劉玲花,吳雷祥,吳佳鵬,劉來勝,霍煒潔

(中國水利水電科學研究院水環(huán)境研究所,北京　100038)

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國外地表水水質(zhì)指數(shù)評價法綜述

劉玲花,吳雷祥,吳佳鵬,劉來勝,霍煒潔

(中國水利水電科學研究院水環(huán)境研究所,北京100038)

摘要：討論了水質(zhì)指數(shù)的發(fā)展歷程,介紹了國外幾種比較成熟、應用比較廣泛的水質(zhì)指數(shù),包括它們的背景和應用領(lǐng)域,以期為我國的地表水質(zhì)量評價提供參考。綜合評價已有的水質(zhì)評價指數(shù)及其應用情況,認為加拿大環(huán)境部長理事會水質(zhì)指數(shù)(CCMEWQI)法是一種值得推薦使用的水質(zhì)評價方法,建議以此方法為基礎(chǔ),建立適合我國的水源地水質(zhì)指數(shù)評價方法。

關(guān)鍵詞：地表水水質(zhì);水質(zhì)指數(shù);水質(zhì)評價;水質(zhì)指數(shù)評價

水質(zhì)評價是合理利用和保護水資源的一項基本工作,是水環(huán)境管理與決策的依據(jù)。地表水水質(zhì)評價是一個復雜的過程,需要考慮大量樣本和多種水質(zhì)參數(shù)。目前國內(nèi)外水質(zhì)評價方法有很多,包括最差因子判別法[1]、灰關(guān)聯(lián)分析法[2]、主成分分析法[3]、水質(zhì)指數(shù)法[4-8]、層次分析法[9]等,每種方法都有自己的特點和使用條件。最差因子判別法是在所有因子中選最差的那個類別作為總體類別,是偏于悲觀的方法。水質(zhì)指數(shù)法是將大量的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)用簡單公式進行計算,將水質(zhì)分為非常好、好、較好、差等幾種類別。水質(zhì)指數(shù)評價法使用簡單、評價結(jié)果直觀、精確度較高,能較為完整地反映地表水的污染程度,在國內(nèi)外得到廣泛應用,如,美國國家衛(wèi)生基金會水質(zhì)指數(shù)(National Sanitation Foundation Water Quality Index, NSFWQI)[10],加拿大環(huán)境部長理事會水質(zhì)指數(shù) (Canadian Council of Ministers of the Environment Water Qaulity Index, CCMEWQI)[11],俄勒岡州水質(zhì)指數(shù)(OWQI)[12]。筆者對國外常用的水質(zhì)指數(shù)評價法進行比較分析,以期為我國的地表水質(zhì)量評價提供參考。

1水質(zhì)指數(shù)的概念及水質(zhì)指數(shù)評價法的發(fā)展歷程

1.1　水質(zhì)指數(shù)的概念

水質(zhì)指數(shù)(water quality index,WQI)是綜合了多個水質(zhì)參數(shù)的歸一化無量綱數(shù)。水質(zhì)指數(shù)里需要考慮的參數(shù)取決于水的用途。?？紤]的水質(zhì)參數(shù)包括BOD、COD、pH值、總大腸菌群、溫度和營養(yǎng)物質(zhì)(氮和磷)等。WQI將這些參數(shù)的復雜的科學信息綜合成一個單一的數(shù)。

建立水質(zhì)指數(shù)包括如下的步驟:

步驟1:根據(jù)水體的用途,確定水質(zhì)參數(shù)以及可接受的標準濃度值;

步驟2:將每個水質(zhì)參數(shù)的實測值與標準值進行對比,得到單個水質(zhì)參數(shù)的指數(shù)值;

步驟3:確定每個參數(shù)的權(quán)重,以便計算綜合水質(zhì)指數(shù);

步驟4:選擇一種算法計算水質(zhì)指數(shù)值;

步驟5:按照水質(zhì)指數(shù)的取值范圍將水劃分為不同的等級,如優(yōu)、良、中、差等。

1.2　水質(zhì)指數(shù)評價法的發(fā)展歷程

最早見諸文獻的水質(zhì)指數(shù)評價法可以追溯到1965年,由美國俄亥俄河流域水衛(wèi)生管理委員會的Horton[13]提出。Horton選擇10個最常用的水質(zhì)參數(shù)(DO、pH值、糞大腸菌群、電導率、碳-氯仿提取物(CCE)、堿度、氯化物、溫度、污水處理)計算水質(zhì)指數(shù),指標權(quán)重的賦值為1~4,用線性聚合函數(shù)計算水質(zhì)指數(shù)值。Horton擬定了水質(zhì)評分尺度,0代表最差水質(zhì),100代表最佳水質(zhì)。

隨著Horton的開創(chuàng)性研究,很多學者又提出了幾種不同的水質(zhì)指數(shù),這些水質(zhì)指數(shù)被一些供水和水污染控制機構(gòu)大力提倡使用[12,14]。

Brown等[15]于1972年提出的水質(zhì)指數(shù)與Horton水質(zhì)指數(shù)類似,他們選用9項水質(zhì)參數(shù)(DO、糞大腸菌群、pH、BOD5、硝酸鹽、磷酸鹽、濁度、總?cè)芙庑怨腆w、溫度)來計算水質(zhì)指數(shù),水質(zhì)參數(shù)的權(quán)重由142位專家進行打分確定,參數(shù)的權(quán)重決定了該參數(shù)對水質(zhì)用途的重要性。Brown水質(zhì)指數(shù)的計算方法為

(1)

式中:WQI為水質(zhì)指數(shù);qi為第i項參數(shù)的水質(zhì)評分;ωi為第i項參數(shù)的權(quán)重。

其他研究人員根據(jù)水的用途不同選用不同的水質(zhì)參數(shù),提出了類似的水質(zhì)指數(shù)法。意大利的Prati等[16]在1971年提出的水質(zhì)指數(shù)評價系統(tǒng)考慮了13項參數(shù)(pH、DO、BOD5、COD、高錳酸鹽指數(shù)、懸浮固體、氨氮、硝酸鹽、氯離子、鐵、錳、吸光值),把水體水質(zhì)劃分為優(yōu)良、可允許、輕污染、污染、嚴重污染5個等級。

Nemerow[17]1974年提出了污染指數(shù)法(內(nèi)梅羅水質(zhì)指數(shù)),選擇14項參數(shù):溫度、色度、濁度、pH、糞大腸菌群數(shù)、溶解固體、懸浮固體、總氮、堿度、硬度、氯化物、錳、鐵、硫酸鹽和溶解氧,根據(jù)水體用途按下式計算水質(zhì)指數(shù):

(2)

Nemerow將水體用途分成人體接觸的用途(飲用、游泳、制造飲料等)、人體間接接觸的用途(工業(yè)制備食品、農(nóng)業(yè)應用、釣魚等)、人體不接觸的用途(工業(yè)冷卻、旅游等)。不同用途的水其水質(zhì)標準不同。內(nèi)梅羅指數(shù)特別考慮了污染最嚴重的因子,是目前仍然應用較多的一種環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。

Steinhart等[18]于1982年應用一種新的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)評價大型湖泊生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與變化趨勢。20世紀90年代中期,加拿大環(huán)境部長理事會的水質(zhì)指南工作組將水質(zhì)指數(shù)法引入加拿大[19]。最近,加拿大環(huán)境部長理事會水質(zhì)指數(shù) (Canadian Council of Ministers of the Environment Water Qaulity Index, CCMEWQI)在加拿大不同省份及各種生態(tài)系統(tǒng)的水質(zhì)評價工作中得到了廣泛應用[11，20-21]。

幾乎所有的水質(zhì)指數(shù)都需要對參數(shù)檢測值進行無量綱標準化,根據(jù)需要將預期濃度解釋為水質(zhì)“好”或“壞”,然后根據(jù)各參數(shù)對水質(zhì)影響的重要性分別對它們賦予權(quán)重,加權(quán)計算得到水質(zhì)指數(shù)。

2幾個重要的地表水水質(zhì)評價指數(shù)

2.1　加拿大環(huán)境部長理事會水質(zhì)指數(shù)

加拿大水質(zhì)指數(shù)(Canadian Water Quality Index, CWQI)是在1995年英國哥倫比亞大學公布的水質(zhì)指數(shù)基礎(chǔ)上確定的[19],目前該方法在加拿大很多省份均已得到應用[22-23],該指數(shù)從范圍(Scope)、頻率(Frequency)和振幅(Amplitude)3個方面計算水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)是否超過了水質(zhì)標準限值[23]。加拿大水質(zhì)指數(shù)的計算公式為

(3)

其中

(4)

(5)

(6)

其中

(7)

式中:F1為超過標準限值的水質(zhì)參數(shù)的個數(shù)占總監(jiān)測參數(shù)數(shù)量的百分比(代表范圍);F2為超過標準限值的監(jiān)測數(shù)據(jù)個數(shù)占所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的百分比(代表頻率);F3為振幅;P為超標的水質(zhì)參數(shù)的個數(shù);N為水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)總數(shù);q為所有水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)中超標數(shù)據(jù)的個數(shù);M為水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)總數(shù);S為不達標水質(zhì)指標的實測值偏離標準值的倍數(shù)。

對于規(guī)定了上限值的一般水質(zhì)指標,則

(8)

對于不能低于某一限值的指標(如溶解氧、pH等),則

(9)

式中:ci為指標實測值,cs為對應指標標準限值。

表1　加拿大飲用水源水體總體等級分值及其相對應的適宜性說明

水質(zhì)綜合指數(shù)(WQI)的取值在0～100之間,0表示水質(zhì)非常差,100表示水質(zhì)很好。根據(jù)WQI值將水體劃分為5個級別:很好(95～100),好(80～94),中等(60～79),及格(45～59),差(0～44),見表1。對不同級別的水體可以采取不同的水處理工藝,以達到飲用水安全的目標[20]。加拿大水質(zhì)指數(shù)值對于水質(zhì)級別的分類有一定的主觀性,需要結(jié)合專家經(jīng)驗和群眾對水質(zhì)的期望對WQI值劃分區(qū)間以確定水質(zhì)級別。

2.2　加拿大不列顛哥倫比亞水質(zhì)指數(shù)

加拿大不列顛哥倫比亞水質(zhì)指數(shù)(British Columbia Water Quality Index, BCWQI)是由加拿大環(huán)境部在1995年增加的一種水質(zhì)評價指數(shù)。該指數(shù)類似于2.1節(jié)介紹的CCMEWQI。將水樣的水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測結(jié)果與其標準限值比較,確定該參數(shù)是否超標,然后利用下面的公式計算水質(zhì)指數(shù)值:

(10)

數(shù)字1.453是為了保證指數(shù)值在0～100之間。F1、F2、F3的計算方法見式(4)~(6)。需要強調(diào)的一點是,重復采集水樣和增加監(jiān)測站點的數(shù)量可以提高不列顛哥倫比亞省水質(zhì)指數(shù)的準確性。

2.3　美國國家衛(wèi)生基金會水質(zhì)指數(shù)

為了比較不同地區(qū)的河流和湖泊水質(zhì)狀況,Brown等[15]在調(diào)查142個水質(zhì)科學家基礎(chǔ)上建立了美國國家衛(wèi)生基金會水質(zhì)指數(shù)(National Sanitation Foundation Water Quality Index，NSFWQI),該水質(zhì)指數(shù)考慮了9個水質(zhì)參數(shù),分別為DO、糞大腸菌群、pH、BOD5、硝酸鹽、總磷、溫度、濁度、總固體。建立了9個水質(zhì)參數(shù)的Q值曲線,如糞大腸菌群和溶解氧的Q值曲線見圖1和圖2。

注：糞大腸菌落數(shù)大于100 000時,Q值為2。圖1　糞大腸菌群的Q值曲線

圖2　pH的Q值曲線

根據(jù)9個參數(shù)的實測值,確定其Q值,然后乘以Q值得出水質(zhì)指數(shù)。NSFWQI值的計算公式如下:

(11)

式中:ωi為第i項參數(shù)的權(quán)重,Qi為第i項參數(shù)的水質(zhì)評分。

表2是水質(zhì)指數(shù)的計算實例。水質(zhì)指數(shù)取值范圍為0～100,根據(jù)水質(zhì)指數(shù)的取值范圍將水分為5類:0～25為非常差的水,25～50為差的水,50～70為中等質(zhì)量的水,70～90為質(zhì)量好的水,90～100為非常好的水。

表2　水質(zhì)指數(shù)計算實例

2.4　俄勒岡州水質(zhì)指數(shù)

俄勒岡州水質(zhì)指數(shù)(Oregon Water Quality Index,OWQI)選擇8個水質(zhì)參數(shù)(溫度、DO、BOD、pH、總固體、氨氮和硝酸鹽氮的加和、TP、糞大腸菌群)表征水質(zhì)狀況[24]。每個參數(shù)的檢測結(jié)果按照水的用途轉(zhuǎn)換成無量綱指數(shù)值,指數(shù)值10為最差,100為最好。計算公式為

(12)

式中:n為參數(shù)的數(shù)量；Si為第i個參數(shù)的指數(shù)值。

WQI小于60表示水質(zhì)極差,60～79表示水質(zhì)較差,80～84表示水質(zhì)一般,85～89表示水質(zhì)良好,95～100表示水質(zhì)特別好。

2.5　綜合污染指數(shù)

Sargaonkar等[25]在對印度河流指標監(jiān)測和隨后的分類基礎(chǔ)上開發(fā)了綜合污染指數(shù)(Overall Index of Pollution,OIP),監(jiān)測指標包括pH、濁度、溶解氧、生化需氧量、硬度、總?cè)芙庑怨腆w、總大腸桿菌群、砷和氟化物。根據(jù)印度的水質(zhì)標準或者其他公認的標準如世界衛(wèi)生組織或歐盟的水質(zhì)標準,將水樣的水質(zhì)級別分為5個等級:非常好、可接受、輕微污染、污染、嚴重污染。綜合污染指數(shù)計算公式為

(13)

式中:OIP為綜合污染指數(shù),pi為第i個參數(shù)的污染指數(shù),n為參數(shù)個數(shù)。

2.6　Bhargava水質(zhì)指數(shù)

為了開發(fā)這種指數(shù),Bhargava[26]將水質(zhì)參數(shù)劃分為4組,每組都包含同一類型的幾個參數(shù)。第1組包括了表示飲用水細菌污染狀況的大腸桿菌;第2組包括了有毒物質(zhì)、重金屬等;第3組包括了感官類參數(shù),如氣味、顏色和濁度;第4組包括了無機和有機無毒物質(zhì),如氯化物、硫酸鹽等。確定了分類指數(shù),可以采用下面的簡化模型計算水質(zhì)指數(shù)值:

(14)

式中:n為水質(zhì)參數(shù)的個數(shù);fi(pi)為第i個參數(shù)的靈敏度函數(shù),包括第i個變量的權(quán)重影響。

2.7　幾種水質(zhì)評價指數(shù)的對比分析

表3對上述介紹的不同國家的6種水質(zhì)評價指數(shù)的計算方法進行了對比。從表3可以看出,水質(zhì)指數(shù)的計算方法多種多樣,包括了加權(quán)算術(shù)平均法如美國國家衛(wèi)生基金會水質(zhì)指數(shù)(NSFWQI),算術(shù)平均法如綜合污染指數(shù)(OIP),調(diào)和平方的不加權(quán)算術(shù)平均法如俄勒岡州水質(zhì)指數(shù)(OWQI)、加權(quán)幾何平均(如Bhargava)水質(zhì)指數(shù)以及調(diào)和平方加和法,如加拿大環(huán)境部長理事會水質(zhì)指數(shù)(CCMEWQI)和加拿大不列顛哥倫比亞水質(zhì)指數(shù)(BCWQI)等。

表3　6種水質(zhì)評價指數(shù)計算方法對比

Lumb等[27]采用加拿大安大略湖的30個水質(zhì)監(jiān)測站點連續(xù)7年的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),利用美國NSF水質(zhì)評價指數(shù)法、俄勒岡州水質(zhì)指數(shù)(OWQI)和加拿大水質(zhì)評價指數(shù)法進行評價,并將兩國的水質(zhì)指數(shù)評價方法進行對比分析,結(jié)果表明:①在水的使用方面利用水質(zhì)指數(shù)進行評分和分類,加拿大水質(zhì)指數(shù)評價法比美國的水質(zhì)指數(shù)評價法嚴格；②俄勒岡州水質(zhì)指數(shù)(OWQI)與加拿大水質(zhì)評價指數(shù)的評價結(jié)果較接近；③美國的NSF水質(zhì)評價指數(shù)法在對水質(zhì)分級方面顯得較寬松,該方法對安大略湖水質(zhì)評價結(jié)果在大多數(shù)情況下都是“好”和“極好”,即使是對一些穿過工業(yè)區(qū)、人口密集區(qū)和農(nóng)業(yè)區(qū)的監(jiān)測斷面的評價結(jié)果也是如此。

加拿大環(huán)境部長理事會水質(zhì)指數(shù)(CCMEWQI)和加拿大不列顛哥倫比亞水質(zhì)指數(shù)(BCWQI)利用調(diào)和平方和法計算水質(zhì)指數(shù),這是一種比較好的水質(zhì)指數(shù)計算法,該方法不僅在加拿大得到廣泛應用,聯(lián)合國環(huán)境署(UNEP)也應用加拿大水質(zhì)指數(shù)法評價世界不同國家的飲用水水質(zhì)[24]。

3結(jié)語

水質(zhì)指數(shù)法是評價不同時空的水體水質(zhì)優(yōu)劣的一種較好的工具,能把一系列水質(zhì)數(shù)據(jù)用一個簡單的公式綜合成一個數(shù),用來評價某一時間和地點的水質(zhì)好壞,可以回答“水可以飲用嗎?水可以作為飲用水源嗎?水可以游泳嗎?”等諸如此類的問題。水質(zhì)評價指數(shù)的簡化表達更容易被公眾、政策制定者所接受。

各國的水質(zhì)指數(shù)計算方法各不相同,常用的水質(zhì)指數(shù)計算方法包括加權(quán)算術(shù)平均法,算術(shù)平均法,調(diào)和平方的不加權(quán)算術(shù)平均法、加權(quán)幾何平均法、調(diào)和平方加和法等。加權(quán)平均或修正的加權(quán)平均應用比較廣泛。

綜合評價已有的水質(zhì)評價指數(shù)及其應用情況,加拿大環(huán)境部長理事會水質(zhì)指數(shù)(CCMEWQI)法是一種值得推薦使用的水質(zhì)評價方法,建議以此方法為基礎(chǔ),建立適合我國的水源地水質(zhì)指數(shù)評價方法。

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Review on surface water quality index assessment method in foreign countries

LIU Linghua, WU Leixiang, WU Jiapeng, LIU Laisheng, HUO Weijie

(DepartmentofWaterEnvironmentResearch,ChinaInstituteofWaterResourcesand

HydropowerResearch,Beijing100038,China)

Abstract：The development history of water quality index was discussed. Several mature and widely used water quality indexes in western countries, including their background and application fields, were introduced, aiming to offerring reference for surface water quality assessment in our country. Comprehensively evaluation of water quality index and its application showed that the Canadian Council of Ministers of the Environment water quality index (CCMEWQI) is a recommended water quality evaluation method. It is recommended that proper water quality index assessment method for headwater areas in China should be developed based on CCMEWQI.

Key words：surface water quality; water quality index; water quality assessment; water quality index assessment

(收稿日期：2015-02-28編輯：彭桃英)

中圖分類號：X824

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)01-0086-05

作者簡介:劉玲花(1965—),女,教授級高級工程師,博士,主要從事水環(huán)境監(jiān)測與評價,水污染控制及水處理技術(shù)研究。E-mail: lhliu@iwhr.com

基金項目:國家科技支撐計劃課題 (2011BAC12B02)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.015