改进的内梅罗污染指数法在黄河干流水质评价中的应用

吴喜军，董 颖，张亚宁

(1. 榆林学院 陕西省陕北矿区生态修复重点实验室，陕西 榆林 719000；2. 榆林学院建筑工程学院，陕西 榆林 719000)

黄河，中国人称其为“母亲河”，是我国的第二大河。发源于青海省巴颜喀拉山北麓约古宗列盆地，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东 9个省区，在山东垦利县注入渤海。干流全长5 464 km，流域面积79.5 万km2，天然河川径流量580 亿m3。黄河作为西北、华北地区的重要水源，不仅承担着沿黄地区的生活及工农业生产供水，而且担负着向河北、天津、青岛、大同等跨流域调水的任务。随着国民经济的迅速发展和城镇人口的增加，黄河流域废污水和污染物排放量逐年增大，流域内各省区产生的污染物最终大部分进入黄河干流[1]，这已经引起了国内很多学者的关注，并相继提出了有关黄河流域水体污染防治等措施，但对于黄河水质评价方面的研究并不多见。分析黄河的水质状况可为黄河流域社会、经济、环境协调发展，实现黄河水资源可持续利用提供科学依据。

目前水质评价采用的主要方法有：单因子评价法[2]、污染指数法、模糊综合评价法[3,4]、灰色系统评价法[5]、BP神经网络评价法[6]、主成分分析法[7]等，各种方法均有优缺点和其适用性与局限性[8,9]。其中，污染指数法可对水质状况做出定量描述，且评价结果能够反映水体污染程度[10]，本文采用污染指数法中的内梅罗污染指数法进行水质评价。但此方法存在过于突出分指数最大因子对水质的影响，且未考虑各污染因子权重的缺点，因此，本文采用改进的内梅罗污染指数法对黄河干流6个监测断面的水质状况进行综合评价，并与灰色聚类法、单因子评价法的评价结果进行比较。

1 区域概况与基础数据

1.1 区域概况

本研究区域为整个黄河干流，根据中华人民共和国生态环境部公布的地表水自动监测周报，选取黄河流域6个国控监测断面，包括兰州新城桥断面、石嘴山麻黄沟断面、包头画匠营子断面、忻州万家寨水库断面、济源小浪底断面和济南泺口断面，如图1所示。

图1 黄河干流监测断面位置图 1-甘肃兰州新城桥断面；2-宁夏石嘴山麻黄沟断面； 3-内蒙包头画匠营子断面；4-山西忻州万家寨水库断面；5-河南济源小浪底断面；6-山东济南泺口断面

1.2 基础数据

评价指标为溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)和氨氮(NH3-N)。水质监测数据来源于中华人民共和国生态环境部公布的地表水自动监测周报，取2015年第3周到2016年第2周全年的平均值，见表1。

表1 2015年黄河干流国控断面水质监测数据

2 改进的内梅罗污染指数法水质评价模型

内梅罗指数法是当前国内外进行综合污染指数计算的最常用的方法之一。该方法先求出各因子的分指数(超标倍数)，然后求出各分指数的平均值，取最大分指数和平均值计算[11]。但此方法过于突出分指数最大因子对水质的影响，且未考虑各污染因子的权重[12]，故本文采用改进的内梅罗污染指数法进行水质评价。

2.1 确定水质计算标准，计算各污染因子的权重

首先根据被评价水体的水域功能，确定水质计算标准，然后根据公式(1)、公式(2)计算各污染因子的权重值。

(1)

ri=smax/si

(2)

式中：ωi为第i个污染因子的权重值；m为污染因子的个数。si为第i个污染因子的计算标准；smax为m个污染因子计算标准的最大值。

2.2 划分污染等级

从水环境质量标准中选择与被评价水体相同的污染因子，采用公式(3)～(5)计算各水质级别改进的内梅罗污染指数，从而得出用改进的内梅罗指数划分的污染等级标准。

Fi=ci/si

(3)

(4)

(5)

2.3 计算各评价对象改进的内梅罗指数，判断其水质级别

同样根据公式(3)～(5)计算各评价对象改进的内梅罗指数，再对照划分的污染等级标准，得出各评价对象的水质级别。

3 水质评价实例

选择溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)作为评价指标，选择《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[13]作为评价标准，将水质分为Ⅰ类(未污染)、Ⅱ类(轻污染)、Ⅲ类(中污染)、Ⅳ类(重污染)、Ⅴ类(严重污染)5个等级，如表2所示。

表2 地表水环境质量分级标准 mg/L

采用改进的内梅罗污染指数法对黄河干流6个监测断面(图1)进行水质评价，具体步骤如下。

(1)确定水质计算标准：根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，参与水质评价的黄河干流6个监测断面水域功能区属于Ⅲ类，本次水质评价以Ⅲ类水为计算标准。

(2)计算各污染因子的权重：由公式(1)、公式(2)计算各污染因子的权重值，计算结果见表3。

表3 各污染因子的权重值

由表3可以看出，氨氮(NH3-N)的权重值最大，即氨氮对该评价体系的影响最大，占到整个评价体系权重的73.2%。

(3)划分污染等级：从《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中选择污染因子DO、CODMn、NH3-N，以Ⅲ类水为计算标准，采用公式(3)～(5)计算各水质级别改进的内梅罗污染指数，从而得出用改进的内梅罗指数划分的污染等级标准，见表4。

表4 改进的内梅罗指数划分的水质级别

对于DO：

式中：cim为饱和溶解氧的数值；P为当地实测大气压, 取6个监测断面的平均大气压92.05 kPa；P0为标准大气压，101.325 kPa；T为检测点河水温度，取全年平均水温5 ℃。

(4)计算各监测断面改进的内梅罗污染指数：根据表1中的监测数据，按照如上步骤计算黄河干流6个监测断面改进的内梅罗指数，计算结果见表5。

(5)判断水质级别：根据表5计算数据，对照划分的污染等级标准(表4)，得出黄河干流6个监测断面的水质级别。

表5 各断面改进的内梅罗污染指数及水质评价结果

由表5数据可以看出，兰州新城桥断面和济南泺口断面改进的内梅罗污染指数P′<0.387， 水质级别为Ⅰ类(未污染)，其余4个断面改进的内梅罗污染指数0.387≤P′<0.674，水质级别为Ⅱ类(轻污染)。6个监测断面的水质均在Ⅲ类标准范围内，黄河干流整体水质状况较好。

通过比较改进的内梅罗污染指数的大小，可以看出6个监测断面水质由好到差的顺序依次为：济南泺口、兰州新城桥、包头画匠营子、济源小浪底、石嘴山麻黄沟、忻州万家寨水库。

4 评价结果的对比与分析

分别采用灰色聚类法和单因子评价法对黄河干流6个监测断面(图1)进行水质评价，并与改进的内梅罗污染指数法的评价结果进行比较，结果见表6。

表6 不同方法的水质评价结果对比

由表6可以看出：

(1)三种方法的评价结果基本一致，水质级别均为Ⅰ类和Ⅱ类，说明这几种方法均有一定的合理性和适用性，但也存在一定的差异。

(2)单因子评价法的结论更加严格，这是因为单因子评价法未考虑各污染因子的权重，夸大了某一因子对水质的影响，且未考虑各污染因子的综合作用。相比之下，改进的内梅罗污染指数法和灰色聚类法的评价结果更加合理。

(3)改进的内梅罗污染指数法可以通过比较污染指数的大小判断同一级别水质的优劣，可作为本次评价优先选用的一种方法。

5 结 语

(1)用改进的内梅罗污染指数法和灰色聚类法评价黄河干流6个监测断面的水质状况，评价结果基本一致。均计算了各污染因子的权重，避免忽视某些浓度小但影响大的污染因子，且综合考虑了各污染因子对水体的影响程度，克服了单因子评价法等传统方法偏于主观性、结论过于严格的弊端。评价结果客观、合理。

(2)改进的内梅罗污染指数法的评价结果具有可比性。当评价结果为同一级别时，可以通过比较污染指数的大小区分水质状况，评价结果具有足够细微的辨识度，可以很好地反映黄河流域环境质量状况，对其他流域的水质评价有一定的参考价值。

(3)由水质评价结果可知，黄河干流整体水质状况较好，近年来针对黄河流域开展的一系列生态修复取得了明显效果。