石佛寺水庫水環(huán)境質(zhì)量狀況研究

林洪娟，馬興濤，袁樸玉

(1.沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 110159；2.遼寧省沈陽水文局，沈陽110005)

石佛寺水庫位于沈陽市北部，離城區(qū)約40公里，為滯洪型水庫，是遼河干流上唯一的一項控制性水利工程[1]。水庫的輸入源頭是上游的遼河水，而遼河吸收了周邊四個城市的生活污水和工業(yè)廢水。遼河水在水庫內(nèi)不斷積蓄，水中污染物不斷積累，會使石佛寺水庫水質(zhì)發(fā)生惡變。所以需要選擇科學(xué)的方法對水質(zhì)進行評判分析，從而為管理水環(huán)境和治理水污染給出依據(jù)。

當(dāng)今，在對我國江河進行水質(zhì)評判時，用的比較多的評判方式包含：建立在單項水質(zhì)指標基礎(chǔ)上的單因子評價法；建立在矩陣運算基礎(chǔ)上的模糊數(shù)學(xué)評判法和灰色系統(tǒng)原理；依據(jù)樣本訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法；建立在代數(shù)運算基礎(chǔ)上的綜合水質(zhì)標識指數(shù)法[2-9]。每一種方法都有各自的優(yōu)勢，但也都有不足之處。單因子評價法的判定依據(jù)是最差的指標屬于哪一類水，顯然不合理?；疑到y(tǒng)原理、模糊數(shù)學(xué)評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法，這些對綜合水質(zhì)Ⅰ至V類的分析都具有科學(xué)合理性，但當(dāng)綜合水質(zhì)為劣V類時，這幾種方法的分析結(jié)果偏保護。綜合水質(zhì)標識指數(shù)法可以定性，也可以定量，且不會由于個別水質(zhì)指標好壞就做出片面地分析，尤其是當(dāng)綜合水質(zhì)為劣V類時，更具合理性[10]。

本文評價分析石佛寺水庫水質(zhì)選用的是綜合水質(zhì)標識指數(shù)評價法，根據(jù)評價結(jié)果分析該水庫的主要污染物及每一種污染物的污染程度，對更好地維護與管理石佛寺水庫具有重要意義。

1 綜合水質(zhì)標識指數(shù)法基本原理

1.1 單因子水質(zhì)標識指數(shù)

單因子水質(zhì)標識指數(shù)Pi[11]表示為

Pi=X1.X2X3

(1)

式中：X1為整數(shù)部分，表示第i個指標所在的水質(zhì)類別，小數(shù)部分可以是2或3位有效數(shù)字；X2表示測量數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變動范圍內(nèi)所處的方位；X3表示所選水域目標值與水質(zhì)類別的比較結(jié)果。計算X2時可以按四舍五入確定；X3可以是1到2位有效數(shù)字(與指標的污染程度有關(guān))。

當(dāng)水質(zhì)在Ⅰ類水到Ⅴ類水之間，可將測量數(shù)據(jù)與國家標準進行對比，確立X1(X1=1表示該指標滿足Ⅰ類水標準，X1=2表明這個指標達到Ⅱ類水標準，其余可類似得到；如果X1<1說明優(yōu)于Ⅰ類水，X1>5說明劣于V類水)。

X2分非溶解氧(濃度越小越好)和溶解氧(濃度越大越好)兩類取值。

非溶解氧指標的表達式為

(2)

式中：Ci為第i項指標所測值；Cikx為第i項指標處在第k(k=X1)類水濃度范圍的最低值；Ciks為第i項指標處在第k(k=X1)類水濃度范圍的最高值。計算出X2后將其四舍五入，取一位整數(shù)。X2符號意義如圖1所示。

圖1 X2符號意義示意圖

對溶解氧指標，其表達式為

(3)

式中C為溶解氧所測值。計算出X2后將其四舍五入，取一位整數(shù)。

當(dāng)水質(zhì)劣于V類水時，對非溶解氧指標，有

(4)

式中Ci5s為第i個水質(zhì)指標V類水濃度范圍的最大值。

對溶解氧指標，有

(5)

式中Ci5x為第i個水質(zhì)指標Ⅴ類水濃度范圍的最小值。

X3通過判斷得到，如果功能區(qū)目標類別比水質(zhì)計算類別差，則X3=0；如果功能區(qū)目標類別比水質(zhì)計算類別好，同時X2不等于零，則X3=X1-f，其中f為水環(huán)境功能區(qū)目標類別，石佛寺水庫水功能區(qū)目標類別為Ⅲ類水，因此這里f取3。如果功能區(qū)目標類別比水質(zhì)計算類別好且X2=0，則X3=X1-f-1。如果是劣Ⅴ類水，功能區(qū)目標值與水質(zhì)計算類別相差可能超過10(水質(zhì)污染特別重時)，那么X3是兩位有效數(shù)字。

1.2 綜合水質(zhì)標識指數(shù)

綜合水質(zhì)標識指數(shù)I[12]由整數(shù)位和小數(shù)位構(gòu)成，而小數(shù)位通常是3個或4個，表達式為

(6)

2 石佛寺水庫水質(zhì)狀況分析

2.1 水質(zhì)評價因子的選擇與監(jiān)測數(shù)據(jù)

在石佛寺水庫庫區(qū)上游和下游各選取3個監(jiān)測點。分別在豐水期(夏季)和枯水期(秋季)采樣化驗，測量的指標包括高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、溶解氧(DO)、總氮(TN)、化學(xué)需氧量(CODCr)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)。得到的測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 石佛寺水庫各個監(jiān)測點的測量數(shù)據(jù) mg/L

表1中“上左”表示庫區(qū)上游靠近左岸的監(jiān)測點，其它類似。

2.2 水質(zhì)評價標準

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838-2002)[13]，列出各項指標水質(zhì)類別標準值，如表2所示。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量標準 mg/L

根據(jù)表2，可以得到各個監(jiān)測指標所對應(yīng)的水質(zhì)類別。例如，豐水期庫區(qū)上游靠近左岸測量的TP值為0.11(見表1)，說明TP處于IV～V類水區(qū)間。

2.3 單因子標識指數(shù)法的分析結(jié)果

單因子法水質(zhì)分析結(jié)果在表3中列出。如石佛寺水庫豐水期TP單因子水質(zhì)標識指數(shù)為5.12，“5”表示TP為V類水，“1”表示TP值在V類水范圍內(nèi)距離低值10%處，“2”表示TP的判定類別比目標類別差2。從表3中知道，在豐水期，TP和TN兩項指標劣于目標值，都是Ⅴ類。在枯水期，TP、CODMn、CODCr、TN4項指標不能達標，其中TN為劣V類。結(jié)果表明，對石佛寺水庫而言，污染因子主要有兩類，一個是有機污染指標，如CODCr；另一個是富營養(yǎng)化指標，如TP、TN。

表3 單因子水質(zhì)標識指數(shù)法對單項指標的判定結(jié)果

2.4 綜合水質(zhì)標識指數(shù)對水質(zhì)的評價

通過綜合水質(zhì)標識指數(shù)的整數(shù)位和小數(shù)點后第一位X1.X2，可以判定綜合水質(zhì)級別，判斷依據(jù)參照表4。

表4 標識指數(shù)法判別綜合水質(zhì)的分類根據(jù)

依據(jù)綜合水質(zhì)標識指數(shù)法基本原理，得到豐水期和枯水期綜合水質(zhì)標識指數(shù)分別是3.420和4.241(見表5)。參照表4可知石佛寺水庫豐水期符合Ⅲ類水標準，而枯水期符合Ⅳ類水標準，豐水期水質(zhì)比枯水期好。這是由于枯水期水的更新速度慢、自凈能力差，對污染物的擴散不利。

表5 綜合水質(zhì)標識指數(shù)法對水庫水質(zhì)的分析結(jié)果

3 結(jié)束語

利用綜合水質(zhì)標識指數(shù)法評價了石佛寺水庫CODMn、DO、TN、CODCr、TP、NH3-N 6個指標，單項指標的判定結(jié)果顯示，氮和磷是主要污染物，水庫有富營養(yǎng)化趨勢。從綜合指標的判定結(jié)果可以看到，枯水期水質(zhì)比豐水期差，不達標的項數(shù)也偏多，這是因為不同季節(jié)水庫水體更新速度不同，導(dǎo)致污染物的擴散程度有差異。

綜合水質(zhì)標識指數(shù)法計算方便、操作簡單、結(jié)論合理，比較符合石佛寺水庫實際水質(zhì)情況。此后應(yīng)該更加保持石佛寺水庫和周邊各地的生態(tài)環(huán)境，減少工業(yè)和居民生活污水的排放，保證水庫的水質(zhì)安全。