沁河晉城段水質(zhì)綜合評價對比及變化趨勢分析

喬 俊，李志芬，張海軍，張素芳?

（1.山西大同大學化學與環(huán)境工程學院，山西大同037009;2.黑龍江省環(huán)境工程評估中心，黑龍江哈爾濱150001）

沁河晉城段水質(zhì)綜合評價對比及變化趨勢分析

喬 俊1，李志芬1，張海軍2，張素芳1?

（1.山西大同大學化學與環(huán)境工程學院，山西大同037009;2.黑龍江省環(huán)境工程評估中心，黑龍江哈爾濱150001）

研究以沁河晉城段4個斷面水質(zhì)為目標，采用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法、最近鄰法和灰色關聯(lián)分析法對其在2006-2010年間的水質(zhì)進行了綜合評價對比分析。結果表明，氨氮和總氮在沁河晉城段超標頻次較高，超標程度較深，是影響沁河水質(zhì)的主要污染物。最近鄰法和灰色關聯(lián)分析法的評價結果基本上與綜合水質(zhì)標識指數(shù)法保持一致。同時應用Speraman秩相關系數(shù)法對沁河晉城段4個斷面在近5年間的水質(zhì)變化趨勢進行探究，分析結果表明潤城斷面水質(zhì)明顯好轉，其他3個斷面水質(zhì)在5年間變化不大。

水質(zhì)評價；水質(zhì)變化趨勢；沁河

隨著我國經(jīng)濟的快速增長和城市化水平的不斷提升，給水資源帶來了極大的壓力，水生態(tài)系統(tǒng)也遭受到了破壞和污染。2014年的《中國環(huán)境狀況公報》中報道，全國423條主要河流、62個重點湖泊（水庫）的968個國控地表水監(jiān)測斷面中，IV類水質(zhì)斷面比例高達20.9%，劣于IV的水質(zhì)斷面（含V類和劣V類水質(zhì)斷面）比例為16%，兩者合計占36.9%，地表水質(zhì)狀況依然有待改善[1]。水體污染會給水體的生態(tài)帶來危害，也給生活在其中的水生生物和周邊環(huán)境帶來嚴重的污染，從而給人類和社會的健康發(fā)展產(chǎn)生消極影響。因此，定期監(jiān)測水質(zhì)情況、合理評價地表水水質(zhì)，可為防治地表水污染提供線索和依據(jù)，具有重要的價值和意義。

沁河是晉城第一大河流，也是晉城的母親河，發(fā)源于山西省沁源縣西北太岳山東麓，向南流經(jīng)安澤、沁水、陽城、澤州縣，最后流入河南省濟源縣。沁河全長約485 km，流域面積約1.35萬km2，在晉城市內(nèi)長約160 km，流域面積0.46萬km2。作為晉城市內(nèi)的主要淡水來源，沁河水質(zhì)的優(yōu)劣直接關系到晉城市各個地方的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活、人民群眾的飲水安全、還有社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。本研究采用3種方法對沁河晉城段2006-2010年的水質(zhì)進行評價對比分析，此外還分析了5年間的沁河水質(zhì)變化趨勢，為該流域的水環(huán)境防治提供依據(jù)。

1 水質(zhì)監(jiān)測資料和方法

1.1 沁河水質(zhì)監(jiān)測資料的來源

本文選取沁河晉城段的4個水質(zhì)監(jiān)測斷面：鄭莊、曲堤、潤城和拴驢泉的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。4個斷面在2006-2010年間的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于晉城市環(huán)保監(jiān)測站。水質(zhì)指標選定為溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總氮和五日生化需氧量（BOD5）共5項，利用各指標數(shù)據(jù)的年均值進行地表水質(zhì)綜合評價對比分析和水質(zhì)變化趨勢分析。

1.2 沁河水質(zhì)的評價方法

水質(zhì)綜合評價方法常用的有綜合水質(zhì)標識指數(shù)法[2-4]，模糊評價法[5-6]，層次分析法[7-8]，最近鄰法[9]，神經(jīng)網(wǎng)絡法[10]和灰色關聯(lián)分析法[11-12]等。其中綜合水質(zhì)標識指數(shù)法應用較方便，可對河流的綜合水質(zhì)進行定性、定量評價[2-3]，此外最近鄰法和灰色關聯(lián)分析法也屬于較為簡便、易用的方法。沁河晉城段4個水質(zhì)監(jiān)測斷面在2006-2010年間的水質(zhì)狀況采用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法進行綜合評價，在此基礎上研究還采用了最近鄰法和灰色關聯(lián)分析法對2010的水質(zhì)進行對比評價分析。

綜合水質(zhì)標識指數(shù)法應用時要先確定單因子水質(zhì)標識指數(shù)P，再由單因子水質(zhì)標識指數(shù)P為基礎確定某斷面的綜合水質(zhì)標識指數(shù)I：

P及I的各項組成含義及具體的計算方法詳見徐祖信等的研究[2-3]，總的來講，I數(shù)值越大，說明水質(zhì)越差。

最近鄰法是一種基于實例的分類法，該方法的宗旨是：對于一待評價的河流樣本，計算該樣本與每一類水質(zhì)之間的距離di，與其距離最近的一類（即最小di值）就判為該樣本的水質(zhì)類別[9]。

灰色關聯(lián)分析法是對一個系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢的定量描述方法。應用時先需要確定參考數(shù)列（母數(shù)列）與若干比較數(shù)列（子數(shù)列）之間的關聯(lián)系數(shù)和關聯(lián)度r，將關聯(lián)度r進行排序，找到最大的關聯(lián)度值從而判斷水質(zhì)類別[11-12]。

1.3 沁河水質(zhì)變化趨勢評價方法

本研究采用國家環(huán)保部的《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法》中推薦的Spearman秩相關系數(shù)法對沁河晉城段的4個斷面水質(zhì)變化趨勢進行分析，根據(jù)計算結果可判斷在評價時間段內(nèi)地表水水質(zhì)變化趨勢[13]。

2 結果和討論

2.1 沁河晉城段各斷面水質(zhì)評價

沁河晉城段在2006-2010年間各斷面的單因子水質(zhì)標識指數(shù)評價結果見表1。

表1 2006-2010年沁河晉城段各斷面單因子水質(zhì)標識指數(shù)評價結果

結合各斷面的水質(zhì)功能區(qū)劃類別，4個斷面中只有潤城斷面的水質(zhì)在2006-2008年間存在不達標的情況，2009年水質(zhì)達標，2010年時又存在超標現(xiàn)象。潤城斷面超標的水質(zhì)指標具體為氨氮和總氮，說明該斷面的主要污染物為氨氮和總氮。其余3個斷面都能夠滿足其對應的水質(zhì)功能區(qū)劃類別，總體而言沁河水質(zhì)情況較好。

影響水質(zhì)的主要污染因子一般可借助單因子水質(zhì)標識指數(shù)法快速鎖定，但在對水質(zhì)進行綜合評價時，應考慮各種污染因子的共同影響從而能夠較為科學、合理的確定水質(zhì)的類別。沁河晉城段各斷面水質(zhì)的綜合水質(zhì)標識指數(shù)在表2中列出。結合各斷面的水質(zhì)功能區(qū)劃類別，沁河晉城段的潤城斷面僅在2006年為IV類水，沒達到其功能區(qū)劃類別標準（III類）。其余所有斷面在各個年份的水質(zhì)都能滿足各自相應的功能區(qū)劃類別標準。在2010年，潤城斷面在沁河晉城段的4個斷面中綜合水質(zhì)標識指數(shù)數(shù)值最高（數(shù)值為2.600）。

為比較幾種不同的水質(zhì)綜合評價方法的差異，研究采用了最近鄰法和灰色關聯(lián)分析法對2010年沁河晉城段各斷面的水質(zhì)進行綜合評價，見表3和表4。

表2 2006-2010年沁河晉城段各斷面綜合水質(zhì)標識指數(shù)水質(zhì)評價結果

表3 2010年沁河晉城段各斷面最近鄰法水質(zhì)評價結果

表4 2010年沁河晉城段各斷面灰色關聯(lián)分析法水質(zhì)評價結果

將表3和表4的結果與綜合水質(zhì)標識指數(shù)法給出的結果（表2）進行對比后可以發(fā)現(xiàn)，總體而言3種方法給出的結果基本一致，其中最近鄰法與綜合水質(zhì)標識指數(shù)法分析結果沒有差異，而灰色關聯(lián)分析法在對潤城斷面進行綜合水質(zhì)評價時給出的結果是III類水，前2種方法給出的結果均為II類水。這說明灰色關聯(lián)分析法比起其他2種方法較為嚴格，在對水質(zhì)相對較差的潤城斷面進行水質(zhì)綜合評價時，給出的評價結果較為嚴格?？傊?，3種方法在應對水質(zhì)綜合評價時都較為準確、可信，其中綜合水質(zhì)標識指數(shù)法計算過程較簡便，且可對劣V類水質(zhì)也能進行定量評價，能夠適應多種水質(zhì)評價情景[14-15]。

2.2 沁河晉城段各斷面水質(zhì)變化趨勢

除了關注水質(zhì)現(xiàn)狀外，對較長時期內(nèi)的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，觀察其水質(zhì)變化趨勢，能夠檢驗現(xiàn)行的地表水污染管理方式、防治措施是否發(fā)揮作用，是否達到預期的效果[4]?；诖?，水質(zhì)變化趨勢分析對于制定更為合理、有效的地表水防治方法顯得尤為重要。

2006-2010年間沁河晉城段各斷面水質(zhì)連續(xù)變化趨勢分析結果在表5給出。沁河晉城段的鄭莊、曲堤和拴驢泉3個斷面|rs|＜W0.05（0.9），說明這些斷面的水質(zhì)在這5年間水質(zhì)比較穩(wěn)定，無明顯變化趨勢。潤城斷面|rs|＞W(wǎng)0.05（0.9），說明這個斷面的水質(zhì)在這5年間顯著好轉。

表5 2006-2010年沁河晉城段各斷面水質(zhì)變化趨勢分析

3 結論

1）沁河晉城段影響地表水水質(zhì)的主要指標為總氮和氨氮，尤其在潤城斷面表現(xiàn)較為突出。

2）采用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法對沁河晉城段4個斷面水質(zhì)進行評價后發(fā)現(xiàn)，沁河晉城段的潤城斷面僅在2006年為IV類水，沒達到其功能區(qū)劃類別標準；其余所有斷面在2006-2010年間的水質(zhì)都能滿足各自相應的功能區(qū)劃類別要求。

3）最近鄰法、灰色關聯(lián)分析法和綜合水質(zhì)標識指數(shù)法均能對地表水質(zhì)進行準確的綜合評價，其中灰色關聯(lián)分析法的評價結果較為嚴格。

4）在2006-2010年間，沁河晉城段4個斷面中潤城斷面的水質(zhì)呈明顯好轉趨勢，其它3個斷面水質(zhì)在這期間變化平穩(wěn)。

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Comparative Study on Water Quality Comprehensive Assessment and Variation Trend Analysis of Qinhe River’s Jincheng Section

QIAO Jun1,LI Zhi-fen1,ZHANG Hai-jun2,ZHANG Su-fang1*
(1.College of Chemistry and Environment Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009;2.Heilongjiang Provincial Assessment Center for Environmental Engineering,Harbin Heilongjiang,150001)

This study used comprehensive water quality identification index method,the neighbor algorithm and Grey relational analysis method to comparatively evaluate the water quality of Jincheng section of Qinhe River based on the observation data of four river segments during 2006-2010.The results showed that the ammonia nitrogen and total nitrogen were the main pollutants in Qinhe River’s Jincheng section due to their high frequency and degree over the standard.The nearest neighbor algorithm and Grey relational analysis method of the evaluation results are basically consistent with the comprehensive water quality identification index method.At the same time,the Speraman rank correlation coefficient method was applied to analyze the water quality variation trend of the four segments during the past 5 years.The result showed that the water quality of Runcheng segment was improved intensively.However,the water quality of the three other segments was stable during the past 5 years.

water quality assessment;water quality variation trend;Qinhe River

X522

A

1674-0874(2016)01-0041-04

2015-11-15

喬俊(1983-)，男，山西大同人，博士，研究方向：環(huán)境化學，污染防治技術；?張素芳，女，副教授，通信作者。

〔責任編輯 楊德兵〕