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摘要：为评价黄河干流水质状况，以水污染指数WPI为分项指数，采用主成分分析法赋权，同时引入改进内梅罗指数法，建立了改进的综合水质指数法。以黄河干流7个监测断面2004-2016年的水质监测数据为基础，利用改进的综合水质指数法分析黄河流域水质的总体污染状况和时空变化特征，结果表明：黄河干流水质总体较好，达Ⅲ类水标准的占90. 93%，水质类别为优；干流I～Ⅲ类水体比例呈逐年增加趋势，水体污染程度降低，水质呈改善趋势；从空间变化来看，乌海海勃湾断面、包头画匠营子断面污染最为严重，最重污染因子为NH3-N，上游和下游地区水质状况较好。
关键词：改进的综合水质指数法：水污染指数：主成分分析法：赋权：改进内梅罗指数：黄河干流
中图分类号：X824；TV882.1
文献标志码：A
doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.017
水质评价是水资源规划管理与保护的重要环节，也是地表水管理的关键，水质评价可了解水体污染程度及水质变化趋势，有利于制定有效的整治方案，做好相应水体治理措施。作为中国北方主要水源之一，黄河流域水体的水质状况受到学术界的广泛关注，许多学者开展了大量针对黄河的水质评价研究工作。
当前评价河流水质的方法很多，如单因子评价法、物元分析法、聚类分析法、多元统计分析法、综合水质指数法等。综合水质指数法将多种污染因子的相对污染指数归纳为单一的污染指数，全面考虑了各污染因子对水质的贡献度，克服了单因子评价法仅以最差指标确定水质优劣的缺点。但传统的综合水质指数法存在以下问题：一是大都将单因子指数作为分项指数，结果只能反映水质总体变化情况，不能对水质进行类别判断；二是计算综合指数时多以层次分析法、专家调查法等主观方法进行赋权，存在不客观、无统一标准的问题；三是虽然不再仅以最差指标确定水质，但是掩盖了其对水质的突出影响。为解决上述问题，将反映水体水质类别及污染情况的水污染指數WPI作为分项指数，并采用主成分分析法对单个指标进行赋权，再利用内梅罗指数法对其进行改进以强调最严重污染因子的作用，即用WPI代替单因子指数作为分项指数，以主成分分析法实现赋权的客观性，以改进内梅罗指数法突出强调最严重污染因子的作用，得到改进的综合水质指数法WPCNI。笔者利用WPCNI指数法分析黄河干流水质时空演变特征，并对该方法得出的结果进行了对比和验证。
1数据来源与方法
1.1 研究区概况与数据来源
黄河全长5464km，流域面积79.5万km^2，是中国第二大长河，世界第五大长河，天然年径流量占全国河川径流量的2.1%。研究以全国主要流域重点断面水质自动监测周报数据为评价数据集，选取黄河流域7个国控断面作为研究对象，断面位置见图1。对各个断面2004-2016年的pH值、溶解氧（DO）、高锰酸钾指数（CODMn）及氨氮（NH3-N）进行数据分析，除去因仪器故障、河流断流等而未监测的指标数据，共得到4521组监测数据。
1.2评价过程与方法
1.2.1WPI指数计算
将黄河7个不同断面4种水质指标周测值转化为水污染指数WPI。CODMn及NH3 -N水污染指数WPI的计算公式为式中：WPI（i）为第i个水质指标所对应的指数值；WPI1（i）为第i个水质指标下限所对应的指数值：WPIh （i）为第i个水质指标上限所对应的指数值：C（i）为第i个水质指标的监测浓度，mg/L； Cl（i）为第i个水质指标的下限，mg/L；Ch （i）为第i个水质指标的上限，mg/L。
DO水污染指数WPI的计算随DO浓度不同而不同，且DO是水质指标标准中递减性指标，当DO监测浓度值C（DO）>7.5时，WPI（DO）为20；当2.0<式中：C1（DO）为监测值所在类别标准的下限，mg/L；Ch（DO）为监测值所在类别标准的上限，mg/L；WPI1（DO）为监测值所对应水质类别的下限指数值；WPIh，（DO）为监测值所对应水质类别的上限指数值。
当pH值为0～6时，pH值水污染指数WPI（pH）为
1.2.2利用主成分分析法对指标赋权
（1）主成分数量选择。对4种污染因子的WPI进行主成分分析，求协方差矩阵，得到样本矩阵的特征值λi、贡献率Ai和成分矩阵Ci，选择累计贡献率超过85%的前m种因子作为主成分，以反映原始数据的大部分信息。
（2）污染因子权重确定。根据李朝峰等的相关研究，通过成分矩阵Ci和特征值λi计算各污染因子的特征向量Ui：式中：WPIi为第i种水质指标对应的WPI；ωi为第i种水质指标对应的权重。
为了突出水质指数中最大指数的影响，引入改进内梅罗指数法，计算得到改进的综合水质指数，定义为WPCNI，计算公式为
该值不仅可以直接反映水质好坏（值越小水质越好），而且可以直接借用WPI分级方法进行水质分级，水质类别为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V、劣V类对应的WPCNI指数分别为0～ 20、20～40、40～60、60～80、80～100、>100。根据《地表水环境质量评价方法（试行）》，可依据不同水质类别的占比判断河流水质状况，水质定性评价分级见表1。
2结果与讨论
2.1黄河干流水质
2.1.1指标权重
以黄河干流7个断面2004-2016年监测数据月均值为基础，采用主成分分析法计算得到pH、DO、CODMn及NH3-N各污染因子的权重分别为0.002、0.015、0.198、0.785。NH3-N权重最大，说明NH3-N指标浮动较大，其次为CODMn及DO，由于WPIpH变化极小，因此pH对水质的影响基本可以忽略。
2.1.2黄河干流水质综合评价 汇总黄河干流2004-2016年7个断面4521组周测数据的水质类别及主要污染因子可以得到，黄河干流以Ⅱ、Ⅲ类水体为主，分别占黄河干流总监测数据的64.21%、21.51%。根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），不符合饮用水水源地Ⅲ类水的水体较少，其中Ⅳ、V和劣V类水分别占黄河干流总监测数据的5.75%、2.19%和1.13%。总体看来，黄河干流水质较好，达Ⅲ类水标准的占90.93%，水质类别为优。从主要污染因子来看，主要污染因子是NH3-N和CODMn，其中NH3-N占比为44%，CODMn占比为37%，DO占比为19%，pH的比例可以忽略。
2.2黄河干流水质年际演变特征
以黄河干流7个断面2004-2016年监测数据的年均值为基础，所得的水质类别占比、综合水质指数WPCNI和各污染因子WPI随时间变化情况见图2。从图2中看出，黄河干流I～Ⅲ类水体占比逐渐增大，适宜饮用，劣V类水体逐渐减少甚至消失，同时WPC-NI呈下降趋势，水质总体呈逐渐好转趋势，嵇晓燕等在黄河水质变化趋势研究中得出了相似结论。2004年黄河干流WPCNI为48.75，为Ⅲ类水体，水质达到Ⅲ类标准的水体仅为66.97%，劣V类水体为7.88%，水质状况为轻度污染。2005年开始，Ⅱ类水体所占比例逐渐增加，水质从良好逐渐过渡到优，水质状况较为稳定，波动不大。2008年，干流Ⅳ类水体出
现一定程度的增加，I、Ⅱ和Ⅲ类水体总体占比减少，但从这一年开始，基本不存在劣V类水体，2009年水质污染得到一定程度控制，Ⅳ类水体减少，同时I、Ⅱ和Ⅲ类水体数量超过90%且逐年提高。2016年干流WPCNI为29.05，I類水体超过10%，流域污染控制取得成效。NH3-N为最主要的污染因子，WPI值较大，但从2013年开始，CODMn的WPI值渐渐逼近NH3-N的，且于2015年成为最主要污染因子。WPI（DO）同WPCNI值变化趋势相同，但WPI（DO）相对较低，对水体污染的贡献率较低，pH值的WPI值几乎不随时间变化，基本可认为对水体污染没有贡献。
2.3黄河干流水质空间演变特征
2004-2016年不同监测断面水质类别占比、WPCNI均值及最主要污染因子见图3。由图3可知，从空间上看，从乌海海勃湾到济源小浪底间水质最差，与邢静等的研究结果相似。污染严重的断面为乌海海勃湾断面、内蒙古包头画匠营子断面，均属黄河上游地区，水质劣于Ⅲ类的比例为20%左右，属黄河干流水质超标率高的区域：兰州新城桥和中卫新墩两个断面污染较少，水质大部分为Ⅱ类、Ⅲ类，水质达标率超过99%，且没有劣V类水体：其他断面地区治理情况良好，且对人海口污染控制严格，对不合格企业打击力度较大，WPCNI较低，虽然较上游地区略高，但水质大部分也是Ⅱ类、Ⅲ类。
从图3还可以看出，黄河干流主要污染物为有机物和氨氮，不同断面最重污染因子有所差异。兰州新城桥断面最重污染因子为CODMn，与兰州市内工厂的点源污染有关，同时上游农田以渠道灌溉为主，残留的农药、化肥等均会造成有机物污染；中卫新墩和乌海海勃湾断面最重污染因子为NH3-N，氮肥的过量投入是宁夏地区氨氮超标的主要原因，且乌海海勃湾流域附近冶炼、炼焦等强污染企业发达；包头画匠营子断面主要污染因子为CODMn，主要来源于沿线电厂、化工厂废水的排放；受地区工农业发展废污水和城镇生活污水过度排放影响，加之污水处理设备老化，处理效率低，陕西省境内水质达标率低且氨氮污染严重；山西境内石油及焦炭生产企业多，氨氮污染也较为严重。
2.4改进的综合水质指数法的优势
黄河是中国北方的主要水源之一，大量研究聚焦于黄河水的水质评价，所用评价模型不尽相同。相较于先前的黄河水质评价方法，本研究构建的改进的综合水质指数法表现出诸多优势，见表2。
综上，改进的综合水质指数法综合了多种水质评价方法的优点，且克服了上述评价方法的不足，在水质评价方面，特别在大河流域水质评价方面具有较强的优越性。
3结论
对黄河干流水质进行评价的实践表明，改进的综合水质指数法以水污染指数WPI为分项指数解决了传统综合水质指数法评价中难以评判水质类别的问题；采用主成分分析赋权法客观体现了不同指标对水体污染的贡献，解决了传统综合水质评价中赋权过于主观的问题；引入改进内梅罗指数法克服了传统综合水质指数法不能反映最差水质类别影响的不足。
2004-2016年黄河干流7个断面水质评价结果表明，黄河干流水质总体良好，达标率较高，且水质逐年改善，主要污染物为有机物和氨氮。从年际变化来看，2005年以后，水质污染程度呈逐年降低趋势，污染控制较好，水质状况得到改善。从水质空间变化看，黄河干流上游下段水体污染最为严重，最重污染因子为NH3-N；乌海海勃湾断面和内蒙古包头画匠营子断面污染最严重，但近几年已得到有效控制；上游地区水质状况较为稳定，最重污染因子为CODMn水质较好。
关键词：改进的综合水质指数法：水污染指数：主成分分析法：赋权：改进内梅罗指数：黄河干流
中图分类号：X824；TV882.1
文献标志码：A
doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.017
水质评价是水资源规划管理与保护的重要环节，也是地表水管理的关键，水质评价可了解水体污染程度及水质变化趋势，有利于制定有效的整治方案，做好相应水体治理措施。作为中国北方主要水源之一，黄河流域水体的水质状况受到学术界的广泛关注，许多学者开展了大量针对黄河的水质评价研究工作。
当前评价河流水质的方法很多，如单因子评价法、物元分析法、聚类分析法、多元统计分析法、综合水质指数法等。综合水质指数法将多种污染因子的相对污染指数归纳为单一的污染指数，全面考虑了各污染因子对水质的贡献度，克服了单因子评价法仅以最差指标确定水质优劣的缺点。但传统的综合水质指数法存在以下问题：一是大都将单因子指数作为分项指数，结果只能反映水质总体变化情况，不能对水质进行类别判断；二是计算综合指数时多以层次分析法、专家调查法等主观方法进行赋权，存在不客观、无统一标准的问题；三是虽然不再仅以最差指标确定水质，但是掩盖了其对水质的突出影响。为解决上述问题，将反映水体水质类别及污染情况的水污染指數WPI作为分项指数，并采用主成分分析法对单个指标进行赋权，再利用内梅罗指数法对其进行改进以强调最严重污染因子的作用，即用WPI代替单因子指数作为分项指数，以主成分分析法实现赋权的客观性，以改进内梅罗指数法突出强调最严重污染因子的作用，得到改进的综合水质指数法WPCNI。笔者利用WPCNI指数法分析黄河干流水质时空演变特征，并对该方法得出的结果进行了对比和验证。
1数据来源与方法
1.1 研究区概况与数据来源
黄河全长5464km，流域面积79.5万km^2，是中国第二大长河，世界第五大长河，天然年径流量占全国河川径流量的2.1%。研究以全国主要流域重点断面水质自动监测周报数据为评价数据集，选取黄河流域7个国控断面作为研究对象，断面位置见图1。对各个断面2004-2016年的pH值、溶解氧（DO）、高锰酸钾指数（CODMn）及氨氮（NH3-N）进行数据分析，除去因仪器故障、河流断流等而未监测的指标数据，共得到4521组监测数据。
1.2评价过程与方法
1.2.1WPI指数计算
将黄河7个不同断面4种水质指标周测值转化为水污染指数WPI。CODMn及NH3 -N水污染指数WPI的计算公式为式中：WPI（i）为第i个水质指标所对应的指数值；WPI1（i）为第i个水质指标下限所对应的指数值：WPIh （i）为第i个水质指标上限所对应的指数值：C（i）为第i个水质指标的监测浓度，mg/L； Cl（i）为第i个水质指标的下限，mg/L；Ch （i）为第i个水质指标的上限，mg/L。
DO水污染指数WPI的计算随DO浓度不同而不同，且DO是水质指标标准中递减性指标，当DO监测浓度值C（DO）>7.5时，WPI（DO）为20；当2.0<式中：C1（DO）为监测值所在类别标准的下限，mg/L；Ch（DO）为监测值所在类别标准的上限，mg/L；WPI1（DO）为监测值所对应水质类别的下限指数值；WPIh，（DO）为监测值所对应水质类别的上限指数值。
当pH值为0～6时，pH值水污染指数WPI（pH）为
1.2.2利用主成分分析法对指标赋权
（1）主成分数量选择。对4种污染因子的WPI进行主成分分析，求协方差矩阵，得到样本矩阵的特征值λi、贡献率Ai和成分矩阵Ci，选择累计贡献率超过85%的前m种因子作为主成分，以反映原始数据的大部分信息。
（2）污染因子权重确定。根据李朝峰等的相关研究，通过成分矩阵Ci和特征值λi计算各污染因子的特征向量Ui：式中：WPIi为第i种水质指标对应的WPI；ωi为第i种水质指标对应的权重。
为了突出水质指数中最大指数的影响，引入改进内梅罗指数法，计算得到改进的综合水质指数，定义为WPCNI，计算公式为
该值不仅可以直接反映水质好坏（值越小水质越好），而且可以直接借用WPI分级方法进行水质分级，水质类别为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V、劣V类对应的WPCNI指数分别为0～ 20、20～40、40～60、60～80、80～100、>100。根据《地表水环境质量评价方法（试行）》，可依据不同水质类别的占比判断河流水质状况，水质定性评价分级见表1。
2结果与讨论
2.1黄河干流水质
2.1.1指标权重
以黄河干流7个断面2004-2016年监测数据月均值为基础，采用主成分分析法计算得到pH、DO、CODMn及NH3-N各污染因子的权重分别为0.002、0.015、0.198、0.785。NH3-N权重最大，说明NH3-N指标浮动较大，其次为CODMn及DO，由于WPIpH变化极小，因此pH对水质的影响基本可以忽略。
2.1.2黄河干流水质综合评价 汇总黄河干流2004-2016年7个断面4521组周测数据的水质类别及主要污染因子可以得到，黄河干流以Ⅱ、Ⅲ类水体为主，分别占黄河干流总监测数据的64.21%、21.51%。根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002），不符合饮用水水源地Ⅲ类水的水体较少，其中Ⅳ、V和劣V类水分别占黄河干流总监测数据的5.75%、2.19%和1.13%。总体看来，黄河干流水质较好，达Ⅲ类水标准的占90.93%，水质类别为优。从主要污染因子来看，主要污染因子是NH3-N和CODMn，其中NH3-N占比为44%，CODMn占比为37%，DO占比为19%，pH的比例可以忽略。
2.2黄河干流水质年际演变特征
以黄河干流7个断面2004-2016年监测数据的年均值为基础，所得的水质类别占比、综合水质指数WPCNI和各污染因子WPI随时间变化情况见图2。从图2中看出，黄河干流I～Ⅲ类水体占比逐渐增大，适宜饮用，劣V类水体逐渐减少甚至消失，同时WPC-NI呈下降趋势，水质总体呈逐渐好转趋势，嵇晓燕等在黄河水质变化趋势研究中得出了相似结论。2004年黄河干流WPCNI为48.75，为Ⅲ类水体，水质达到Ⅲ类标准的水体仅为66.97%，劣V类水体为7.88%，水质状况为轻度污染。2005年开始，Ⅱ类水体所占比例逐渐增加，水质从良好逐渐过渡到优，水质状况较为稳定，波动不大。2008年，干流Ⅳ类水体出
现一定程度的增加，I、Ⅱ和Ⅲ类水体总体占比减少，但从这一年开始，基本不存在劣V类水体，2009年水质污染得到一定程度控制，Ⅳ类水体减少，同时I、Ⅱ和Ⅲ类水体数量超过90%且逐年提高。2016年干流WPCNI为29.05，I類水体超过10%，流域污染控制取得成效。NH3-N为最主要的污染因子，WPI值较大，但从2013年开始，CODMn的WPI值渐渐逼近NH3-N的，且于2015年成为最主要污染因子。WPI（DO）同WPCNI值变化趋势相同，但WPI（DO）相对较低，对水体污染的贡献率较低，pH值的WPI值几乎不随时间变化，基本可认为对水体污染没有贡献。
2.3黄河干流水质空间演变特征
2004-2016年不同监测断面水质类别占比、WPCNI均值及最主要污染因子见图3。由图3可知，从空间上看，从乌海海勃湾到济源小浪底间水质最差，与邢静等的研究结果相似。污染严重的断面为乌海海勃湾断面、内蒙古包头画匠营子断面，均属黄河上游地区，水质劣于Ⅲ类的比例为20%左右，属黄河干流水质超标率高的区域：兰州新城桥和中卫新墩两个断面污染较少，水质大部分为Ⅱ类、Ⅲ类，水质达标率超过99%，且没有劣V类水体：其他断面地区治理情况良好，且对人海口污染控制严格，对不合格企业打击力度较大，WPCNI较低，虽然较上游地区略高，但水质大部分也是Ⅱ类、Ⅲ类。
从图3还可以看出，黄河干流主要污染物为有机物和氨氮，不同断面最重污染因子有所差异。兰州新城桥断面最重污染因子为CODMn，与兰州市内工厂的点源污染有关，同时上游农田以渠道灌溉为主，残留的农药、化肥等均会造成有机物污染；中卫新墩和乌海海勃湾断面最重污染因子为NH3-N，氮肥的过量投入是宁夏地区氨氮超标的主要原因，且乌海海勃湾流域附近冶炼、炼焦等强污染企业发达；包头画匠营子断面主要污染因子为CODMn，主要来源于沿线电厂、化工厂废水的排放；受地区工农业发展废污水和城镇生活污水过度排放影响，加之污水处理设备老化，处理效率低，陕西省境内水质达标率低且氨氮污染严重；山西境内石油及焦炭生产企业多，氨氮污染也较为严重。
2.4改进的综合水质指数法的优势
黄河是中国北方的主要水源之一，大量研究聚焦于黄河水的水质评价，所用评价模型不尽相同。相较于先前的黄河水质评价方法，本研究构建的改进的综合水质指数法表现出诸多优势，见表2。
综上，改进的综合水质指数法综合了多种水质评价方法的优点，且克服了上述评价方法的不足，在水质评价方面，特别在大河流域水质评价方面具有较强的优越性。
3结论
对黄河干流水质进行评价的实践表明，改进的综合水质指数法以水污染指数WPI为分项指数解决了传统综合水质指数法评价中难以评判水质类别的问题；采用主成分分析赋权法客观体现了不同指标对水体污染的贡献，解决了传统综合水质评价中赋权过于主观的问题；引入改进内梅罗指数法克服了传统综合水质指数法不能反映最差水质类别影响的不足。
2004-2016年黄河干流7个断面水质评价结果表明，黄河干流水质总体良好，达标率较高，且水质逐年改善，主要污染物为有机物和氨氮。从年际变化来看，2005年以后，水质污染程度呈逐年降低趋势，污染控制较好，水质状况得到改善。从水质空间变化看，黄河干流上游下段水体污染最为严重，最重污染因子为NH3-N；乌海海勃湾断面和内蒙古包头画匠营子断面污染最严重，但近几年已得到有效控制；上游地区水质状况较为稳定，最重污染因子为CODMn水质较好。