基于綜合水質(zhì)標識指數(shù)法的石佛寺水庫水質(zhì)評價與分析

單志朋

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽110003)

水體的水質(zhì)狀況往往受諸多因素影響，所以有必要對水體受污染程度及影響水質(zhì)級別的污染物質(zhì)進行綜合評價分析。國內(nèi)對于水質(zhì)評價的研究方法頗多，具有代表性的方法如可確定性的單因子指數(shù)法、污染指數(shù)法，不可確定性的層次分析法、灰色評價法[1]。本文選擇的評價方法是基于單因子指數(shù)法優(yōu)化而建立的綜合水質(zhì)標識指數(shù)法，本方法是由Brownd[2]提出的通過計算水質(zhì)標識指數(shù)的水質(zhì)質(zhì)量指數(shù)法(WQI)[3]，避免了因個別水質(zhì)污染指標較差而否定了綜合水質(zhì)質(zhì)量，科學涵蓋了水體的綜合水質(zhì)類別、水體污染程度和水質(zhì)變化趨勢分析，即可作定性分析，又可作定量評價，且評價結(jié)果直觀合理，具有可參考性[4]，在中國針對河流的水質(zhì)評價中應(yīng)用較廣泛。

本文主要以石佛寺水庫為研究對象，通過搜集濕地進、出口的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法進行水質(zhì)評價，明確當前水環(huán)境存在的問題，為接下來石佛寺水庫的濕地建設(shè)管理提供可行性的參考與建議。

1 研究區(qū)概況與監(jiān)測點布設(shè)

1.1 研究區(qū)概況

石佛寺水庫亦稱石佛寺人工濕地。水庫建設(shè)在遼寧省沈陽市沈北新區(qū)黃家鄉(xiāng)與法庫縣依牛堡鄉(xiāng)之間[5]，距離沈陽市區(qū)約47 km，為典型的河道型平原水庫，屬于遼河干流上唯一的一座大型控制性綜合水利工程[6]。壩址以上流域面積164 786 km2，其中遼寧省內(nèi)流域面積16 161 km2。庫區(qū)淹沒范圍為50.41 km2，回水長度21.17 km。

石佛寺人工濕地于2009年在石佛寺水庫的基礎(chǔ)上建設(shè)而成，自2009年實施生態(tài)建設(shè)工程起，有效改善了遼河中下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。經(jīng)過調(diào)查，除已栽植的3種水生植物外(荷花、蘆葦和蒲草)，又生長了許多濕地植物種類，包括挺水植物、沉水植物、浮葉植物和漂浮植物[7]，良好的濕地生態(tài)環(huán)境使得許多水鳥與珍稀野生動物在此生長繁衍，已構(gòu)成以“人與自然和諧相處”為理念的濕地生態(tài)系統(tǒng)。

石佛寺水庫庫區(qū)整體可作為一個大型人工濕地考慮。它是遼河自然保護區(qū)的重要濕地，作為東北地區(qū)大型表面流人工濕地[8]，它與盤錦雙臺子河口濕地、鐵嶺蓮花湖濕地一起構(gòu)成了保護區(qū)內(nèi)的重要濕地系統(tǒng)，在改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著不可替代的作用，而且作為水利風景區(qū)有著獨特的濕地景觀。

1.2 監(jiān)測點布設(shè)

為了更客觀地評價濕地整體水質(zhì)狀況，本次監(jiān)測點的布設(shè)選在濕地進口和出口處，這樣便于分析水體在通過濕地后水質(zhì)是否得到凈化改善。監(jiān)測點布設(shè)見圖1，其中測點1為濕地進口，水流在通過濕地蘆葦區(qū)、荷花區(qū)等區(qū)域后到達濕地出口，即測點2。為減小誤差，使數(shù)據(jù)更準確，對每個監(jiān)測點同時取3個水樣，通過求平均值的方式作為最終獲得水質(zhì)評價的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的處理：將2009—2015年測點1和測點2各年的逐月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)劃分為汛期(6—9月份)和非汛期(1—5月、10—12月)2個時間段，這樣可以對比分析水質(zhì)與天然徑流、植物枯萎等因素的關(guān)系。監(jiān)測指標有溶解氧(DO)、化學需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總磷(TP)、總氮(TN)。

2 綜合水質(zhì)標識指數(shù)法

2.1 確定評價指標標準

本文所利用的綜合水質(zhì)標識指數(shù)法中參考的標準均來自于國家規(guī)定的GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》，標準中將各污染指標的參數(shù)值作為評判水質(zhì)優(yōu)劣的5個等級。各評價指標標準值見表1。

表1 各評價指標標準值 mg/L

2.2 確定單因子水質(zhì)標識指數(shù)

單因子水質(zhì)標識指數(shù)[9]Pi是由一位整數(shù)和小數(shù)點后兩位有效數(shù)字構(gòu)成，可表示為式(1)：

Pi=X1·X2X3

(1)

式中X1——第i項水質(zhì)監(jiān)測指標對應(yīng)的水質(zhì)類別；X2——水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間中所代表的位置，具體符號意義見圖2；X3——該水質(zhì)類別是否劣于水環(huán)境功能區(qū)標準類別的判定結(jié)果[10]。

式(1)中X2的取值由所處水質(zhì)級別同《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅴ類水質(zhì)標準相比較來確定。

a) 當水質(zhì)優(yōu)于Ⅴ類水上限值時，非溶解氧指標用式(2)表示：

(2)

式中ρi——第i項指標的實測濃度值；ρik上、ρik下——第i項水質(zhì)指標的第k類水區(qū)間質(zhì)量濃度上限值與下限值，其中，k=X1。

由于DO的質(zhì)量濃度隨水質(zhì)類別數(shù)的增加而減少，因此在計算方法上與其他指標有所差異。具體見式(3):

(3)

式中ρDO——DO的實測濃度值；ρDOk上、ρDOk下——DO在第k類水區(qū)間質(zhì)量濃度的上限值與下限值，其中，k=X1。

b) 當水質(zhì)劣于或等于Ⅴ類水上限值時，對于非溶解氧指標中X1·X2的確定表示為式(4)：

(4)

對于DO指標X1·X2可表示為式(5)：

(5)

式中m——修正系數(shù)，通常取m=4。

X3的取值標準可分為如下3種形式。

a) 當所處水質(zhì)級別優(yōu)于規(guī)定的水功能區(qū)類別標準時，X3=0(石佛寺水庫水功能區(qū)類別為Ⅲ類水)。

b) 當所處水質(zhì)級別劣于規(guī)定的水功能區(qū)類別標準，且X2不為0時，則有：

X3=X1-f

(6)

c) 當所處水質(zhì)級別劣于規(guī)定的水功能區(qū)類別標準，且X2為0時，則有：

X3=X1-f-1

(7)

式中f——水功能區(qū)類別標準，由于石佛寺水庫水功能區(qū)類別為Ⅲ類水，所以f取3。

2.3 確定綜合水質(zhì)標識指數(shù)WQI

綜合水質(zhì)標識指數(shù)WQI是基于單因子水質(zhì)標識指數(shù)而組成的，見式(8):

WQI=X1·X2X3X4

(8)

式中X1·X2——求得各監(jiān)測指標單因子水質(zhì)標識指數(shù)總和的平均值，用式(9)表示；X3——參與水質(zhì)評價的各監(jiān)測指標中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標標準的單項指標個數(shù)[11]，功能區(qū)目標標準值參照表2。

(9)

式中m——參評水質(zhì)評價指標的個數(shù)；P1、P2——單因子水質(zhì)標識指數(shù)。

式(8)中X4為監(jiān)測區(qū)綜合水質(zhì)類別對水體功能區(qū)類別標準的比較結(jié)果[12]，綜合水質(zhì)級別參照表2。

表2 綜合水質(zhì)評價級別標準

X4的取值標準可分為如下3種形式。

a) 綜合水質(zhì)級別優(yōu)于水體功能區(qū)標準類別標準時，則X4取0值。

b) 綜合水質(zhì)級別劣于水體功能區(qū)標準類別標準時，且X2不為0時，則X4采用式(10)進行計算：

X4=X1-f

(10)

c) 綜合水質(zhì)級別劣于水體功能區(qū)標準類別標準時，且X2為0時，則X4采用式(11)進行計算：

X4=X1-f-1

(11)

式中f——水功能區(qū)類別標準。

2.4 綜合水質(zhì)定性評價

對照水體功能區(qū)類別標準，將水體中水質(zhì)健康程度分為5級：優(yōu)、良好、輕度污染、中度污染、重度污染。依據(jù)水質(zhì)定性評價標準表3，確定監(jiān)測區(qū)的綜合水質(zhì)評價結(jié)果。

表3 水質(zhì)定性評價依據(jù)

2.5 綜合水質(zhì)類別隨時間變化評價

對石佛寺水庫各斷面在一定時間間隔內(nèi)水質(zhì)變化情況評價，可分為3類：基本不變、輕微變化、顯著變化。

a) 基本不變情況：

(12)

b) 輕微變化情況：

(13)

c) 顯著變化情況：

(14)

式中 (X1·X2)t1、(X1·X2)t2——該年內(nèi)前后2個時間段的X1·X2值[13]。

3 評價結(jié)果與分析

由于石佛寺人工濕地建設(shè)于2009年，故評價數(shù)據(jù)選用2009—2015年濕地進口、出口處汛期與非汛期2個時段的監(jiān)測數(shù)據(jù)。依據(jù)中國GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中水體污染因子類別，本文的參評指標選擇溶解氧(DO)、化學需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、總磷(TP)、總氮(TN)。

3.1 確定單因子水質(zhì)標識指數(shù)

以石佛寺水庫2015年汛期濕地進口的氨氮為例進行計算，該項指標的實測值為0.24 mg/L，由于在標準中介于Ⅰ類水和Ⅱ類水之間，所以取X1=2，表示此項指標所代表的是Ⅱ類水；按式(2)計算得到X2=(0.24-0.15)×10/(0.5-0.15)=2.57 mg/L；由于氨氮所處的水質(zhì)級別優(yōu)于規(guī)定的水功能區(qū)3類水質(zhì)，所以X3=0；因此單因子水質(zhì)標識指數(shù)Pi=X1·X2X2=2.3。以此類推，可算出其他監(jiān)測指標的單因子水質(zhì)標識指數(shù)Pi，匯總得到表4。由單因子水質(zhì)標識法的評價結(jié)果來看，水庫主要污染指標為TN和TP，其余各污染指標隨濕地的建設(shè)逐年得到降解。

表4 各監(jiān)測指標單因子水質(zhì)標識指數(shù)匯總 mg/L

3.2 確定綜合水質(zhì)標識指數(shù)WQI

以石佛寺水庫2015年汛期濕地進口為例進行計算，根據(jù)表5，各水質(zhì)指標的單因子標識指數(shù)求得WQI，由式(9)可得：X1·X2=(1+3.9+3.8+2.8+2.3+6.22+2.9)/7=3.2；經(jīng)與表2水環(huán)境標準值對比，監(jiān)測數(shù)據(jù)中有一項指標未達到水功能區(qū)Ⅲ類標準，所以X3=1；對照表3綜合水質(zhì)評價級別標準可知，綜合水質(zhì)級別達到標準要求，所以X4=0，故綜合水質(zhì)標識指數(shù)WQI=3.210。以此類推，將2009—2015年各監(jiān)測斷面的綜合水質(zhì)標識指數(shù)和綜合水質(zhì)級別評價結(jié)果匯總得到表5。

表5 各斷面綜合水質(zhì)標識指數(shù)、水質(zhì)級別和定性評價結(jié)果

為了更清晰地體現(xiàn)各斷面在汛期與非汛期水質(zhì)級別的變化趨勢情況，將表5中數(shù)據(jù)繪成圖。其中，黑色線范圍內(nèi)表示水功能區(qū)所要求的3類水質(zhì)級別，見圖3、4。

將表6中各綜合水質(zhì)標識指數(shù)根據(jù)年份取對應(yīng)平均值，可得到濕地整體水質(zhì)隨時間變化趨勢情況，詳見圖5。

從表5可以看出，濕地汛期出口斷面水質(zhì)級別總體維持在Ⅲ類水質(zhì)標準，前兩年為Ⅱ類，由圖3可以看出，濕地在汛期時進口斷面的來水經(jīng)過過濾、凈化的作用下，綜合水質(zhì)標識指數(shù)大部分低于濕地進口，說明出口斷面的水質(zhì)得到改善。但也有個別年份(2011、2012年)，出口的綜合水質(zhì)標識指數(shù)卻不低于入口，分析原因是由于初期缺乏濕地管理經(jīng)驗，未對死亡的蘆葦蒲草等加以收割管理，使污染物質(zhì)反吸收加重凈化負荷。

由圖4可以看出，濕地在非汛期整體水質(zhì)水平低于汛期，且基本都在Ⅲ類水質(zhì)標準級別的邊緣，說明汛期濕地對水質(zhì)的修復(fù)效果更好，原因如下：汛期時雨水量較充足，植物生長旺盛，微生物活躍，水體自凈能力強，在降雨徑流和植物凈化的雙重作用下也會提高水質(zhì)的凈化能力；而非汛期由于得不到降水徑流的供給，冬季植物進入枯萎期凈化效果微弱。值得注意的是，2015年濕地汛期與非汛期2個時段的進、出口斷面水質(zhì)雖都在標準水質(zhì)級別范圍內(nèi)，但2處斷面的水質(zhì)情況基本保持不變，也就是說濕地對來水的過濾性與凈化性并未得到體現(xiàn)。

由圖5可以看出，濕地2009—2015年整體水質(zhì)情況呈好轉(zhuǎn)趨勢，濕地對水質(zhì)的凈化效果較好，且均符合Ⅲ類水質(zhì)標準。雖然整體水質(zhì)變化趨勢保持穩(wěn)定，但濕地現(xiàn)存的TN、TP含量超標的問題不得忽視。

3.3 綜合水質(zhì)定性評價

以石佛寺水庫2015年汛期濕地進口為例進行計算，結(jié)合表3水質(zhì)定性評價依據(jù)和表5中各時期的綜合水質(zhì)標識指數(shù)可得：f取3，LWQ=3.210，其中X2=2不為0，這樣X1=f，定性評價結(jié)果為良好，以此類推，最終得出結(jié)論見表5。

3.4 綜合水質(zhì)類別隨時間變化評價

從定性分析可以看出濕地自2009年的污染程度較高至2015年整體水質(zhì)維持在良好水平，綜合水質(zhì)呈逐漸變好趨勢。由圖3可看出，2009年的濕地汛期進口處為Ⅳ類水，經(jīng)過濕地生態(tài)建設(shè)后2010—2015年水質(zhì)均維持在Ⅲ類。結(jié)合式(12)—(14)，選擇3個時間段進行評價：2010年相較于2009年水質(zhì)得到改善6.88%，為基本不變；2014年相較于2010年水質(zhì)得到改善1.52%，為基本不變；2015年相較于2014年水質(zhì)得到改善19.75%，為輕微變化。在2009—2010年的濕地汛期出口處為Ⅱ類水，2011—2015年水質(zhì)保持在Ⅲ類，水質(zhì)均符合要求。選擇2個時間段進行評價：2011年相較于2009年變化幅度為56.8%，為顯著變化，但仍維持在Ⅲ類標準水質(zhì)；2014年相較于2011年水質(zhì)得到改善3.06%，基本保持不變；2015年相較于2014年水質(zhì)得到改善18.16%，為輕微變化。

由圖4可知在非汛期，2009年濕地進口處為劣Ⅴ類水，但不黑臭；2010年水質(zhì)在Ⅴ類；2011—2013年水質(zhì)基本維持在Ⅲ類；2014年水質(zhì)稍有惡化達到Ⅳ類；2015年水質(zhì)恢復(fù)為Ⅲ類。結(jié)合式(12)—(14)，選擇3個時間段進行評價：2011年相較于2009年水質(zhì)得到改善36.23%，為顯著變化；2013年相較于2011年水質(zhì)得到改善2.8%，處于基本不變；2015年相較于2013年得到改善2.62%，為基本不變。在濕地非汛期時期的出口處，在2009—2010年期間水質(zhì)從Ⅴ類水變?yōu)棰箢愃粡?010—2012年期間水質(zhì)變?yōu)棰纛?；?012—2015年水質(zhì)級別從Ⅳ類變?yōu)棰箢悺＿x擇3個時間段進行評價：2010年相較于2009年水質(zhì)得到改善33.7%，為顯著變化；2012年相較于2010年水質(zhì)變化10.76%，為輕微變化；2015年相較于2012年水質(zhì)得到改善12.05%，為輕微變化。

從圖5來看，水質(zhì)從起初2009年的Ⅳ類水，經(jīng)過不斷的恢復(fù)與處理，2015年較2009年水質(zhì)改善26.18%，為顯著變化，可以明顯看出水質(zhì)已經(jīng)得到有效的改善，達到所要求的Ⅲ類水質(zhì)級別標準。

3.5 水環(huán)境問題分析

從水質(zhì)評價結(jié)果來看，目前石佛寺水庫所存在的水環(huán)境問題如下。

a) 從單因子水質(zhì)標識指數(shù)結(jié)果來看，濕地從2009—2015年以來主要污染物為TN和TP，均超出評價指標標準值。原因是由于石佛寺水庫屬于以植物措施為主的表面流人工濕地，在水生植物腐解過程中，會向上覆水體釋放含氮[14]物質(zhì)和含磷物質(zhì)，而且磷在水生態(tài)循環(huán)中易進入底泥，成為水體富營養(yǎng)化[15]一個重要內(nèi)源。因此需加強對水生植物的管理，對過度生長的水生植物進行適當?shù)拇驌苹蚴崭?，以防止植物體過度生長腐解后釋放大量的TN和TP，對水體造成二次污染。

b) 2011年汛期和2012年非汛期濕地出口的水質(zhì)狀況，也提示要加強水生植物死亡后的管理。水生植物具有凈化水質(zhì)的作用[16]，但大量的水生植物死亡后腐爛分解會造成污染物質(zhì)反吸收加重凈化負荷；因此要加強對水生植物的管理，死亡后要及時收割，移出濕地生態(tài)系統(tǒng)，避免二次污染[17]，保證濕地對水質(zhì)的凈化能力。另外還需加強水生植物的資源化建設(shè)，使其產(chǎn)生經(jīng)濟價值，以減少打撈、收割的成本。

c) 2015年綜合水質(zhì)標識指數(shù)在進口與出口處幾乎沒有變化。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因可能是由于當前濕地的污水凈化處理趨于飽和，以當前趨勢現(xiàn)狀來看，未來濕地的污水處理系統(tǒng)可能會達不到所需的要求，所以需要對當前濕地系統(tǒng)的植物措施凈化進行改善和處理，通過相關(guān)技術(shù)措施的布設(shè)與對水生植物的管護治理[18]，以滿足未來對上游來水的過濾凈化作用，提高濕地的整體利用效率。

4 結(jié)論

本文采用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法，對2009—2015年濕地進、出口的水質(zhì)情況進行評價與分析，結(jié)果表明：濕地綜合水質(zhì)呈良好態(tài)勢，基本維持在Ⅲ類水質(zhì)標準，說明濕地凈化效果良好。但也存在相關(guān)問題：2011年汛期和2012年非汛期出現(xiàn)出口綜合水質(zhì)標識指數(shù)值不低于入口的情況，是由于濕地建設(shè)初期缺少管理經(jīng)驗，未對水生植物進行管理導致的；2015年出現(xiàn)進、出口綜合水質(zhì)標識指數(shù)變化不大的情況，是由于濕地的污水凈化處理趨于飽和所致。濕地主要污染物為TN和TP，這是因為濕地以水生植物為主，進入秋冬季節(jié)，其腐解過程會釋放含氮物質(zhì)和含磷物質(zhì)，造成水質(zhì)變差。以上均說明要加強對水生植物的管護與建設(shè)。