南阳白河流域水质评价及空间变化分析

徐金鹏; 冉志海; 刘朦; 管新建; 孟钰; Jin-peng XU; Zhi-hai RAN; Meng LIU; Xin-jian GUAN; Yu MENG

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (12) : 66-71.

水环境与水生态

南阳白河流域水质评价及空间变化分析

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Spatial Analysis and Water Quality Evaluation of Nanyang Bai River Basin

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摘要

针对传统内梅罗指数评价方法中存在的不足，利用层次分析法和熵权法主客观组合赋权的方式改进其忽略各污染指标权重对水质产生的影响，并采用修正最大污染指数计算方法削弱最大污染指标的主导作用。最后以南阳市白河为例，利用改进的内梅罗指数法对白河四个监测断面2015-2018年的水质污染指标进行评价，利用反距离权重法对水质等级进行空间变化分析。结果表明，除南阳市卧龙区丁奉店村断面水质每年均为Ⅳ类水，其余断面水质均在Ⅲ类及以上；在水质等级空间分布上无Ⅰ类及Ⅴ类水质等级区域，水质等级时间分布上Ⅲ类水面积有增加的趋势，Ⅳ类水出现的面积逐渐减小，整体水质趋于好转。研究成果能为流域水质污染的评价及排污监管提供依据和参考。

Abstract

In view of the shortcomings in the traditional Nemerow index evaluation method， the analytic hierarchy process and the entropy weight method are used to combine subjective and objective weighting methods to improve the ignorance of the impact of the weight of each pollution index on water quality， and the method of calculating the revised maximum pollution index weakens the leading role of the largest pollution index. Finally， taking Bai River in Nanyang City as an example， the improved Nemerow Index method is used to evaluate the water quality pollution indicators of the four monitoring sections of Bai River from 2015 to 2018， the inverse distance weight method is used to analyze the spatial changes of water quality grades. The results show that the water quality of Dingfengdian Village， Wolong District， Nanyang City is Grade IV every year， and the water quality of the remaining sections are all Grade III or above. There are no Class I and Class V water quality areas in the spatial distribution of grades； in the temporal distribution of water quality grades， the area of Grade III water tends to increase， and the area where Grade IV water appears gradually decreases， and the overall water quality tends to get better. The results serve as a reference for the evaluation of water pollution and pollution discharge supervision in the basin.

关键词

改进的内梅罗指数法 / 组合赋权 / 水质评价 / 反距离权重法

Key words

improved Nemerow index method / combination weighting / water quality evaluation / inverse distance weight method

基金

国家自然科学基金面上项目(51879241)

国家自然科学基金青年项目(51809239)

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徐金鹏 , 冉志海 , 刘朦 , 管新建 , 孟钰. 南阳白河流域水质评价及空间变化分析[J].中国农村水利水电, 2021(12): 66-71

Jin-peng XU , Zhi-hai RAN , Meng LIU , Xin-jian GUAN , Yu MENG. Spatial Analysis and Water Quality Evaluation of Nanyang Bai River Basin[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(12): 66-71

0 引言

近年来，随着经济发展与人类活动影响，水体污染、水生态恶化等问题已经成为制约我国经济发展的重要因素。为实时掌握水体水质状况，从保护和控制水质角度出发，实施水质评价是对水体质量有效评估的重要手段^［1］。因此需要探讨能够定量、定性的表达水体水质，公平公正的水质评价方法。由于河流的空间异质性，水质评价主要根据监测断面各污染物浓度实测值，选取恰当的方法进行综合评价，旨在使得评价结果真实、合理地反映水体水质^［2］。客观合理的评价对于掌握水质变化状况和趋势、确定影响水质变化的关键因素及污染源、保护水资源的合理开发利用起着举足轻重的作用^［3］。

目前水质评价在污染控制和资源管理中发挥着至关重要的作用。随着欧盟2000年颁布的《水框架指令》从流域尺度给出实施污染物综合管理的措施，水质评估在河流中越来越重要^［4-6］。选择合适的评价方法是客观、合理地评价水质状况的前提。常用的方法有其优缺点，如灰色聚类法^［7］在选择评价函数时有较强的人为主观性，但操作简单；人工神经网络^［8］考虑了各指标间关联度，评价指标选取全面，评价结果较为合理，但是操作性较难且对数据要求极高；模糊数学评价法^［9，10］将影响因素定量化，其关键在于污染物权重的确定，但忽略了各指标间的相互联系。内梅罗指数法也是学者常用的评价方法之一，其操作简单明了，但突出了最大污染指数对水质的影响，易造成夸大某些污染物对水质的影响，同时对各污染指标权重因素考虑不足^［11-13］。因此，本文对传统内梅罗指数法进行改进，利用层次分析法和熵权法确定各污染物的组合权重，充分考虑各污染物对水质的影响，采用修正最大污染指数计算方法削弱污染指数最大值的主导作用，并以南阳市白河为研究对象，利用此改进方法对其4个监测断面2015-2018年水质污染指标进行评价，根据断面监测点水质等级利用反距离权重法对水质等级进行空间插值，得到白河流域的水质等级空间分布，从而进行时空变化分析，将点面分析相结合，旨在使得评价结果合理反映白河实际水质状况。

1 改进的内梅罗指数法及空间插值法

1.1 传统的内梅罗指数法

传统内梅罗指数法是通过污染因子的实测值

C_{i}

与对应的指标标准

S_{i}

来确定单因子污染指数

F_{i}

，进而求解内梅罗指数P ^［14］。计算公式如下：

F_{i} = \frac{C_{i}}{S_{i}}

（1）

P = \sqrt[]{\frac{{(m a x F_{i})}^{2} + {\bar{F}}_{i}^{2}}{2}}

（2）

式中：

m a x F_{i}

为传统最大污染指数；

{\bar{F}}_{i}^{}

为平均污染指数。

1.2 改进的内梅罗指数法

传统的内梅罗指数主要根据最大污染指数和指标平均值进行求解，忽略了各指标权重对水质影响，故利用层次分析法和熵权法确定各污染物的组合权重，充分考虑各污染物对水质的影响，以弥补权重引起的不足，提高水质评价的准确性；并改善最大污染指数计算方法，引入权重最大污染指数及平均污染指数来削弱污染指数最大值的主导作用，由此对传统内梅罗进行改进。

1.2.1 改进内梅罗指数确定方法

为削弱污染指数最大值的主导作用，引入最大权重污染指数

m a x F_{ω}

、加权平均污染指数

{\bar{F}}_{i}^{'}

来修正最大污染指数的计算，采用加权平均法确定平均污染指数：

\begin{matrix} P^{'} = \sqrt[]{\frac{{(\frac{m a x F_{i} + m a x F_{ω} + {\bar{F}}_{i}^{'}}{3})}^{2} + {(\sum_{i = 1}^{n} ω_{i} \frac{C_{i}}{S_{i}})}^{2}}{2}} \end{matrix}

（3）

式中：

P'

为修正的内梅罗指数，

ω_{i}

为组合权重，组合权重采用主客观组合赋权确定，主观权重

w_{(A H P) i}

采用层次分析法、客观权重

w_{(E) i}

采用熵权法，根据最小相对信息熵原理，用拉格朗日乘子法优化进行组合权重计算，如下：

w_{i} = \sqrt[]{w_{(A H P) i} \cdot w_{(E) i}} / (\sum_{i = 1}^{n} \sqrt[]{w_{(A H P) i} \cdot w_{(E) i}}) (i = 1 ~ n)

（4）

1.2.2 组合赋权的权重确定方法

（1）层次分析法。层次分析法是将某一目标拆解为多层次多指标，分析同一层次各指标两两元素之间的重要性，从而将指标定性表达得出各层次的排序，进而求得目标层的权重值^［15］。本研究将目标层定义为水质评价指标权重，将基准层定义为水质类别Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类，将方案层定义为水质污染指标。

首先构建判断矩阵。两两比较同一层次的各指标的重要性结合标度表，得到判断矩阵 A ：

A = [\begin{matrix} a_{11} & \dots & a_{n 1} \\ ⋮ & ⋮ \\ a_{n 1} & \dots & a_{n n} \end{matrix}]

（5）

根据式（6）计算各指标的权重值

w_{(A H P) i}

：

w_{(A H P) i} = \sum_{i = 1}^{n} (a_{i j} / \sum_{i = 1}^{n} a_{i j}) / n (i, j = 1 ~ n)

（6）

然后按式（7）~（9）进行一致性检验：

计算最大特征检验数

λ_{m a x}

：

λ_{m a x} = \frac{1}{n} \sum_{j = 1}^{n} (\sum_{i = 1}^{n} a_{i j} w_{(A H P) i} / w_{(A H P) i})

（7）

计算CI值：

C I = (λ_{m a x} - n) / (n - 1)

（8）

计算CR：

C R = C I / R I

（9）

式中：CR一致性比例；为RI取值查阅层次阶数表可得，

C R < 0.1

即通过一致性检验。

（2）熵权法。熵权法能将多个指标转换为一个综合指数，处理了指标不统一标准的问题，是一种克服了评价指标受人为主观性影响的客观方法，能比较客观反映各指标对评价目标的贡献程度^［16］。

首先计算相对隶属度矩阵。m个评估对象，n个评估所组成的相对隶属度矩阵

R = {(r_{i j})}_{m \times n}

（i=1～m，j=1～n）是根据式（10）~（11）进行标准化处理得到的：

越大越优型指标：

\begin{matrix} r_{i j} = (x_{i j} - x_{m i n}) / (x_{m a x} - x_{m i n}) \end{matrix}

（10）

越小越优型指标：

\begin{matrix} r_{i j} = (x_{m a x} - x_{i j}) / (x_{m a x} - x_{m i n}) \end{matrix}

（11）

其次计算各指标的比重

f_{i j}

及熵值

H_{i}

。根据式（12）~（13）确定评价指标的熵值，计算如下：

\begin{matrix} f_{i j} = (1 + r_{i j}) / \sum_{i = 1}^{m} (1 + r_{i j}) \end{matrix}

（12）

\begin{matrix} H_{i} = - \sum_{i = 1}^{m} (f_{i j} l n f_{i j}) / l n m, (i = 1 ~ m, j = 1 ~ n) \end{matrix}

（13）

计算各项指标权重

w_{(E) i}

：

w_{(E) i} = (1 - H_{i}) / \sum_{i = 1}^{n} (1 - H_{i})

（14）

式中：

0 ⩽ w_{(E) i} ⩽ 1, \sum_{i = 1}^{n} w_{(E) i} = 1

。

1.3 反距离权重法

反距离权重法是依据空间异质性和空间相关性从而进行加权平均内插的空间插值法，主要利用观测点与插值点之间的距离得出空间分布特征，该法认为距离观测点越近影响越大，是反距离插值的^［18］。该法体现了空间变化特征，所以常用于生态环境治理及灾害管理中。

由于河流的空间异质性，各区域水质受上下游位置、地形分布等影响。本研究将改进内梅罗指数法的水质等级标准作为依据，并根据改进方法评价后的各监测断面的水质等级，利用ArcGIS中的反距离权重法对监测断面进行插值，从而得到整个流域的水质等级空间分布，对流域空间分布进行可视化分析。

2 研究区概况及数据来源

2.1 研究区概况

白河流域干流在南阳市内主要流经南召县、南阳市区和新野县（32°05′~33°55′N，111°15′~113°55′E），总面积1.22 万km²。水资源总量51.93 亿m³，多年平均降雨量达到826.7 mm，水资源丰富、水系发达（见图2）。然而，由于近年来的采砂行为，阻碍了河流水系的流通性，且南阳市城镇化和工业化进程的加快，导致大量污水排入白河，河水中污染物（COD、NH₃-N、TP、BOD₅）浓度含量剧增，导致白河水体受到严重污染，鱼类生存环境差。且河道内外的部门之间竞争性用水加剧，导致河道内生态水量被不断挤占与压缩，从而导致河道内水生态系统退化甚至破坏。随着南阳工农业生产的发展、城市生活及改善生态环境的需要，有限的水资源满足不了用水需求，供需矛盾日趋突出，水环境状况日益恶化。为掌握白河水质状况，亟须对白河水质进行评价。

图1 白河流域概况图

Fig.1 Location of the Bai River basin

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图2 传统与改进内梅罗指数评价结果对比图

Fig.2 Comparison of traditional and improved Nemerow index evaluation results

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2.2 数据来源

本次评价以南阳白河2015-2018年的鸭河口水库、南阳市卧龙区丁奉店村、瓦店、新甸铺水文站4个监测断面为对象（见图1中的1、2、3、4标号），选取溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（COD_Mn）、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD₅）、氨氮（NH₃-N）、总磷（TP）6个污染指标进行水质评价分析。相关数据来源于《南阳水文水资源勘测局》，见表1。

表1 2015-2018年各断面水质监测数据 (mg/L)

Tab.1 Water quality monitoring data of each section from 2015 to 2018

年份	监测断面	DO	COD_Mn	COD	BOD₅	NH₃-N	TP
2015	鸭河口水库	9.30	2.28	4.93	0.78	0.11	0.02
	南阳市卧龙区丁奉店村	4.92	7.59	38.91	10.52	6.71	1.42
	瓦店	8.68	4.07	15.78	2.96	1.06	0.13
	新甸铺水文站	8.63	3.90	11.63	2.40	0.68	0.14
2016	鸭河口水库	9.01	2.73	5.28	0.79	0.13	0.01
	南阳市卧龙区丁奉店村	5.91	6.05	33.22	6.73	5.33	1.40
	瓦店	8.31	3.47	14.36	1.48	0.50	0.09
	新甸铺水文站	8.34	3.38	14.77	2.45	0.68	0.09
2017	鸭河口水库	8.32	1.90	7.79	0.73	0.18	0.02
	南阳市卧龙区丁奉店村	6.12	6.03	35.53	6.79	4.83	0.78
	瓦店	8.83	4.71	19.56	2.51	0.45	0.08
	新甸铺水文站	8.78	4.13	20.56	3.12	0.59	0.13
2018	鸭河口水库	8.86	2.40	10.84	1.20	0.13	0.01
	南阳市卧龙区丁奉店村	7.22	5.17	34.01	5.81	4.71	0.36
	瓦店	8.38	4.68	24.86	4.54	1.48	0.16
	新甸铺水文站	8.88	3.74	21.58	3.58	0.37	0.10

注：数据根据4个断面实测数据计算年平均值所得。

3 结果与分析

3.1 组合赋权的权重

采用层次分析法与熵权法，计算各指标的主观权重与客观权重，并根据式（4）~（14）得到组合权重值，结果如表2所示。根据主观权重和组合权重结果，NH₃-N和COD两个指标权重值最大，而NH₃-N和COD的主要来源是生活污染和工业废水的排放，表明城镇化率增大和工业发展在一定程度上加剧了水体恶化，工业排污标准及保护水质意识有待提升；而在客观权重及组合权重结果中，DO指标权重值最小，溶解氧是各种水生生物呼吸代谢的基础，其高低直接反映了生物的生存繁衍和水体的自净作用，对维护水体天然环境至关重要。

表2 各指标主客观权重

Tab.2 Subjective and objective weight of each indicator

指标	主观权重 $w_{(A H P) j}$	客观权重 $w_{(E) j}$	组合权重w_j
DO	0.16	0.03	0.07
COD_Mn	0.15	0.19	0.17
COD	0.19	0.20	0.20
BOD₅	0.11	0.20	0.15
NH₃-N	0.24	0.19	0.22
TP	0.15	0.18	0.17

3.2 基于传统-改进内梅罗指数法的断面水质评价

本次水质计算指标选取Ⅱ类为水质标准，根据式（3）~（4），对各污染指标进行Ⅱ类水质标准的改进内梅罗指数水质级别划分^［17］（见表3），并计算各断面逐年改进内梅罗指数，并对照水质等级划分表进行水质级别评判，同时与传统内梅罗指数法进行对比分析，结果如表4和图2所示。

表3 改进内梅罗指数水质等级划分表

Tab.3 Improved Nemerow index water quality grading table

等级	Ⅰ类	Ⅱ类	Ⅲ类	Ⅳ类	Ⅴ类
指数	P _标准＜0.55	0.55≤P _标准＜0.69	0.69≤P _标准＜1.00	1.00≤P _标准＜3.53	3.53≤P _标准

表4 各断面两种评价方法评价结果

Tab.4 Evaluation results of two evaluation methods for each section

年份	监测断面	改进内梅罗指数						传统内梅罗指数
年份	监测断面	$m a x F_{i}$	${\bar{F}}_{i}^{'}$	$m a x F_{ω}$	$m a x F_{i}^{'}$	$P^{'}$	水质类别	水质类别
2015	鸭河口水库	1.24	0.65	0.17	0.68	0.67	Ⅱ类	Ⅳ类
	南阳市卧龙区丁奉店村	3.54	1.89	0.74	2.06	1.98	Ⅳ类	Ⅳ类
	瓦店	1.16	0.82	0.16	0.71	0.77	Ⅲ类	Ⅳ类
	新甸铺水文站	1.15	0.79	0.15	0.70	0.74	Ⅲ类	Ⅳ类
2016	鸭河口水库	1.20	0.58	0.20	0.66	0.62	Ⅱ类	Ⅲ类
	南阳市卧龙区丁奉店村	3.50	1.62	0.59	1.90	1.77	Ⅳ类	Ⅳ类
	瓦店	1.11	0.87	0.22	0.73	0.80	Ⅲ类	Ⅳ类
	新甸铺水文站	1.11	0.85	0.15	0.70	0.78	Ⅲ类	Ⅳ类
2017	鸭河口水库	1.11	0.59	0.08	0.59	0.59	Ⅱ类	Ⅲ类
	南阳市卧龙区丁奉店村	2.42	1.30	0.53	1.42	1.36	Ⅳ类	Ⅳ类
	瓦店	1.18	0.87	0.20	0.75	0.81	Ⅲ类	Ⅳ类
	新甸铺水文站	1.17	0.69	0.13	0.66	0.68	Ⅱ类	Ⅲ类
2018	鸭河口水库	1.18	0.67	0.19	0.68	0.68	Ⅱ类	Ⅲ类
	南阳市卧龙区丁奉店村	2.36	1.20	0.52	1.36	1.28	Ⅳ类	Ⅳ类
	瓦店	1.12	0.84	0.22	0.73	0.79	Ⅲ类	Ⅳ类
	新甸铺水文站	1.18	0.85	0.16	0.73	0.79	Ⅲ类	Ⅳ类

根据图2可知，从时间维度看：除南阳市卧龙区丁奉店村断面指数变化较大（越来越小），其余每年各断面水质指数变化幅度不大；从空间维度看：内梅罗指数在南阳市卧龙区丁奉店村断面最大（每年水质均为Ⅳ类水）。分析原因，一方面是因为南阳市卧龙区丁奉店村断面位于南阳市区，市区是经济发展快速的区域，与经济发展相并而来的是污染物排放量的逐渐增加，经过市区水质受到不同程度的污染，使得南阳市卧龙区丁奉店村断面内梅罗指数最大；另一方面是因为南阳市区实施有效的限制排污措施，使得水质有所转化，所以南阳市卧龙区丁奉店村断面的内梅罗指数越来越小，但是该断面每年的水质均为Ⅳ类水，还需进一步加强排污监管。

从传统与改进评价方法对比来看：传统指数高于改进的内梅罗指数法。这是因为传统内梅罗指数法依赖于浓度含量最高的污染物，往往忽略其他污染物对水体水质的影响，易造成评价结果偏差；从改进的内梅罗指数评价结果来看，除南阳市卧龙区丁奉店村断面水质每年均为Ⅳ类水，其余断面的水质均在Ⅲ类及以上，改进的内梅罗指数法采用主客观赋权的方法，避免了主观赋权对污染严重指标的赋权过大，同时克服了客观赋权造成的权重平均化，因此评价更为合理。

3.3 基于空间插值的白河流域水质空间变化分析

根据改进内梅罗指数水质等级划分表（表3）及各个断面点计算得到的修正内梅罗指数，结合ArcGIS10.2软件中的空间分析-插值分析-反距离权重法，得到流域内各水质等级空间分布图，见图3。

图3 白河流域2015-2018年水质等级空间分布图

Fig.3 Spatial distribution of water quality grades in Bai River basin from 2015 to 2018

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在流域水质等级空间分布上：从图3可以看出，白河流域无较优（Ⅰ类）及较差（Ⅴ类）水质等级区域。鸭河口水库小范围之内（2016年及2017年范围较大）区域水质最佳，达到Ⅱ类水质标准；流域上游及下游区域（2015年及2016年为部分区域）水质属于Ⅲ类水质标准；在上游流入南阳市区及其市区流经的区域（2017年及2018年仅仅为南阳市区部分区域），水质最差，达到Ⅳ类水质标准。整个流域水质等级空间差异性较大。这与流域内人口与经济分布相对应，随着南阳城镇化的发展，越靠近市中心区域，人口越密集，工业区密集。COD及BOD₅主要污染源是生活污水和工业废水的排放，这就使得南阳市中心区域水质最差。且白河为南阳母亲河，为保护白河水质，2015年南召县人民政府发布《关于建立鸭河口水库水生态环境保护长效机制的实施意见》文件，提出对鸭河口水库水生态保护若干意见及责权，使得鸭河口区域水质较好。

在流域水质等级时间分布上：Ⅱ类水只出现在鸭河口水库附近区域（2017年除外），且出现的面积2017年最大，2016年次之，2015年及2018年较小。Ⅲ类水面积有增加的趋势，Ⅳ类水出现的面积逐渐减小，整体水质趋于好转。南阳市环保局2012年印发执行《唐白河流域水污染综合整治实施方法》，针对唐白河出现的水污染进行治理，白河是其中的重要实施区域，引发对水质污染治理的重视。随后2015年的《关于建立白河水生态环境保护长效机制的意见》及省常委2017年颁布的《南阳市白河水系水环境保护条例》等相关文件出台，使得南阳白河流域水质有好转的趋势，可见政策的支持与推行对水环境保护有显著作用，能有效调动各用水主体保护生态环境的积极性，促进经济与生态环境协调发展。

4 结语

本文采用改进内梅罗指数法对南阳市白河4个监测断面2015-2018年的水质污染指标进行评价，并根据各监测断面点的水质等级结合反距离权重空间插值法，得到整个流域水质等级空间分布，主要得出以下结论。

（1）改进的内梅罗指数法采用主客观赋权的方法，充分考虑各污染物含量对水体的影响程度，同时对修正最大污染指数的计算引入权重最大污染指数和加权平均污染指数，以削弱最大值的影响；与传统内梅罗指数法相比克服了权重及突出极大值的影响，使得评价结果更为准确、合理。

（2）由改进的内梅罗指数水质评价结果表明，南阳市卧龙区丁奉店村断面水质每年均为Ⅳ类水，但有逐年下降的趋势，表明污染得到了一定的控制，其余断面的水质均在Ⅲ类及以上。评价结果与断面实际监测数据情况相符，该方法较为合理，具有一定的操作性。

（3）根据ArcGIS空间插值法-反距离权重插值法可以较为全面反映整个流域水质等级空间分布情况，使得水质等级空间分布更加可视化，将点（监测断面点）面（整个流域）分析相结合，使得分析更加全面合理。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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收稿日期	出版日期
2021-03-04	2021-12-15
发布日期
2022-01-15

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