將評價體系中某指標的實測濃度值與該指標的評價標準限值進行比較，得到該指標的污染指數Pi，通過污染指數Pi的大小確定單項指標所屬類別（當Pi＞1 時，表示該項指標超標，水體受到污染；當時，表示該項指標未超標，水體未受到污染），以最差的水質指標所屬類別來定義水體綜合水質類別。參考羅孝芹[8]、朱國宇[25]、杜娟娟[26]等對單因子指數Pi計算公式的描述，確定單因子指數計算公式如下：

式中：Pi為參評因子i 的單因子指數；Ci為參評因子i 的實測濃度值，單位為mg/L；Si為參評因子i 的評價標準限值，單位為mg/L。

pH的單因子指數計算公式：

式中：PpH為pH 的單因子指數；pHi為樣品的pH實測值；pHsd、pHsh分別為評價標準中pH 的下限、上限值。

DO的單因子指數計算公式：

式中：PDO為DO 的單因子指數；Of為某水溫、氣壓條件下的飽和溶解氧濃度，單位為mg/L，其計算公式為：Of=468/（36.1+T），T為水溫（℃）；CDO—溶解氧實測濃度值，單位為mg/L；SDO為溶解氧的評價標準限值，單位為mg/L。

1.2 改進的內梅羅指數法

相比單因子指數法以最差指標所屬類別來定義綜合水質類別，忽視其他指標對水質的影響。改進的內梅羅指數法在傳統內梅羅指數法基礎上，對評價指標體系中單項污染指數最大的指標和權重最大的指標考量的同時，充分考慮評價體系中其他指標對水體質量的影響，使水質評價結果更為客觀準確。

1.2.1 單項污染指數的確定。單項污染指數的具體計算方法和單因子指數法相同，將某種指標的實測濃度值與該指標的評價標準限值進行比較得出。根據GB 3838-2002《地表水環境質量標準》水域環境功能劃分，拉魯濕地屬國家自然保護區，以Ⅰ類水為計算標準，各指標實測濃度值分別與Ⅰ類水標準限值進行比較。

1.2.2 評價指標賦權。改進的內梅羅指數法是一種多因子綜合評價法，評價指標的賦權是綜合評價法中十分重要的環節，對水質評價結果的影響不容忽視[3]。在各類水質標準中，標準限值最大的指標含量超標對水質影響能力相對最小，標準限值最小的指標含量超標對水質影響相對最大[27]。各指標對水質評價的影響程度是通過權重來體現的，權重越大代表該指標在水質評價中的影響越大[5]。國內外權重確定主要通過主觀賦權和客觀賦權兩大類方法實現，具體方法包括專家調查法、二項系數法、層次分析法、主成分分析法、直接給出法、比較矩陣法和環比評分法等[28]。本文參考關云鵬[27]和孫艷[29]等對評價指標賦權的描述，確定評價指標權重計算方法，具體計算見式（6）：

式中：ωi為參評因子i的權重值；Smax為n個參評因子中標準濃度的最大值；Si為參評因子i的標準限值。

1.2.3 內梅羅污染指數的確定。參考湯玉強[23]和王紫媛[24]等對內梅羅污染指數算法改進的描述，確定內梅羅污染指數算法，具體計算如下：

式中：Fj為第j號采樣點水樣改進后的內梅羅污染指數；Pi,max為單項污染指數最大值；Pω為最大權重參評因子的單項污染指數；Pωi為加權后的單項污染指數平均值。

1.2.4 評價指標體系的確定。影響水質評價的因素眾多且復雜，評價指標的選擇以及各指標賦權的合理性，直接影響評價結果的準確性[9]，選取不同的指標作為評價體系，可能得到不同的評價結果。因此，如何選擇合適的評價指標體系顯得尤為重要。權重計算針對的是評價體系內的指標，不同評價體系之間，由于選擇的指標不同，各污染指標的權重值將存在差異，權重最大的指標也會有所改變，最終導致水質等級劃分標準存在差異，影響水質評價結果。為探討改進的內梅羅指數法評價指標體系的實用性，本文建立了3種評價指標體系，分別包含了不同的污染指標，對比水質評價結果，討論評價過程中存在的問題。

1.2.4.1 評價體系1。水質評價主要目的是判斷水體是否存在污染并找出污染因子分析污染來源，為水環境保護與管理提供依據?？紤]到水質的影響因素主要來自污染指標，僅將存在污染的指標納入評價指標體系，建立評價體系1。

1.2.4.2 評價體系2。改進的內梅羅指數法不僅對所有污染指標進行考量，同時也考慮到不存在污染的指標對水體質量的貢獻，有實測值的指標對水質均存在影響。因此，為了使評價更能體現水質綜合狀況，將有實測值的指標均納入評價指標體系，建立評價體系2。

1.2.4.3 評價體系3。未檢出指標即低于檢出限的指標由于不存在污染，同樣對水體質量有貢獻，區別在于有實測值的指標單項污染指數不為零，未檢出的指標單項污染指數以零計。GB 3838-2002《地表水環境質量標準》基本指標包括24個項目，但是水溫、pH、糞大腸菌群3個指標計量單位與其他指標不一致無法進行權重計算，將除開這3個指標的其他21個基本指標全部納入評價指標體系，建立評價體系3。

2 研究區域

2.1 研究區域概況

西藏拉魯濕地位于拉薩市西北角，地理坐標為91°03′41″E～91°06′48″E，29°39′25″N～29°42′08″N，平均海拔3645m，是世界上海拔最高、面積最大的城市天然濕地。本文基于拉魯濕地2022 年1 月（枯水期）和2022 年8 月（豐水期）水質監測數據，分別采用單因子指數法和改進的內梅羅指數法3種評價體系對拉魯濕地不同時期各監測點綜合水質進行評價，監測點包含濕地2個入水口S1和S2、1個濕地內水S3、2個出水口S4和S5，具體監測點分布見圖1。

圖1 拉魯濕地水質監測點分布

2.2 水樣的測定

分別于2022年1月（枯水期）和2022年8月（豐水期）進行采樣，采用便攜式水質分析儀（哈納HI98194，意大利）對各采樣點的水溫、pH 值、溶解氧進行現場測定，每個采樣點采集水樣3 L，送往實驗室進行檢測，檢測項目及檢測方法見表1。

表1 檢測項目及檢測方法

3 結果與討論

3.1 單因子指數法水質評價

根據GB 3838-2002《地表水環境質量標準》水域環境功能類別劃分，西藏拉魯濕地屬于國家自然保護區，以Ⅰ類水為標準，根據式（1）至式（5）分別計算枯水期、豐水期各水質指標單因子污染指數，各指標的測試值、單因子指數Pi及分類評價分類見表2、表3。

表2 枯水期各水質指標含量、污染指數及評價 測試值：mg/L

表3 豐水期各水質指標含量、污染指數及評價 測試值：mg/L

3.1.1 枯水期水質評價。由表2 可知，枯水期拉魯濕地各監測點pH、CODMn、CODCr、BOD5、Cu、Zn、F-、Se、As、Hg、Cd、Cr6+、Pb、氰化物、揮發酚、石油類、陰離子表面活性劑、硫化物、糞大腸菌群等19 個指標的Pi值均小于1，不存在污染，單項指標均符合地表水Ⅰ類水質標準；DO、NH3-N、TP 和TN4 個指標存在不同程度的污染，含量分別達到5.29～9.51、0.054～0.34、0.00～0.073、0.74～2.44 mg/L。單因子指數法表明，枯水期拉魯濕地5 個監測點水體均存在不同程度污染，水質類別介于III 類到劣V 類，其中最好水質在S5 監測點，符合地表水III 類水質標準，S2 監測點水質符合Ⅳ類水，S3、S4兩個監測點水質均僅達到Ⅴ類水，S1監測點水質甚至達不到Ⅴ類水標準。

3.1.2 豐水期水質評價。由表3 可知，豐水期拉魯濕地各監測點pH、CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、Cu、Zn、F-、Se、As、Hg、Cd、Cr6+、Pb、氰化物、揮發酚、陰離子表面活性劑、硫化物、糞大腸菌群等19 個指標的Pi值均小于1，不存在污染，單項指標均符合地表水Ⅰ類水質標準。DO、TP、TN 和石油類4個指標存在不同程度的污染，含量分別達到0.26～6.80、0.00～0.042、0.25～1.58、0.15～0.19 mg/L。單因子指數法表明，豐水期拉魯濕地5 個監測點水體均存在不同程度污染，水質類別介于IV 類到劣V 類，S2、S3 兩個監測點水質符合IV類水，S1、S4兩個監測點水質僅達到Ⅴ類水，S5監測點水質甚至達不到Ⅴ類水標準。

3.2 改進的內梅羅指數法水質評價

3.2.1 評價體系1各指標權重值確定。根據表2、表3各指標測試值，拉魯濕地存在污染的指標為DO、NH3-N、TP、TN 以及石油類，將這5 個指標建立為評價體系1，通過式（6）計算各指標在不同水質類別中的權重值ωi，具體結果見表4。由表4 可知，在評價體系1 中Ⅰ類、Ⅳ類、Ⅴ類水權重最大的指標為TP，Ⅱ類和Ⅲ類水權重最大的指標為石油類，權重最小的指標均為DO。說明在該評價體系下，TP和石油類在水質評價中的影響最大，DO的影響最小。

表4 評價體系1各指標污染權重

3.2.2 評價體系2各指標權重值確定。根據表2、表3各指標測試值，拉魯濕地各監測點DO、CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TP、TN、Cu、Zn、F-、As、Cd、Pb、石油類14個指標有實測值，將這14 個指標建立為評價體系2，通過式（6）計算各指標在不同水質類別中的權重值ωi，具體結果見表5。由表5 可知，在評價體系2 中權重最大的指標為Cd，權重最小的指標為CODCr。說明在該評價體系下，Cd在水質評價中的影響最大，CODCr的影響最小。

表5 評價體系2各指標污染權重

3.2.3 評價體系3各指標權重值確定。根據表2、表3各指標測試值，拉魯濕地各監測點Se、Hg、Cr6+、氰化物、揮發酚、陰離子表面活性劑、硫化物等7 個指標均未檢出，與評價體系2中有實測值的14個指標一起建立為評價體系3，通過式（6）計算各指標在不同水質類別中的權重值ωi，具體結果見表6。由表6 可知，在評價體系3中權重最大的指標為Hg，權重最小的指標為CODCr。說明在該評價體系下，Hg 在水質評價中的影響最大，CODCr的影響最小。

表6 評價體系3各指標污染權重

3.2.4 各評價體系污染等級的劃分。參考湯玉強[23]和關云鵬[27]對各類污染等級劃分的描述，根據式（7）、式（8）計算出各評價體系中不同水質類別內梅羅污染指數法臨界值，并以此進行污染等級劃分，具體結果見表7。由表7 可知，不同的評價體系，由于考量的指標多少不同，使各指標污染權重存在差異，污染等級劃分標準亦不相同。評價體系1由于僅考量存在污染的指標，間接導致評價體系中各污染指標權重值相對增大，最終導致內梅羅污染指數臨界值增大，當水質污染嚴重時污染等級劃分范圍拓寬，使評價結果將存在過保護現象；評價體系3由于考量的指標太多，雖然評價體系中各污染指標權重值相對減小，但最終導致內梅羅污染指數臨界值更大，當水質污染嚴重時污染等級劃分范圍拓寬更廣，使評價結果過保護現象更明顯；評價體系2僅考量有實測值的指標，各污染指標權重值處在兩個評價體系之間，內梅羅污染指數臨界值相對適中，污染等級劃分和水質評價結果較為適宜，相對于評價體系3 減少了無實測值指標的統計和計算，實用性優于另外兩個評價體系。

表7 各評價體系內梅羅污染指數臨界值與污染等級劃分

3.2.5 各評價體系內梅羅污染指數計算與水質評價。根據式（7）、式（8）結合表2、表3 拉魯濕地不同時期各指標單項污染指數與表4、表5、表6 三種評價體系中各指標權重值計算出各監測點水體相應的內梅羅污染指數，再根據表7 分別對拉魯濕地兩個時期水質進行評價，評價結果見表8。由表8 可知，改進的內梅羅指數法表明，拉魯濕地各監測點不同時期水質均存在不同程度污染，枯水期拉魯濕地水質介于Ⅳ類到Ⅴ類，以Ⅳ類為主；豐水期拉魯濕地各監測點水質均為Ⅳ類水。

表8 不同評價方法和評價體系對拉魯濕地不同時期水質評價

3.2.5.1 不同評價體系對拉魯濕地水質評價結果比較。由表8 可知，通過改進的內梅羅指數法3 種評價指標體系對拉魯濕地兩個時期水質進行評價，3 種評價指標體系對豐水期水質評價結果一致，對枯水期水質評價結果略有差異。從內梅羅污染指數方面分析，評價體系1 由于僅考慮存在污染的指標，使污染指標權重值增大，最終導致各監測點水體內梅羅污染指數均大于其他兩個評價體系；評價體系2 和評價體系3內梅羅污染指數接近，是由于權重最大指標污染指數接近于零，相當于僅有最大污染指數和有實測值的指標加權參與計算。從評價結果方面分析，評價體系1和2 評價結果相同，主要是評價體系3 引入未檢出指標，導致權重最大的指標改變，污染等級劃分范圍變寬，使評價結果相對優于其他兩個評價體系，水質評價結果過保護現象明顯。綜合分析，僅考量有實測值指標的評價體系2 更能反映水質綜合狀況，在實際應用中可根據不同需求選擇不同的評價體系進行水質評價。

3.2.5.2 不同評價方法對拉魯濕地水質評價結果比較。由表8 可知，單因子指數法由于僅考慮最差指標所屬類別，未考量評價體系中其他污染因子對水質的影響，導致評價結果存在偏差，同時也不能充分反映水質綜合狀況。改進的內梅羅指數法充分考慮了評價體系中所有指標對水質的影響，更能客觀反映水質綜合狀況。例如，枯水期S1、S3、S4 三個監測點最差指標均為TN，單因子指數法僅考慮TN 所屬類別，分別評價為劣Ⅴ類、Ⅴ類、Ⅴ類水質，而改進的內梅羅指數法充分考量了評價體系中無污染指標對水質的貢獻，故評價結果優于單因子指數法，分別評價為Ⅴ類、Ⅳ類、Ⅳ類水質；枯水期S5 監測點污染因子為DO、NH3-N 和TN，最差指標為DO 和TN，均符合地表水Ⅲ類水，單因子指數法評價為Ⅲ類水質，而改進的內梅羅指數法充分考量了評價體系中所有污染指標對水質的影響，故評價結果劣于單因子指數法，評價為Ⅳ類水質。

單因子指數法不能區分不同污染類別同等級水質之間優劣情況，改進的內梅羅指數法可通過內梅羅污染指數對同類水質進行定量比較。例如，枯水期和豐水期S4監測點水質污染因子不同，單因子指數法均評價為Ⅴ類水，改進的內梅羅指數法均評價為Ⅳ類水，通過內梅羅污染指數大小可知S4監測點水質豐水期優于枯水期。同理，通過內梅羅污染指數比較，可知除S5監測點外，其余監測點水質均是豐水期優于枯水期。

4 結論

（1）單因子指數法計算簡單，能直觀地分析出污染因子，對單項指標的評價意義重大，但以最差水質指標所屬類別來定義水體綜合水質類別，容易導致評價結果出現偏差，同時也不能充分反映水體綜合水質狀況；改進的內梅羅指數法不僅考量了評價體系中所有污染指標對水質的影響，更是考量了評價體系中不存在污染的指標對水質的貢獻，使評價結果更能反映水體綜合水質狀況，并且通過內梅羅污染指數可在同類水質之間進行定量比較。

（2）改進的內梅羅指數法不同評價體系由于考量的指標不同，各污染指標權重值存在差異，直接導致評價等級劃分范圍存在差異，僅考量污染指標和考量過多指標均會導致評價結果出現過保護現象，而僅考量有實測值指標的評價結果更能反映水體綜合狀況，實用性最佳。在實際應用當中，可根據不同需求選擇不同的評價體系進行水質綜合評價。

（3）采用單因子指數法和改進的內梅羅指數法對西藏拉魯濕地兩個時期水質進行評價，結果表明2 種方法均能在一定程度上反映拉魯濕地各監測點不同時期的水質狀況。2 種評價方法由于評價標準不同，導致評價結果略有差異。單因子指數法表明，枯水期拉魯濕地水質介于Ⅲ類和劣Ⅴ類，以Ⅴ類為主；豐水期拉魯濕地水質介于Ⅳ類和劣Ⅴ類，以Ⅳ類和Ⅴ類為主。改進的內梅羅指數法表明，枯水期拉魯濕地水質介于Ⅳ類和Ⅴ類，以Ⅳ類為主；豐水期拉魯濕地各監測點水質均為Ⅳ類水。