我国北方地区长期受干旱缺水困扰，水资源短缺与经济社会发展及生态环境保护之间的矛盾越来越突出。为解决北方地区水资源短缺问题，国家提出了战略性引水工程——南水北调工程，其中南水北调东线工程是我国南水北调总体布局中的重要组成部分，但东线供水区面临着地表水过度开发、地下水严重超采、水体污染、环境恶化的严峻形势，因此，加强水质监测力度是防范水污染风险的关键所在。

地表水环境监测工作中，合理的水质评价方法是进行水环境管理的有力工具，它可以合理地表征水质状况，及时掌握水质情况和水体使用价值，能够满足水环境管理和决策的需要，对水污染风险评估、水污染治理和长期规划都有着重大指导意义^[1-2]。目前，我国采用单因子评价法进行水质评价，即只要一项指标不符合标准则认为该水体未达标，评价指标为基本的水质常规理化指标。而“十四五”生态环境监测规划对我国水环境质量监测评价提出了更高的要求^[3]，亟需建立与其相适应的评价方法和体系。本研究基于2019年南水北调东线工程12个监测断面的手工监测数据，选取溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、铅、铜、锌、镉、粪大肠菌群这9个指标，选择单因子评价法、内梅罗指数法、综合水质标识指数法和模糊综合矩阵评价法4种方法对断面水质进行评价，并结合实际情况进行比较分析，以期为我国水环境质量评价方法体系的进一步完善提供依据。

1 评价方法 1.1 单因子评价法

单因子评价法^[4-6]是通过监测《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中提出的多个参数，并将监测结果与水质类别标准限值进行比较，得出各个参评指标所在水质类别，最终选取断面参与评价的最差的单项指标类别来作为水体综合水质类别。这种评价方法是目前应用最广泛的水质评价方法，也是我国现行的地表水水质评价方法，作为一种定性的判断水质类别的评价方法，该方法简单明了，方便理解和操作，但评价结果相对更严格。

1.2 内梅罗指数法

基于单因子评价法衍生而来的综合污染指数法中，内梅罗指数法较为常见^[7-14]，它通过计算单个指标的指数F_i，然后对所有参评指标的指数进行综合运算，得出内梅罗指数(P)，以此作为衡量水质污染状况的标准，这种方法可以较好地评价区域水体水质，便于掌握区域水体污染程度，因而被广泛应用。计算公式如下：

$\mathrm{F}_i=C_i /S_i$

(1)

$\mathrm{P}=\sqrt{\left(F_{\text {max }}^2+F_{\text {average }}^2\right) /2}$

(2)

式中：F_i——单项指标的污染指数；C_i——参评指标的质量浓度，mg/L(除溶解氧外)；S_i——参评指标的标准限值，mg/L(除溶解氧外)；F_max——所有指标污染指数中的最大值；F_average——所有指标污染指数的平均值。

1.3 综合水质标识指数法

综合水质标识指数(WQII)法^[15-20]是指数评价法中的新兴评价方法，同样也是基于单因子评价法的一种方法，该方法可以将参评指标在水质类别变化区间内所处的具体位置信息一一数字化，从而不仅能对同水质类别的断面水质情况做进一步评价，也能对劣Ⅴ类水体的污染状况定量分析，有利于深入反映较差水体的水质情况，计算公式如下：

${\rm WQII}=\overline{\mathrm{X}_1 \cdot \mathrm{X}_2} \mathrm{X}_3 \mathrm{X}_4$

(3)

$\overline{\mathrm{X}_1 \cdot \mathrm{X}_2}=\frac{1}{n} \sum\limits_{i=1}^n \mathrm{X}_1 \cdot \mathrm{X}_2$

(4)

式中：X₁——参评指标的水质类别；由参评指标的监测数据与《GB 3838—2002》比较确定，如参评指标水质类别为Ⅰ类，则X₁=1；如为Ⅱ类；则X₁=2，以此类推，当参评指标的水质类别劣于Ⅴ类时，X₁=6。

X₂——参评指标在该水质类别变化区间内所处的位置；$\mathrm{X}_2=\frac{\text { 实测值} Y-\text { 下限值} Y_1}{\text { 上限值} Y_2-\text { 下限值} Y_1} \times 10$，按四舍五入原则计算，作为WQII小数部分的第1位小数；但当X₂∈[9.5，10)，令X₂=9。

(1) 当断面水质类别随着监测实测值Y的增大而增加，且参评指标的水质类别劣于Ⅴ类时，X₂=$\frac{\text { 实测值} Y-\mathrm{V} \text { 类水质量浓度上限值} Y_2}{\mathrm{~V} \text { 类水质量浓度上限值} Y_2} \times 10$；

(2) 当断面水质类别随着监测实测值Y的增大而减小，且参评指标的水质类别为Ⅰ类时，不再考虑实测值Y在Ⅰ类水水质类别变化区间所处的位置，即当X₁=1时，令X₂=0。

式中：X₃——参与综合评价的水质指标中，劣于水环境功能区目标水质的参评指标个数。X₄——综合水质类别与水环境功能区目标水质类别的比较结果，当综合水质类别优于或等于水环境功能区目标水质类别时，X₄=0；水质类别劣于功能区1个类别，X₄=1，以此类推。$\overline{\mathrm{X}_1 \cdot \mathrm{X}_2}$——所有参评指标X₁.X₂的平均值。

综合水质标识指数法中，X₁.X₂既反映了综合水质类别，又反映了同一水质类别不同断面的综合水质污染程度；X₃、X₄则是水质评价的“附加信息”，即进一步反映了综合水质类别与目标水质类别之间的差距，同时反映了所有参评指标中劣于目标水质的个数。

1.4 模糊综合矩阵评价法

模糊综合矩阵评价法^[21-24]的基本思想来源于模糊数学，是指通过确定各指标的权重，建立单个参评指标与结果的模糊关系，再综合考虑所有指标的影响，建立模糊数学模型，最后根据最大隶属度原则得出最终评价结果。评价过程不须人为干预，所得结果仅与输入的指标监测数据有关，评价结果更符合实际。具体步骤如下：

(1) 建立评价对象因子集和评价集，评价集根据《GB 3838—2002》确定为Ⅴ={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ表示最终可能得出的评价结果。

(2) 确定各参评因子的权重集，各权重系数通过计算超标比来确定，每个指标的超标比计算完后，进行归一化处理，得到每个指标的权重，从而得到权重集。

(3) 每个评价因子与每级评价标准之间的模糊关系采用模糊矩阵R表示，矩阵中的元素表示污染因子对水体各个级别的隶属度，表示被评为相应级别的可能，隶属度采用降半梯形分布函数确定。

(4) 建立模糊矩阵综合评价模型，权重集(权重向量)乘以模糊矩阵R得到一个模糊评价集(评价向量)，根据最大隶属度原则，水质类别为该评价向量中最大元素所代表的水质等级。

2 评价结果与分析

水质评价要能全面反映水质质量状况，单一指标并不能做到客观全面。现选择2019年南水北调东线工程12个调水功能监测断面为目标，结合目标断面的水质功能和水质特点，决定采用溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总磷、重金属(铜、锌、铅、镉)和粪大肠菌群作为调水断面的参评指标，进而比较分析单因子评价法、内梅罗指数法、综合水质标识指数法和模糊综合矩阵评价法的评价结果。2019年南水北调东线工程12个监测断面的监测数据年均值见表 2。采用不同水质评价方法的评价结果比较见表 3。

从监测结果和评价结果可以看出，12个断面的水质情况较好，老山乡断面(湖库)水质采用单因子评价法的结果为Ⅴ类，主要超标因子为总磷，其他断面水质采用4种方法的评价结果均为Ⅲ类或Ⅱ类。

单因子评价结果中，只有1个断面的监测结果为Ⅴ类，10个断面的监测结果为Ⅲ类，1个断面的监测结果为Ⅱ类。相对于其他3种评价方法而言，得出的水质类别整体最差。单因子评价法计算方法简单，考核标准严格，可以直观地了解超标指标和超标程度。

内梅罗指数法通过计算指数值P，定量反映断面的水质质量状况，也可以进一步比较同类水质类别断面的污染程度大小，但该指数所得出的评价是非连续性的，评价结果有时不符合客观实际。从表 3可以看出，所有断面的水质类别均达到Ⅰ类标准，评价结果过于宽松，并且该方法计算公式采用了参评指标指数F的平均值，存在弱化或忽视其他污染物超标的潜在风险。

综合水质标识指数法对水质评价结果呈“连续化”，既能定性描述综合水质是否达标，又能定量分析水质状况。由表 3可见，12个断面的水质类别均达到Ⅱ类，且更接近Ⅰ类水质标准限值，优于水环境功能区目标水质类别。这种方法最突出的特点就是可以定量表征断面所在水质类别区间的位置，更接近高位标准限值还是低位标准限值，以便清晰把握水质变化方向，针对调水功能断面，及时掌握与水环境功能区目标水质类别的差异情况，但只能了解到超标因子数量，无法明确具体指标。

模糊综合矩阵评价法考虑各因子权重，体现出“带权均值”的评价思想。评价结果表明，除了三江营、江都西闸和顾勒大桥3个断面水质评价结果与单因子评价法结果一致，其他断面的水质类别均明显优于单因子评价法，评价的结果更科学，但是这种评价方法也有一定的缺点，对于某种超标因子没有明显响应，无法精准反映影响水质的主要污染物指标。

3 结论与建议

南水北调东线工程通过京杭大运河及其平行河道将长江水抽引北送，穿越淮河流域和黄河流域，最终进入海河流域，沿途连通洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖，并作为调蓄水库、水源地，向黄淮海平原东部和胶东地区和京津冀地区输送生产生活用水，其水环境质量优劣对于流域沿线城市经济、环境、人口等发展至关重要。有研究表明，近年来南水北调东线工程沿线湖泊受人为因素干扰存在不同程度的重金属污染^[25]，其中南四湖重金属铬浓度有明显上升趋势，骆马湖重金属铬和铅浓度有小幅上升趋势^[26]，输水干线江苏境内水质一般情况下好于山东境内水质^[27]，江苏段基本处于水生态盈余状态，但未来几年须承担的消纳废物任务越来越重，而山东段则基本处于赤字状态^[28]。单因子评价法作为我国现行统一的水环境质量考核评估方法，以严格的考核标准，为我国黑臭水体消除、重点流域干支流整治、饮用水水源地安全保障提供了强劲保障。但在目前的水质评价过程中，可能会有失偏颇，因此对南水北调东线工程水质评价工作建议如下。

(1) 目前我国地表水水质评价采用《GB 3838—2002》规定的24项指标，但实际评价过程中，由于单因子评价法相对比较严格，且重金属等特征因子监测频次较低，因此使用特征因子判定水质类别十分谨慎。高邮湖湖区农田和水产养殖区密集，南四湖湖区周围多为煤矿开采基地，农药化肥、养殖废水排放、煤矿开采过程都可能造成重金属污染，建议在水质评价过程中，针对可能存在特定排放源的水体，采用模糊综合矩阵评价法，重点分析特征指标对水体的影响，加强水环境健康风险评估和预警，消除水环境安全风险威胁。

(2) 南水北调东线工程供水区涉及124座地级市和县市区，其用水需求不同。针对工业、农业用水水功能区，其对水质要求较低，应结合水域使用功能进行评价，如一些农业用水水域，通过单因子评价法得出氮磷化合物超标，根据《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2021)氮磷化合物不属于农田灌溉水质基本控制项目，氮磷超标并不影响水域使用功能，因此可以采用模糊综合矩阵评价法或内梅罗指数法等适用性更强的评价方法，分析多项指标对水体的综合影响，更加客观真实地反映水体状况。对饮用水源地进行水质评价时，则应严格考核，采用单因子评价法判断水质达标和超标情况，进一步结合综合水质标识指数法，定量表征断面所在水质类别区间的位置，以便清晰把握水质变化方向，切实保障调水水质安全。

(3) 输水沿线地区产业结构和经济发展水平不同，水环境污染状况也存在差异。南四湖作为东线调水干线和调蓄湖泊，其水质污染问题一直是治污重点，针对类似污染较重或重点治理水域，建议采用综合水质标识指数法或模糊综合矩阵评价法对水质进行整体评价，同时采用单因子评价法筛选主要污染指标，使得评价结果能够更好地支撑水生态环境质量评估、保护与修复。