不同水质评价方法的应用比较研究——以丹江口水库入库河流为例

不同水质评价方法的应用比较研究
——以丹江口水库入库河流为例

夏 凡1，胡 圣1，龚 治 娟2，卓 海 华1

(1.长江流域水资源保护局 长江流域水环境监测中心，湖北 武汉 430010； 2.重庆丰都县水质监测中心，重庆 丰都 408200)

摘要：为准确了解丹江口水库直接入库河流水质状况及其主要污染因子，基于2015年16条入库河流河口水质监测成果，分别采用单因子评价法、综合污染指数法和主成分分析法对水质进行评价。3种评价方法均得出神定河、泗河和犟河水质较差的结论；筛选出的主要污染因子大致相同，为总氮、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮和总磷；不同评价方法对河流水质状况评价结果和污染因子排序略有不同，单因子评价法只能给出评价类别，综合污染指数法和主成分分析法适用于不同时空的水质变化比较。结合当前丹江口库区水质管理工作，建议适当调整泗河、神定河、犟河水质管理目标，除水质类别外，建议增加主要污染因子的消减目标。

关 键 词：水质评价； 单因子评价法； 综合污染指数法； 主成分分析法； 水质管理； 丹江口水库

水质评价是目前水环境质量管理的重要支撑，在未来的中长期水质管理中，以水质为核心的目标约束、控制与管理会使当前的总量控制逐步完善，成为我国水环境治理的导向性对策。因此，选择较为合适的水质评价方法对于水质管理至关重要。目前河流水质评价方法较多，各种评价方法各有特色[1-2]。单因子评价方法处理较为简单，是各种综合评价方法的基础，使用最为广泛；综合污染指数法能对水质进行定性和定量描述，但无法科学确定各因子的权重；主成分分析法需进行数据统计分析，计算过程略微复杂，但是能够较为合理地对评价因子进行赋值，避免了主观随意性[3-4]。为了更为客观、科学地反映水体水质状况，通常将几种方法相结合来对水体水质进行评价。

丹江口水库是南水北调中线工程的水源区，其水质状况直接影响供水水质安全，直接入库河流水质的好坏对于保障水库水质安全至关重要。随着库区周边区域社会经济的不断发展，各入库河流水质情况变化较大。因此，对直接入库河流进行全面监测与合理评价，并识别影响水质的主要指标，对于掌握入库河流真实水质状况，有针对性地进行水质目标管理，确保水质安全具有指导意义。本文以丹江口水库入库河流水质评价为例，分别采用单因子评价法、综合污染指数法和主成分分析法对入库河流水质进行评价和比较，以便为丹江口水库入库河流的水质管理工作提供参考。

1 研究数据来源

根据丹江口库区入库河流分布特点，选取丹江口库区汉江、将军河、天河、犟河、堵河、曲远河、神定河、泗河、淘沟河、官山河、剑河、浪河、丹江、淇河、滔河、老鹳河等16条主要入库河流为对象开展研究。研究时段为2015年1～12月，在主要入库河流入库口附近设置监测断面，每月上、下半月各采样监测1次。监测项目为《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中规定的24项基本项目，检测方法采用《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)推荐的方法或相应的国家、行业标准。

2 评价方法

2.1 单因子评价

单因子评价方法即以各评价项目监测值与相应的水质标准值比较，确定单项项目的水质类别，以评价项目中最劣类别代表其水质状况。遵照《地表水环境质量评价办法(试行)》(环办[2011]22号)的相关技术规定，选取pH、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂和硫化物等21项指标进行评价，总氮作为参考指标单独评价。

2.2 综合污染指数法

采用综合污染指数法对水质状况进行分级评价时，污染指数Pi>1定义为超标。综合污染指数P分级标准见表1。以污染分担率Ki表征各污染物的贡献并识别主要污染物，各计算公式如下。

Pi=

P=

Ki=×100%

式中，Pi为水质因子i的污染指数；Ci为水质因子i的实测浓度，mg/L；Si为《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中水质因子i的Ⅲ类标准值，mg/L；P为综合污染指数；Ki为水质因子i的污染分担率；n为参评指标个数。

表1 综合污染指数P对应水质分级

综合污染指数水质分级综合污染指数水质分级≤0．25清洁0．51～0．99中污染0．26～0．40较清洁≥1重污染0．41～0．50轻污染

选取pH、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮、氟化物和砷等10个指标(因其余指标监测结果多为未检出或接近检出限，故未选取)，以各指标年均值进行综合污染指数评价。

2.3 主成分分析

主成分分析方法是一种将多维因子纳入同一系统中进行定量化研究、理论比较完善的多元统计分析方法[5-6]。进行主成分分析的主要计算步骤为：① 根据研究问题选取指标与数据；② 对指标数据进行标准化，消除不同指标之间的量纲影响；③ 判定指标之间的相关性，确定待分析的原始变量是否适合进行因子分析；④ 确定主成分的个数；⑤ 确定主成分的表达式；⑥ 计算综合得分值并进行研究与评价[6-8]。

主成分分析法分析数据选取与综合污染指数法保持一致。

3 结果与讨论

3.1 水质因子特征

为更好地了解各入库河流的水质状况，计算各入库河流各项水质指标监测结果的年均值并进行标准偏差分析，部分指标分析结果见表2。

表2 各入库河流部分水质指标监测结果年均值及标准差 mg/L

河流名称溶解氧均值SD高锰酸盐指数均值SD五日生化需氧量均值SD总磷均值SD总氮均值SD氨氮均值SD丹江9．92．01．60．71．00．60．050．053．991．320．0800．091堵河8．61．51．80．31．10．60．040．051．690．890．1610．121官山河7．22．23．51．21．70．70．110．053．121．270．8460．908汉江9．91．91．70．41．00．50．050．051．470．240．0720．073剑河9．23．95．01．83．52．10．070．053．840．820．2710．304将军河11．12．11．91．31．20．80．030．062．090．620．0830．094犟河9．11．75．00．83．31．30．430．3415．507．826．0456．493浪河9．34．42．610．51．70．80．050．052．490．670．1620．109老鹳河6．52．63．20．82．41．50．160．083．971．971．3191．647淇河9．32．61．70．41．00．40．020．011．430．670．0730．077曲远河10．82．42．11．31．70．90．110．091．921．020．5120．643神定河7．71．96．92．45．12．50．550．339．782．974．3673．474泗河6．42．45．51．24．01．40．580．257．101．822．1551．250滔河10．42．01．60．41．10．40．020．040．900．280．0750．059淘沟河13．34．02．41．71．40．80．030．030．830．400．0920．089天河10．92．42．20．61．60．60．110．052．060．710．2000．187

各入库河流的pH值均值变化范围为7.6～8.3，水质呈弱碱性。由表2可以看出，溶解氧均值变化范围为6.4～13.3 mg/L，高锰酸盐指数为1.6～6.9 mg/L，五日生化需氧量为1.0～5.1 mg/L，总磷为0.02～0.578 mg/L；总氮为0.83～15.5 mg/L，其中仅滔河和淘沟河两条入库河流总氮含量均值低于1.0 mg/L(水质Ⅲ类标准)；氨氮为0.072～6.04 mg/L。

3.2 单因子评价

对24次监测结果进行评价，各入库河流水质符合或优于Ⅲ类与劣于Ⅲ类的比例见图1。其中，淇河和滔河水质评价结果优于Ⅲ类(含Ⅲ类，后同)标准的比例为100%，汉江、将军河、天河、堵河、淘沟河、丹江等河流优于Ⅲ类标准的比例在80%以上，曲远河、浪河等河流优于Ⅲ类标准的比例为60%～80%，而犟河、神定河和泗河各次评价结果均劣于Ⅲ类标准。

若以年均值进行评价，则除老灌河为Ⅳ类，神定河、泗河和犟河为劣Ⅴ类外，其余入库河流水质均优于Ⅲ类标准。将总氮作为参考指标单独评价，除滔河和淘沟河符合Ⅲ类标准外，其余河流均劣于Ⅲ类，且总氮劣于Ⅴ类的河流达到10条。由此可见，若总氮参与水质评价，总氮将是主要控制因子。有研究表明，丹江口水库水质总氮含量自2005年起，大部分入库河流的总氮含量超过了Ⅲ类水质标准[9-10]。

图1 各入库河流单因子评价结果分布

3.3 综合污染指数评价

综合污染指数评价结果见表3，16条入库河流中仅5条河流水质属于较清洁，其余河流均遭到不同程度的污染，入库河流水质属于较清洁、轻污染、中污染和重污染的比例分别为31.3%，6.3%，43.8%和18.8%。其中犟河、神定河和泗河水质属于重度污染。主要污染因子为总氮、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮和总磷，其中总氮是最主要的污染因子，污染分担率为35.5%～73.3%。

表3 丹江口入库河流综合污染指数评价结果

河流名称综合污染指数主要污染因子水质分级结果丹江0．68TN(73．3%)、F-(6．1%)、CODMn(4．9%)中污染堵河0．38TN(55．7%)、CODMn(9．9%)、BOD5(8．8%)较清洁官山河0．79TN(49．7%)、NH3-N(13．5%)、CODMn(9．2%)中污染汉江0．34TN(54．2%)、CODMn(10．5%)、CODCr(9．2%)较清洁剑河0．91TN(52．6%)、CODCr(12．6%)、BOD5(11．9%)中污染将军河0．42TN(62．1%)、CODMn(9．2%)、BOD5(8．8%)轻污染犟河3．30TN(58．7%)、NH3-N(22．9%)、TP(8．2%)重污染浪河0．52TN(59．8%)、BOD5(10．5%)、CODMn(10．4%)中污染老鹳河0．98TN(50．7%)、TP(10．2%)、NH3-N(16．8%)中污染淇河0．32TN(55．1%)、CODMn(10．6%)、BOD5(10．0%)较清洁曲远河0．53TN(45．1%)、TP(13．4%)、NH3-N(12．0%)中污染神定河2．60TN(47．0%)、NH3-N(21．0%)、TP(13．2%)重污染泗河1．92TN(46．2%)、TP(18．8%)、NH3-N(14．0%)重污染滔河0．27TN(42．2%)、CODMn(12．9%)、BOD5(12．5%)较清洁淘沟河0．29TN(35．5%)、BOD5(17．3%)、CODMn(14．8%)较清洁天河0．51TN(50．9%)、TP(14．1%)、BOD5(9．8%)中污染

注：括号内为主要污染因子的污染分担率。

3.4 主成分分析

利用SPSS软件进行数据统计，根据各指标年均值，对指标的相关性进行分析，相关系数矩阵见表4。从相关系数矩阵中可以看出，指标之间具有较好的相关性，大部分指标间Bartlett检验的显著性小于0.05，原始变量适合进行主成分分析。

表5为旋转后提取的主成分因子荷载矩阵。根据主成分分析法中主成分个数的选取原则，当特征值大于1时，应提取2个主成分。由表5计算可得：成分1的方差百分比为68.219，成分2的方差百分比为11.329，主成分1和2的累计贡献率达到79.53%。其中主成分1携带的信息量最多，水质主要由主成分1控制，贡献率达到60%以上，与其相关联的因子主要是氨氮、五日生化需氧量、总氮、高锰酸盐指数、化学需氧量和总磷，荷载绝对值变化范围为0.851～0.885。与主成分2相关联的是pH值和溶解氧，其荷载绝对值分别为0.914和0.920。

根据特征向量矩阵(见表6)得出各因子得分的回归方程为

F1=α11x1+α12x2+…+α1nxn

F2=α21x1+α22x2+…+α2nxn

式中，F1、F2分别为主成分1和主成分2的得分值；αi1～αin为旋转前的因子荷载矩阵中每一列值依次除以各自特征值的平方根；x1～xn为各指标年均值经过标准化的数据。

将各水质指标标准化后的数据代入上述方程，即可得出各河流的主成分得分。通过公式F=(λ1×F1+λ2×F2)/(λ1+λ2)，计算出各河流水质污染综合得分F，即得出污染程度的定量化描述。综合得分越高，污染程度越严重，结果见图2。

从得分排名表(见表7)可以看出，第一主成分得分排名前5的是神定河、犟河、泗河、老灌河和剑河，说明这几条支流的氨氮、五日生化需氧量、总氮、高锰酸盐指数、化学需氧量和总磷含量较高，第二主成分得分排名前5的分别是老灌河、官山河、堵河、淇河和浪河，说明这几条支流水质受pH值和溶解氧影响较大。综合得分排名前3的分别是神定河、泗河和犟河，说明这3条支流水质污染程度较严重，与其他文献研究结果相一致[11-12]。

表4 指标间相关系数矩阵

项目pHDOCODCrCODMnBOD5TPTNNH3-NF-AspH1．000DO0．841∗∗1．000CODCr-0．467∗-0．527∗1．000CODMn-0．511∗-0．549∗0．987∗∗1．000BOD5-0．465∗-0．530∗0．978∗∗0．983∗∗1．000TP-0．647∗∗-0．549∗0．854∗∗0．857∗∗0．874∗∗1．000TN-0．481∗-0．4150．739∗∗0．760∗∗0．740∗∗0．820∗∗1．000NH3-N-0．503∗-0．3990．727∗∗0．764∗∗0．747∗∗0．843∗∗0．969∗∗1．000F--0．231-0．3860．435∗0．432∗0．451∗0．454∗0．3890．3651．000As-0．466∗-0．428∗0．590∗∗0．619∗∗0．640∗∗0．744∗∗0．732∗∗0．777∗∗0．722∗∗1．000

注：*表示在0.05水平显著相关；**表示在0.01水平极显著相关。

表5 旋转后因子荷载矩阵

项目成分1成分2项目成分1成分2pH-0．279-0．914TN0．8780．203DO-0．270-0．920NH3-N0．8850．206CODCr0．8640．306F-0．5550．158CODMn0．8690．336As0．7960．226BOD50．8810．300特征值6．8211．132TP0．8510．407

表6 特征向量矩阵

项目成分1成分2项目成分1成分2pH-0．107-0．859TP0．3260．383DO-0．103-0．865TN0．3360．191CODCr0．3310．288NH3-N0．3390．194CODMn0．3330．316F-0．2130．149BOD50．3370．282As0．3050．212

图2 各入库河流水质综合评判结果

表7 各入库河流水质综合评判结果

河流名称F1排名F2排名综合得分排名河流名称F1排名F2排名综合得分排名丹江777老鹳河414堵河12311淇河11410官山河625曲远河9109汉江15615神定河1151剑河5136泗河392将军河161116滔河13813犟河2163淘沟河141414浪河858天河101212

3.5 不同水质评价方法的应用比较

由于目前还缺乏对各类水质评价方法的系统归纳，尚未对各类方法的应用范围和条件等进行细致分析。因此，通过以上3种评价方法对丹江口水库入库河流水质进行了分析，比较和总结了各种评价方法的优缺点及应用条件。

(1)在对入库河流进行单因子评价时，评价方法简单，操作性强；对监测结果进行简单年均值运算后，参照评价方法能快速得出年度评价结果。但若对全部指标进行单因子评价，则体现了过保护思想。我国虽然在2011年出台了《地表水环境质量评价办法(试行)》，但在实际工作中，如何合理选择评价指标对水质进行科学评价，仍是亟待解决的难题。例如入库河流中丹江水质较好，在24次评价中仅3次由于石油类超标导致水质为Ⅳ类，由于石油类Ⅲ类标准值(0.05 mg/L)与Ⅳ类标准值(0.50 mg/L)相差较大，因此年度水质评价时受石油类指标影响较大，最终结果将直接影响水质是否达到水功能区水质目标的结果判断。如果由于石油类一项指标略微超标，而单因子评价法遵循一票否决原则，直接用于水质管理容易造成水体过保护问题[13]。另外，单因子评价法只能给出评价类别，对于同一类别无法体现其间的差异，如神定河、泗河和犟河评价结果均为劣Ⅴ类，不能区分其差异，在研究长时间系列水质变化趋势时，不能反映水质的细微变化。

(2) 综合污染指数法能对水质给出一定的定性判断，通过综合污染指数的计算结果能定量反映水质的差异，尤其是在水质较差的情况下，更能反映水质的区别。如神定河、泗河和犟河评价结果均为重污染，但其综合污染指数分别为2.60，1.92和3.30，可以进一步反映污染程度差异。在本研究案例中，综合污染指数法和单因子评价的评价结果大致吻合，但也存在矛盾的地方，在单因子评价时，剑河水质为Ⅲ类，老灌河水质为Ⅳ类；而在综合污染指数法评价时，这2条河流均属于中污染，且剑河污染指数为0.91，老灌河污染指数为0.98，差异并不明显。蒋火华等人研究中指出，可以利用权系数来突出污染最重的污染指标在综合污染指数中的权重，使得评价结果更符合实际情况[14]。此外，综合污染指数对应水质分级的划分标准，因子权重的确定均受主观影响较大，在进行整体较大区域水质评价时不具备客观公正性。

(3) 主成分分析法缺点是无法给出水质类别，只能对水质进行比较分析，不能单独应用在水质评价管理中。在进行主成分分析时，要对原始数据进行标准化处理，但标准化在消除量纲或数量级的同时也抹杀了各变量变异程度的差异信息。为解决这一问题，叶双峰提出了数据的均值化方法，利用各指标的均值去除相应原始数据，得到相应原始数据矩阵，更大程度保留原始数据的全部信息[15]。在本研究案例中，主成分分析法将10个水质指标简化为了2个主成分，解释了79.5%的结果，能基本客观反映水质的基本情况，但主成分分析法是基于数理统计方法，因此更适合用于评价范围较大，水质指标较多的水质评价应用中。

通过以上分析得出，单因子评价法和综合污染指数法均能给出水质类别的定性判断，综合污染指数法、主成分分析法和单因子评价法的评价因子大多是凭经验选取，评价结果受主观影响较大。水质的分类管理，不仅是确定水质类别，还应重点考虑主要污染因子的消减，与因子评价法相比，综合污染指数法和主成分分析法能提供更多和更具体的水质信息。主成分分析法能从多个指标中筛选具有代表性的主成分指标，简化数据结构，排除对水域功能影响较小的指标，能够给单因子评价的指标选择提供参考。综合污染指数法和主成分分析法能很好地应用在不同空间和不同时间的水质变化比较中，通过排序能够较好地反映丹江口水源区需要优先控制的污染河流分布情况，根据排序确定需要重点治理的区域，同时便于比较治理后水质的具体改善情况。

3.6 丹江口水库入库河流水质管理建议

根据《丹江口库区及上游水污染防治和水土保持“十二五”规划》要求，2015年末，直接汇入丹江口水库的各主要支流水质不低于Ⅲ类。以上3种评价方法均得出，神定河、泗河、犟河和老灌河等入库河流的水质无法满足当前水质管理的要求，甚至存在较大差距。建议首先利用主成分分析法将评价指标分为主要和次要指标；利用单因子评价法确定水质类别，若主要指标超标，则认为水质未达到类别要求，若次要指标超标，则认为水域使用功能受到威胁；根据综合污染指数法确定主要需要控制消减的污染物，通过对单项水质指标制定分级目标，综合提出有针对性的水环境管理和保护政策措施。

为避免人为确定评价指标和指标权重的主观性，使水质评价结果更加客观、准确，更好地为水质管理服务，建议采用多种评价方法相结合的手段来开展水质评价与水质管理工作。结合当前丹江口库区水质管理工作和各支流实际水质状况，适当调整官山河、泗河、神定河、犟河水质管理目标，重点考虑主要污染因子的消减。

4 结 论

单因子评价结果表明，丹江口水库75%的入库河流水质均优于Ⅲ类标准；总氮作为参考指标单独评价，仅12.5%的入库河流符合Ⅲ类标准。综合污染指数评价表明，以地表水Ⅲ类标准为目标，近70%的入库河流受到不同程度的污染。主成分分析法能快速筛选出氨氮、五日生化需氧量、总氮、高锰酸盐指数、化学需氧量和总磷为入库河流水质的主要污染指标。3种评价方法均得出神定河、泗河和犟河水质较差的结论，筛选出的主要污染因子大致相同，不同河流水质状况和污染因子排序略有不同。

为使水质评价结果更加客观和科学，应采用多种评价方法相结合的手段来开展水质评价与水质管理工作。结合当前丹江口库区水质管理工作，建议适当调整泗河、神定河、犟河等入库河流水质管理目标，除水质类别外，建议增加主要污染因子的消减目标，并对所设定的目标和单项水质因子进行充分论证。

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(编辑：常汉生)

Comparative study on application of different water quality evaluation methods: a case study of inflow rivers in Danjiangkou reservoir area

XIA Fan1, HU Sheng1, GONG Zhijuan2, ZHUO Haihua1

(1.Water Environment Monitoring Center of Yangtze River Basin，Yangtze River Valley Resources Protection Bureau，Wuhan 430010，China； 2.Fengdu Water Quality Monitoring Center，Chongqing 408200， China)

Abstract: In order to understand the water quality of the main inflow rivers in Danjiangkou reservoir area, and find out the main pollution factors. Single Factor Assessment, Comprehensive Pollution Index and Principal Component Analysis were used to evaluate the water quality, based on the monitoring results of water quality of 16 inflow rivers in 2015. Three evaluation methods all showed that the water quality of Shending River, Sihe River and Jianghe River were poor. The principal pollution factors were approximately the same, that were total nitrogen(TN), permanganate index(CODMn), five days biochemical oxygen demand(BOD5), ammonia(NH3-N), and total phosphorus(TP). The results of different evaluation methods for water quality and the main pollution factors are slightly different. Single Factor Assessment can only give the evaluation classification, Comprehensive Pollution Index method and Principal Component Analysis method are applied to the comparison of water quality changes in different time and space. Based on the current water quality management in Danjiangkou reservoir area, it is suggested to adjustment the water quality management objectives of Shending River, Sihe River and Jianghe River appropriately, in addition to water quality classifications, propose to add the main pollution factor reduction targets.

Key words: water quality assessment; single factor assessment; comprehensive pollution index; principal component analysis; water quality management; Danjiangkou reservoir

中图法分类号：X52

文献标志码： A

DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2017.17.003

收稿日期：2017-01-25

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目“南水北调中线工程水质传感网的多载体检测与自适应组网技术研究与示范”(2011BAC23B01)

作者简介：夏 凡，女，工程师，主要从事水环境监测与评价工作。E-mail:[e-mail]

文章编号：1001-4179(2017)17-0011-05