作者；张毅
目前，河流水质污染是我国最突出的环境问题之一，与社会经济发展和人民生活质量密切相关。为保护水资源，控制水污染，满足管理部门对各流域水环境质量进行系统规划和管理的要求，就要在河流水质科学合理评价基础上，掌握流域水环境污染的时间和空间分布。
水质评价是通过一定的评价标准和方法，对水环境监测数据进行分析计算，得到一个或一组定性或定量的结果，来反映被测水体所处的水质类别的过程。河流水质评价方法众多，国内外学者在评价方法上也不断推陈出新，使其呈现多样化，并趋于完善。根据评价结果，水质评价方法可分为定性评价和定量评价。定性评价即仅仅对水质的类别进行评定；而定量评价则可通过评价结果对河流水质进行分析及比较。根据评价步骤，水质评价则可分为单因子评价法和综合因子评价法，单因子评价法主要用于河流污染物是单一的或者某一污染物处于明显优势的情况下，这类方法引用简单，是综合因子评价法的基础；综合因子法是根据一定的模型，分析得到河流中不同因子对于水质的综合影响。其中，综合因子评价法包括综合污染指数评价、模糊数学法、灰色系统法、主成分分析法、水质标识指数法、神经网络法等。
国家环境保护总局颁布的《地表水环境质量标准》( GB 3838_2002)按照水质指标确定了地表水五类水质分级标准。该类标准将水质分为I类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类及V类5个等级，并规定了这5类水质所对应的适用范围。目前，根据此标准进行河流水质评价，存在的突出问题是，许多河流多数河段的水质为V类或劣V类，无法实现进一步量化，对河流流域水环境研究、管理的指导作用十分薄弱，亟需探求适合我国地表水水质评价分级标准。如前所述，国内外学者提出了综合污染指数法、模糊数学法、灰色系统法、水质标识指数法等，为地表水水质评价分级标准的建立提供了很好的借鉴，但各种方法也因研究目的不同而存在其应用的局限性，如以定性评价为主、权重的人为确定、数据量的要求等。因此，本研究通过比较常用水质评价方法的优劣，旨在探求一种适于水质恶化严重的河流水质评价方法，以期为流域水环境研究、控制和管理提供科学依据与理论支撑。
1 数据来源与研究方法
1.1 研究区概况
温榆河发源于北京燕山南麓的昌平、延庆、海淀一带，属于北运河水系，是北京市五大水系之中唯一发源于境内且常年有水的河流，全长约47.5 km，流域面积2 478 km2。温榆河上游有东沙河、北沙河和南沙河3条支流汇集于昌平区沙河镇沙河闸形成沙河水库，‘控制流域面积1 099 km2；从沙河闸以下始称温榆河，沿途主要有蔺沟河、清河、坝河、小中河汇人，最后经通州区北关拦河闸汇人北运河。温榆河流域内降雨量年际和年内分配极不均衡，多年平均降水量约为600 mm，其中80%集中在汛期6-9月，多年平均径流量约3.5亿m3，其中污水量占60%-70%。温榆河流经海淀、昌平、顺义、朝阳、通州5区，位于北京市的核心区域，战略地位举足轻重，流经地区经济发达，人口稠密，担负着排洪和城市排污的任务，河水水质受到严重污染[别。
1.2 水体采样
按照地表水质监测布点与采样原则，并结合实地情况，进行布点，共设置19个采样点（图1），进行水样采集。本文采用2010年1月、3月、7月、10月4期水质监测数据代表温榆河4季的水质。水质理化指标包括溶解氧(DO)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、高锰酸盐指数及5日生物需氧量(BODs)。其中，DO采用便携式分析仪在现场直接测定，而TN、TP、NH3-N、高锰酸盐指数、BODs则另取水样进行室内实验。按照《水和废水监测分析方法》（第4版）相关规定，采用国家标准方法进行测定。
1.3 主要污染物水质标识指数法
水质标识指数法(WQI)将水质表示为一个具有代数性质的小数，能够连续性描述水质状况。该方法首先计算水体监测数据中各参评因子的单因子水质标识指数，综合考虑国家《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)的水质分级标准、国家《水功能区划分标准》（GB/T 50594-2010）的水功能分级标准，计算综合水质标识指数。水质标识指数法更适合为水功能区划服务。而本研究的目的是定量连续评价水质恶化严重河流的综合水质时空差异性，因此该参数虽实现了连续定量评价水质，但不适合本文研究目的。
在水质标识指数法的基础上，本文提出“主要污染物水质标识指数法”(Primary Pollutant-Water Qual-ity Identification Index，PP-WQI)，即对水质标识指数法进行修正，引入新参数体现河流水体主要污染物类别，以便学者和管理者针对水体主要污染物进行研究或制定管理措施。PP-WQI表达式如下：
式(l)中，PP-WQI为该监测水体主要污染物水质标识指数；Cl为该监测水体所处的水质类别；C2为监测数据在C1类水质标准下限与Cl类水质标准上限值变化区间内所处位置；X4为参加整体水质评价的指标中，劣于水质类别标准的水质指标的个数；X5为该监测水体中的主要污染物（Pi最大值所对应的参评因子）。
首先计算水体监测数据中各参评因子的单因子水质标识指数，其表达式如下：
式(2)中，Pf为第f个参评因子的单因子水质标识指数；X1为该参评因子所处的水质类别；X2为该参评因子在X1类水质标准下限与X1类水质标准上限值变化区间内所处位置。
当水质介于I类至Ⅳ类之间时，
式(3)中，ci为第f项因子的实测浓度（mg/L）；c标上为第i项因子在a类水质标准区间的上限(mg/L);c标下为第i项因子在以类水质标准区间的下限(mg/L);a为根据监测数据与国家标准比较而确定的基准值。该参评因子监测数据小于（DO则反之）对应国家标准I类水质的浓度时，a取1；监测数据介于国家标准I类与Ⅱ类水质标准之间时，a取2；以此类推，当监测数据浓度高于（DO则反之）国家标准V类水质的浓度时，A取6；
当水质等于或劣于V类水时，
计算水体监测数据中各参评因子的单因子水质标识指数后，即可计算PP-WQI指数，公式如下：
式(5)~(6)中，n为参评因子的个数；C1·C2的精确度取到0.1;墨为各参评因子的单因子标识指数P中X2不为0的个数。
根据主要污染物水质标识指数法判定标准(表1)，可对监测水体综合水质类别有效评价，可对水质现状进行连续性阐述，还可以便于了解监测水体的主要污染物，利于制定针对性管理规划和治理措施。
1.4 地统计分析
基于采样点综合水质评价值，利用ArcGIS9.3软件的地统计分析模块，采用克里金插值法，得到温榆河流域2010年综合水质空间分布，为探求该流域水质空间分布特征提供基础数据。
2 研究结果
2.1 温榆河综合水质
根据《地表水环境质量标准》( GB 3838-2002)，采用PP-WQI指数法对温榆河2010年4季水质监测数据进行综合评价。并计算其年均综合水质（表2）。数值取平均值，X取出现频次最多的主要污染物。研究表明，温榆河年均PP-WQI指数为8.31(TN)，水质处于劣V类，其水体主要污染物为TN，有机污染突出，57.89%的河段水质超标且黑臭。
2.2 温榆河水质空间分布特征
基于温榆河19个采样点综合水质综合评价结果，绘制温榆河流域2010年综合水质分布图（图2）。研究表明，采用PP-WQI法评价河流水质，可以表征温榆河综合水质的空间差异性。从水质类别划分来看，温榆河上、中、下游水质均属于劣V类，但PP-WQI指数能够体现其水质的空间差异，大体呈现上游水质最佳，下游次之，而中游水质最差的分布特征。
上游河段综合水质相对较好，PP-WQI指数为6.70( TN)，主要污染物为TN。上游河段不同子流域的综合水质也存在空间差异性，其中北沙河子流域水质最佳，PP-WQI指数3.23(TN)，水质类别为Ⅲ类，主要污染物为TN；南沙河子流域PP-WQI指数为8.89(TN)，水质类别为劣V类，主要污染物为TN;东沙河子流域PP-WQI指数为9.82(TN)，水质类别为劣V类，主要污染物为TN。温榆河中游水质最差，PP-WQ1I指数为10.16( TN)，水质类别为劣V类，主要污染物为TN。其中，蔺沟河子流域PP-WQI指数为10.26(TN)，水质类别为劣V类，主要污染物为TN；干流子流域PP-WQI指数为10.26 (TN)．水质类别为劣V类，主要污染物为TN。温榆河下游水质较中游略有好转，PP-WQI指数为9.85(TN)，水质类别为劣V类，主要污染物为TN。下游采样点仅在干流子流域采集水样，而清河、坝河、小中河子流域均未采样。
2.3 温榆河水质季节分布特征
研究表明，温榆河综合水质存在季节差异性(图3)。其中，63.16%河段综合水质表现为冬季最差，31.58%河段综合水质表现为春季最差，5.26%河段综合水质表现为夏季最差。相对而言，温榆河流域春、冬两季河流水质较差，夏、秋季综合水质相对较好。
不同子流域河流水质季节分布规律存在差异。上游北沙河子流域，不同河段水质季节分布规律具有异质性，其综合水质PP-WQI指数季节差异均表现为冬季>春季>夏季>秋季（表2，图3）；南沙河子流域各河段的水质季节变化规律略有不同，从子流域总体来看，其综合水质PP-WQI指数季节差异表现为春季>秋季>夏季>冬季，但不同季节之间PP-WQI指数差异很小，均值为8.89(TN)，最大值为9.80(TN)，最小值为8.37(TN)；东沙河子流域不同河段综合水质季节变化规律与南沙河子流域相似，也存在差异，对子流域而言，其综合水质PP-WQI指数季节差异表现为春季>夏季>冬季>秋季，该子流域不同季节PP-WQI指数变化差异显著，平均值为9.82 (TN)，最大值为11.79( TN)，最小值为7.31( TN)。
中游蔺沟河子流域，不同河段的水质季节分布大体相同，该子流域综合水质指数PP-WQI季节差异表现为冬季>春季>夏季>秋季，季节间PP-WQI指数变化显著，均值为10.26( TN)，最大值为13.41( TN)，最小值为7.51( TN)。温榆河干流子流域不同河段水质季节分布规律大体相同，对子流域而言，其综合水质PP-WQI指数季节差异表现为春季>冬季>夏季>秋季，季节间PP-WQI指数变化较为显著，均值为9.91(TN)，最大值为10.86( TN)，最小值为8.76( TN)。
下游温榆河干流子流域，其综合水质PP-WQI指数季节差异表现为春季>夏季>冬季>秋季，季节间PP-WQI指数变化显著，均值为9.85( TN)，最大值为11.25( TN)．最小值为8.55( TN)。
3 讨论
3.1 PP-WQI指数法优越性
为探求PP-WQI指数法在科学评价河流水质方面的优越性（尤其对于水质恶化严重的河流），本研究采用其他几种常用水质评价方法，对温榆河综合水质进行评价，并对比不同方法的评价结果。研究结果表明，单因子评价法中个别参评因子对结果影响过于突出，无法体现不同污染因子的综合作用，且其水质类别与国标一致，划分到V类，无法对劣V类水质及更加恶化的水质进行有效评价（表3）；内梅罗指数能够表征采样点具体水质状况，体现水质差异性，相较于其他方法，其评价结果过于乐观，例如南沙河子流域的S3和S4采样点，其他方法水质评价结果为V类，而内梅罗指数水质评价结果却为Ⅱ类。而且，内梅罗指数法对劣V类及劣于劣V类的水质评定仍存在标准缺失。综合污染指数法属于定性评价，水质评价结果过于简单，并且仍未解决评价劣V类及劣于劣V类水质的问题。水质标识指数法能够有效地描述劣V类水质及劣于劣V类水质，且其结果具有代数连续性，既可定量表示，也可定性描述，但其水质评价结果主要针对水功能区划分，适用范围存在局限性，且无法体现主要污染物，对科学制定河流管理措施的指导存在局限性。而本研究提出的PP-WQI指数法可以有效地对水体进行综合水质类别评定以及对水质现状进行阐述，相较于单因子法、内梅罗指数、综合污染指数法，PP-WQI指数法的优越性表现在能够连续性描述
河流综合水质，尤其是劣V类及劣于劣V类水质的连续性描述。与水质标识指数法相比，PP-WQI指数法的优越性表现在可清楚的表征评价水体的主要污染物，为管理者提供控制目标及方向。
3.2 河流水质异质性
PP-WQI指数评价结果表明，温榆河大部水质处于劣V类水质，且超标并黑臭，上、中、下游河流水质在空间和时间上均呈现异质性分布。温榆河除上游的北沙河流域水质较好外，其他河段水质状况均不容乐观。温榆河水质空间异质性表现为上游最好、中游最差。中游河段肖村桥采样点水质恶化突出，年均PP-WQI值达21.90(TN)，PP-WQI最大值达31.05( TN)，因而导致温榆河中游水质评价处于最差状态。肖村桥属蔺沟河流域，位于昌平区，其河流水质可能受该区生活污水和工业废水排放影响，蔺沟河流域是温榆河流域水质最差流域。温榆河上游汇水区内土地利用类型多为林地、草地，而中下游汇水区内的土地利用类型多为住宅用地、农业用地和道路，这可能是导致中下游水质较差，主要污染物为TN的主要原因。
本研究结果显示温榆河下游水质优于中游水质。但，本研究河流水质采样点分布，下游仅1个采样点，水质评价结果的代表性不足。后期应增加下游采样点，以期增加评价结果的代表性和科学性。另外，PP-WQI指数没有考虑使用生物指标，可能会在水质评价中有失偏颇，需要根据实际采样工作，逐步完善PP-WQI指数，例如增加底栖动物优势种等指标。
4摘 要：河流水质综合评价是水环境治理的重要基础工作，只有通过对水质监测数据的合理评价，才能制定科学的整治规划，采取有效的治理措施。对于整体水质恶化严重的河流，现有河流水质综合评价方法的评价结果存在无法显示河流水质空间差异性的缺陷，对水环境管理布局无指导作用。因此，论文提出了一种河流水质综合评价法——主要污染物水质标识指数法( Primary Pollutant-Water Quality Identity，PP-WQI)，并基于2010年春、夏、秋、冬4季的水质实地采样数据，对北京市温榆河进行r水质综合评价。研究结果表明：(l)相
较于单因子评价法、内梅罗指数法、水质标识指数法，主要污染物水质标识指数法更适合水质较差的河流水质综合评价，能够定量体现河流水质差异性；(2)温榆河综合水质空间异质性规律为上游最好(年均PP-WQI=6.70( TN))、下游次之(年均PP-WQ/=10.16( TN))、中游最差(年均PP- WQI=9.85( TN))；(3)温榆河水质年均水质处于劣V类(年均PP-WQI=8.31( TN))，其水体主要污染物为TN，有机污染突出，57.8g%的河段水质超标且黑臭；(4)季节变化特征表现为春、冬2季河流水质较差，夏、秋2季水质相对较好。论文研究结果实现了水质恶化严重河流水质的定量评价，能够为流域水环境研究、管理措施的科学制定提供基础与科学依据.
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