第 25 卷第 6 期 2009 年 1 1 月 水 资 源 保 护 WA TER RESO URCE S PRO TEC TIO N
V ol . 25 No. 6
No v. 2009
内梅罗指数评价法的修正及其应用
李亚松, 张兆吉, 费宇红, 王 昭
( 中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北 石家庄 050061)
摘要: 针对目前采用内梅罗指数法评价地下水质量过程中存在的问题, 考虑毒性金属的积累效应, 引入权重 值概念, 对内梅罗指数法进行改进, 并将改进前后 2 种方法应用于深泽县研究区地下水质量评价。结果表 明: 改进的内梅罗指数法可以在一定程度上消除极大值的影响, 并提高毒理指标的影响程度, 能够对地下水 质量进行较为合理的评价。
关键词: 地下水质量评价; 改进的内梅罗指数法; 权重值
中图分类号: X824 文献标识码: A 文章编号: 1004O 6933( 2009) 06O 0048O03
地下水不仅是人们日常用水的主要来源, 同时也 是复杂生态环境系统中敏感的组成因子之一, 地下水 的变化往往会影响生态环境系统的天然平衡状态。 鉴于地下水在生物圈和地质环境中的特殊地位, 对地 下水质量进行全面合理的评价显得尤为重要。
进方法, 并应用于典型区, 在对比 2 种方法的同时得 到一个翔实的水质评价结果。 1. 1 内梅罗指数法
利用内梅罗指数法进行地下水质量评价, 可分 为 3 个步骤。
a. 首先进行各单项组分评价, 划分组分所属质 量类别, Ñ ~ Õ 类水对应的单项组分评分值 F i 分别 为 0、1、3、6、10。
b . 选用 内梅 罗 指数 计算 公式 计 算综 合 评分 值 F :
1 方法概述
目前用于地下水质量评价的方法主要有内梅罗 指数法、模糊数学综合评价法、灰色聚类分析法以及 人工神经网络法等几种, 其中内梅罗指数法是国家 技术 监 督 局 于 1994 年 实 施、2007 年 修 订 的 GB 14848 ) 20075 地下水 质量 标准6 [ 1] 中推 荐的 方法。 为此, 笔者对内梅罗指数法进行深入剖析, 提出了改
F =
( F ma x 2 + F 2 ) / 2 F =
E 1 F i n i =
n
该方法在具备许多优点的同时也存在着一些问题。 其中
基金项目: 中国地质调查项目( [1**********]00)
式中: F max 为单项组分值 F i 的最大值; F 为各单项
作者简介: 李亚松( 1983 ) ) , 男, 河北深州人, 硕士研究生, 研究方向为水文地质环境地质。E 2mail: Le e asia m@ gma i l. com
# 48 #
组分评分值F i 的平均值; n 为项数。
c. 根据 F 值按表 1 规定划分地下水质量级别。
表 1 地下水 质量分级标准
级别
优良
良好 较好 较差 极差
F 0180~ 21 50 2150~ 41 25 41 25~ 7120 > 71 20
将 Fc max 代替原公式中 F ma x 可得出评分值 Fc,
对照表 1 即可得出评价结果。
b . 权重值 W i 的计算:
将各种评价因子 S i 的 Ó 类水标准按由小到大 的顺序排列, 将其最大值 S max 同 S i 比较, 并令 R i 为 第 i 种评价因子的相关性比值, 则:
1. 2 利弊分析
内梅罗指数法的优点是数学过程简洁, 运算方 便, 物理概念清晰。对于一个评价区, 只需计算出它 的综合指数, 再对照相应的分级标准, 便可知道该评 价区某环境要素的综合环境质量状况, 便于决策者 做出综合决策[ 2] 。
R i =
max
, S i
W i =
i
n i= 1
E R i
n i = 1
式中: Wi 为第 i 种污染因子的权重值, E W i = 1 。
3 应用实例
但是内梅罗指数法同样也存在着许多问题, 比 如过分突出极大值对水质污染的影响, 评价项目中 即使只有一项指标 F i 值偏高, 而其他指标 F i 值均 较低也会使综合评分值偏高[ 3] 。这种/ 一票否决0 式 的方法在评价工作要求日趋严谨和完善的情况下, 显然不太客观。如果考虑不同评价因子对环境的毒 性、降解难易及去除性难易程度等因素, 那么同处一 个质量级别的不同污染因子的 F i 值应区别对待, 即 增加权重因素。
2 内梅罗指数法的改进
2. 1 基本构思
针对内梅罗指数法的一些缺陷, 笔者对其运算 过程做出了相应的修正: ¹ 由于最大值未必对人类 健康的威胁程度最大, 基本上污染因子的危害性与 其 Ó 类标准呈大致的反比例关系, 所以在改进公式 中通过引入权重值概念体现危害性最大的污染因子 对水质的影响; º 权重值较大指标一般为毒性金属 和难降解的有机物, 其中毒性金属是一类典型的积 累性污染物, 可通过食物链逐渐传递富集, 在某些条 件下可以转化为毒性更大的金属有机化合物, 过高 的重金属浓度会对动植物生长和人类健康产生显著 影响, 所以重金属的积累效应对于评价结果的影响 不容忽视。 2. 2 计算方法
a. F max 的修正:
F c max =
2
n 其中 F E F i
w =
m
式中: Fw 为权重值前 n 项组分的平均评分值, n 值 根据评价数据确定; F i 为前 n 项组分的评分值; m 为前 n 项中 F i \ 1 的项数。
在/ 华北平原地下水污染调查评价0 中, 对山前 平原深泽县进行了地下水质量评价方法的剖析。 3. 1 研究区概况
研究区深 泽县位于 太行山 东麓, 北纬 38b 7c ~ 38b17c, 东经 115b4c~ 115b21c 之间, 属山前平原, 地势 变化平缓, 滹沱河、磁河、木刀沟自西而东贯穿。该 区地下水赋存于第四系含水层, 属孔隙潜水型, 靠大 气降水垂直入渗、地表水入渗和西部潜流方式补给, 以人工开采、地下径流和天然蒸发方式排泄。
20 世纪 80 年代以来, 村办企业不断增多, 并大 都建立在透水性好、水量充足的河流两岸, 河床多为 砂性土, 大量工业及生活废水通过无防渗的沟渠排 入河流, 使得污染物随水连续渗漏, 以直接或间接的 方式进入地下含水层, 造成地下水, 特别是浅层地下 水的污染。虽然深泽县排污企业较少, 但是其境内 的 3 条河流, 尤其是滹沱河和磁河, 已经没有天然径 流, 成为上游化工厂、皮革厂、造纸厂等企业的排污 渠, 木刀沟由于人为强制断流, 已经在 4 号取样点附 近形成了一个污水渗坑( 图 1) , 对两岸居民生活造 成了很大的影响。
图 1 取样点分布
# 49 #
3. 2 取样与测试
研究中对覆盖深泽全区的 22 个观测井进行了 调查取样, 取样点分布见图 1。全部样品均 采自地 下含水层, 并在规定时间内送至中国地质科学院水 文地质环境地质研究所测试中心测试。 3. 3 评价
为同原内梅罗指数法进行对比, 笔者利用修正 前后 2 种方法对测 试结果进行评 价。评价因 子选
+
pH 、M n 、Cl - 、SO 2-总 硬度、TD S 、CO D M n 、N H 4 2N 和 4 、
- NO 2 2N 等 9 项 感官 性状及 一般 化学 指标; As、Cd 、
评价结果表明, 深泽大部分地区地下水水质良
好, 部分地区地下水质量优良, 但是位于木刀沟渗坑 旁的 4 号点、磁河沿岸的 11 号点、滹沱河沿岸的 17 号点所采集的地下水样品, 评价结果都不乐观。其 中, 4 号点靠近渗坑, 11 号点和 17 号点紧挨河道, 由 于当地土壤岩性多为砂性土, 渗透系数比较大, 污染 物通过垂直入渗或河道测渗, 已经对其附近的地下 水造成了污染。可以看出, 上游工厂所排污水经河 道入渗, 已经对当地河流沿岸地下水环境造成了一 定的影响; 对于远离河道区域, 地下水水质评价结果 虽然比较乐观, 但是由于重金属指标的普遍检出, 也 存在一些隐患。
改进的内梅罗指数法由于考虑了权重因素, 相 对原方法较为客观。但是改进方法同原方法都存在 一个固有的问题, 即其描述的环境质量是非连续的, 分级标准建立在二值逻辑基础上, 它的截然型和非 连续性会造成相差很小的污染强度值处于两类完全 不同的级别中; 而相差很大的污染强度值可能会处 于同一级别中, 在以后的工作中要针对这一问题进 行研究。
Cr 、Pb 、Hg 、F
6+ -
和 NO - 3 2N 等 7 项毒理指标, 按改进
的方法分别对评价因子进行权重值计算。
由表 2 可知, Hg 的权重值最大, 为 01698, 且权 重值较大的前 5 项指标均为毒性金属, 为此笔者选 择 Hg 、Cd 、Cr
评价 因子 Mn Cl - SO 4 2- 总硬度 TD S C OD M n As 6+ C r
6+
、Pb 和 As 等 5 项指标共同参与评价。
表 2 权重 值计算结果
评价 水质标准/
权重值
因子 ( mg#L- 1 ) Cd Pb Hg F - N H + 4 2N NO - 2 2N
[ 01005 [ 0101 [ 01001 [ 10
01140 01070 01698 61 98 @10- 5
- 3
水质标准/ (mg# L- 1) [ 01 3 [ 250 [ 250 [ 450 [ 1000 [ 31 0 [ 01 01
[ 01 05
权重值
2133 @10- 3 2179 @10- 6 2179 @10
- 6
1155 @10- 6 2132 @1001 070
01 014
- [ 11 0 61 98 @10- 4 [ 01 5 11 40 @10
6198 @10- NO - 3 2N
4 结 论
[ 01 2 31 49 @10- 3
内梅罗指数法是目前地下水质量评价最常用的
方法, 但在毒理性不强的水化学指标偏高的影响下, 评价结果经常显示为水质极差, 给用水者带来一定 的心理负担。笔者通过引入权重值的概念, 考虑到 毒性重金属的积累效应对生物链的影响, 提出了改 进的内梅罗指数法, 并将改进的方法应用于山前平 原深泽县研究区, 结果表明该法能够在一定程度上 消除极大值影响, 并提高毒理指标的影响。当然改 进的内梅罗指数法还是存在数值不连续等局限性, 还需对其进行进一步的探索。
3. 4 评价结果
由表 3 可见, 经改进的内梅罗指数法评价后, 有 6 个取样点评价结果发生了变化, 除 10 号点由极差 改为较好 外, 其余 5 个取样点均由 较差变为较好。 改进的内梅罗指数法不仅考虑 了毒性金属的 权重 值, 同时削弱了极大值的影响。此结果考虑到参评 指标权重以及居民后期处理难易程度, 可以客观反 映地下水质量, 正确引导当地居民合理利用地下水。
表 3 深泽县地下水质量评价结果
参考文献:
[ 1 ] G B 14848 ) 20 07, 地下水质 量标准[ S] .
[ 2 ] 王博, 韩合. 内梅罗 指数 法在水 质评 价中的 应用 及缺 陷
[ J ] . 中国城乡企业卫生, 2005 ( 6) : 16O 17 .
[ 3 ] 谷朝君, 盘颖. 内梅 罗指 数法在 地下 水水质 评价 中的 应
用及存在问题[ J] . 环境保护科学, 2002 ( 2) : 45O 47 .
( 收稿日期: 2008O10O19 编辑: 徐娟)
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第 25 卷第 6 期 2009 年 1 1 月 水 资 源 保 护 WA TER RESO URCE S PRO TEC TIO N
V ol . 25 No. 6
No v. 2009
内梅罗指数评价法的修正及其应用
李亚松, 张兆吉, 费宇红, 王 昭
( 中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北 石家庄 050061)
摘要: 针对目前采用内梅罗指数法评价地下水质量过程中存在的问题, 考虑毒性金属的积累效应, 引入权重 值概念, 对内梅罗指数法进行改进, 并将改进前后 2 种方法应用于深泽县研究区地下水质量评价。结果表 明: 改进的内梅罗指数法可以在一定程度上消除极大值的影响, 并提高毒理指标的影响程度, 能够对地下水 质量进行较为合理的评价。
关键词: 地下水质量评价; 改进的内梅罗指数法; 权重值
中图分类号: X824 文献标识码: A 文章编号: 1004O 6933( 2009) 06O 0048O03
地下水不仅是人们日常用水的主要来源, 同时也 是复杂生态环境系统中敏感的组成因子之一, 地下水 的变化往往会影响生态环境系统的天然平衡状态。 鉴于地下水在生物圈和地质环境中的特殊地位, 对地 下水质量进行全面合理的评价显得尤为重要。
进方法, 并应用于典型区, 在对比 2 种方法的同时得 到一个翔实的水质评价结果。 1. 1 内梅罗指数法
利用内梅罗指数法进行地下水质量评价, 可分 为 3 个步骤。
a. 首先进行各单项组分评价, 划分组分所属质 量类别, Ñ ~ Õ 类水对应的单项组分评分值 F i 分别 为 0、1、3、6、10。
b . 选用 内梅 罗 指数 计算 公式 计 算综 合 评分 值 F :
1 方法概述
目前用于地下水质量评价的方法主要有内梅罗 指数法、模糊数学综合评价法、灰色聚类分析法以及 人工神经网络法等几种, 其中内梅罗指数法是国家 技术 监 督 局 于 1994 年 实 施、2007 年 修 订 的 GB 14848 ) 20075 地下水 质量 标准6 [ 1] 中推 荐的 方法。 为此, 笔者对内梅罗指数法进行深入剖析, 提出了改
F =
( F ma x 2 + F 2 ) / 2 F =
E 1 F i n i =
n
该方法在具备许多优点的同时也存在着一些问题。 其中
基金项目: 中国地质调查项目( [1**********]00)
式中: F max 为单项组分值 F i 的最大值; F 为各单项
作者简介: 李亚松( 1983 ) ) , 男, 河北深州人, 硕士研究生, 研究方向为水文地质环境地质。E 2mail: Le e asia m@ gma i l. com
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组分评分值F i 的平均值; n 为项数。
c. 根据 F 值按表 1 规定划分地下水质量级别。
表 1 地下水 质量分级标准
级别
优良
良好 较好 较差 极差
F 0180~ 21 50 2150~ 41 25 41 25~ 7120 > 71 20
将 Fc max 代替原公式中 F ma x 可得出评分值 Fc,
对照表 1 即可得出评价结果。
b . 权重值 W i 的计算:
将各种评价因子 S i 的 Ó 类水标准按由小到大 的顺序排列, 将其最大值 S max 同 S i 比较, 并令 R i 为 第 i 种评价因子的相关性比值, 则:
1. 2 利弊分析
内梅罗指数法的优点是数学过程简洁, 运算方 便, 物理概念清晰。对于一个评价区, 只需计算出它 的综合指数, 再对照相应的分级标准, 便可知道该评 价区某环境要素的综合环境质量状况, 便于决策者 做出综合决策[ 2] 。
R i =
max
, S i
W i =
i
n i= 1
E R i
n i = 1
式中: Wi 为第 i 种污染因子的权重值, E W i = 1 。
3 应用实例
但是内梅罗指数法同样也存在着许多问题, 比 如过分突出极大值对水质污染的影响, 评价项目中 即使只有一项指标 F i 值偏高, 而其他指标 F i 值均 较低也会使综合评分值偏高[ 3] 。这种/ 一票否决0 式 的方法在评价工作要求日趋严谨和完善的情况下, 显然不太客观。如果考虑不同评价因子对环境的毒 性、降解难易及去除性难易程度等因素, 那么同处一 个质量级别的不同污染因子的 F i 值应区别对待, 即 增加权重因素。
2 内梅罗指数法的改进
2. 1 基本构思
针对内梅罗指数法的一些缺陷, 笔者对其运算 过程做出了相应的修正: ¹ 由于最大值未必对人类 健康的威胁程度最大, 基本上污染因子的危害性与 其 Ó 类标准呈大致的反比例关系, 所以在改进公式 中通过引入权重值概念体现危害性最大的污染因子 对水质的影响; º 权重值较大指标一般为毒性金属 和难降解的有机物, 其中毒性金属是一类典型的积 累性污染物, 可通过食物链逐渐传递富集, 在某些条 件下可以转化为毒性更大的金属有机化合物, 过高 的重金属浓度会对动植物生长和人类健康产生显著 影响, 所以重金属的积累效应对于评价结果的影响 不容忽视。 2. 2 计算方法
a. F max 的修正:
F c max =
2
n 其中 F E F i
w =
m
式中: Fw 为权重值前 n 项组分的平均评分值, n 值 根据评价数据确定; F i 为前 n 项组分的评分值; m 为前 n 项中 F i \ 1 的项数。
在/ 华北平原地下水污染调查评价0 中, 对山前 平原深泽县进行了地下水质量评价方法的剖析。 3. 1 研究区概况
研究区深 泽县位于 太行山 东麓, 北纬 38b 7c ~ 38b17c, 东经 115b4c~ 115b21c 之间, 属山前平原, 地势 变化平缓, 滹沱河、磁河、木刀沟自西而东贯穿。该 区地下水赋存于第四系含水层, 属孔隙潜水型, 靠大 气降水垂直入渗、地表水入渗和西部潜流方式补给, 以人工开采、地下径流和天然蒸发方式排泄。
20 世纪 80 年代以来, 村办企业不断增多, 并大 都建立在透水性好、水量充足的河流两岸, 河床多为 砂性土, 大量工业及生活废水通过无防渗的沟渠排 入河流, 使得污染物随水连续渗漏, 以直接或间接的 方式进入地下含水层, 造成地下水, 特别是浅层地下 水的污染。虽然深泽县排污企业较少, 但是其境内 的 3 条河流, 尤其是滹沱河和磁河, 已经没有天然径 流, 成为上游化工厂、皮革厂、造纸厂等企业的排污 渠, 木刀沟由于人为强制断流, 已经在 4 号取样点附 近形成了一个污水渗坑( 图 1) , 对两岸居民生活造 成了很大的影响。
图 1 取样点分布
# 49 #
3. 2 取样与测试
研究中对覆盖深泽全区的 22 个观测井进行了 调查取样, 取样点分布见图 1。全部样品均 采自地 下含水层, 并在规定时间内送至中国地质科学院水 文地质环境地质研究所测试中心测试。 3. 3 评价
为同原内梅罗指数法进行对比, 笔者利用修正 前后 2 种方法对测 试结果进行评 价。评价因 子选
+
pH 、M n 、Cl - 、SO 2-总 硬度、TD S 、CO D M n 、N H 4 2N 和 4 、
- NO 2 2N 等 9 项 感官 性状及 一般 化学 指标; As、Cd 、
评价结果表明, 深泽大部分地区地下水水质良
好, 部分地区地下水质量优良, 但是位于木刀沟渗坑 旁的 4 号点、磁河沿岸的 11 号点、滹沱河沿岸的 17 号点所采集的地下水样品, 评价结果都不乐观。其 中, 4 号点靠近渗坑, 11 号点和 17 号点紧挨河道, 由 于当地土壤岩性多为砂性土, 渗透系数比较大, 污染 物通过垂直入渗或河道测渗, 已经对其附近的地下 水造成了污染。可以看出, 上游工厂所排污水经河 道入渗, 已经对当地河流沿岸地下水环境造成了一 定的影响; 对于远离河道区域, 地下水水质评价结果 虽然比较乐观, 但是由于重金属指标的普遍检出, 也 存在一些隐患。
改进的内梅罗指数法由于考虑了权重因素, 相 对原方法较为客观。但是改进方法同原方法都存在 一个固有的问题, 即其描述的环境质量是非连续的, 分级标准建立在二值逻辑基础上, 它的截然型和非 连续性会造成相差很小的污染强度值处于两类完全 不同的级别中; 而相差很大的污染强度值可能会处 于同一级别中, 在以后的工作中要针对这一问题进 行研究。
Cr 、Pb 、Hg 、F
6+ -
和 NO - 3 2N 等 7 项毒理指标, 按改进
的方法分别对评价因子进行权重值计算。
由表 2 可知, Hg 的权重值最大, 为 01698, 且权 重值较大的前 5 项指标均为毒性金属, 为此笔者选 择 Hg 、Cd 、Cr
评价 因子 Mn Cl - SO 4 2- 总硬度 TD S C OD M n As 6+ C r
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、Pb 和 As 等 5 项指标共同参与评价。
表 2 权重 值计算结果
评价 水质标准/
权重值
因子 ( mg#L- 1 ) Cd Pb Hg F - N H + 4 2N NO - 2 2N
[ 01005 [ 0101 [ 01001 [ 10
01140 01070 01698 61 98 @10- 5
- 3
水质标准/ (mg# L- 1) [ 01 3 [ 250 [ 250 [ 450 [ 1000 [ 31 0 [ 01 01
[ 01 05
权重值
2133 @10- 3 2179 @10- 6 2179 @10
- 6
1155 @10- 6 2132 @1001 070
01 014
- [ 11 0 61 98 @10- 4 [ 01 5 11 40 @10
6198 @10- NO - 3 2N
4 结 论
[ 01 2 31 49 @10- 3
内梅罗指数法是目前地下水质量评价最常用的
方法, 但在毒理性不强的水化学指标偏高的影响下, 评价结果经常显示为水质极差, 给用水者带来一定 的心理负担。笔者通过引入权重值的概念, 考虑到 毒性重金属的积累效应对生物链的影响, 提出了改 进的内梅罗指数法, 并将改进的方法应用于山前平 原深泽县研究区, 结果表明该法能够在一定程度上 消除极大值影响, 并提高毒理指标的影响。当然改 进的内梅罗指数法还是存在数值不连续等局限性, 还需对其进行进一步的探索。
3. 4 评价结果
由表 3 可见, 经改进的内梅罗指数法评价后, 有 6 个取样点评价结果发生了变化, 除 10 号点由极差 改为较好 外, 其余 5 个取样点均由 较差变为较好。 改进的内梅罗指数法不仅考虑 了毒性金属的 权重 值, 同时削弱了极大值的影响。此结果考虑到参评 指标权重以及居民后期处理难易程度, 可以客观反 映地下水质量, 正确引导当地居民合理利用地下水。
表 3 深泽县地下水质量评价结果
参考文献:
[ 1 ] G B 14848 ) 20 07, 地下水质 量标准[ S] .
[ 2 ] 王博, 韩合. 内梅罗 指数 法在水 质评 价中的 应用 及缺 陷
[ J ] . 中国城乡企业卫生, 2005 ( 6) : 16O 17 .
[ 3 ] 谷朝君, 盘颖. 内梅 罗指 数法在 地下 水水质 评价 中的 应
用及存在问题[ J] . 环境保护科学, 2002 ( 2) : 45O 47 .
( 收稿日期: 2008O10O19 编辑: 徐娟)
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