水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法在贛江尾閭段水質(zhì)評價中的應(yīng)用

任長江，趙 勇，龔家國，裴青寶，趙新宇

（1.南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院，南昌 330099；2.中國水利水電科學(xué)研究院 水資源研究所，北京 100038）

1 研究背景

在我國河流水質(zhì)評價方法中，水質(zhì)評價方法分為單因子水質(zhì)評價法和綜合水質(zhì)評價法，單因子評價法由于其“一票否決制”，難以真實反映水質(zhì)綜合污染情況，因而很少被研究者采用。綜合水質(zhì)評價法［1］包括內(nèi)梅羅指數(shù)法［2］、綜合水質(zhì)指數(shù)法［3］、綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法［4-5］、主要污染物標(biāo)識指數(shù)法［6］、主要污染物水質(zhì)指數(shù)法、基于組合權(quán)重的水質(zhì)評價法［7］、基于因子分析的水質(zhì)綜合指標(biāo)評價法［8］和按水質(zhì)功能區(qū)劃分的污染指數(shù)法［9］等多種評價方法。而對水質(zhì)的預(yù)測方法的研究也取得了諸多成果，例如基于計算機人工智能技術(shù)的灰色關(guān)聯(lián)法［10-11］、層次分析法［12］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法［1］、模糊數(shù)學(xué)法［13］、回歸支持向量機、投影尋蹤回歸法［14-15］、主成分分析法［16-17］、模糊識別法［18］、指標(biāo)概率密度法［19］和水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法［20-21］。在眾多的水質(zhì)評價以及預(yù)測方法中，水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法［22］由于其綜合水質(zhì)類別、定量污染程度、水環(huán)境功能區(qū)達標(biāo)等水環(huán)境管理信息既能定性又能定量對水質(zhì)進行評價，既不會因個別水質(zhì)指標(biāo)較差就否定綜合水質(zhì)，又能對綜合水質(zhì)做出合理評價的優(yōu)點，因而在河流水質(zhì)評價中得到了廣泛的應(yīng)用［6，17，20，23-25］。

近年來隨著南昌地區(qū)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)排污量的增大，對贛江水質(zhì)造成了不同程度的污染，而贛江又是鄱陽湖的重要補給水源，這勢必對下游鄱陽湖生態(tài)造成較大影響，準(zhǔn)確掌握和預(yù)測贛江水質(zhì)變化對鄱陽湖生態(tài)保護至關(guān)重要。本文采用水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法從空間和時間維度對贛江水質(zhì)進行綜合分析，以期為鄱陽湖水質(zhì)演變以及區(qū)域生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。

2 水質(zhì)檢測

2.1 研究區(qū)概況研究區(qū)下游的鄱陽湖是中國第一大淡水湖，位于江西省北部，面積3960 km2，國家5A 級旅游景區(qū)，湖區(qū)有41 個島嶼和7 個自然保護區(qū)。保護區(qū)內(nèi)鄱陽湖候鳥300 多種，近百萬只，其中珍禽50多種，是世界上最大的鳥類保護區(qū)。贛江為鄱陽湖的重要補給水源，自南向北在南昌東北方向分北支、中支、南支匯入鄱陽湖。而贛江下游尾閭南昌段地處江西中部偏北、鄱陽湖西南岸（東經(jīng)115°27′—116°35′、北緯18°10′—29°11′），位于贛江邊上的南昌市人口密集，周邊工農(nóng)業(yè)發(fā)達。

2.2 采樣點布置按照地表水質(zhì)監(jiān)測布點與采樣原則進行布點，對贛江尾閭3個支流8個斷面進行采樣，采樣點分別為：贛江北支大巷站、潭口村發(fā)電站以及禾洲電力灌排站；中支下樓村、南新村及樓前大橋；南支滁北大橋和北旺大橋。采樣點位置見圖1中S1，S2，…，S8。

圖1 采樣點布置示意圖

2.3 監(jiān)測指標(biāo)根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）和《地表水資源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（SL63-94），選取pH值、總磷（total phosphorus，TP）、總氮（total nitrogen，TN）、氨氮（ammonia-nitrogen，NH4-N）、化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）、硝態(tài)氮（nitric nitrogen，NO3-N）、電導(dǎo)率（electrical con?ductivity，EC）、濁度（turbidity，TUR）、懸浮物（suspended solids，SS）作為評價指標(biāo)。采樣時間分別為2015 年10 月30 日（T1）、12 月4 日（T2）以及2016 年1 月12 日（T3）、3 月10（T4）日和5 月30 日（T5）。懸浮物（SS）根據(jù)GB11901-89 標(biāo)準(zhǔn)測定，電導(dǎo)率（EC）根據(jù)HJ/T97-2003 標(biāo)準(zhǔn)測定，水質(zhì)濁度（TUR）根據(jù)HJ/T98-2003 標(biāo)準(zhǔn)測定，氨氮（NH4-N）根據(jù)HJ/T101-2003 技術(shù)要求測定，總氮（TN）根據(jù)HJ/T102-2003 技術(shù)要求測定，總磷（TP）根據(jù)HJ/T103-2003 技術(shù)要求測定，硝態(tài)氮（NO3-N）根據(jù)HJ/T103-2003技術(shù)要求測定，化學(xué)需氧量（COD）根據(jù)HJ/T103-2003技術(shù)要求測定。對5個時段的8個監(jiān)測點各項水質(zhì)指標(biāo)求平均值，水質(zhì)指標(biāo)實測值在時間和空間上分布如表1。

表1 水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)

3 評價方法

水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法［22］（water quality identification index，WQI）將水質(zhì)表示為一個具有代數(shù)性質(zhì)的小數(shù)，能夠連續(xù)性描述水質(zhì)狀況。該方法首先計算水體監(jiān)測數(shù)據(jù)中各參評因子的單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)，綜合考慮國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）的水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)、國家《水功能區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50594-2010）的水功能分級標(biāo)準(zhǔn)，然后計算水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)。

3.1 單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法［22］（single factor water quality identification index，SWQI），由反映水質(zhì)類別X1，水質(zhì)類別區(qū)間所處的位置X2，以及反映單項指標(biāo)與水環(huán)境功能區(qū)關(guān)系X3的三位數(shù)組成。水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)Pi包括一位整數(shù)、小數(shù)點后兩位或三位有效數(shù)字，可以表示為：

式中：Pi為第i項水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)識指數(shù)；X1為第i項水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)類別，為Pi的整數(shù)部分；X2為監(jiān)測數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置，為Pi小數(shù)部分的第一位小數(shù)，根據(jù)四舍五入原則計算；X3為水質(zhì)類別與功能區(qū)類別的比較結(jié)果，為Pi小數(shù)部分第二位小數(shù)（一位有效數(shù)字）或者第二位和第三位小數(shù)（兩位有效數(shù)字）。

3.1.1X1的確定X1由水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)與地表水標(biāo)準(zhǔn)GB3838—2002比較確定。X1=1，表示該指標(biāo)為Ⅰ類水；X1=2，表示該指標(biāo)為Ⅱ類水；其它以此類推。

3.1.2X2的確定 除水溫、pH和溶解氧外的其余20項指標(biāo)值隨水質(zhì)類別數(shù)的增大而增加，非溶解氧指標(biāo)（20項）X2可根據(jù)下式計算：

式中：ρi為第i項指標(biāo)的實測質(zhì)量濃度，ρikl≤ρi≤ρiku；ρiku為第i項水質(zhì)指標(biāo)第k類水區(qū)間質(zhì)量濃度的上限值，k=X1；ρikl為第i項水質(zhì)指標(biāo)第k類水區(qū)間質(zhì)量濃度的下限值。

當(dāng)水質(zhì)劣于或等于Ⅴ類水上限值時，非溶解氧指標(biāo)的X1X2可根據(jù)式計算，按四舍五入原則保留小數(shù)點后一位數(shù)據(jù)。

式中ρi5u為第i項指標(biāo)Ⅴ類水質(zhì)量濃度上限值。

3.1.3X3的確定X3一般通過判斷得出，如果水質(zhì)類別好于或達到功能區(qū)類別，則有：

當(dāng)水質(zhì)類別差于功能區(qū)類別且X2不為零，則有：

當(dāng)水質(zhì)類別差于功能區(qū)類別且X2為零，則有：

式中fi為水環(huán)境功能區(qū)類別，當(dāng)X3=1說明水質(zhì)類別劣于功能區(qū)1個類別；當(dāng)X3=2，說明水質(zhì)劣于功能區(qū)2個類別，以此類推。

3.2 主要污染物水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法主要污染物水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法［6］（Primary Pollutant-Water Quality Identification Index，PP-WQI），在水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法的基礎(chǔ)上對其進行修正，引入體現(xiàn)水質(zhì)主要污染物類別的參數(shù)F，其表達式如下：

式中：PP-WQI為該監(jiān)測水體主要污染物水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)；η為參加整體水質(zhì)評價的指標(biāo)中劣于水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)指標(biāo)的個數(shù)，為PP-WQI小數(shù)部分第二位小數(shù)；F為該監(jiān)測水體中的主要污染物。

3.3 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)［5］（Composite water quality identification index，CWQI）在單因子水質(zhì)標(biāo)識方法的基礎(chǔ)上，由單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)總和的平均值、代表水質(zhì)類別與功能區(qū)劃設(shè)定類別比較結(jié)果和參加整體水質(zhì)評價的指標(biāo)中劣于功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)指標(biāo)個數(shù)組成，其計算公式為：

式中：CWQI為評價體系中所有參評指標(biāo)的綜合計算結(jié)果，為所有參與評價指標(biāo)所計算的X1?X2平均值；M為參與綜合水質(zhì)評價的水質(zhì)指標(biāo)中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單項指標(biāo)個數(shù)，為CWQI小數(shù)部分第二位小數(shù)；N為綜合水質(zhì)類別與水體功能區(qū)類別的比較結(jié)果，為CWQI小數(shù)部分第三位小數(shù)，通過參評的單因子標(biāo)識指數(shù)Pi中的M不為0 的個數(shù)來確定。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）的水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)，以及《地表水環(huán)境質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》，本文各項水質(zhì)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)見表2，將表1水質(zhì)指標(biāo)實測值與表2水質(zhì)評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)進行比對，得表3各指標(biāo)所屬水質(zhì)分級類別。

表2 水質(zhì)評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)值

表3 各監(jiān)測指標(biāo)對應(yīng)的水質(zhì)類別

由表3可知，各監(jiān)測點的EC均滿足Ⅰ類水質(zhì)要求，NO3-N稍優(yōu)于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，NH4-N基本滿足Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，TP和TN 輕度污染，TUR和SS污染較為嚴(yán)重，COD污染最為嚴(yán)重。

根據(jù)單因子污染指數(shù)法將表1各個斷面水質(zhì)指標(biāo)實測值的平均值與表2水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)相除，按照三級功能區(qū)劃分，得圖2所示各項指標(biāo)污染指數(shù)（WPI）。由圖2可知，不考慮濁度和懸浮物，對水質(zhì)影響較大的前三項化學(xué)指標(biāo)為COD、TN和TP。

4.1 SWQI 評價結(jié)果根據(jù)單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法［26］計算，各監(jiān)測點以及各時段水質(zhì)評價結(jié)果如表4所示。

4.2 PP-WQI 評價結(jié)果根據(jù)主要污染物水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法計算，各監(jiān)測點以及各時段水質(zhì)評價結(jié)果如表5所示。

圖2 各監(jiān)測指標(biāo)單因子污染指數(shù)

表4 單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價結(jié)果

表5 主要污染物水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價結(jié)果

4.3 CWQI評價結(jié)果根據(jù)主要污染物水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法計算，各監(jiān)測點以及各時段水質(zhì)評價結(jié)果如表6所示。

4.4 不同方法水質(zhì)評價比較為了比較不同評價方法對贛江水質(zhì)評價結(jié)果的影響，分別采用基于水環(huán)境功能區(qū)的加權(quán)平均污染指數(shù)法（Pollution Index method，PIM）［1］、單因子污染指數(shù)法（SFCI）［1］、內(nèi)梅羅指數(shù)法（NI）［2］、主要污染物染指數(shù)法（Major Pollutant Index，MPI）［5］、單因子水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)（SWQI）、主要污染物水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法（PP-WQI）和綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法CWQI等7種方法對贛江水質(zhì)進行評價，7種方法計算結(jié)果如表7所示。

表6 綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法評價結(jié)果

表7 不同評價方法水質(zhì)評價結(jié)果

由表7 可知：對比7 種評價方法水質(zhì)評價結(jié)果，對于3 個支流：北支（S1、S2、S3）、中支（S4、S5、S6）和南支（S7、S8），采用加權(quán)平均污染指數(shù)法（PIM）結(jié)果為Ⅲ類水且水質(zhì)較好；單因子污染指數(shù)法（SFCI）由于以最差水質(zhì)指標(biāo)所屬類別作為綜合水質(zhì)類別，按其評價標(biāo)準(zhǔn)屬于Ⅲ類水且中度污染；內(nèi)梅羅指數(shù)法（NI）依據(jù)其評判標(biāo)準(zhǔn)則屬于Ⅲ類水且輕度污染；主要污染物指數(shù)法（MPI）按其評判標(biāo)準(zhǔn)則屬于Ⅳ類水；主要污染物水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法（PP-WQI）表明水質(zhì)主要污染物為COD其次為TN和SS。三種水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法SWQI、PP-WQI 和CWQI 評價結(jié)果較為接近，均屬于Ⅲ類水且處于偏差位置（X1?X2≈ 0.8），接近Ⅳ類水。7種方法中由于SWQI、PP-WQI、CWQI評價結(jié)果較為接近，能較準(zhǔn)確反映贛江水質(zhì)污染狀況。

從時間上分析，7 種評價方法基本上均表現(xiàn)出：T5（2016-5-30 夏季）污染指數(shù)最大，T2 和T3（2015-12-4 和2016-1-12 冬季）次之，T4（2016-3-10 春季）第三，T1（2015-10-30 秋季）最小。這是由于研究區(qū)雨水豐沛、土地肥沃，鄱陽湖濕地周邊為鳥的天堂，區(qū)內(nèi)有候鳥300多種、近百萬只；另一方面在贛江尾閭段分布著7家以散養(yǎng)為主的養(yǎng)殖場（養(yǎng)牛為主）。這些積累的動物糞便隨著降雨被匯集到各支流，因而水質(zhì)較差、污染指數(shù)較大。而在秋季隨著降雨量的減少，匯入河湖的污染物較少，河流水量介于豐水期和枯水期，水量較為豐富，因而污染物濃度相對較低，污染指數(shù)較小。

從空間上分析，北支S1 監(jiān)測點（大港站）污染指數(shù)均小于下游兩個分支S2（潭口村發(fā)電站）和S3（禾洲灌排站）監(jiān)測點的污染指數(shù)；中支S4（樓前大橋站）監(jiān)測點污染指數(shù)小于S6（下樓村站）監(jiān)測點污染指數(shù)；南支S8（北旺大橋）監(jiān)測點污染指數(shù)小于S7（滁北大橋）監(jiān)測點污染指數(shù)。水質(zhì)在空間上表現(xiàn)為上游優(yōu)于下游；從北、中、南平均值來看，北支和南支較為接近，而與中支相差較大，整體上水質(zhì)中支較好，南支和北支較差。

5 結(jié)論

采用7種水質(zhì)評價指數(shù)法對贛江尾閭河段水質(zhì)進行了綜合評價，從時間和空間維度對水質(zhì)演化規(guī)律進行了分析，得到以下結(jié)論：贛江尾閭河段水質(zhì)污染源主要為動物和鳥類糞便，在3種水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法SWQI、PP-WQI、CWQI 評價結(jié)果較為接近的情況下，PP-WQI 方法不僅能夠反映水質(zhì)污染程度，也能體現(xiàn)主要污染物，更能真實反映該區(qū)域水質(zhì)污染情況；從PP-WQI評價結(jié)果來看，水質(zhì)污染在時間上表現(xiàn)為：夏季污染指數(shù)最大（4.25（COD）），冬季次之（4.06（COD）和4.05（TN）），秋季最?。?.03（COD））；在空間上表現(xiàn)為上游（北支S1 為3.74（COD），中支S4 為3.53（COD），南支S7 為3.74（SS））優(yōu)于下游（北支S3 為3.74（COD），中支S6 為3.53（COD），南支S8 為3.74（SS）），中支較好（3.53（COD）），北支和南支較差（3.84（COD）和3.84（COD/SS））；贛江-鄱陽湖段水質(zhì)主要污染物為COD，其次為TN和SS。