1.4　黑臭水体评价指标

当前国内外在水体黑臭评价中常用COD_Cr、DO、NH₃⁃N、Fe、Mn等,在黑臭水体中N和P的浓度同正常水体的浓度高3~10倍。城市黑臭水根据其黑臭程度不同,分为轻度黑臭和重度黑臭两级。在我国,城市的黑臭水体检测指标包括氧化还原电位(ORP)、透明度、氨氮(NH₃⁃N)和溶解氧(DO)。在这四项指标中,其中任意一项不符合其要求,则该水体被定义为黑臭水体。上海自来水公司对黄浦江的黑臭多年研究与总结,综合氨氮与溶解氧饱和百分率之间的相互关系,提出了黑臭指数概念,当指数≥5,即为黑臭水体。

1.4.1　黑臭评价指标与确定方法

在城市黑臭水体评价指标研究中,主要包括了物理指标和化学指标两种。在物理指标方面,方宇翘等从物理表观角度,基于人的感官体验,提出将水体划分为黄(灰)绿无臭、灰褐微臭、黑臭、深黑恶臭4个等级,指出臭味感觉级别以距离划分,微臭为贴近水面有感觉,黑臭为站在河旁有感觉,恶臭为距离河流1m以外有感觉。但由于人的视觉和嗅觉受主观影响较大,此种表观划分方法并没有形成统一标准,如何准确运用人的感觉表述黑臭水体是未来实践工作中亟需开展的工作。

在化学指标方面,单一指标,国内学者普遍以溶解氧(DO)指标作为界定水体是否黑臭的基本标准。认为水体中当DO<2.0mg·L^-1时,表示出现黑臭。另外部分学者通过测定直接表征水体黑臭程度的色度(CH)、黑度(BI)以及臭阈值等指标,用以表征黑臭水体的程度。戴树桂等通过模式试验得出CH=21.5可作为水体黑臭与否的临界指标。有学者通过论证氧化还原电位(ORP)与部分黑臭因子DO、S^2-、pH、之间具有较好的相关性,通过现场快速监测ORP评价水体黑臭状况,当ORP>-50mg·L^-1时,水体不黑臭,ORP<-100mg·L^-1时,水体出现黑臭,ORP<-200mg·L^-1,水体处于严重黑臭状态。依靠单一临界指标判断水体黑臭在实际应用中具有简单、快捷等优点,但有时候往往无法准确描述现状,且不同的研究者对同一指标参考的临界值也不尽相同,从整体上看,单一指标法可靠性相对较低。

综合化学指标方面,主要建立了以DO、BOD₅、COD_Cr、⁃N、总磷(TP)等为常规指标的表征方法,设置各项指标浓度阈值,通过各指标对比表征黑臭水体。胡国臣等利用自配水样研究提出水体黑臭与不黑臭的临界指标为:CH=21.5、DO=1.8mg·L^-1、BOD₅=14mg·L^-1;产生H₂S细菌数N=2000个·L^-1。程江等提出适合中小河道水体预测和评价黑臭的关键指标为:DO≤2mg·L^-1、COD_Cr≥15mg·L^-1、BOD₅≥14mg·L^-1、⁃N≥8mg·L^-1、TP≥0.8mg·L^-1。吕佳佳等通过自制典型黑臭水,从水质参数与环境条件两方面分析黑臭水体形成的阈值条件:总有机碳≥150mg·L^-1,总氮≥50mg·L^-1,Fe²⁺≥0.2mg·L^-1,温度≥25℃,水深≥0.9m及厌氧条件时,高污染水体发生黑臭。综合化学临界指标法在实际应用中与单一法类似,均较为快捷,但往往全部指标都符合临界值要求时,仍无法准确得出研究水体是否黑臭,可靠性并不高。

1.4.2　黑臭指数(I)法

黑臭指数(I)是通过构建综合指标全面评价水体黑臭程度。常用的有3种:①黑臭单因子污染指数(I),最早由上海自来水公司提出,主要用于评价黄浦江水系河道黑臭情况;②有机污染指数(A),该指数综合考虑了BOD₅、COD_Cr、⁃N和DO 4种因素对黑臭的影响;③黑臭多因子加权指数(W),是通过实地调研、观测试验,研究各种影响因素与水体黑臭的相关性。上述方法的目的皆是建立影响水体黑臭的主要环境因素和黑臭状况关键指标之间的关系方程,目前国内已建立了多项用于黑臭评价的判别关系式,并不断应用于实践中。

由于不同学者针对的是不同地区的不同河流,应用的黑臭水体判别式各异,选择的关键指标也不尽相同,从而使黑臭指数的判别标准也有较大差异。李鹏章通过实际采样,对文献中的判别式的可靠性进行了验证,通过判别式计算结果对比,发现不同的判别式对同一水体黑臭情况判定结果不一样,且最高判定正确率只有20%。

1.4.3　多元非线性回归模型

有学者认为,用于黑臭水体评价的指标与各水质指标之间的关系是复杂的,不能用简单的线性关系进行指示,因此需要建立评价指标与各项水质指标之间的非线性关系。与多元线性回归模型类似,多元非线性回归模型在建立过程中同样需要检测大量水质指标,并分析各水质指标与水体黑臭程度的相关性,随后选取相关性高的水质指标建立模型。Canfield等在对佛罗里达州的165个湖泊的水色研究中,通过实时监测多项物理、化学和生物指标,并分析各指标与水体黑臭之间的相关性,最终选取叶绿素a(Chla)、TP、总氮(TN)与CH建立多元非线性回归方程为:

lgCH=6.19lgTN+2.5lgTP-6.25lgChla-13.3R²=0.78(1⁃1)

其研究结果表明,湖泊水色与透明度呈负相关关系,与水体中Fe的浓度呈正相关,水体颜色与pH值、总碱度、营养物质、叶绿素a以及其他生物参数相关性并不高。

乔司脒是引起水体黑臭的主要物质之一,通过预测其含量也是评价水体黑臭的重要方法。国外一些学者通过对水体浊度、透明度、电导率的监测及测定水体COD_Cr、DO、TP、Chla、藻类总量和乔司脒等浓度,建立多元非线性回归模型预测研究水体中乔司脒的含量来达到评价水体黑臭的目的。

多元非线性回归模型在建立过程中考虑了多个水质指标,在评价模型建立过程中监测了pH、水温、DO、⁃N、TN、TP、⁃P、温度、Chla、蓝细菌总生物量、藻类总生物量和浊度等大量水质参数并进行了筛选,能够较全面、准确地预测水体的黑臭状况。但是由于涉及的参数太多,监测过程也比较复杂。目前国内使用非线性回归模型多用来评价湖泊、水库,对河道黑臭的研究鲜有报道,却是一种值得借鉴的河道黑臭评价方法。

1.4.4　综合评价法

目前用于黑臭水体评价的综合评价法主要包括模糊数学评价法、灰色系统评价法和人工神经网络评价法。模糊数学评价和灰色系统评价法属于矩阵运算分析法,是基于矩阵运算形成的分析方法。张晶尧等在研究丹河晋城河段水体黑臭问题时,考虑河流致黑致臭成因的模糊性和不确定性,以及干旱地区河流黑臭成因的复杂性,应用商权赋权法确定各个评价指标的权重,对不同水期,考虑BOD₅、COD_Cr、⁃N、Mn、DO、CH、Fe、P等指标,建立了熵权的物元可拓模型。该方法根据水质监测数据引用信息熵反映数据本身的效用值,合理确定各个指标对河流黑臭污染的贡献率,避免了人为或者主观因素造成的权重赋予失衡,用来准确评价干旱地区河流黑臭情况。

误差反向传播神经网络(BP网络)是水质评价中最典型的人工神经网络评价方法。该方法通过反复的正馈和反馈,对BP神经网络进行训练,使之得出与样本预期输出相符合的结果,进而应用BP网络进行水质评价。目前该方法在国内外已经有了一些研究。Sugiura等利用人工神经网络技术(artificial neural network,ANN),建立了12项水质指标预测水体臭味,并与多元线性回归法(MLR)进行对比,结果表明,由于水体黑臭与水环境指标之间的非线性关系,ANN比MLR更适合对水体黑臭进行评价与预测。徐明德等考虑河流黑臭评价属于多因素非线性评价,具有模糊现象,通过采用BP神经网络⁃隶属度函数建立河流黑臭评价模型,解决了多致黑因子间的复杂作用关系,以网络输出收敛于两等级间的模糊隶属问题,实现了对河流黑臭的评价。基于矩阵运算评价和人工神经网络评价等的黑臭水体综合评价方法具有较高的科学性,能够模拟人类思维方式,通过直观推理进行水质评价,在对干旱地区河流黑臭水体评价中具有一定的优势。