1.4　黑臭水體評價指標

當前國內(nèi)外在水體黑臭評價中常用COD_Cr、DO、NH₃?N、Fe、Mn等,在黑臭水體中N和P的濃度同正常水體的濃度高3~10倍。城市黑臭水根據(jù)其黑臭程度不同,分為輕度黑臭和重度黑臭兩級。在我國,城市的黑臭水體檢測指標包括氧化還原電位(ORP)、透明度、氨氮(NH₃?N)和溶解氧(DO)。在這四項指標中,其中任意一項不符合其要求,則該水體被定義為黑臭水體。上海自來水公司對黃浦江的黑臭多年研究與總結,綜合氨氮與溶解氧飽和百分率之間的相互關系,提出了黑臭指數(shù)概念,當指數(shù)≥5,即為黑臭水體。

1.4.1　黑臭評價指標與確定方法

在城市黑臭水體評價指標研究中,主要包括了物理指標和化學指標兩種。在物理指標方面,方宇翹等從物理表觀角度,基于人的感官體驗,提出將水體劃分為黃(灰)綠無臭、灰褐微臭、黑臭、深黑惡臭4個等級,指出臭味感覺級別以距離劃分,微臭為貼近水面有感覺,黑臭為站在河旁有感覺,惡臭為距離河流1m以外有感覺。但由于人的視覺和嗅覺受主觀影響較大,此種表觀劃分方法并沒有形成統(tǒng)一標準,如何準確運用人的感覺表述黑臭水體是未來實踐工作中亟需開展的工作。

在化學指標方面,單一指標,國內(nèi)學者普遍以溶解氧(DO)指標作為界定水體是否黑臭的基本標準。認為水體中當DO<2.0mg·L^-1時,表示出現(xiàn)黑臭。另外部分學者通過測定直接表征水體黑臭程度的色度(CH)、黑度(BI)以及臭閾值等指標,用以表征黑臭水體的程度。戴樹桂等通過模式試驗得出CH=21.5可作為水體黑臭與否的臨界指標。有學者通過論證氧化還原電位(ORP)與部分黑臭因子DO、S^2-、pH、之間具有較好的相關性,通過現(xiàn)場快速監(jiān)測ORP評價水體黑臭狀況,當ORP>-50mg·L^-1時,水體不黑臭,ORP<-100mg·L^-1時,水體出現(xiàn)黑臭,ORP<-200mg·L^-1,水體處于嚴重黑臭狀態(tài)。依靠單一臨界指標判斷水體黑臭在實際應用中具有簡單、快捷等優(yōu)點,但有時候往往無法準確描述現(xiàn)狀,且不同的研究者對同一指標參考的臨界值也不盡相同,從整體上看,單一指標法可靠性相對較低。

綜合化學指標方面,主要建立了以DO、BOD₅、COD_Cr、?N、總磷(TP)等為常規(guī)指標的表征方法,設置各項指標濃度閾值,通過各指標對比表征黑臭水體。胡國臣等利用自配水樣研究提出水體黑臭與不黑臭的臨界指標為:CH=21.5、DO=1.8mg·L^-1、BOD₅=14mg·L^-1;產(chǎn)生H₂S細菌數(shù)N=2000個·L^-1。程江等提出適合中小河道水體預測和評價黑臭的關鍵指標為:DO≤2mg·L^-1、COD_Cr≥15mg·L^-1、BOD₅≥14mg·L^-1、?N≥8mg·L^-1、TP≥0.8mg·L^-1。呂佳佳等通過自制典型黑臭水,從水質(zhì)參數(shù)與環(huán)境條件兩方面分析黑臭水體形成的閾值條件:總有機碳≥150mg·L^-1,總氮≥50mg·L^-1,Fe²⁺≥0.2mg·L^-1,溫度≥25℃,水深≥0.9m及厭氧條件時,高污染水體發(fā)生黑臭。綜合化學臨界指標法在實際應用中與單一法類似,均較為快捷,但往往全部指標都符合臨界值要求時,仍無法準確得出研究水體是否黑臭,可靠性并不高。

1.4.2　黑臭指數(shù)(I)法

黑臭指數(shù)(I)是通過構建綜合指標全面評價水體黑臭程度。常用的有3種:①黑臭單因子污染指數(shù)(I),最早由上海自來水公司提出,主要用于評價黃浦江水系河道黑臭情況;②有機污染指數(shù)(A),該指數(shù)綜合考慮了BOD₅、COD_Cr、?N和DO 4種因素對黑臭的影響;③黑臭多因子加權指數(shù)(W),是通過實地調(diào)研、觀測試驗,研究各種影響因素與水體黑臭的相關性。上述方法的目的皆是建立影響水體黑臭的主要環(huán)境因素和黑臭狀況關鍵指標之間的關系方程,目前國內(nèi)已建立了多項用于黑臭評價的判別關系式,并不斷應用于實踐中。

由于不同學者針對的是不同地區(qū)的不同河流,應用的黑臭水體判別式各異,選擇的關鍵指標也不盡相同,從而使黑臭指數(shù)的判別標準也有較大差異。李鵬章通過實際采樣,對文獻中的判別式的可靠性進行了驗證,通過判別式計算結果對比,發(fā)現(xiàn)不同的判別式對同一水體黑臭情況判定結果不一樣,且最高判定正確率只有20%。

1.4.3　多元非線性回歸模型

有學者認為,用于黑臭水體評價的指標與各水質(zhì)指標之間的關系是復雜的,不能用簡單的線性關系進行指示,因此需要建立評價指標與各項水質(zhì)指標之間的非線性關系。與多元線性回歸模型類似,多元非線性回歸模型在建立過程中同樣需要檢測大量水質(zhì)指標,并分析各水質(zhì)指標與水體黑臭程度的相關性,隨后選取相關性高的水質(zhì)指標建立模型。Canfield等在對佛羅里達州的165個湖泊的水色研究中,通過實時監(jiān)測多項物理、化學和生物指標,并分析各指標與水體黑臭之間的相關性,最終選取葉綠素a(Chla)、TP、總氮(TN)與CH建立多元非線性回歸方程為:

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

其研究結果表明,湖泊水色與透明度呈負相關關系,與水體中Fe的濃度呈正相關,水體顏色與pH值、總堿度、營養(yǎng)物質(zhì)、葉綠素a以及其他生物參數(shù)相關性并不高。

喬司脒是引起水體黑臭的主要物質(zhì)之一,通過預測其含量也是評價水體黑臭的重要方法。國外一些學者通過對水體濁度、透明度、電導率的監(jiān)測及測定水體COD_Cr、DO、TP、Chla、藻類總量和喬司脒等濃度,建立多元非線性回歸模型預測研究水體中喬司脒的含量來達到評價水體黑臭的目的。

多元非線性回歸模型在建立過程中考慮了多個水質(zhì)指標,在評價模型建立過程中監(jiān)測了pH、水溫、DO、?N、TN、TP、?P、溫度、Chla、藍細菌總生物量、藻類總生物量和濁度等大量水質(zhì)參數(shù)并進行了篩選,能夠較全面、準確地預測水體的黑臭狀況。但是由于涉及的參數(shù)太多,監(jiān)測過程也比較復雜。目前國內(nèi)使用非線性回歸模型多用來評價湖泊、水庫,對河道黑臭的研究鮮有報道,卻是一種值得借鑒的河道黑臭評價方法。

1.4.4　綜合評價法

目前用于黑臭水體評價的綜合評價法主要包括模糊數(shù)學評價法、灰色系統(tǒng)評價法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡評價法。模糊數(shù)學評價和灰色系統(tǒng)評價法屬于矩陣運算分析法,是基于矩陣運算形成的分析方法。張晶堯等在研究丹河晉城河段水體黑臭問題時,考慮河流致黑致臭成因的模糊性和不確定性,以及干旱地區(qū)河流黑臭成因的復雜性,應用商權賦權法確定各個評價指標的權重,對不同水期,考慮BOD₅、COD_Cr、?N、Mn、DO、CH、Fe、P等指標,建立了熵權的物元可拓模型。該方法根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)引用信息熵反映數(shù)據(jù)本身的效用值,合理確定各個指標對河流黑臭污染的貢獻率,避免了人為或者主觀因素造成的權重賦予失衡,用來準確評價干旱地區(qū)河流黑臭情況。

誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(BP網(wǎng)絡)是水質(zhì)評價中最典型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡評價方法。該方法通過反復的正饋和反饋,對BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練,使之得出與樣本預期輸出相符合的結果,進而應用BP網(wǎng)絡進行水質(zhì)評價。目前該方法在國內(nèi)外已經(jīng)有了一些研究。Sugiura等利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(artificial neural network,ANN),建立了12項水質(zhì)指標預測水體臭味,并與多元線性回歸法(MLR)進行對比,結果表明,由于水體黑臭與水環(huán)境指標之間的非線性關系,ANN比MLR更適合對水體黑臭進行評價與預測。徐明德等考慮河流黑臭評價屬于多因素非線性評價,具有模糊現(xiàn)象,通過采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡?隸屬度函數(shù)建立河流黑臭評價模型,解決了多致黑因子間的復雜作用關系,以網(wǎng)絡輸出收斂于兩等級間的模糊隸屬問題,實現(xiàn)了對河流黑臭的評價。基于矩陣運算評價和人工神經(jīng)網(wǎng)絡評價等的黑臭水體綜合評價方法具有較高的科學性,能夠模擬人類思維方式,通過直觀推理進行水質(zhì)評價,在對干旱地區(qū)河流黑臭水體評價中具有一定的優(yōu)勢。