评价黑臭水体的方法及其优缺点分析

　　摘    要：　近年来，黑臭水体越来越被重视。本文总结了黑臭水体的研究历程、多年来评价指标的选择与各个评价方法的优缺点，结果表明，黑臭水体评价指标的选择多集中在化学指标，评价方法不统一、地域性较强，若能结合人的感官和生物指标，完善统一评价方法，则能为黑臭水体的治理提供极大的指导和帮助。

　　关键词 :     黑臭水体;评价指标;评价方法;

　　Abstract：　In recent years, more and more attention has been paid to the black and odorous water body. This paper summarizes the research process of black and odorous water body, the selection of evaluation indexes and the advantages and disadvantages of each evaluation method for many years, the method of evaluation is not uniform and regional. If it can be combined with human sense organ and biological index, it can provide great guidance and help for the treatment of black and odorous water body.

　　Keyword：　black and odorous water body; evaluation index; assessment methodology;

　　水体黑臭是水体有机污染的一种极端现象，是对水体极端污染状态的一种描述，泛指是指呈黑色或泛黑色，散发出令人感觉不愉快臭味甚至作呕的水体。水体黑臭不仅影响外在形象，更对居民的生活造成危害，早在多年前，水体黑臭问题已引起国内外政府机构、人民群众和相关专家的关注，近几年关注力更为突出，因此，各类学者、专家对黑臭水体的认识也在不断深入，研究也得到了不断发展。要消除黑臭水体，必须了解其产生的机理及评价方法，才能更好的指导黑臭水体的治理。笔者总结了黑臭水体的研究历程、多年来评价指标的选择与各个评价方法的优缺点，为其得到更好的治理起指导作用。

　　1、 黑臭水体的研究历程

　　纵观国内外研究，最初，水体黑臭只是简单的通过颜色、气味、混浊度等一系列感官性状来进行定性的评定，经过一定时期的发展，开始逐渐选用体现水化学指标以及生物指标进行定量评价，并采取一系列的措施；其发展过程大致分为3个阶段：初始起步阶段、摸索发展阶段、深入扩张阶段。

　　初始起步阶段首次关注到了黑臭水体的存在，指出了黑臭水体的涵义，初步分析了黑臭水体的形成机理和其产生的原因。早在1963年，上海自来水公司首次提出了水体的黑臭现象，指出黑臭水体的存在。到1979年，Lazaro指出黑臭水体的概念，即一种极端水污染状态。1983～1997年期间，更多研究者将研究方向开始偏向黑臭水体产生的原因及机理考究，发现有机物污染，热污染以及底泥污染、放线菌分解产生乔司脒、水体中Fe和S的形态转化等跟水体产生黑臭有关[1]，等等。

　　摸索发展阶段主要针对水体黑臭的产生原因及机理进行深入研究，并开始探索黑臭水体的初步治理技术和修复方法。2001年，孙从军等利用人工曝气复氧方式对黑臭水体进行治理，取得了显着效果[2]。2005年，金承翔等通过曝气充氧、植物净化技术和生物制剂组合生物技术对黑臭水体的净化能力进行了研究[3]。2011年，崔伟等人构建生物试复合垂直流人工湿地系统对黑臭水体的去除具有显着作用[4]，等等。

　　深入扩张阶段主要偏重于黑臭水体评价方法、指标体系的建立，进一步丰富了黑臭水体的治理修复技术。2005年徐祖信提出了综合水质标识指数，在黑臭水体的评价中得到了极为广泛的应用[5]。2007年至今，众多学者利用综合水质标识指数或对该方法进行改进后应用到黑臭水体的评价上[6,7]。2012年，徐明德等人建立了针对干旱地区城市河流黑臭水体评价指数模型[8]。2015年，张晶尧等利用商权物元可拓模型对河流黑臭进行了评价研究[9]，等等。

　　2、 评价指标

　　水体黑臭的指标是研究其成因、判断其黑臭程度及科学合理地管理水体的重要内容。

　　要给出合适的评价指标，就需了解其成因。多年来，在黑臭水体的成因研究中，多数专家认为它是一种生物化学现象，即当水体遭受严重有机污染时，水中有机物的好氧分解使得水体中耗氧速率超过复氧速率，造成水体缺氧，导致有机物降解速度降低甚至降解不完全。在缺氧的水体中，有机物分解产生硫化物、H2S、硫醇类、胺、NH3和其它带异味、易挥发的小分子化合物，因而散发出臭味。同时，沉积物中产生的CH4、N2、H2S等难溶于水的气体，在上升过程中携带污泥容易形成Fe S、Mn S等黑色物质进入水相，使水体发黑，认为水体发黑主要是由于水中铁、锰元素与硫化物作用生成的沉淀物[10]。

　　胡国臣等人[11]发现溶解氧、生化需氧量和水相中SO42-还原菌数、水体黑臭有较好的相关性。吕佳佳等人[12]指出：在黑臭形成的水质因素方面，TOC和TN都是黑臭水体形成的必要条件，Fe2+浓度不仅与色度有关，还与臭度有关，Fe2+是水体臭味产生的必要条件，S与水体的黑臭紧密相关，但不是黑臭水形成的限制因素；环境条件方面，温度是黑臭形成的必要条件，DO是臭味产生的必要条件。

　　但为使污染物指标与感官相一致，可检测水体的臭阈值、透明度、色度、溶解氧和氧化还原电位等理化特征指标。臭阈值、透明度和色度可直接反映水体黑臭程度，溶解氧和氧化还原电位可反映水体发生黑臭的趋势。

　　综合考虑，黑臭水体评价指标应包括两方面：物理指标和化学指标。与黑臭水体水质相关的指标主要包括:臭阈值、色度、透明度、溶解氧、氧化还原电位、化学需氧量、NH3-N、温度、p H值、铁和锰、硫化物等。这些指标可作为水体黑臭程度判断、成因分析、水质变化预测和治理方案制定的重要依据。

　　3、 评价方法及其优缺点

　　水体黑臭的评价方法是了解水体是否黑臭或黑臭程度的依据，是解决水体黑臭的前提和基础，可为黑臭水体后期的治理和修复提供理论和技术支撑。对于水体黑臭评价来说，虽然国内外经过了几十年的研究，取得了大量成果，但至今仍没有统一的水体黑臭评价方法和标准，每条黑臭水体都需要建立特有的评价模型，增大了水体黑臭评价的工作量和难度，成为水体黑臭评价工作的一大瓶颈。

　　纵观学者们有关水体黑臭的评价方法，种类繁多。在黑臭水体评价指标研究中包括了物理指标和化学指标两方面，评价方法也多从这两方面入手。

　　3.1、 物理指标法

　　物理指标法多是从黑臭水体的概念和人的感官来描述定性的，认可较多的是感官评价法，在识别水体是否黑臭时，主要针对感官性指标，不需要任何技术手段就能判断。这种方法简便可行、客观，也可充分反映居民的关切，可操作性强。但它的描述具有很强的主观性，由于人的视觉和嗅觉有差别，判断结果会不同，且没有形成统一标准，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。

　　3.2、 化学指标法

　　化学指标法是基于水质的一些化学指标参数进行一定的计算来评价的，在化学指标方面又分为单一指标和综合指标；综合指标法是通过构建综合指标全面评价水体黑臭程度，应用较多的有综合污染指数评价法（又可分为：黑臭多因子加权指数法、有机污染指数法、多元非线性回归法、综合水质标识指数评价法等）、其他评价法（模糊综合评价法、灰色系统理论评价法和人工神经网络评价法）等。

　　3.2.1、 单因子指数法

　　该方法是通过计算超标指数来确定评价等级的方法，是将某种污染物实测浓度与该种污染物的评价标准进行比较以确定水质类别的方法。国内很多学者普遍以溶解氧这一指标作为界定水体是否黑臭的标准，也有学者通过测定水体的色度、黑度以及臭阈值等指标,用以表征黑臭水体的程度；戴树桂等通过模拟试验得出色度作为水体黑臭判别的临界指标[13]；俞欣得到氧化还原电位与部分黑臭因子之间具有较好的相关性[14]。该方法的优点为概念明确、计算简单，缺点是每个指标的影响权重均为100%，是一种一票否决制，不能体现其对环境效应的差异性。该方法不宜单独使用，需结合其他评价方法才能发挥其优点。

　　3.2.2、 综合指数评价法

　　1974年，国内学者关伯仁首先提出了从综合的角度来表示水质的污染情况和水体的评价。水质综合指数评价法通过对各个水质监测项目的数据结果与评价标准进行对比联系，得到各个指标的污染指数，然后采用某一种或多种数学运算方法，将各个水质指标综合整理，得到水质综合指数，并用该指数作为水质评价的尺度，来评估水质优劣。常用的有：黑臭指数法（黑臭多因子加权指数法和有机污染指数法）、多元非线性回归法、综合水质标识指数评价法等。

　　3.2.2. 1、 黑臭指数法

　　常用的黑臭多因子加权指数法是对苏州河水质特点建立的黑臭评价关系式，有机污染指数法是针对黄浦江水质特点建立的黑臭评价关系式，这两种都是针对上海地区的水质特征提出来的评价方法，针对性较强，其结果的正确率相对较高，这两种方法均是建立影响水体黑臭的环境因素和黑臭状况主要指标之间的判别关系式[15]，虽在城市水体黑臭评价方法在评价城市内河黑臭问题起到积极的作用，但没有明确提出其适用范围。不同学者，研究不同地区的不同水体，其使用的判别式不同，选择的黑臭指标也不同，因此，黑臭指数的判别标准和阈值差异很大。李鹏章[16]通过实际采样，对8种判别式的可靠性进行了测试和验证，计算结果对比，得出不同的判别式对同一水体黑臭情况的判定结果不一样，且最高判定正确率只有20%。可见，该方法地域性和针对性太强，不同区域不同水体需要重新摸索建立适合的判别关系式。

　　3.2.2. 2、 多元非线性回归法

　　由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，有的学者认为不能用简单的线性关系来表示，因此，便建立评价指标与各项水质指标之间的非线性关系。Canfield等通过对弗罗里达州的165个湖泊的水色研究，建立了叶绿素a、TP、TN与色度的多元非线性回归方程。国外学者通过监测水体大量指标（如p H值、水温、浊度、透明度、电导率、COD、DO、TP、NH3-N、蓝细菌总生物量、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黑臭，虽然能够较全面、准确地预测水体的黑臭状况，但由于涉及到的参数太多，监测过程也比较复杂．国内使用非线性回归模型多用来评价湖泊、水库，缺乏河道黑臭的研究报道，值得进一步研究。

　　3.2.2. 3、 综合水质标识指数评价法

　　2005年徐祖信在研究上海市河流水质时根据《水环境质量标准》中的评价指标建立的水质评价方法，它是由1位整数和3位或4位小数组成[17]。公式如下：

　　综合水质标识指数总体上包括两部分:X1.X2是综合水质指数，是重点，通过计算得出；X3和X4是标识码，在求得综合水质指数的基础上，通过判断得出。

　　式中X1：河流总体的综合水质类别；X2：在X1类水质变化区间内，水质所处位置；X3：与水环境功能区目标相比，水质监测的指标不达标的个数；X4：标识码，代表的是所要评价的水质类别与水体功能区类别的比较结果。

　　该方法可以反映河流水质状况，既可结合国家标准评价综合水质类别又能反映综合水质的连续性变化情况，还可判断水体黑臭程度，可以灵活应用在某一流域的不同断面监测点，也可以应用在不同流域，分别分析出水质状况。但也存在黑臭评价指标涵盖面较宽、获取数据不够便捷、快速，临界值设定依据不清[18,19]，具有地域性，对黑臭水体的划分等级不深入等情况。

　　3.2.3 、其他综合评价法

　　被国内外学者认可较多的黑臭水体综合评价法主要有模糊综合评价法、灰色系统理论评价法和人工神经网络评价法。模糊综合评价法和灰色系统理论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。

　　3.2.3. 1、 模糊综合评价法

　　通过衡量各项水质参数在总体评价中的地位，给各参数赋予适当的权重，判断各指标对水环境质量标准的隶属度，形成隶属度矩阵，通过运用模糊矩阵计算，获得一个综合隶属度。这一评价方法把水系统中的模糊性和不确定性很好的体现出来，符合客观事实，所以评价结果一定程度上具有一定的合理性。但其评判一般采用线性加权平均，使得评判结果容易出现均化、跟实际情况失真等现象，导致判断不准确或者可比性差等问题，而且其评价过程十分复杂，可操作性较差[20]。

　　3.2.3. 2、 灰色系统理论评价法

　　1982年，我国邓聚龙教授创立了灰色系统理论，它以“部分信息已知，部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定性系统为研究对象。常用“黑”表示信息未知，用“白”表示信息完全明确，用“灰”表示部分信息明确、部分信息不明确。通过计算各个水质指标的实测浓度与各个级别水环境质量标准之间的关联度，再依据关联度的大小来判断水质的好坏[21]。关联度越高，说明监测的水质数据样本越贴近该级别的水环境质量标准，则表明此实测数据就是所要评价的水质级别[22]。和模糊综合评价法一样，水环境系统所具有的不确定性在灰色系统理论评价法中也有较好的体现，灰色系统理论评价法的优点是结果简单、可比，缺点是存在分辨率低等问题。

　　3.2.3. 3、 人工神经网络法

　　人工神经网络起源于20世纪50年代，它是一门非线性学科，利用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的一种数学模型。利用该方法评价，需先把水环境质量标准中指定的指标浓度限值和评价公式建成样本库输入网络，作为材料对其进行学习训练，当网络接受后即可用来对所需水质进行评价。这种方法运算速度快，结果准确，出错率低，应用前景广泛，但其需要人工提前输入大量的参数作为样本，若样本之间的协同性较差时，导致结果出现均一化。

　　4、 结论与展望

　　总的来说，目前国内外对黑臭水体产生的机理、评价选用的指标和评价方法已开展众多研究，但依然存在不足与瓶颈，形成机理还未全面明确，评价的指标和体系还未统一建立。大多数研究集中在选用少数几个水质指标（多数是化学指标）进行评价分析,这虽然在一定程度上能反映出水体的黑臭情况，但若能结合实际，把人的感官如视觉、嗅觉、情绪反应等情况考虑进去，再从生物学角度利用一些水生生物指标（如浮游动植物、底栖动物、鱼类等）来判别黑臭水体状况和级别就更加完善，尚需进一步探索。

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