基于水質(zhì)指數(shù)法的城市河流水質(zhì)綜合評價研究

靳聰聰，區(qū)舵樣，周晗宇，董海洋

(1.江門市水利局, 廣東 江門 529000; 2.浙江大學 舟山海洋研究中心， 浙江 舟山 316021;3.浙江大學 建筑工程學院， 浙江 杭州 310058)

伴隨著工業(yè)化和城市現(xiàn)代化發(fā)展進程的不斷推進，工業(yè)污染物和城市污水的總量和未完成處理的比重也在加大。聯(lián)合國環(huán)境署的報告指出[1]，全球范圍內(nèi)超過80%的廢水未經(jīng)完全處理即排入環(huán)境水體中。世界范圍內(nèi)的水污染問題愈發(fā)復(fù)雜化，河流湖泊水質(zhì)惡化和富營養(yǎng)化程度不斷升級、城市范圍內(nèi)水體萎縮和城市內(nèi)水生態(tài)破壞嚴重等已經(jīng)亟待解決的社會問題。我國同樣也面臨著高速經(jīng)濟發(fā)展帶來的一系列水環(huán)境污染問題，根據(jù)《中國環(huán)境狀況公報》[2]，2015年全國廢水主要污染物僅COD一項的排放總量即高達2 223.5 t。為科學有效應(yīng)對日益嚴重的水污染問題，國家2015年發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)水污染防治行動計劃的通知》，并明確提出要強化水環(huán)境質(zhì)量目標管理，嚴格水環(huán)境風險控制，防范水環(huán)境風險[3]。經(jīng)過一系列行之有效的水污染防治措施，扭轉(zhuǎn)了我國的水環(huán)境惡化的趨勢，并經(jīng)過一系列有效治理取得明顯改善。結(jié)合《2019年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》[4]數(shù)據(jù)可知，我國整體的生態(tài)環(huán)境水準從總體上得到有效改善，全國地級及以上城市2 899個黑臭水體消除2 513個，全國地表水監(jiān)測的1 931個水質(zhì)斷面劣V類僅占3.4%，比2018年降3.3個百分點。

水質(zhì)評價是水環(huán)境改善和監(jiān)測防治水污染的基礎(chǔ)，能夠定量分析河流的水環(huán)境質(zhì)量的總體狀況，是河流生態(tài)健康評價的基礎(chǔ)，也是水環(huán)境規(guī)劃管理與綜合治理提供依據(jù)[5-6]。目前國內(nèi)外水質(zhì)評價方法主要分為單因子評價法[7]、水質(zhì)指數(shù)法[8-9]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[10]、投影尋蹤法[11]、模糊數(shù)學法[12]等。單因子評價法主要適用于單個斷面的評價，難以較好對地表水環(huán)境質(zhì)量進行綜合評價。水質(zhì)指數(shù)法簡單易行，處理長多斷面水體的綜合評價結(jié)果直觀，評價結(jié)果精確度相對較高，能夠較全面的反映水質(zhì)的污染情況，在國內(nèi)外水質(zhì)評價得到了廣泛應(yīng)用[13]。其他的不確定性水質(zhì)評價方法通常依靠各自算法的資深自適應(yīng)性，對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析相對復(fù)雜，主要是作為理論研究。水質(zhì)指數(shù)(Water Quality Index, WQI)能夠整體反映出多個水質(zhì)指標數(shù)據(jù)，并通過對水質(zhì)參數(shù)的歸一化處理，可合理分析監(jiān)測數(shù)據(jù)并能綜合評估出水質(zhì)等別和水質(zhì)指數(shù)值。加拿大水質(zhì)指數(shù)(Canadian Water Quality Index，CWQI)法通過三個主要指標，即范圍、頻率和振幅方面分析水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進而得到水質(zhì)指數(shù)和對應(yīng)的水質(zhì)等級[14-15]。該方法能較全面反映水質(zhì)情況，得到了聯(lián)合國環(huán)境署(UNEP)認可，并作為主要方法評估國家飲用水水質(zhì)[16]。柳超[17]采用CWQI對內(nèi)河水系進行綜合評價，能夠從整體上較為準確地反映區(qū)域水系水質(zhì)綜合狀況，并給出了適合我國一般河流(尤其是Ⅳ類、Ⅴ類水體)的綜合水質(zhì)的方法。

本文通過采用CWQI方法對江門市河流水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合評價分析，并考慮選用我國常見的流域面積不足50 km2的城鎮(zhèn)二級支流作為研究對象。為能夠快速有效地對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，并將評價結(jié)果作為指導河流水環(huán)境治理的依據(jù)，選擇以短周期監(jiān)測數(shù)據(jù)作為研究的時間尺度，選取泥海水5個典型監(jiān)測斷面2020年9月份的三次監(jiān)測數(shù)據(jù)進行CWQI水質(zhì)綜合評價，并開展對江門市泥海水水體水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果的綜合評價工作。通過對水質(zhì)綜合評價為泥海水水環(huán)境綜合改善工程措施實施前的關(guān)鍵問題識別提供理論依據(jù)。

1 研究對象與水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)

1.1 研究對象與研究方法

天沙河屬于江門水道的一級支流，位于江門市區(qū)的西北部，流經(jīng)鶴山市雅瑤鎮(zhèn)，蓬江區(qū)棠下鎮(zhèn)、環(huán)市街道、杜阮鎮(zhèn)、白沙街道和新會區(qū)會城街道六個鎮(zhèn)街。天沙河全流域集雨面積為291 km2，干流全長49 km。天沙河上游段河面垃圾漂浮，不少河段垃圾積存，河道底泥淤積厚度為0.5 m～1.2 m，內(nèi)源污染嚴重。天沙河上游河流形態(tài)生態(tài)自然，兩岸以村鎮(zhèn)和養(yǎng)殖塘為主，周邊村民的畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中投放的飼料殘余和排泄物形成的污染物對上游水體、池塘底泥等造成了嚴重污染，水體黑臭，富營養(yǎng)化嚴重，分布有大面積的水葫蘆，水體基本喪失自凈能力。泥海水主要流經(jīng)鶴山市和蓬江區(qū)，位于天沙河上游，屬天沙河支流，泥海水因流量小、流速慢，河底多泥，因而稱“泥?！薄Ｄ嗪Ｋ嫌谓优罱瓍^(qū)三堡排洪渠，下游匯入天沙河，現(xiàn)狀河道雜草叢生，淤積嚴重，排洪能力差。泥海水全流域面積22.1 km2，干流全長13.3 km，其中鶴山市境內(nèi)河長3.2 km，蓬江區(qū)境內(nèi)河長10.44 km，流經(jīng)雅瑤鎮(zhèn)、棠下鎮(zhèn)兩個鎮(zhèn)街。

采用CWQI方法對泥海水的水質(zhì)進行綜合評價，其中加拿大水質(zhì)指數(shù)的計算公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：F1(代表范圍)為監(jiān)測期間超過標準限值的水質(zhì)參數(shù)的個數(shù)占監(jiān)測總數(shù)的百分比；F2(代表頻率)表示監(jiān)測數(shù)據(jù)超過標準限值數(shù)占監(jiān)測總數(shù)的比例；F3(代表振幅) 反映超標數(shù)據(jù)的超標程度；P為超過標準限值的水質(zhì)參數(shù)個數(shù)；N為水質(zhì)監(jiān)測總數(shù)；Q為監(jiān)測數(shù)據(jù)超過標準限值數(shù)；M為監(jiān)測總數(shù)；S為不達標指標實測值偏離標準值倍數(shù)。

對于規(guī)定上限值的水質(zhì)指標，表達式為：

(6)

對于不能低于某一限值的指標(如溶解氧) ，表達式為：

(7)

式中：ci為指標實測值；cS為對應(yīng)指標標準限值。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在泥海水跨縣斷面和河口斷面共布設(shè)5個水質(zhì)監(jiān)控斷面(江番高速鐵橋(#1)、一河兩岸竹溪(#2)、三堡工業(yè)區(qū)排洪渠(#3)、朝陽村排污口(#4)、三堡工業(yè)區(qū)(#5))。監(jiān)測斷面水質(zhì)類別主要評價指標為溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)共5項。采樣時間分別為2020年9月4日、9月14日、9月22日，根據(jù)國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[18]的水質(zhì)分級標準得到泥海水水質(zhì)統(tǒng)計和水質(zhì)指標分級標準，具體如表1所示。

表1 泥海水水質(zhì)指標的統(tǒng)計及地表水環(huán)境質(zhì)量標準

由表1可知，指標NH3-N的平均值2.24超出地表水V類水2.0的限值。采用變異系數(shù)(CV)對監(jiān)測水質(zhì)主要指標變異程度進行分析，從上表監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計值可知，五個主要指標的CV值差別較大，從10.11%到 41.71%變化均不等。尤其是DO的CV值高達 41.71%，其次是監(jiān)測指標NH3-N，對應(yīng)的CV值也達到了21.88%。

通過對泥海水五個典型監(jiān)測斷面在9月份的三個監(jiān)測時間段里五項基本水質(zhì)指標統(tǒng)計，具體如表2所示。

表2 水質(zhì)監(jiān)測指標

結(jié)合表1和表2，對各個監(jiān)測斷面所屬水質(zhì)進行分類，具體如表3所示。

表3 各監(jiān)測指標對應(yīng)的水質(zhì)類別

由表3可知，各監(jiān)測點的CODMn和COD均滿足Ⅳ類水質(zhì)要求，TP基本滿足Ⅳ類水質(zhì)要求，DO污染較為嚴重，NH3-N污染最為嚴重。

2 水質(zhì)評價方法與討論

柳超提出的CWQI的分類賦值表能夠根據(jù)我國國情及評價區(qū)域水體的實際情況，有效分析我國一般河流(尤其是IV類、V類水體)的綜合水質(zhì)評價具體如表4所示。

表4 調(diào)整后的CWQI水質(zhì)分類及適宜性說明

目前天沙河已劃定水功能區(qū)，目標水質(zhì)對應(yīng)為Ⅳ類，但是天沙河支流泥海水暫時未劃定水功能區(qū)。因此，根據(jù)泥海水所在區(qū)域特點及綜合考慮天沙河的水功能區(qū)，可考慮對泥海水的水質(zhì)目標劃定與天沙河干流水質(zhì)目標相同。因此本文選?、纛惖乇硭畼藴首鳛槟Ｐ退|(zhì)對研究泥海水的河道水質(zhì)進行綜合評估。

2.1 泥海水水體污染的時間空間分布特征

為了進一步研究泥海水各監(jiān)測斷面各項水質(zhì)參數(shù)隨時間的變化，全面分析5個監(jiān)測斷面的監(jiān)測指標在2020年9月的三次水質(zhì)變化趨勢情況，具體如圖1所示。

圖1 泥海水水體污染物時間空間尺度差異性

由圖1可知，泥海水9月份監(jiān)測數(shù)據(jù)中五個水質(zhì)參數(shù)的變化規(guī)律差別較大。其中，江番高速鐵橋(#1)和一河兩岸竹溪(#2) 三個監(jiān)測斷面在9月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化基本一致，波動不大，而三堡工業(yè)區(qū)排洪渠(#3) 、朝陽村排污口(#4)和三堡工業(yè)區(qū)(#5) 斷面水質(zhì)參數(shù)在不同的時間波動較大。9月4日監(jiān)測各個斷面的NH3-N和TP濃度相對較高，而9月14日監(jiān)測各個斷面的CODMn濃度較高，DO的各個斷面變化波動較大，COD的變化較小，NH3-N和TP濃度9月4日的各個斷面則相對減小，9月22日的NH3-N較上次監(jiān)測數(shù)據(jù)有較明顯增幅，COD較前兩次監(jiān)測數(shù)據(jù)有所增加，CODMn濃度降低幅度較大，DO和TP濃度較9月14日有小幅度增加。

2.2 CWQI評價結(jié)果

以DO、CODMn、COD、NH3-N、TP 作為CWQI模型的水質(zhì)變量，以IV類水作為模型水質(zhì)目標，對泥海水的5個監(jiān)測斷面3次監(jiān)測數(shù)據(jù)進行評價分析，具體如表5所示。

表5 CWQI評價結(jié)果

由表5可知，5個監(jiān)測斷面的3次監(jiān)測結(jié)果中NH3-N超限次數(shù)最高，其中#4的超限比例高達100%，位于朝陽村排污口，最低的是#5超限比例為0%，位于三堡工業(yè)區(qū)，其余均在33.3%以上。同時，CODMn和COD的超限比例也相對較多。通過CWQI 法對泥海水9月份監(jiān)測數(shù)據(jù)的五個監(jiān)測斷面評估，結(jié)果如圖2所示。

圖2 泥海水各監(jiān)測斷面水質(zhì)CWQI綜合評價結(jié)果

由圖2可知，泥海水的#1和#2個監(jiān)測斷面的水質(zhì)情況屬于一般，表明水質(zhì)遭受到一定程度污染，由表5可知，存在不滿足功能區(qū)水質(zhì)要求。泥海水的#3和#4監(jiān)測斷面水質(zhì)遭受污染情況明顯重于#1和#2個監(jiān)測斷面，屬于極差狀態(tài)，不能達到功能區(qū)要求，需要進行專門的治理。

為進一步考察泥海水水質(zhì)污染整體狀況，采用 CWQI 對開發(fā)區(qū)內(nèi)河水系從2020年9月的3次采樣樣本分別進行計算，結(jié)果如表6所示。

表6 開發(fā)區(qū)內(nèi)河水系 CWQI 綜合評價結(jié)果

從表6可以看出，泥海水的水質(zhì)在9月初的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示水質(zhì)級別為極差，到達月中的監(jiān)測情況較月初略有好轉(zhuǎn)，但總體仍為極差，再到下旬的監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出繼續(xù)好轉(zhuǎn)的趨勢，顯示為較差狀態(tài)。采用CWQI方法能夠從定性和定量兩個方面對監(jiān)測結(jié)果進行綜合分析。監(jiān)測結(jié)果可為下一步實施改善型措施提供依據(jù)。

3 結(jié) 論

(1) 泥海水的5個監(jiān)測指標的CV值變化范圍從10.11%到 41.71%，變異程度最大的為DO和NH3-N，對應(yīng)的CV值分別為 41.71%和21.88%，表明這兩個指標在監(jiān)測期內(nèi)波動較為強烈。各監(jiān)測點的CODMn和COD均滿足Ⅳ類水質(zhì)要求，TP基本滿足Ⅳ類水質(zhì)要求，DO污染較為嚴重，NH3-N污染最為嚴重。

(2) 通過對泥海水的監(jiān)測斷面的水質(zhì)時間空間分布趨勢分析，五個監(jiān)測指標在9月份三次監(jiān)測數(shù)據(jù)中變化規(guī)律均不一致，同一監(jiān)測指標的在5個斷面監(jiān)測情況的變化規(guī)律也各不相同，呈現(xiàn)出明顯的變異性。三堡工業(yè)區(qū)排洪渠(#3) 和朝陽村排污口(#4)斷面水質(zhì)參數(shù)在不同的時間波動較大。

(3) 泥海水的5個監(jiān)測斷面的水質(zhì)狀況通過CWQI分析可知，#1和#2監(jiān)測斷面對應(yīng)的水質(zhì)級別為一般，水質(zhì)級別為極差的為#3和#4監(jiān)測斷面，說明該斷面水質(zhì)存在嚴重污染問題，已無法滿足功能區(qū)要求。泥海水的水質(zhì)在月初的時候顯示水質(zhì)級別為極差，月中的監(jiān)測情況較月初略有好轉(zhuǎn)，但總體仍為極差，到下旬的監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出繼續(xù)好轉(zhuǎn)的趨勢，顯示為較差狀態(tài)。采用CWQI方法能夠從定性和定量兩個方面對監(jiān)測結(jié)果進行綜合分析，監(jiān)測結(jié)果可為下一步實施改善型措施提供依據(jù)。