我國(guó)典型城市地表水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)與分析

鄭利杰，高紅杰，宋永會(huì)，韓璐，呂純劍

1.沈陽(yáng)化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012

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我國(guó)典型城市地表水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)與分析

鄭利杰1,2，高紅杰2*，宋永會(huì)2，韓璐2，呂純劍2

1.沈陽(yáng)化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012

應(yīng)用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)我國(guó)27個(gè)典型城市地表水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析地表水水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀，揭示水質(zhì)時(shí)空變化規(guī)律。結(jié)果表明：NH3-N濃度、TP濃度、CODCr、BOD5和CODMn為地表水主要超標(biāo)因子，NH3-N濃度為首要污染因子，水質(zhì)主要受氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽及有機(jī)物影響。華北地區(qū)參與評(píng)估城市的水質(zhì)級(jí)別均為較差；西北、東北、華東、華南、華中和西南地區(qū)參與評(píng)估城市的水質(zhì)級(jí)別較好比例在50%以上。城市建成區(qū)水質(zhì)優(yōu)于非建成區(qū)；國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)級(jí)別為較好。2012—2014年期間，典型城市地表水水質(zhì)有明顯的好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，水質(zhì)級(jí)別較差城市比例下降11%。西北和東北地區(qū)，因?yàn)槿丝诿芏刃?，?jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)不快，水質(zhì)保持相對(duì)穩(wěn)定，多數(shù)城市水質(zhì)季節(jié)性特征不明顯；華東地區(qū)地域遼闊，整體來(lái)看季度水質(zhì)波動(dòng)沒(méi)有明顯規(guī)律；華中和華北地區(qū)，受氣候和降水量影響，城市水質(zhì)季節(jié)性特征比較明顯。

典型城市；地表水；內(nèi)梅羅指數(shù)法；水質(zhì)評(píng)價(jià)

城市水體是城市環(huán)境的重要組成部分。近年來(lái)，隨著工業(yè)的發(fā)展、城市規(guī)模的擴(kuò)大，工業(yè)廢水和生活污水排放量急劇增加，導(dǎo)致城市地表水環(huán)境嚴(yán)重惡化[1]，城市地表水質(zhì)狀況備受關(guān)注。因此，及時(shí)客觀地對(duì)城市地表水質(zhì)量做出評(píng)價(jià)，掌握水體污染狀況，揭示水體質(zhì)量發(fā)展規(guī)律，對(duì)城市水污染治理、水環(huán)境規(guī)劃及水環(huán)境管理具有重要意義。

水質(zhì)評(píng)價(jià)是水環(huán)境管理的基礎(chǔ)性工作。應(yīng)用合理的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，才能科學(xué)合理地表征水質(zhì)狀況，滿足水環(huán)境管理和決策需要[2]。合理的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法應(yīng)具有科學(xué)性、準(zhǔn)確性和可操作性等特點(diǎn)。單因子評(píng)價(jià)法是比較簡(jiǎn)單的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，但不能綜合反映水質(zhì)具體情況；模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、層次分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[3-5]等評(píng)價(jià)方法將復(fù)雜的數(shù)學(xué)原理運(yùn)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)，具有一定的科學(xué)性，但計(jì)算方法復(fù)雜，可操作性差。內(nèi)梅羅指數(shù)法是由內(nèi)梅羅教授在其所著的《河流污染科學(xué)分析》一書中提出[6]，常用于對(duì)區(qū)域地表水環(huán)境質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)[7-10]：該方法具有數(shù)學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)捷、運(yùn)算方便和物理概念清晰的優(yōu)點(diǎn)[11]，能突出污染指數(shù)最大的污染物對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響和作用，其綜合評(píng)價(jià)結(jié)果總體上可以反映水體污染的性質(zhì)和程度，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算的常用方法之一。筆者采用內(nèi)梅羅指數(shù)法，分析我國(guó)27個(gè)典型城市2012—2014年的水質(zhì)情況，辨析水環(huán)境污染關(guān)鍵因子，揭示水環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化規(guī)律，以期為城市環(huán)境綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 評(píng)價(jià)區(qū)域與方法

1.1 評(píng)價(jià)范圍

為了使所選城市評(píng)價(jià)結(jié)果具有代表性，本研究綜合考慮了地理區(qū)位、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、典型環(huán)境特征、城市區(qū)域重要性以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性，在全國(guó)7個(gè)地區(qū)選擇了27個(gè)典型城市的495個(gè)斷面作為評(píng)價(jià)對(duì)象，各城市和斷面的分布及基本情況如表1所示。

(續(xù)表1)

注：數(shù)據(jù)來(lái)源為各城市環(huán)境保護(hù)局實(shí)測(cè)資料。

1.2 評(píng)價(jià)方法

用內(nèi)梅羅指數(shù)法先求出各因子的分指數(shù)(Ii，超標(biāo)倍數(shù))，然后求出各分指數(shù)的平均值，取分指數(shù)最大值和平均值計(jì)算得出斷面內(nèi)梅羅指數(shù)(I)：

(1)

對(duì)城市所有斷面的內(nèi)梅羅指數(shù)求均值，得出城市地表水水質(zhì)綜合污染指數(shù)(D)：

(2)

式中：max(Ii)為某水質(zhì)指標(biāo)污染指數(shù)的最大值；avg(Ii)為某水質(zhì)指標(biāo)污染指數(shù)的算術(shù)平均值；Ii為第i個(gè)斷面內(nèi)綜合污染指數(shù)；n為城市所有評(píng)估斷面。

根據(jù)計(jì)算所得地表水水質(zhì)綜合污染指數(shù)值，對(duì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分[12]，水質(zhì)等級(jí)劃分是

相對(duì)性的，分級(jí)原則與標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 內(nèi)梅羅指數(shù)法水質(zhì)分級(jí)Table 2 Nemerow index method scale

1)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。

2 結(jié)果與分析

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

利用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)27個(gè)典型城市2012—2014年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(各城市環(huán)境保護(hù)局實(shí)測(cè)資料)分析發(fā)現(xiàn)，共有12項(xiàng)指標(biāo)有超標(biāo)現(xiàn)象，其斷面超標(biāo)率和斷面超標(biāo)數(shù)如表3所示。

表3 超標(biāo)指標(biāo)Table 3 Excess standard factor

由表3可知，主要超標(biāo)項(xiàng)(超標(biāo)率大于10%)有NH3-N濃度、TP濃度、CODCr、BOD5和CODMn。其中，NH3-N濃度為首要污染因子，選擇其作為水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)；CODCr、BOD5和CODMn三者之間具有很強(qiáng)的正相關(guān)性[13-14]，CODCr超標(biāo)率最大，可代表BOD5和CODMn參與評(píng)估；TP濃度是表征水體富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)之一；NH3-N濃度能夠表征水體中氮元素的濃度，應(yīng)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)參與評(píng)估；DO濃度是表征水質(zhì)優(yōu)劣、水體黑臭的重要水質(zhì)指標(biāo)之一，應(yīng)納入評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)對(duì)主要超標(biāo)參數(shù)的分析，最終選取NH3-N濃度、TP濃度、CODCr和DO濃度4項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)參數(shù)。

2.2 空間分布特征

2.2.1 不同區(qū)域典型城市水質(zhì)特征分析

運(yùn)用內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)區(qū)域性典型城市地表水進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到27個(gè)典型城市地表水綜合污染指數(shù)，如圖1所示。

圖1 27個(gè)典型城市地表水綜合污染指數(shù)Fig.1 Comprehensive pollution index of surface water in 27 typical cities

由圖1可知，西北地區(qū)除城市NW4外，參與評(píng)估城市的地表水綜合污染指數(shù)為0.44～0.89，較好水質(zhì)級(jí)別城市比例占75%，為較好水質(zhì)級(jí)別所占比例最大的地區(qū)。原因是該地區(qū)荒漠廣布，多數(shù)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)不快，污染物排放量少，人口密度低，人為因素污染小，所以該地區(qū)水質(zhì)整體較好。由于NW4為重工業(yè)城市之一，城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水大量排放且水資源短缺，導(dǎo)致該城市水質(zhì)級(jí)別為較差。

東北地區(qū)參與評(píng)估城市的地表水綜合污染指數(shù)分別為0.53、1.04和1.86，沒(méi)有水質(zhì)級(jí)別較差城市，各城市水質(zhì)差別較大。城市NE1作為旅游城市，2014年污水處理廠集中處理率達(dá)95.96%，在314個(gè)城市中，排名18(數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒2014》)，環(huán)境保護(hù)投資力度大，水質(zhì)級(jí)別為較好；城市NE3，由于機(jī)械加工、糧食深加工、屠宰等行業(yè)廢水未經(jīng)處理或處理不當(dāng)直接排入地表河流，導(dǎo)致水體嚴(yán)重污染，排放的工業(yè)廢水和居民生活污水以綜合型有機(jī)污染物為主[15]，主要超標(biāo)因子為NH3-N濃度、CODCr和TP濃度。

華東地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)文化最發(fā)達(dá)地區(qū)，部分城市隸屬于長(zhǎng)江三角洲城市群，人口稠密，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)。該地區(qū)地表水水質(zhì)級(jí)別較差的城市多分布在長(zhǎng)江三角洲周圍，綜合污染指數(shù)為2.15～5.17：如城市EC6，北連首都經(jīng)濟(jì)圈，南接長(zhǎng)江三角洲經(jīng)濟(jì)圈，是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)和京滬經(jīng)濟(jì)軸上的重要交匯點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)，工業(yè)廢水和生活污水大量排放，而總處理量不足污水排放量的13；另外地表河流補(bǔ)給水主要是污水處理廠出水，而污水廠出水即使100%達(dá)到GB 3838—88《地表水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，河流水質(zhì)也與Ⅴ類水體差距較大，導(dǎo)致城市EC6水質(zhì)更差；城市EC7是長(zhǎng)江三角洲城市群最大的工業(yè)城市之一，該市2013年污廢水排放量為222 963萬(wàn)ta，而工業(yè)廢水處理能力僅為318.6萬(wàn)td(數(shù)據(jù)來(lái)源于《中國(guó)省市經(jīng)濟(jì)年鑒2014》)，污廢水處理能力不足，致使全部地表水體受到不同程度污染；城市EC8也位于長(zhǎng)江三角洲城市群，該市污廢水排放量多，同時(shí)水資源匱乏，水體流動(dòng)性差，水體基本喪失調(diào)節(jié)與修復(fù)功能，30%以上的斷面都為劣Ⅴ類斷面。

華南地區(qū)參與評(píng)估城市水質(zhì)級(jí)別較好的占66.7%，除了城市SC3，其余城市地表水綜合污染指數(shù)為0.68～0.85，水質(zhì)良好。城市SC3屬于珠江三角洲城市群，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)中心城市，其水耗和污水排放量大，NH3-N濃度嚴(yán)重超標(biāo)，城市水體普遍受到污染。

華中地區(qū)多為平原，該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，水資源豐富，污水排放量少，沒(méi)有重污染型城市，水質(zhì)較好級(jí)別城市占33.3%，地表水綜合污染指數(shù)為0.71～1.32，水質(zhì)普遍較好。

西南地區(qū)人口稠密、經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)。但城市WS2人均水資源不足300 m3，遠(yuǎn)低于中國(guó)人均水資源量的2 100 m3，屬于嚴(yán)重缺水城市[16]，另外城市河流多為納污通道和污水處理廠尾水通道，且河道幾乎沒(méi)有生態(tài)補(bǔ)給水，導(dǎo)致地表水體嚴(yán)重污染。

華北地區(qū)是我國(guó)的政治文化中心。地表水綜合污染指數(shù)為2.32～5.23，是污染最為嚴(yán)重的地區(qū)，參與評(píng)估城市全部為水質(zhì)級(jí)別較差城市。城市NC2、NC4隸屬于京津冀城市群，是我國(guó)主要的高新技術(shù)和重工業(yè)基地，隨著農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，地表河流干涸、斷流，地表湖泊不斷退化萎縮，上游補(bǔ)給的河道已經(jīng)多年斷水，水資源枯竭已成為京津冀地區(qū)最核心的生態(tài)性問(wèn)題，排放的污水得不到生態(tài)水補(bǔ)給，導(dǎo)致水體污染越來(lái)越嚴(yán)重；城市NC3的畜牧業(yè)、電廠、生物制藥及發(fā)酵等行業(yè)比較發(fā)達(dá)，位居我國(guó)前列，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了對(duì)環(huán)境的污染，如電廠的沖灰水、畜牧業(yè)產(chǎn)生廢水以及沿岸工廠未經(jīng)處理的工業(yè)廢水等排入到水體，導(dǎo)致水質(zhì)嚴(yán)重惡化。

2.2.2 不同斷面屬性典型城市水質(zhì)特征分析

由于部分城市監(jiān)測(cè)斷面分布在建成區(qū)或非建成區(qū)，因此僅有9個(gè)典型城市參與評(píng)估。圖2為評(píng)估斷面不同空間屬性的水質(zhì)特征。由圖2可知，大部分城市建成區(qū)水質(zhì)優(yōu)于非建成區(qū)。這可能是因?yàn)榻ǔ蓞^(qū)斷面分布在市區(qū)內(nèi)部，河流的整治力度和監(jiān)控管理都要優(yōu)于非建成區(qū)。

圖2 斷面空間分布水質(zhì)特征Fig.2 Water quality characteristics of section spatial distribution

評(píng)估斷面不同控制屬性水質(zhì)特征顯示(圖3)，國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)較好。由于城市NE3、MC3和NC2監(jiān)測(cè)斷面不含國(guó)控?cái)嗝妫虼擞?4個(gè)典型城市參與評(píng)估。由于國(guó)控?cái)嗝嬷饕槍?duì)流域整體水質(zhì)情況，多分布在流域干流，相對(duì)于支流而言，水體流動(dòng)性好，生態(tài)補(bǔ)給水充足，水體自凈功能強(qiáng)，且污染物主要來(lái)源于支流，因此國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)相對(duì)較好。

圖3 斷面控制屬性水質(zhì)特征Fig.3 Water quality characteristics of the section control attribution

2.3 時(shí)間變化特征

2.3.1 典型城市水質(zhì)年際變化

表4為27個(gè)典型城市地表水水質(zhì)年際變化評(píng)價(jià)結(jié)果。從表4可以看出，參與評(píng)估城市地表水水質(zhì)有明顯的好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。水質(zhì)級(jí)別較好城市比例基本維持不變，而水質(zhì)級(jí)別較差城市比例明顯減少，由41%降到30%，且城市地表水綜合污染指數(shù)也有降低趨勢(shì)，最大值從5.23降低到3.69。

表4 27個(gè)典型城市地表水水質(zhì)年際變化Table 4 Interannual variation of surface water quality in 27 tipical cities

2.3.2 典型城市水質(zhì)季節(jié)變化特征

依據(jù)地理區(qū)劃分析水質(zhì)季度特征，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 27個(gè)典型城市地表水水質(zhì)季度變動(dòng)Table 5 Quarter variation of surface water quality in 27 tipical cities

華中、華北和西南地區(qū)多數(shù)城市水質(zhì)綜合污染指數(shù)隨季節(jié)變化明顯，但引起季節(jié)變化原因不同：華中地區(qū)受溫度和降雨影響，溫度高，微生物分解有機(jī)物活躍，夏季雨水多，水體中有機(jī)物得到了很大程度的稀釋和擴(kuò)散，因此二、三季度水質(zhì)較好；華北地區(qū)主要是因?yàn)槌鞘袕U水排放量的季節(jié)性變化小，而河川徑流受降水季節(jié)變化大，因此降雨量比較大的夏季、秋季(三、四季度)水質(zhì)較好；西南地區(qū)農(nóng)業(yè)特色突出，二、三季度化肥、農(nóng)藥使用量增加，因此雨季(二、三季度)會(huì)有大量的含磷、含氮物質(zhì)沖進(jìn)水體，導(dǎo)致水體污染，水質(zhì)綜合污染指數(shù)隨季節(jié)變化明顯。

3 結(jié)論

(1)內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：NH3-N濃度、TP濃度、CODCr、BOD5和CODMn為地表水主要超標(biāo)因子，NH3-N濃度超標(biāo)率最高，為首要污染因子，水質(zhì)主要受氮磷營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)物污染。

(2)西北、華北、華東、華南、華中地區(qū)參與評(píng)估的城市多數(shù)水質(zhì)較好，水質(zhì)級(jí)別較好城市均在50%以上；華北地區(qū)參與評(píng)估的城市整體水質(zhì)較差，水質(zhì)級(jí)別較差城市為100%。受整治力度和監(jiān)控管理影響，大部分城市建成區(qū)水質(zhì)優(yōu)于非建成區(qū)。受水流、水量以及執(zhí)行目標(biāo)影響，國(guó)控?cái)嗝嫠|(zhì)比較好。

(3)2012—2014年期間，典型城市地表水質(zhì)有明顯的好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，水質(zhì)較好城市的比例基本不變，而水質(zhì)級(jí)別較差城市的比例由41%降到30%。西北和東北地區(qū)，因?yàn)槿丝诿芏刃?，?jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)不快，水質(zhì)保持相對(duì)穩(wěn)定，多數(shù)城市水質(zhì)季節(jié)性特征不明顯；華東地區(qū)地域遼闊，整體來(lái)看水質(zhì)季度波動(dòng)沒(méi)有明顯規(guī)律；華中和華北地區(qū)四季分明，受氣候影響和雨量影響，城市水質(zhì)季節(jié)性特征也比較明顯。

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Comprehensive Evaluation and Analysis of Surface Water Quality for Typical Cities of China

ZHENG Lijie1,2, GAO Hongjie2, SONG Yonghui2, HAN Lu2, Lü Chunjian2

1.College of Environmental and Safety Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China 2.Scientific and Technological Innovation Base for Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Based on Nemerow index method, 27 typical cities all over China were chosen for the analysis of the present situation and spatio-temporal variation regulation of urban surface water. The results showed that TP, NH3-N, CODCr, BOD5and CODMnwere major factors exceeding the standards and NH3-N was the most serious, and the water was mainly affected by nitrogen, phosphorus and organic pollution. Water quality in North China area was poorer. Water quality in Northwest, Northeast, East China, South China, Central China and Southwest area was better and their ratio of good quality was over 50%. Water quality in built up area was better than that of the unbuilt up area. Water quality of the state-controlled sections was relatively good. The pollution of typical cities surface water quality alleviated from 2012 to 2014, and the proportion of cities with low-quality water had decreased by 11%. In Northwest and Northeast, most cities did not show clear seasonal characteristics due to low population density, relatively slow economy development and relatively stable water quality. In the vast East China region, water quality did not show obvious quarterly fluctuations. In Central China and North China, water quality showed relatively clear seasonal characteristics due to the influences of climate and rainfall.

typical cities; surface water; Nemerow index method; water quality evaluation

2015-12-26

重點(diǎn)流域環(huán)境保護(hù)監(jiān)管項(xiàng)目(2110302)

鄭利杰(1989—)，女，碩士，主要從事城市水環(huán)境管理研究，zhenglijie2015@163.com

*通訊作者:高紅杰(1981—)，男，副研究員，博士，主要從事城市水生態(tài)修復(fù)技術(shù)，ghjlxh@sina.com

X824

1674-991X(2016)03-0252-07

10.3969j.issn.1674-991X.2016.03.038