国外地表水水质指数评价法综述

第32卷第1期Vol.32No.1水摇资摇源摇保摇护WATERRESOURCESPROTECTION2016年1月Jan.2016DOI:10.3880/j.issn.10046933.2016.01.015摇摇基金项目:国家科技支撑计划课题(2011BAC12B02)作者简介:刘玲花(1965—),女,教授级高级工程师,博士,主要从事水环境监测与评价,水污染控制及水处理技术研究。E鄄mail:[e-mail]国外地表水水质指数评价法综述刘玲花,吴雷祥,吴佳鹏,刘来胜,霍炜洁(中国水利水电科学研究院水环境研究所,北京摇100038)摘要:讨论了水质指数的发展历程,介绍了国外几种比较成熟、应用比较广泛的水质指数,包括它们的背景和应用领域,以期为我国的地表水质量评价提供参考。综合评价已有的水质评价指数及其应用情况,认为加拿大环境部长理事会水质指数(CCMEWQI)法是一种值得推荐使用的水质评价方法,建议以此方法为基础,建立适合我国的水源地水质指数评价方法。关键词:地表水水质;水质指数;水质评价;水质指数评价中图分类号:X824摇摇摇文献标志码:A摇摇摇文章编号:10046933(2016)01008605ReviewonsurfacewaterqualityindexassessmentmethodinforeigncountriesLIULinghua,WULeixiang,WUJiapeng,LIULaisheng,HUOWeijie(DepartmentofWaterEnvironmentResearch,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China)Abstract:Thedevelopmenthistoryofwaterqualityindexwasdiscussed.Severalmatureandwidelyusedwaterqualityindexesinwesterncountries,includingtheirbackgroundandapplicationfields,wereintroduced,aimingtoofferringreferenceforsurfacewaterqualityassessmentinourcountry.ComprehensivelyevaluationofwaterqualityindexanditsapplicationshowedthattheCanadianCouncilofMinistersoftheEnvironmentwaterqualityindex(CCMEWQI)isarecommendedwaterqualityevaluationmethod.ItisrecommendedthatproperwaterqualityindexassessmentmethodforheadwaterareasinChinashouldbedevelopedbasedonCCMEWQI.Keywords:surfacewaterquality;waterqualityindex;waterqualityassessment;waterqualityindexassessment摇摇水质评价是合理利用和保护水资源的一项基本工作,是水环境管理与决策的依据。地表水水质评价是一个复杂的过程,需要考虑大量样本和多种水质参数。目前国内外水质评价方法有很多,包括最差因子判别法[1]、灰关联分析法[2]、主成分分析法[3]、水质指数法[4鄄8]、层次分析法[9]等,每种方法都有自己的特点和使用条件。最差因子判别法是在所有因子中选最差的那个类别作为总体类别,是偏于悲观的方法。水质指数法是将大量的水质监测数据用简单公式进行计算,将水质分为非常好、好、较好、差等几种类别。水质指数评价法使用简单、评价结果直观、精确度较高,能较为完整地反映地表水的污染程度,在国内外得到广泛应用,如,美国国家卫生基金会水质指数(NationalSanitationFoundationWaterQualityIndex,NSFWQI)[10],加拿大环境部长理事会水质指数(CanadianCouncilofMinistersoftheEnvironmentWaterQaulityIndex,CCMEWQI)[11],俄勒冈州水质指数(OWQI)[12]。笔者对国外常用的水质指数评价法进行比较分析,以期为我国的地表水质量评价提供参考。·68·1摇水质指数的概念及水质指数评价法的发展历程1.1摇水质指数的概念水质指数(waterqualityindex,WQI)是综合了多个水质参数的归一化无量纲数。水质指数里需要考虑的参数取决于水的用途。常考虑的水质参数包括BOD、COD、pH值、总大肠菌群、温度和营养物质(氮和磷)等。WQI将这些参数的复杂的科学信息综合成一个单一的数。建立水质指数包括如下的步骤:步骤1:根据水体的用途,确定水质参数以及可接受的标准浓度值;步骤2:将每个水质参数的实测值与标准值进行对比,得到单个水质参数的指数值;步骤3:确定每个参数的权重,以便计算综合水质指数;步骤4:选择一种算法计算水质指数值;步骤5:按照水质指数的取值范围将水划分为不同的等级,如优、良、中、差等。1.2摇水质指数评价法的发展历程最早见诸文献的水质指数评价法可以追溯到1965年,由美国俄亥俄河流域水卫生管理委员会的Horton[13]提出。Horton选择10个最常用的水质参数(DO、pH值、粪大肠菌群、电导率、碳鄄氯仿提取物(CCE)、碱度、氯化物、温度、污水处理)计算水质指数,指标权重的赋值为1~4,用线性聚合函数计算水质指数值。Horton拟定了水质评分尺度,0代表最差水质,100代表最佳水质。随着Horton的开创性研究,很多学者又提出了几种不同的水质指数,这些水质指数被一些供水和水污染控制机构大力提倡使用[12,14]。Brown等[15]于1972年提出的水质指数与Horton水质指数类似,他们选用9项水质参数(DO、粪大肠菌群、pH、BOD5、硝酸盐、磷酸盐、浊度、总溶解性固体、温度)来计算水质指数,水质参数的权重由142位专家进行打分确定,参数的权重决定了该参数对水质用途的重要性。Brown水质指数的计算方法为WQI=鄱9i=1棕iqi(1)式中:WQI为水质指数;qi为第i项参数的水质评分;棕i为第i项参数的权重。其他研究人员根据水的用途不同选用不同的水质参数,提出了类似的水质指数法。意大利的Prati等[16]在1971年提出的水质指数评价系统考虑了13项参数(pH、DO、BOD5、COD、高锰酸盐指数、悬浮固体、氨氮、硝酸盐、氯离子、铁、锰、吸光值),把水体水质划分为优良、可允许、轻污染、污染、严重污染5个等级。Nemerow[17]1974年提出了污染指数法(内梅罗水质指数),选择14项参数:温度、色度、浊度、pH、粪大肠菌群数、溶解固体、悬浮固体、总氮、碱度、硬度、氯化物、锰、铁、硫酸盐和溶解氧,根据水体用途按下式计算水质指数:Pij=cisæèçöø÷ij2max+cisæèçöø÷ij2av2(2)式中:Pij为按照第j种用途计算的水质指数;ci为第i项参数的实测浓度;sij为第j种用途的i项参数的水质标准;cisæèçöø÷ijmax和cisæèçöø÷ijav分别为cisij的最大值和平均值。Nemerow将水体用途分成人体接触的用途(饮用、游泳、制造饮料等)、人体间接接触的用途(工业制备食品、农业应用、钓鱼等)、人体不接触的用途(工业冷却、旅游等)。不同用途的水其水质标准不同。内梅罗指数特别考虑了污染最严重的因子,是目前仍然应用较多的一种环境质量指数。Steinhart等[18]于1982年应用一种新的环境质量指数评价大型湖泊生态系统的现状与变化趋势。20世纪90年代中期,加拿大环境部长理事会的水质指南工作组将水质指数法引入加拿大[19]。最近,加拿大环境部长理事会水质指数(CanadianCouncilofMinistersoftheEnvironmentWaterQaulityIndex,CCMEWQI)在加拿大不同省份及各种生态系统的水质评价工作中得到了广泛应用[11,20鄄21]。几乎所有的水质指数都需要对参数检测值进行无量纲标准化,根据需要将预期浓度解释为水质“好冶或“坏冶,然后根据各参数对水质影响的重要性分别对它们赋予权重,加权计算得到水质指数。2摇几个重要的地表水水质评价指数2.1摇加拿大环境部长理事会水质指数加拿大水质指数(CanadianWaterQualityIndex,CWQI)是在1995年英国哥伦比亚大学公布的水质指数基础上确定的[19],目前该方法在加拿大很多省份均已得到应用[22鄄23],该指数从范围(Scope)、频率(Frequency)和振幅(Amplitude)3个方面计算水质监测数据是否超过了水质标准限值[23]。加拿大水质指数的计算公式为·78·WQI=100-F21+F22+F231.732(3)其中摇F1=PN伊100(4)F2=qM伊100(5)F3=Q0.01Q+0.01(6)其中Q=1M鄱S(7)式中:F1为超过标准限值的水质参数的个数占总监测参数数量的百分比(代表范围);F2为超过标准限值的监测数据个数占所有监测数据的百分比(代表频率);F3为振幅;P为超标的水质参数的个数;N为水质监测参数总数;q为所有水质监测数据中超标数据的个数;M为水质监测数据总数;S为不达标水质指标的实测值偏离标准值的倍数。对于规定了上限值的一般水质指标,则S=cics-1(8)对于不能低于某一限值的指标(如溶解氧、pH等),则S=csci-1(9)式中:ci为指标实测值,cs为对应指标标准限值。表1摇加拿大饮用水源水体总体等级分值及其相对应的适宜性说明水质级别分值适宜性说明很好95~100水质没有受到任何污染威胁或损害,水质条件非常接近自然的原始水平好80~94水质只受到轻微程度的污染威胁或损害,水质条件基本保持在自然的或令人满意的水平中等60~79水质偶尔受到威胁或损害,水质条件有时无法保持自然的或令人满意的水平及格45~59水质经常受到威胁或损害,水质条件往往无法保持自然的或令人满意的水平差0~44水质总是受到威胁或损害,水质条件通常无法保持自然的或令人满意的水平水质综合指数(WQI)的取值在0~100之间,0表示水质非常差,100表示水质很好。根据WQI值将水体划分为5个级别:很好(95~100),好(80~94),中等(60~79),及格(45~59),差(0~44),见表1。对不同级别的水体可以采取不同的水处理工艺,以达到饮用水安全的目标[20]。加拿大水质指数值对于水质级别的分类有一定的主观性,需要结合专家经验和群众对水质的期望对WQI值划分区间以确定水质级别。2.2摇加拿大不列颠哥伦比亚水质指数加拿大不列颠哥伦比亚水质指数(BritishColumbiaWaterQualityIndex,BCWQI)是由加拿大环境部在1995年增加的一种水质评价指数。该指数类似于2郾1节介绍的CCMEWQI。将水样的水质参数的监测结果与其标准限值比较,确定该参数是否超标,然后利用下面的公式计算水质指数值:BCWQI=F21+F22+F3æèçöø÷321.453(10)摇摇数字1郾453是为了保证指数值在0~100之间。F1、F2、F3的计算方法见式(4)~(6)。需要强调的一点是,重复采集水样和增加监测站点的数量可以提高不列颠哥伦比亚省水质指数的准确性。2.3摇美国国家卫生基金会水质指数为了比较不同地区的河流和湖泊水质状况,Brown等[15]在调查142个水质科学家基础上建立了美国国家卫生基金会水质指数(NationalSanitationFoundationWaterQualityIndex,NSFWQI),该水质指数考虑了9个水质参数,