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摘要 以穆棱河流域为例，采用水生生物指示法、单因子评价法、综合污染指数法、模糊综合评价法4种水环境质量评价方法，对穆棱河水质进行分析评价，并对评价结果进行了比较。
关键词 水环境质量；评价方法；穆棱河流域
中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）27-185-04
Assessment Methods of Water Environment Quality—A Case Study of Muling River
LI Jia-min1， YU Ting2， JU Yong-fu2，3， YU Hong-xian3* et al
（1.Nen River Diversion Administrative Office， Daqing， Heilongjiang 163316； 2.Water Resources Bureau of Heilongjiang Province， Harbin， Heilongjiang 150040； 3.Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）
Abstract By using aquatic organisms method， single factor method， comprehensive pollution index method， and fuzzy comprehensive evaluation method， water quality of Muling River was analyzed， and the evaluation results were compared.
Key words Water environment quality； Evaluation methods； Muling River basin
我國水资源短缺情况较为严重，拥有全世界21%的人口，但仅占水资源总量的6%，人均水资源拥有量仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。经过几年努力，水污染治理取得一定成效，但形势依然非常严峻。2013年，全国废水排放量695.4亿t，化学需氧量排放量2 352.7万t，氨氮排放量245.7万t，石油类排放量1.7万t，此外还有大量各类重金属排放到水体中[1]。水环境质量评价已经成为环境质量评价的重要内容。采用科学合理的评价方法对流域或区域水环境质量进行定性和定量描述，阐明水环境质量现状和变化趋势，可以为保护和合理开发利用水资源提供科学依据。
目前，比较常用的评价方法有水生生物指示法、单因子评价法、综合污染指数法和模糊综合评价法。笔者采用这4种水环境质量评价方法，对穆棱河流域水质进行评价，并对结果进行对比分析。
1 水环境质量评价依据和方法
1.1 评价依据 为客观反映全国地表水环境质量状况和变化趋势， 2002年国家环境保护总局发布《关于发布<地表水环境质量标准>的公告》（环发[2002]72号），制定了关于地表水环境质量的国家强制性标准。
根据《地表水环境质量标准GB 3838-2002》规定，地表水水域环境功能和保护目标，按功能高低依次划分为5类[2]：Ⅰ类主要适用于源头水、国家自然保护区；Ⅱ类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等；Ⅲ类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区；Ⅳ类主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区；Ⅴ类主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。
1.2 评价方法
1.2.1 水生生物指示法。
在20世纪德国有两位科学家（Kolkwitz和Marsson）提出污染指示生物学说，将一些水生生物划分为贫营养型、中营养型、中富营养型和富营养型[3]。后来，又经过Liebmann和津田松苗等人的不断完善，指示生物评价法逐渐被作为评价水质污染的标准方法。在《湖泊富营养化调查规范》中记载：贫营养型湖泊以金藻和黄藻类的浮游植物为主，中营养型湖泊常以甲藻、隐藻和硅藻类为主，富营养型湖泊则以绿藻和蓝藻为主[4]。根据Shanno-Weaver多样性指数（H′），将水污染划分为重污染（0～1）、中污染（1～3）、轻污染或无污染（>3）。
1.2.2 单因子评价法。为规范全国地表水环境质量评价工作，2011年环境保护部发布了《地表水环境质量评价办法》，对水质状况定性分级做出了详细规定。
1.2.2.1 断面水质评价。河流断面水质评价采用单因子评价法，即根据评价时段内该断面参评的指标中类别最高的一项来确定。描述断面水质类别时，使用“符合”或“劣于”等词语。断面水质定性评价分为I类、II类、III类、IV类、V类和劣V类。
1.2.2.2 河流水质评价。当河流、流域（水系）的断面总数少于5 个时，计算河流、流域（水系）所有断面各评价指标浓度算术平均值，然后按照“断面水质评价”方法评价，并指出每个断面的水质类别和水质状况。河流的断面总数在5 个（含5 个）以上时，采用断面水质类别比例法，即根据评价河流、流域（水系）中各水质类别的断面数占河流、流域（水系）所有评价断面总数的百分比来评价其水质状况。
1.2.3 综合污染指数法。
水质综合污染指数是评价水环境质量的一种重要方法，是美国学者内梅罗在《河流污染科学分析》一书中提出的。综合污染指数P表达式为：
Pi=Ci/Cci
P=1nni=1Pi
式中，Pi为某污染物的单项污染指数；Ci为某污染物的监测值；Cci为某污染物的标准值；n为污染因子个数。 根据综合污染指数，将水质质量分为6个等级，即清洁（P<0.2）、尚清洁（0.2≤P<0.4）、
轻度污染（0.4≤P<0.7）、中度污染（0.7≤P<1.0）、重度污染（1.0≤P<2.0）、严重污染（P≥0.2）。
1.2.4 模糊综合评价法。
水环境是一种由多介质组成的多元体系，涉及到大量的污染因素和变量，具有高度的随机性、复杂性和综合性。此外，水质的变化是连续的，而水质标准中污染物浓度的表示却是不连续的，人为地用特定的分级标准去评价环境污染程度也是不妥当的。
自1965年美国控制论专家Zadeh提出模糊集合的概念以来，模糊数学得到了前所未有的发展，同时被广泛运用于生产实践中。
通过对水质污染因子的分析，分别建立评价因子集、评价集、模糊关系矩阵和权重向量计算，最终确定模糊综合评价模型为：
B=W·R=
（w1，w2，…，wm）r11r12…r1n
r21r22…r2n
…
rm1rm2…rrn=（b1，b2，…，bn）
建立了模糊综合评价模型之后，根据最大隶属度原则，若bj= max（b1，b2，…，bn），则待评价对象的水质级别应该为第j类。
2 水环境质量评价结果
2.1 水生生物指示法
2.1.1 浮游植物多样性指数。2014年夏季穆棱河干流调查监测共布设10个断面，依次为团结水库坝下、奋斗水库坝址、青龙山水库坝址、八面通渠首、城子河渠首、朝阳渠首、湖北闸、入珍宝岛保护区断面、入虎口保护区断面、穆棱河口等。调查期间，穆棱河干流浮游植物经鉴定共计6门32种属。其中，绿藻门的种类最多，为12种属，占37.5%；硅藻门次之，9种属，占28.13%；蓝藻门5种属，占15.63%；金藻门4种属，共占12.5%；隐藻、裸藻门各1种属，分别占3.13%。调查期间，穆棱河干流浮游植物的多样性指数在各采样点间存在差异。Shannon-Weaver指数为1.11～3.30（表1），7#采样点最高（3.30），8#采样点次之（2.85），4#和6#采样点均较低（1.11和1.56）。依据评价标准，除了7#采样点以外，其他采样点均处于中污染状态。其中，7#采样点的多样性指数最高，说明水质好于其他采样点。
2.1.2 浮游动物多样性指数。
2014年夏季调查期间，穆棱河干流采样断面浮游动物经鉴定共计4类22种属。其中，轮虫种类最多，8种属，占36.36%；原生动物次之，6种属，占27.27%；桡足类5种属，占22.73%；枝角类3种属，占13.64%。调查期间，穆棱河干流浮游动物的多样性指数在各采样点间存在差异。Shannon-Weaver指数为0.81～3.00（表2），7#采样点最高（3.00），8#采样点次之（2.56），4#和6#采样点均较低（0.81和1.26）。依据评价标准，除了7#采样点以外，其他采样点均处于中污染状态。
2.2 单因子评价法
穆棱河干流水质监测从奋斗水库下游4 km的三岔开始，一直到乌苏里江口。2010～2014年连续监测，水质监测指标按环境保护部门标准进行。其中，上游2个监测断面，中游4个监测断面，下游2个监测断面。采用单因子评价法，对2010～2014年穆棱河流域水质进行评价（表3）。
单因子评价法表明，2010～2014年穆棱河流域三岔以下至乌苏里江口分别处于重度、轻度、中度、中度、中度污染状态。
2.3 综合污染指数法
由表4可知，2010～2014年穆棱河的水质基本处于中度和重度污染状态。河流的不同区段表现出一定的差异，上游夏季污染较重，中游和下游春季污染较重，到夏季有所好转。总体来说，下游的水质要好于上游和中游。
2.4 模糊综合评价法 由图1可知，2010～2014年穆棱河流域上游和中游为Ⅳ～Ⅴ类水质，下游为Ⅲ～Ⅳ类水质，流域基本处于轻度和中度污染状态。
3 结论与讨论
根据穆棱河的水域功能和水体标准，该水域应该属于Ⅱ类标准，即主要适用于集中式生活饮水地表水源地一级保护区、珍惜水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等。但是，4种水环境质量评价方法结果趋于一致，均证明穆棱河流域在不同季节处于污染状态，水质类别多数情况下为Ⅳ～Ⅴ类，个别情况下为Ⅲ类和劣Ⅴ类，已经完全超出了该流域应该具备的水域功能和水体标准。穆棱河上游和下游处于轻度污染状态，中游处于中度污染状态，个别时段表现为重度污染。4种水环境质量评价方法实用性都很强，根据监测条件和监测目的不同，可以选择不同的评价方法。但是每种评价方法均表现出各自的特点和侧重，在实际应用中要注意其差异性。
3.1 水生生物指示法
水生生物指示法采用单一指标对水质进行评价，在实际应用中显示出其片面性与局限性。因为影响水体中指示生物的因子很多，不同浮游植物对营养元素和不同环境因子的变化有不同的适应能力。有时相同的指示物种可以反映水体不同的污染类型，在实际应用中不能仅根据藻类指示种，或者某一个指示种就轻易作出判断，应该全面考虑整个群落结构组成并结合其他评价指标综合评价。
3.2 单因子评价法
单因子评价法是利用流域水体水质监测指标与《地表水环境质量标准》基本项目标准限值进行对比，确定该断面水质类别，在所有水质类别中选取质量最差的类别作为评价结果。在实际使用中，单因子评价法可以简单直观地确定水质状况，但有时会导致评价级别过低。如2012年冬末春初，对穆棱河中游评价结果为劣Ⅴ类水质。单因子评价法忽略了水生态系统的复杂性，也没有考虑水环境因子的关联性，单纯以污染最严重的环境因子定性评价整体水环境质量，弱化了其他环境因子。所以，在水环境质量实际评价中还要综合权衡其他环境因子的权重。
3.3 综合污染指数法
综合污染指数评价法利用水质各项监测指标结果计算各个污染指标的分指数，然后综合计算各项污染指标的分指数，得出水体污染的综合指数。综合污染指数评价法考虑了水环境的综合因子，并对水环境整体情况作出定量描述，同时运用不同的指标对水质进行定性评价，而且计算简便，便于进行时间序列分析。但是，综合污染指数法单独设立了一套评价体系，有待于与水环境质量统一评价标准。
3.4 模糊综合评价法
模糊综合评价法根据模糊数学的隶属度理论将定性评价转化为定量评价，基于模糊数学理论对水环境质量进行总体评价。水环境污染变化过程是连续不断的，与人为制定的水质类别存在模糊性，模糊综合评价法客观地反映了水体污染变化的不确定性和模糊性。模糊综合评价法综合考虑了环境因子的影响，并以各个污染因子的超标程度确定权重，综合反映水体污染的程度。但是，与其他评价方法比较，不易确定主要污染因子，降低了水环境质量评价对流域污染治理实践的可操作性。
参考文献
[1] 中华人民共和国环境保护部.2013年环境统计年报[R].2013.
[2] 中华人民共和国环境保护部.地表水环境质量标准：GB3838-2002[S].北京：中国环境科学出版社，2002.
[3] LIEBMANN H.Handbuch der Frischwasser und Abwasser biologie[M].Aufl Munchen：Verlag Oldenbourg，Munchen，1951：1-140.
[4] 金相燦，屠清瑛.湖泊富营养化调查规范[M].2版.北京：中国环境科学出版社，1990：301-302.
关键词 水环境质量；评价方法；穆棱河流域
中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）27-185-04
Assessment Methods of Water Environment Quality—A Case Study of Muling River
LI Jia-min1， YU Ting2， JU Yong-fu2，3， YU Hong-xian3* et al
（1.Nen River Diversion Administrative Office， Daqing， Heilongjiang 163316； 2.Water Resources Bureau of Heilongjiang Province， Harbin， Heilongjiang 150040； 3.Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040）
Abstract By using aquatic organisms method， single factor method， comprehensive pollution index method， and fuzzy comprehensive evaluation method， water quality of Muling River was analyzed， and the evaluation results were compared.
Key words Water environment quality； Evaluation methods； Muling River basin
我國水资源短缺情况较为严重，拥有全世界21%的人口，但仅占水资源总量的6%，人均水资源拥有量仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。经过几年努力，水污染治理取得一定成效，但形势依然非常严峻。2013年，全国废水排放量695.4亿t，化学需氧量排放量2 352.7万t，氨氮排放量245.7万t，石油类排放量1.7万t，此外还有大量各类重金属排放到水体中[1]。水环境质量评价已经成为环境质量评价的重要内容。采用科学合理的评价方法对流域或区域水环境质量进行定性和定量描述，阐明水环境质量现状和变化趋势，可以为保护和合理开发利用水资源提供科学依据。
目前，比较常用的评价方法有水生生物指示法、单因子评价法、综合污染指数法和模糊综合评价法。笔者采用这4种水环境质量评价方法，对穆棱河流域水质进行评价，并对结果进行对比分析。
1 水环境质量评价依据和方法
1.1 评价依据 为客观反映全国地表水环境质量状况和变化趋势， 2002年国家环境保护总局发布《关于发布<地表水环境质量标准>的公告》（环发[2002]72号），制定了关于地表水环境质量的国家强制性标准。
根据《地表水环境质量标准GB 3838-2002》规定，地表水水域环境功能和保护目标，按功能高低依次划分为5类[2]：Ⅰ类主要适用于源头水、国家自然保护区；Ⅱ类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等；Ⅲ类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区；Ⅳ类主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区；Ⅴ类主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。
1.2 评价方法
1.2.1 水生生物指示法。
在20世纪德国有两位科学家（Kolkwitz和Marsson）提出污染指示生物学说，将一些水生生物划分为贫营养型、中营养型、中富营养型和富营养型[3]。后来，又经过Liebmann和津田松苗等人的不断完善，指示生物评价法逐渐被作为评价水质污染的标准方法。在《湖泊富营养化调查规范》中记载：贫营养型湖泊以金藻和黄藻类的浮游植物为主，中营养型湖泊常以甲藻、隐藻和硅藻类为主，富营养型湖泊则以绿藻和蓝藻为主[4]。根据Shanno-Weaver多样性指数（H′），将水污染划分为重污染（0～1）、中污染（1～3）、轻污染或无污染（>3）。
1.2.2 单因子评价法。为规范全国地表水环境质量评价工作，2011年环境保护部发布了《地表水环境质量评价办法》，对水质状况定性分级做出了详细规定。
1.2.2.1 断面水质评价。河流断面水质评价采用单因子评价法，即根据评价时段内该断面参评的指标中类别最高的一项来确定。描述断面水质类别时，使用“符合”或“劣于”等词语。断面水质定性评价分为I类、II类、III类、IV类、V类和劣V类。
1.2.2.2 河流水质评价。当河流、流域（水系）的断面总数少于5 个时，计算河流、流域（水系）所有断面各评价指标浓度算术平均值，然后按照“断面水质评价”方法评价，并指出每个断面的水质类别和水质状况。河流的断面总数在5 个（含5 个）以上时，采用断面水质类别比例法，即根据评价河流、流域（水系）中各水质类别的断面数占河流、流域（水系）所有评价断面总数的百分比来评价其水质状况。
1.2.3 综合污染指数法。
水质综合污染指数是评价水环境质量的一种重要方法，是美国学者内梅罗在《河流污染科学分析》一书中提出的。综合污染指数P表达式为：
Pi=Ci/Cci
P=1nni=1Pi
式中，Pi为某污染物的单项污染指数；Ci为某污染物的监测值；Cci为某污染物的标准值；n为污染因子个数。 根据综合污染指数，将水质质量分为6个等级，即清洁（P<0.2）、尚清洁（0.2≤P<0.4）、
轻度污染（0.4≤P<0.7）、中度污染（0.7≤P<1.0）、重度污染（1.0≤P<2.0）、严重污染（P≥0.2）。
1.2.4 模糊综合评价法。
水环境是一种由多介质组成的多元体系，涉及到大量的污染因素和变量，具有高度的随机性、复杂性和综合性。此外，水质的变化是连续的，而水质标准中污染物浓度的表示却是不连续的，人为地用特定的分级标准去评价环境污染程度也是不妥当的。
自1965年美国控制论专家Zadeh提出模糊集合的概念以来，模糊数学得到了前所未有的发展，同时被广泛运用于生产实践中。
通过对水质污染因子的分析，分别建立评价因子集、评价集、模糊关系矩阵和权重向量计算，最终确定模糊综合评价模型为：
B=W·R=
（w1，w2，…，wm）r11r12…r1n
r21r22…r2n
…
rm1rm2…rrn=（b1，b2，…，bn）
建立了模糊综合评价模型之后，根据最大隶属度原则，若bj= max（b1，b2，…，bn），则待评价对象的水质级别应该为第j类。
2 水环境质量评价结果
2.1 水生生物指示法
2.1.1 浮游植物多样性指数。2014年夏季穆棱河干流调查监测共布设10个断面，依次为团结水库坝下、奋斗水库坝址、青龙山水库坝址、八面通渠首、城子河渠首、朝阳渠首、湖北闸、入珍宝岛保护区断面、入虎口保护区断面、穆棱河口等。调查期间，穆棱河干流浮游植物经鉴定共计6门32种属。其中，绿藻门的种类最多，为12种属，占37.5%；硅藻门次之，9种属，占28.13%；蓝藻门5种属，占15.63%；金藻门4种属，共占12.5%；隐藻、裸藻门各1种属，分别占3.13%。调查期间，穆棱河干流浮游植物的多样性指数在各采样点间存在差异。Shannon-Weaver指数为1.11～3.30（表1），7#采样点最高（3.30），8#采样点次之（2.85），4#和6#采样点均较低（1.11和1.56）。依据评价标准，除了7#采样点以外，其他采样点均处于中污染状态。其中，7#采样点的多样性指数最高，说明水质好于其他采样点。
2.1.2 浮游动物多样性指数。
2014年夏季调查期间，穆棱河干流采样断面浮游动物经鉴定共计4类22种属。其中，轮虫种类最多，8种属，占36.36%；原生动物次之，6种属，占27.27%；桡足类5种属，占22.73%；枝角类3种属，占13.64%。调查期间，穆棱河干流浮游动物的多样性指数在各采样点间存在差异。Shannon-Weaver指数为0.81～3.00（表2），7#采样点最高（3.00），8#采样点次之（2.56），4#和6#采样点均较低（0.81和1.26）。依据评价标准，除了7#采样点以外，其他采样点均处于中污染状态。
2.2 单因子评价法
穆棱河干流水质监测从奋斗水库下游4 km的三岔开始，一直到乌苏里江口。2010～2014年连续监测，水质监测指标按环境保护部门标准进行。其中，上游2个监测断面，中游4个监测断面，下游2个监测断面。采用单因子评价法，对2010～2014年穆棱河流域水质进行评价（表3）。
单因子评价法表明，2010～2014年穆棱河流域三岔以下至乌苏里江口分别处于重度、轻度、中度、中度、中度污染状态。
2.3 综合污染指数法
由表4可知，2010～2014年穆棱河的水质基本处于中度和重度污染状态。河流的不同区段表现出一定的差异，上游夏季污染较重，中游和下游春季污染较重，到夏季有所好转。总体来说，下游的水质要好于上游和中游。
2.4 模糊综合评价法 由图1可知，2010～2014年穆棱河流域上游和中游为Ⅳ～Ⅴ类水质，下游为Ⅲ～Ⅳ类水质，流域基本处于轻度和中度污染状态。
3 结论与讨论
根据穆棱河的水域功能和水体标准，该水域应该属于Ⅱ类标准，即主要适用于集中式生活饮水地表水源地一级保护区、珍惜水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等。但是，4种水环境质量评价方法结果趋于一致，均证明穆棱河流域在不同季节处于污染状态，水质类别多数情况下为Ⅳ～Ⅴ类，个别情况下为Ⅲ类和劣Ⅴ类，已经完全超出了该流域应该具备的水域功能和水体标准。穆棱河上游和下游处于轻度污染状态，中游处于中度污染状态，个别时段表现为重度污染。4种水环境质量评价方法实用性都很强，根据监测条件和监测目的不同，可以选择不同的评价方法。但是每种评价方法均表现出各自的特点和侧重，在实际应用中要注意其差异性。
3.1 水生生物指示法
水生生物指示法采用单一指标对水质进行评价，在实际应用中显示出其片面性与局限性。因为影响水体中指示生物的因子很多，不同浮游植物对营养元素和不同环境因子的变化有不同的适应能力。有时相同的指示物种可以反映水体不同的污染类型，在实际应用中不能仅根据藻类指示种，或者某一个指示种就轻易作出判断，应该全面考虑整个群落结构组成并结合其他评价指标综合评价。
3.2 单因子评价法
单因子评价法是利用流域水体水质监测指标与《地表水环境质量标准》基本项目标准限值进行对比，确定该断面水质类别，在所有水质类别中选取质量最差的类别作为评价结果。在实际使用中，单因子评价法可以简单直观地确定水质状况，但有时会导致评价级别过低。如2012年冬末春初，对穆棱河中游评价结果为劣Ⅴ类水质。单因子评价法忽略了水生态系统的复杂性，也没有考虑水环境因子的关联性，单纯以污染最严重的环境因子定性评价整体水环境质量，弱化了其他环境因子。所以，在水环境质量实际评价中还要综合权衡其他环境因子的权重。
3.3 综合污染指数法
综合污染指数评价法利用水质各项监测指标结果计算各个污染指标的分指数，然后综合计算各项污染指标的分指数，得出水体污染的综合指数。综合污染指数评价法考虑了水环境的综合因子，并对水环境整体情况作出定量描述，同时运用不同的指标对水质进行定性评价，而且计算简便，便于进行时间序列分析。但是，综合污染指数法单独设立了一套评价体系，有待于与水环境质量统一评价标准。
3.4 模糊综合评价法
模糊综合评价法根据模糊数学的隶属度理论将定性评价转化为定量评价，基于模糊数学理论对水环境质量进行总体评价。水环境污染变化过程是连续不断的，与人为制定的水质类别存在模糊性，模糊综合评价法客观地反映了水体污染变化的不确定性和模糊性。模糊综合评价法综合考虑了环境因子的影响，并以各个污染因子的超标程度确定权重，综合反映水体污染的程度。但是，与其他评价方法比较，不易确定主要污染因子，降低了水环境质量评价对流域污染治理实践的可操作性。
参考文献
[1] 中华人民共和国环境保护部.2013年环境统计年报[R].2013.
[2] 中华人民共和国环境保护部.地表水环境质量标准：GB3838-2002[S].北京：中国环境科学出版社，2002.
[3] LIEBMANN H.Handbuch der Frischwasser und Abwasser biologie[M].Aufl Munchen：Verlag Oldenbourg，Munchen，1951：1-140.
[4] 金相燦，屠清瑛.湖泊富营养化调查规范[M].2版.北京：中国环境科学出版社，1990：301-302.