城市水體是指位于城市范圍內(nèi)、與城市功能保持密切相關(guān)的水體，包括流經(jīng)城市的河段、河流溝渠、湖泊和其他景觀水體，是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。城市水體黑臭問題主要由水體中藻類和細(xì)菌的新陳代謝以及人類向水體中過度排放污染物引起的。近年來，隨著我國城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市規(guī)模的日益膨脹，城市環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施日漸不足，城市污水排放量不斷增加，大量污染物入河，水體中化學(xué)需氧量(COD)、氮(N)、磷(P)等污染物濃度超標(biāo)，河流水體污染嚴(yán)重，水體出現(xiàn)季節(jié)性或終年黑臭。2015年國務(wù)院發(fā)布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(簡稱“水十條”)對黑臭水體問題提出明確要求，到2020年，我國地級(jí)及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi);到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除。城市黑臭水體的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失衡，給群眾帶來了極差的感官體驗(yàn)，成為目前較為突出的水環(huán)境問題，也嚴(yán)重影響著我國城市的良好發(fā)展。

目前，國內(nèi)外對城市黑臭水體的概念、機(jī)理、產(chǎn)生的原因已經(jīng)開展研究，但依然存在較多不足與瓶頸，形成機(jī)理還未全面明確、評價(jià)體系還未統(tǒng)一建立。本文基于眾多學(xué)者在黑臭水體方面的研究基礎(chǔ)，對城市黑臭水體形成機(jī)理、產(chǎn)生的原因進(jìn)行了概括，重點(diǎn)在如何對黑臭水體進(jìn)行判別和界定方面進(jìn)行總結(jié)和評述，并對未來城市黑臭水體研究發(fā)展方向進(jìn)行了討論與展望，以期為后續(xù)黑臭水體判別標(biāo)準(zhǔn)的制定及治理提供理論基礎(chǔ)。

1. 黑臭水體內(nèi)涵與研究回顧

水體黑臭是水體有機(jī)污染的一種極端現(xiàn)象，是對水體極端污染狀態(tài)的一種描述 。所謂“黑臭”，可以從外在視覺感官和內(nèi)在形成機(jī)理兩個(gè)方面解釋。在視覺感官上，水體呈黑色或泛黑色，在嗅覺上會(huì)有刺激性氣味，引起人們不愉快、惡心或厭惡。從形成機(jī)理上，水體發(fā)黑發(fā)臭主要是在缺氧或厭氧狀況下，水體內(nèi)有機(jī)污染物發(fā)生系列物理、化學(xué)、生物作用的結(jié)果。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《城市黑臭水體整治工作指南》中也提及了城市黑臭水體概念，即城市范圍內(nèi)、呈現(xiàn)令人不悅的顏色和(或)散發(fā)令人不適氣味的水體的統(tǒng)稱。

隨著水體污染問題的日益嚴(yán)重以及大眾對黑臭水體問題的不斷關(guān)注，科學(xué)界對黑臭水體的認(rèn)識(shí)也隨之不斷深入，城市黑臭水體相關(guān)研究得到了發(fā)展。其過程大體可分為兩個(gè)階段：起始階段 與發(fā)展階段(圖1)。初始階段主要指出了黑臭水體的存在，提出了黑臭水體的內(nèi)涵，初步分析了黑臭水體形成機(jī)理及原因;發(fā)展階段主要針對河流、湖泊、水庫等不同類型水體的黑臭產(chǎn)生原因及機(jī)理展開深入研究，同時(shí)豐富了黑臭水體治理技術(shù)、修復(fù)方法等技術(shù)研究;關(guān)于黑臭水體評價(jià)方法、指標(biāo)體系等研究是近兩年相關(guān)研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。

目前我國在城市黑臭水體評價(jià)研究中存在的主要問題有：1)內(nèi)涵認(rèn)識(shí)不足。城市黑臭水體概念尚無統(tǒng)一、明確的定義;多數(shù)概念強(qiáng)調(diào)物理或化學(xué)等單一屬性，忽略從物理-化學(xué)-生物綜合指標(biāo)進(jìn)行定義。2)評價(jià)方法不統(tǒng)一。國內(nèi)評價(jià)方法主要集中在基于單一化學(xué)指標(biāo)評價(jià)，與國外流行的非線性回歸模型評價(jià)方法結(jié)合不夠。另外，評價(jià)指標(biāo)的科學(xué)性與代表性也未能形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。3)關(guān)鍵支撐技術(shù)不完善。對于城市黑臭水體評價(jià)與治理的關(guān)鍵支撐技術(shù)關(guān)注還不夠，原型觀測與模型等基礎(chǔ)研究需進(jìn)一步開展。

2. 城市黑臭水體成因及機(jī)理

2.1 黑臭水體污染源

2.1.1 有機(jī)污染物入河有機(jī)污染物入河是造成水體黑臭現(xiàn)象的主要原因之一。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市居住人口激增，人口布局相對集中，造成城市污水處理能力不足，截污治污設(shè)施相對落后，加之城市地表徑流污染負(fù)荷較大，造成大量有機(jī)污染物排入水體。有機(jī)污染物主要包括有機(jī)碳污染源(化學(xué)需氧量COD、生化需氧量BOD)、有機(jī)氮污染物(氨氮)以及含磷化合物，這些污染物主要來自廢水、污水中的糖類、蛋白質(zhì)、氨基酸、油脂等有機(jī)物的分解，在分解過程中消耗大量的溶解氧，造成水體缺氧，厭氧微生物大量繁殖并分解有機(jī)物產(chǎn)生大量致黑致臭物質(zhì)，從而引起水體發(fā)黑發(fā)臭。大多數(shù)有機(jī)物富集在水體表面形成有機(jī)物膜會(huì)破壞正常水氣界面交換，從而加劇水體發(fā)黑發(fā)臭。

2.1.2 底質(zhì)污染與底泥再懸浮底泥再懸浮是導(dǎo)致水體黑臭的重要因素之一。底泥作為城市水體的重要內(nèi)源污染物，在水力沖刷、人為擾動(dòng)以及生物活動(dòng)影響下，引起沉積底泥再懸浮，進(jìn)而在一系列物理-化學(xué)-生物綜合作用下，吸附在底泥顆粒上的污染物與孔隙水發(fā)生交換，從而向水體中釋放污染物，大量懸浮顆粒漂浮在水中，導(dǎo)致水體發(fā)黑、發(fā)臭;另外大量底泥為微生物提供良好的生存空間，其中放線菌和藍(lán)藻通過代謝作用使得底泥甲烷化、反硝化，導(dǎo)致底泥上浮及水體黑臭。陸桂華等針對太湖地區(qū)發(fā)生的局部黑臭水體現(xiàn)象，通過實(shí)地監(jiān)測與資料分析，表明局部黑臭水體形成區(qū)域分布與太湖底部淤泥集中區(qū)域位置基本一致，并進(jìn)一步指出，湖泊中藻類大量繁殖后發(fā)生死亡沉降，藻類有機(jī)質(zhì)的大量堆積是底泥的主要成分，也是形成局部黑臭水體的發(fā)生基礎(chǔ)。

2.1.3 水體熱污染城市水體中往往會(huì)有大量較高溫度的工業(yè)冷卻水、污水處理廠退水以及居民日常生活污水等排入，導(dǎo)致局部甚至整個(gè)水體水溫升高。水體中微生物在適宜水溫下發(fā)生強(qiáng)烈的活動(dòng)，致使水體中的大量有機(jī)物分解，降低溶解氧，釋放各種發(fā)臭物質(zhì)。水體一般在夏季出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象比在冬季顯著增多，主要原因是一方面微生物的活動(dòng)頻率與溫度表現(xiàn)出顯著正相關(guān)性，另一方面水體中的溶解氧含量隨著溫度的升高而降低。Wood等指出，水體溫度低于8℃和高于35℃時(shí)，放線菌分解有機(jī)物產(chǎn)生致黑致臭物質(zhì)的活動(dòng)受到限制，一般不會(huì)黑臭，而在25 ℃時(shí)放線菌的繁殖量達(dá)到最高，水體的黑臭也達(dá)到最大。

2.2 水動(dòng)力學(xué)條件

水動(dòng)力學(xué)條件不足、水循環(huán)不暢也是引起河道水體黑臭的原因之一，諸如河道水量不足、流速低緩以及河道渠道化、硬質(zhì)化等都有可能導(dǎo)致河道黑臭。Hishida等在分析Yodo河黑臭河道的原因時(shí)指出，由于河道水流不暢，導(dǎo)致水體中藻類濃度過高，水體出現(xiàn)霉臭味。張敏等在分析浦東新區(qū)城市河道水體黑臭原因時(shí)指出，河道污泥淤積導(dǎo)致的河床太高、水生植物瘋長、閘壩阻攔造成河道流水不暢，甚至形成死水，導(dǎo)致水體環(huán)境惡化，同時(shí)指出河道的渠道化、硬質(zhì)化，割裂了土壤與水體的滲透關(guān)系，阻斷了水體自然循環(huán)過程，形成污染物積累，水體自凈能力顯著減弱，水體惡化敏感性增強(qiáng)，導(dǎo)致水體出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象。

水循環(huán)與水污染過程緊密相連。城市水循環(huán)是水污染形成、遷移、轉(zhuǎn)化等一系列過程的載體，又是影響其動(dòng)力學(xué)過程的因素之一。水循環(huán)對水污染過程的作用主要從兩方面體現(xiàn)：一是人類活動(dòng)不斷改變自然水循環(huán)的動(dòng)力學(xué)過程，改變了河流特征，影響到污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程，進(jìn)而影響流域水環(huán)境狀況。原水調(diào)配不合理和人工取用水量的增加在一定程度上減少了區(qū)域自然水循環(huán)通量;人工水循環(huán)過程中的耗水量增加又導(dǎo)致取用水量的不斷增加等導(dǎo)致水體水量不足，黑臭現(xiàn)象易發(fā);另一方面，污染物伴隨水循環(huán)過程也發(fā)生著遷移轉(zhuǎn)換，水污染物在各水循環(huán)要素過程中會(huì)與環(huán)境中的其他物質(zhì)及其自身相互反應(yīng)，在水循環(huán)條件不具備時(shí)，部分生成物又會(huì)對環(huán)境造成二次污染，進(jìn)一步降低水資源與水環(huán)境質(zhì)量。

2.3 黑臭水體形成的化學(xué)機(jī)理

2.3.1 致黑機(jī)理水體致黑原理主要以下2種，一是以固態(tài)或吸附于懸浮顆粒上的形式存在于水體中的不溶性物質(zhì);另一是溶于水的帶色腐殖質(zhì)類有機(jī)化合物。羅紀(jì)旦等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水體發(fā)黑與懸浮顆粒有直接聯(lián)系，懸浮顆粒中的致黑物質(zhì)主要是腐殖酸和富里酸。應(yīng)太林等對蘇州河水體黑臭進(jìn)行研究，通過沉淀分離、充氧及氧化還原點(diǎn)位測定等試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)懸浮顆粒對水體致黑起到主導(dǎo)作用，并指出懸浮顆粒中的腐殖酸和富里酸因吸附絡(luò)合了Fe、Mn 和S的化合物成為主要致黑化學(xué)物，并證明了Fe2+ 在致黑方面的主導(dǎo)作用。丁琦等也通過試驗(yàn)證明，水體發(fā)黑主要與吸附了FeS的帶電膠體懸浮顆粒有關(guān)。盧信等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)物只要達(dá)到一定負(fù)荷水平(1.0 g˙L-1)對水體均有致黑作用，但含硫有機(jī)物相比不含硫有機(jī)物，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致水體變黑，且水體顏色更深.因此，從致黑物質(zhì)的元素形態(tài)組成方面主要指Fe、S及其化合物FeS。

圖2為鐵元素(Fe)在自然河道水體中的形態(tài)轉(zhuǎn)化過程。Fe主要以鐵氧化物和氫氧化物形式進(jìn)入水體，經(jīng)過好氧帶、活性反應(yīng)帶、厭氧帶，最終沉入水底.未出現(xiàn)黑臭水體中，好氧帶、活性反應(yīng)帶、厭氧帶3個(gè)帶分層合理，鐵離子轉(zhuǎn)化處于良好循環(huán)狀態(tài)。當(dāng)大量有機(jī)污染物等好氧物質(zhì)進(jìn)入水體時(shí)引起水體溶解氧降低，“3帶”分層被破壞，活性反應(yīng)帶向水體上層移動(dòng)且厚度縮小甚至消失，厭氧帶厚度增大，整個(gè)水體普遍呈厭氧還原狀態(tài)，此時(shí)鐵的循環(huán)被完全破壞，大量二價(jià)鐵離子累積，與厭氧狀態(tài)下產(chǎn)生的硫化氫結(jié)合成硫化亞鐵。

圖3為硫元素(S)在河道水體中的轉(zhuǎn)化過程。S主要以硫酸鹽和有機(jī)硫的形式進(jìn)入到水體，未受重污染的水體中硫的形態(tài)轉(zhuǎn)化途徑暢通。與Fe類似，當(dāng)大量有機(jī)物等耗氧物質(zhì)進(jìn)入水體后，水體溶解氧下降到一定程度后，有機(jī)硫分解和硫酸鹽還原產(chǎn)生的H2S 繼續(xù)氧化耗氧使得水體中的溶解氧進(jìn)一步減少，甚至下降為零，整個(gè)水體呈厭氧還原態(tài)。這種情況下，只有少數(shù)微生物能同化H2S，大多數(shù)情況下H2S等都須先轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩猁}，然后才能固定為有機(jī)硫化合物。沒有被氧化和同化的H2S一部分與水體中的Fe2+等形成FeS。FeS是黑色沉積物，水體中微小的懸浮物質(zhì)會(huì)吸附一部分FeS，而部分沉積于水底的FeS沉積物還會(huì)在厭氧分解產(chǎn)生的氣體或氣泡托浮作用下重新進(jìn)人水體，再加上其他因素的協(xié)同作用，使水體呈現(xiàn)黑色。在不同的厭氧微生物的參與下發(fā)生以下反應(yīng)：

含硫蛋白質(zhì)→ 半胖氨酸+H2 →H2S+NH3+CH3COOH

SO42- +有機(jī)物→H2S+H2O+CO2

Fe(OH)3 →Fe2+

Fe+H2S→FeS

圖3. 硫在河道水體中的轉(zhuǎn)化過程

2.3.2 致臭機(jī)理 根據(jù)不同產(chǎn)臭途徑和致臭物質(zhì)，致臭機(jī)理大致分為以下3種：1)H2S、NH3等小分子氣體。當(dāng)水體遭受嚴(yán)重有機(jī)物質(zhì)污染時(shí)，有機(jī)物好氧分解使得水體中耗氧速率>復(fù)氧速率，造成水體缺氧。在缺氧水體中，產(chǎn)臭過程會(huì)與致黑同步，有機(jī)物厭氧分解產(chǎn)生甲烷(CH4)、硫化氫(H2S)、氨(NH3)等具有異味易揮發(fā)的小分子化合物溢出水面進(jìn)入大氣，因而散發(fā)出臭味。丁琦等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水體發(fā)臭主要為含硫、氮等有機(jī)物分解時(shí)逸出的H2S和NH3等所致。此外，有機(jī)物在分解過程中還產(chǎn)生低碳脂肪酸及胺類等。H2S、NH3 等在水體中發(fā)生的反應(yīng)如下：

HCOOC(NH2)HCH2SH+2H2O →CH3CHOOH+HCOOH +NH3 +H2S

C6H12O6 →2CH3COCOOH+4H →2CH3CHOHCOOH

2)硫醚類化合物。通過對腐殖物質(zhì)的分析，從腐殖酸、富里酸的酸水解產(chǎn)物中得到的20種氨基酸和大量游離氨，這些氨基酸在水體中以脫氨基作用、脫羧酸作用以及某些細(xì)菌如變形桿菌分解含硫氨基酸，在產(chǎn)生大量的游離氨臭氣的同時(shí)，也產(chǎn)生大量具有相當(dāng)臭味的硫醚類化合物等導(dǎo)致水體發(fā)臭。

揮發(fā)性有機(jī)硫化物(VOSCs)被證實(shí)為主要的致臭物質(zhì)。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，甲硫醇(MeSH)、二甲基硫醚(DMS)、二甲基二硫醚( DMDS)、二甲基三硫醚(DMTS)以及二甲基四硫醚(DMTeS)是黑臭水體的主要致臭物質(zhì)。盧信等 通過試驗(yàn)研究認(rèn)為，只有含硫有機(jī)物才具有致臭作用，并確定蛋氨酸為VOSCs的主要前驅(qū)物。

3)喬司脒和2-二甲基異莰醇。當(dāng)水體處于厭氧狀態(tài)或營養(yǎng)鹽相對較高時(shí)，水體中存在大量放線菌、藻類和真菌，其新陳代謝過程中會(huì)分泌多種醇類異臭物質(zhì)。土臭素，包括喬司脒(Geosmin, C12H20O)和2-二甲基異莰醇(2-MBI，C11H20O )，是國內(nèi)外研究中普遍認(rèn)為導(dǎo)致水體發(fā)臭的主要物質(zhì)之一(圖4)。Gerber于20 世紀(jì)40年代先后從放線菌的發(fā)酵液中提取到喬司脒和2-二甲基異莰醇，因此，放線菌最初被認(rèn)為是臭味化合物的主要來源。隨后，人們的注意力轉(zhuǎn)向藻類，主要是藍(lán)藻，如顫藻(Oscillatoria)、旋藻(Lyngbya)、席藻(Phorium)和魚腥藻(Anabaena)，隨后不斷有學(xué)者證實(shí)一些真核藻類，如硅藻也是喬司脒和2-二甲基異莰醇的重要來源。喬司脒和2-MBI在較低濃度情況下就能導(dǎo)致天然水體發(fā)臭，其發(fā)臭閾值分別是4和9ng˙L-1 。

3. 城市黑臭水體評價(jià)方法

3.1 黑臭評價(jià)指標(biāo)與確定方法

在城市黑臭水體評價(jià)指標(biāo)研究中，主要包括了物理指標(biāo)和化學(xué)指標(biāo)兩種。在物理指標(biāo)方面，方宇翹等從物理表觀角度，基于人的感官體驗(yàn)，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(gè)等級(jí)，指出臭味感覺級(jí)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(biāo)準(zhǔn)，如何準(zhǔn)確運(yùn)用人的感覺表述黑臭水體是未來實(shí)踐工作中亟需開展的工作。

在化學(xué)指標(biāo)方面，單一指標(biāo)，國內(nèi)學(xué)者普遍以溶解氧(DO)指標(biāo)作為界定水體是否黑臭的基本標(biāo)準(zhǔn)。認(rèn)為水體中當(dāng)DO<2.0 mg˙L-1 時(shí)，表示出現(xiàn)黑臭。另外部分學(xué)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(biāo)，用以表征黑臭水體的程度。戴樹桂等通過模式試驗(yàn)得出CH=21.5可作為水體黑臭與否的臨界指標(biāo)。俞欣等通過論證氧化還原電位(ORP) 與部分黑臭因子DO、S2-、pH、SO42-之間具有較好的相關(guān)性，通過現(xiàn)場快速監(jiān)測ORP評價(jià)水體黑臭狀況，當(dāng)ORP>-50mg˙L-1時(shí)，水體不黑臭，ORP<-100 mg˙L-1 時(shí)，水體出現(xiàn)黑臭，ORP<-200mg˙L-1，水體處于嚴(yán)重黑臭狀態(tài)。依靠單一臨界指標(biāo)判斷水體黑臭在實(shí)際應(yīng)用中具有簡單、快捷等優(yōu)點(diǎn)，但有時(shí)候往往無法準(zhǔn)確描述現(xiàn)狀，且不同的研究者對同一指標(biāo)參考的臨界值也不盡相同，從整體上看，單一指標(biāo)法可靠性相對較低。

綜合化學(xué)指標(biāo)方面，主要建立了以DO、BOD5、CODCr、NH4+-N、總磷(TP)等為常規(guī)指標(biāo)的表征方法，設(shè)置各項(xiàng)指標(biāo)濃度閾值，通過各指標(biāo)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(biāo)為：CH=21.5、DO =1.8mg˙L-1、BOD5=14mg˙L-1;產(chǎn)生H2S細(xì)菌數(shù)N=2000 個(gè)˙L-1。程江等提出適合中小河道水體預(yù)測和評價(jià)黑臭的關(guān)鍵指標(biāo)為：DO≤2mg˙L-1、CODCr≥15mg˙L-1、BOD5≥14mg˙L-1、NH4+-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(jī)碳≥150mg˙L-1，總氮≥50mg˙L-1，e2+ ≥0.2mg˙L-1，溫度≥25 ℃，水深≥0.9m及厭氧條件時(shí)，高污染水體發(fā)生黑臭。綜合化學(xué)臨界指標(biāo)法在實(shí)際應(yīng)用中與單一法類似，均較為快捷，但往往全部指標(biāo)都符合臨界值要求時(shí)，仍無法準(zhǔn)確得出研究水體是否黑臭，可靠性并不高。

3.2 黑臭指數(shù)(I)法

黑臭指數(shù)(I)是通過構(gòu)建綜合指標(biāo)全面評價(jià)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(jià)黃浦江水系河道黑臭情況;2)有機(jī)污染指數(shù)(A值)，該指數(shù)綜合考慮了BOD5、CODCr、NH4+-N和DO等4種因素對黑臭的影響;3) 黑臭多因子加權(quán)指數(shù)(W)，是通過實(shí)地調(diào)研、觀測試驗(yàn)，研究各種影響因素與水體黑臭的相關(guān)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(guān)鍵指標(biāo)之間的關(guān)系方程，目前國內(nèi)已建立了多項(xiàng)用于黑臭評價(jià)的判別關(guān)系式，并不斷應(yīng)用于實(shí)踐中。表1總結(jié)了城市黑臭水體判別關(guān)系。

表1. 黑臭水體判別式

由于不同學(xué)者針對的是不同地區(qū)的不同河流，應(yīng)用的黑臭水體判別式各異，選擇的關(guān)鍵指標(biāo)也不盡相同，從而使黑臭指數(shù)的判別標(biāo)準(zhǔn)也有較大差異。李鵬章通過實(shí)際采樣，對1~8號(hào)判別式的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，通過判別式計(jì)算結(jié)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(jié)果不一樣，且最高判定正確率只有20%。

3.3 多元非線性回歸模型

有學(xué)者認(rèn)為，用于黑臭水體評價(jià)的指標(biāo)與各水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系是復(fù)雜的，不能用簡單的線性關(guān)系進(jìn)行指示，因此需要建立評價(jià)指標(biāo)與各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)之間的非線性關(guān)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(biāo)并分析各水質(zhì)指標(biāo)與水體黑臭程度的相關(guān)性，隨后選取相關(guān)性高的水質(zhì)指標(biāo)建立模型。Can-field等在對弗羅里達(dá)州的165個(gè)湖泊的水色研究中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測多項(xiàng)物理、化學(xué)和生物指標(biāo)，并分析各指標(biāo)與水體黑臭之間的相關(guān)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=6.19 lgTN+2.5 lgTP-6.25 lgChla- 13.3,

R2=0.78

其研究結(jié)果表明，湖泊水色與透明度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與水體中Fe的濃度呈正相關(guān)，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(guān)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(yù)測其含量也是評價(jià)水體黑臭的重要方法。國外一些學(xué)者通過對水體濁度、透明度、電導(dǎo)率的監(jiān)測及測定水體COD、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(yù)測研究水體中喬司脒的含量來達(dá)到評價(jià)水體黑臭的目的。主要評價(jià)模型見表2。

表2. 基于喬司脒預(yù)測的黑臭水體評價(jià)模型

由于不同學(xué)者針對的是不同地區(qū)的不同河流，應(yīng)用的黑臭水體判別式各異，選擇的關(guān)鍵指標(biāo)也不盡相同，從而使黑臭指數(shù)的判別標(biāo)準(zhǔn)也有較大差異。李鵬章通過實(shí)際采樣，對1~8號(hào)判別式的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，通過判別式計(jì)算結(jié)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(jié)果不一樣，且最高判定正確率只有20%。

3.3 多元非線性回歸模型

有學(xué)者認(rèn)為，用于黑臭水體評價(jià)的指標(biāo)與各水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系是復(fù)雜的，不能用簡單的線性關(guān)系進(jìn)行指示，因此需要建立評價(jià)指標(biāo)與各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)之間的非線性關(guān)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(biāo)并分析各水質(zhì)指標(biāo)與水體黑臭程度的相關(guān)性，隨后選取相關(guān)性高的水質(zhì)指標(biāo)建立模型。Can-field等在對弗羅里達(dá)州的165個(gè)湖泊的水色研究中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測多項(xiàng)物理、化學(xué)和生物指標(biāo)，并分析各指標(biāo)與水體黑臭之間的相關(guān)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=6.19 lgTN+2.5 lgTP-6.25 lgChla- 13.3,

R2=0.78

其研究結(jié)果表明，湖泊水色與透明度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與水體中Fe的濃度呈正相關(guān)，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(guān)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(yù)測其含量也是評價(jià)水體黑臭的重要方法。國外一些學(xué)者通過對水體濁度、透明度、電導(dǎo)率的監(jiān)測及測定水體COD、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(yù)測研究水體中喬司脒的含量來達(dá)到評價(jià)水體黑臭的目的。主要評價(jià)模型見表2。

表2. 基于喬司脒預(yù)測的黑臭水體評價(jià)模型

由于不同學(xué)者針對的是不同地區(qū)的不同河流，應(yīng)用的黑臭水體判別式各異，選擇的關(guān)鍵指標(biāo)也不盡相同，從而使黑臭指數(shù)的判別標(biāo)準(zhǔn)也有較大差異。李鵬章通過實(shí)際采樣，對1~8號(hào)判別式的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，通過判別式計(jì)算結(jié)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(jié)果不一樣，且最高判定正確率只有20%。

3.3 多元非線性回歸模型

有學(xué)者認(rèn)為，用于黑臭水體評價(jià)的指標(biāo)與各水質(zhì)指標(biāo)之間的關(guān)系是復(fù)雜的，不能用簡單的線性關(guān)系進(jìn)行指示，因此需要建立評價(jià)指標(biāo)與各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)之間的非線性關(guān)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(biāo)并分析各水質(zhì)指標(biāo)與水體黑臭程度的相關(guān)性，隨后選取相關(guān)性高的水質(zhì)指標(biāo)建立模型。Can-field等在對弗羅里達(dá)州的165個(gè)湖泊的水色研究中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測多項(xiàng)物理、化學(xué)和生物指標(biāo)，并分析各指標(biāo)與水體黑臭之間的相關(guān)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=6.19 lgTN+2.5 lgTP-6.25 lgChla- 13.3,

R2=0.78

其研究結(jié)果表明，湖泊水色與透明度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與水體中Fe的濃度呈正相關(guān)，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(guān)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(yù)測其含量也是評價(jià)水體黑臭的重要方法。國外一些學(xué)者通過對水體濁度、透明度、電導(dǎo)率的監(jiān)測及測定水體COD、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(yù)測研究水體中喬司脒的含量來達(dá)到評價(jià)水體黑臭的目的。主要評價(jià)模型見表2。

表2. 基于喬司脒預(yù)測的黑臭水體評價(jià)模型

多元非線性回歸模型在建立過程中考慮了多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，在評價(jià)模型建立過程中監(jiān)測了pH、水溫、DO、NH4+-N、TN、TP、PO43--P 、溫度、Chla、藍(lán)細(xì)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(jìn)行了篩選，能夠較全面、準(zhǔn)確地預(yù)測水體的黑臭狀況。但是由于涉及到的參數(shù)太多，監(jiān)測過程也比較復(fù)雜。目前國內(nèi)使用非線性回歸模型多用來評價(jià)湖泊、水庫，對河道黑臭的研究鮮有報(bào)道，卻是一種值得借鑒的河道黑臭評價(jià)方法。

3.4 綜合評價(jià)法

目前用于黑臭水體評價(jià)的綜合評價(jià)法主要包括模糊數(shù)學(xué)評價(jià)法、灰色系統(tǒng)評價(jià)法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法。模糊數(shù)學(xué)評價(jià)和灰色系統(tǒng)評價(jià)屬于矩陣運(yùn)算分析法，是基于矩陣運(yùn)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(shí)，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(fù)雜性，應(yīng)用商權(quán)賦權(quán)法確定各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重， 對不同水期， 考慮BOD5、CODCr、NH4+-N、Mn、DO、CH、Fe、P 等指標(biāo)，建立了熵權(quán)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(gè)指標(biāo)對河流黑臭污染的貢獻(xiàn)率，避免了人為或者主觀因素造成的權(quán)重賦予失衡，用來準(zhǔn)確評價(jià)干旱地區(qū)河流黑臭情況。

誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP 網(wǎng)絡(luò))是水質(zhì)評價(jià)中最典型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)方法。該方法通過反復(fù)的正饋和反饋，對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使之得出與樣本預(yù)期輸出相符合的結(jié)果，進(jìn)而應(yīng)用BP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)。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(luò)技術(shù)(artifi-cialneuralnetwork，ANN)，建立了12項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測水體臭味，并與多元線性回歸法(MLR) 進(jìn)行對比，結(jié)果表明，由于水體黑臭與水環(huán)境指標(biāo)之間的非線性關(guān)系，ANN比MLR 更適合對水體黑臭進(jìn)行評價(jià)與預(yù)測。徐明德等 考慮河流黑臭評價(jià)屬于多因素非線性評價(jià)，具有模糊現(xiàn)象，通過采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-隸屬度函數(shù)建立河流黑臭評價(jià)模型，解決了多致黑因子間的復(fù)雜作用關(guān)系，以網(wǎng)絡(luò)輸出收斂于兩等級(jí)間的模糊隸屬問題，實(shí)現(xiàn)了對河流黑臭的評價(jià)?；诰仃囘\(yùn)算評價(jià)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)等的黑臭水體綜合評價(jià)方法具有較高的科學(xué)性，能夠模擬人類思維方式，通過直觀推理進(jìn)行水質(zhì)評價(jià)，在對干旱地區(qū)河流黑臭水體評價(jià)中具有一定的優(yōu)勢。

4. 研究展望

本文對城市黑臭水體的內(nèi)涵、成因及形成機(jī)理進(jìn)行了評述，重點(diǎn)論述了城市黑臭水體的評價(jià)方法，認(rèn)識(shí)到合理的指標(biāo)與方法是全面、準(zhǔn)確地進(jìn)行黑臭水體識(shí)別和分級(jí)的關(guān)鍵，因此未來需要從進(jìn)一步深入探索黑臭成因、評價(jià)體系角度開展針對性的黑臭水體治理對策研究。

1)明確城市黑臭水體形成機(jī)理。本文從污染源、化學(xué)機(jī)理、水動(dòng)力學(xué)條件等3個(gè)方面總結(jié)了目前黑臭水體形成的主要成因。但在實(shí)際研究中，黑臭水體成因需針對不同地區(qū)、不同類型、不同污染源構(gòu)成以及不同水體功能類別進(jìn)行區(qū)分，明確湖庫、大江大河以及城市溝渠等不同類型水體在黑臭形成中的差異，以便有針對性地確定治理對策。另一方面，城市水循環(huán)對水體水質(zhì)的作用日益顯著，通過構(gòu)建城市二元水循環(huán)及其伴生過程綜合模擬平臺(tái)，考慮各類污染源產(chǎn)生、入河及其在河道中的遷移轉(zhuǎn)化過程，不斷完善城市水循環(huán)對水體水環(huán)境的影響機(jī)理，開展基于水循環(huán)改善的黑臭水體綜合整治集成技術(shù)顯得日益重要。

2)豐富黑臭水體評價(jià)指標(biāo)體系。研究證明，與黑臭水體具有較高的相關(guān)性的指標(biāo)主要有：DO、BOD5、COD、氨氮、硝酸鹽氮、有機(jī)污染物、水溫、pH值等指標(biāo)，其中前4項(xiàng)在大多相關(guān)研究中被應(yīng)用到。因不同地區(qū)不同水體的黑臭成因不一，所以選擇的指標(biāo)也不盡相同，至今黑臭水體評價(jià)指標(biāo)還未統(tǒng)一或形成規(guī)范。同時(shí)，在充分考慮化學(xué)指標(biāo)的同時(shí)，需結(jié)合實(shí)際，增加黑臭水體水生生物指標(biāo)和人類感官指標(biāo)。

水生生物指數(shù)的黑臭水體評價(jià)指標(biāo)。目前，用于城市黑臭水體評價(jià)指標(biāo)多以水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)為主，其在一定程度上反映了水體黑臭情況，但還不盡完善。一些學(xué)者從黑臭水體危害角度也分析了黑臭河道水體對水生生物的生物毒性效應(yīng)。而水生生物種類和分布與河流水質(zhì)狀況有顯著的相關(guān)性，極端黑臭污染狀態(tài)更能改變水體水生生物系統(tǒng)，因此，需要增加黑臭水體的生物指標(biāo)，通過對城市黑臭水體大型底棲動(dòng)物、魚類、浮游動(dòng)植物采集與指標(biāo)計(jì)算，進(jìn)一步從生物學(xué)角度判別黑臭水體狀況和級(jí)別。

人類感官指標(biāo)的黑臭水體評價(jià)指標(biāo)。人類感官，如視覺、嗅覺、情緒反應(yīng)等，相對化學(xué)指標(biāo)更能夠直接、清晰地表達(dá)與指示水體黑臭狀況。因此，在綜合評價(jià)黑臭水體時(shí)，應(yīng)增加周圍群眾對水體的滿意度調(diào)查，通過實(shí)地走訪、網(wǎng)絡(luò)調(diào)查問卷形式對基于感官的黑臭水體狀況進(jìn)行定量化表述。

3)完善黑臭水體評價(jià)方法。隨著對河道黑臭水體認(rèn)識(shí)的不斷深入，目前在黑臭水體評價(jià)研究中也開展了大量工作，取得了階段性成果。但由于城市黑臭水體成因較為復(fù)雜，影響因素多，且全國各地區(qū)水系情況各異，現(xiàn)有研究多集中在南方地區(qū)，對于北部或西部干旱和半干旱地區(qū)，尤其針對缺乏新鮮水源補(bǔ)充、多以污水處理廠退水作為生態(tài)用水的城市水體，需要在進(jìn)一步明確形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用科學(xué)合理的評價(jià)方法。

4)加強(qiáng)黑臭水體處置對策技術(shù)研究。研究黑臭水體形成機(jī)理及評價(jià)方法的最終目的是制定行之有效的處置對策。應(yīng)加強(qiáng)黑臭水體處置技術(shù)研究，針對水體的主要致黑致臭因子，深入研究水體放線菌高效去除方法、喬司脒和2-MBI檢測與去除技術(shù)、飲用水源地水體痕量致臭物質(zhì)去除技術(shù)等。在污染源控制的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)管理、監(jiān)督，完善法律法規(guī)，通過工程性措施與非工程性措施相結(jié)合，采用物理、化學(xué)和生物-生態(tài)法綜合工程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境質(zhì)量改善，解決城市黑臭水體問題。