柳河流域阜新段水質(zhì)評(píng)價(jià)

趙雁紅

(遼寧省阜新市水文局，遼寧 阜新123000)

0 引 言

在水資源管理和水環(huán)境保護(hù)中對(duì)河湖的水環(huán)境的科學(xué)評(píng)價(jià)十分必要，通過科學(xué)分析水質(zhì)狀況可為推動(dòng)流域水資源保護(hù)、有針對(duì)性的制定河湖水環(huán)境管理決策以及準(zhǔn)確診斷河湖水質(zhì)狀況等提供科學(xué)的指導(dǎo)[1]。將水系統(tǒng)功能和水環(huán)境目標(biāo)依據(jù)相關(guān)規(guī)范劃分為不同的5個(gè)等級(jí)，對(duì)不同水質(zhì)類別下24項(xiàng)基本項(xiàng)目的濃度邊界給出了相應(yīng)的規(guī)定。針對(duì)我國(guó)主要湖泊、河流的水質(zhì)狀況，許多學(xué)者自20世紀(jì)中期就開展了水質(zhì)評(píng)價(jià)研究，如岳霞等研究認(rèn)為全國(guó)七大水系均存在不同程度的污染現(xiàn)象，局部水域的污染治理取得一定的成效；郭蓉等[3]提出水質(zhì)評(píng)價(jià)中綜合評(píng)價(jià)和單因子指數(shù)法應(yīng)用較為普遍，該方法能夠直觀的反映評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與水質(zhì)狀況之間的關(guān)系，具有原理清晰、簡(jiǎn)單明了等優(yōu)點(diǎn)；劉榮榮等對(duì)瀏河水環(huán)境質(zhì)量運(yùn)用單因子標(biāo)準(zhǔn)法評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示該流域水環(huán)境受到一定程度的污染，現(xiàn)已無法滿足地表水質(zhì)要求；易文利等對(duì)典型河段的6個(gè)斷面水質(zhì)狀況采用模糊綜合評(píng)價(jià)法分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)參評(píng)的所有斷面均能滿足水功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)要求[2-5]。

目前，模糊綜合法、灰色關(guān)聯(lián)法、污染指數(shù)法、BP網(wǎng)絡(luò)法、、主成分法、單因子法及層次分析法等為水質(zhì)評(píng)價(jià)的常用方法。20世紀(jì)60年代提出的一種應(yīng)用簡(jiǎn)便、原理清晰的污染指數(shù)評(píng)價(jià)法，在世界范圍內(nèi)多個(gè)河湖水質(zhì)評(píng)價(jià)中得到普遍應(yīng)用。該方法能夠定量的描述水體的整體狀況，考慮多方面不同因素綜合體現(xiàn)河流的受污染程度和特征。

柳河作為阜新市重要的飲用水源，現(xiàn)有研究涉及該河流水質(zhì)的評(píng)價(jià)分析較少，且對(duì)其污染現(xiàn)狀的調(diào)查分析比較缺乏，有必要對(duì)該河段水質(zhì)狀況進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)研究[6-7]。另外，針對(duì)傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅法未考慮權(quán)重因素且過于強(qiáng)調(diào)水質(zhì)污染受最大污染因子影響的不足，本文綜合考慮其概念清晰、運(yùn)算方便的優(yōu)點(diǎn)對(duì)其加以改進(jìn)，并對(duì)柳河阜新段水質(zhì)狀況運(yùn)用改進(jìn)后的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為柳河流域管理部門有針對(duì)性的制定水環(huán)境管理決策提供科學(xué)的依據(jù)。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

綜合考慮極值和多環(huán)境因素的內(nèi)梅羅指數(shù)法，可利用下式計(jì)算確定指數(shù)值，即：

式中：lij、ci為評(píng)價(jià)因子i關(guān)于等級(jí)j的標(biāo)準(zhǔn)值及其實(shí)測(cè)值；Iimax、Iiave為評(píng)價(jià)因子污染指數(shù)最大值和平均值；Ii、PIj為評(píng)價(jià)因子i的污染指數(shù)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)j的內(nèi)梅羅污染指數(shù)；m、n為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)和參評(píng)因子個(gè)數(shù)。

1.2 改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

在評(píng)價(jià)過程中，為解決傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅法存在的未考慮權(quán)重因素和過于強(qiáng)調(diào)水質(zhì)污染受最大污染因子影響的問題，將各因子對(duì)水體的影響程度采取賦予每種評(píng)價(jià)因子權(quán)重的方法進(jìn)行量化，從而提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。采用下式確定各因子權(quán)重，即：

式中：ci、wi為因子i的相關(guān)性比值和權(quán)重值；lij、lmax為評(píng)價(jià)因子i及各類因子關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)j的標(biāo)準(zhǔn)值和最大值。

采用下式反映改進(jìn)的內(nèi)梅羅法，其表達(dá)式為：

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 流域概況

柳河流域發(fā)源于內(nèi)蒙古奈曼旗的雙山子，流域全長(zhǎng)302km，面積5798km2，為遼河中下游右側(cè)的一條多泥沙、洪水泛濫頻繁的支流，主要徑流阜新、彰武、新民及內(nèi)蒙古地區(qū)。柳河上游烏根稿河養(yǎng)畜牧河及上游新開河三條支流，修建有三家子、白廟子、石門子水文站。流域內(nèi)地形地貌總體呈現(xiàn)出東北低、西南高的變化趨勢(shì)，地勢(shì)迭代起伏，主要有坨甸區(qū)、漫崗區(qū)、丘陵溝壑區(qū)和低山丘陵區(qū)[9-10]。水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要選擇總磷、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、BOD5、溶解氧5項(xiàng)指標(biāo)，自上游至下游共設(shè)置10個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中1#監(jiān)測(cè)斷面的CODMn、BOD5、NH3-N、TP、DO實(shí)測(cè)濃度值分別為12.55、3.21、0.64、0.037、7.26mg/L；2#監(jiān)測(cè)斷面各因子濃度值為11.26、2.68、0.57、0.024、7.45mg/L；3#監(jiān)測(cè)斷面各因子濃度值為10.86、3.48、0.61、0.035、4.45mg/L；4#監(jiān)測(cè)斷面各因子濃度值為14.52、4.51、0.67、0.106、6.75mg/L；5#監(jiān)測(cè)斷面各因子濃度值為10.86、1.05、0.77、0.036、8.12mg/L；6#監(jiān)測(cè)斷面各因子濃度值為11.52、1.80、0.46、0.048、6.25mg/L；7#監(jiān)測(cè)斷面各因子濃度值為9.52、0.48、0.36、0.018、5.35mg/L；8#監(jiān)測(cè)斷面各因子濃度值為10.25、2.76、0.72、0.062、8.10mg/L；9#監(jiān)測(cè)斷面各因子濃度值為13.51、1.77、0.62、0.030、6.55mg/L；10#監(jiān)測(cè)斷面各因子濃度值為15.24、1.52、0.81、0.052、5.68mg/L。

近年來，阜新市依托優(yōu)越的自然條件和獨(dú)特的區(qū)位優(yōu)勢(shì)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，生活污水和工業(yè)廢水排放急劇增大，對(duì)人們的生產(chǎn)生活和水體環(huán)境影響較為顯著。因此，對(duì)柳河阜新段水質(zhì)狀況及其變化特征利用合理的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，可為流域水環(huán)境保護(hù)和管理決策的制定提供科學(xué)的指導(dǎo)[11]。

2.2 采樣點(diǎn)布設(shè)

柳河流域阜新段10個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的水環(huán)境狀況利用遼寧省水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心2018年發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，按照水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范采集和布設(shè)采樣點(diǎn)位。

2.3 參數(shù)的選取

遵循靈敏性、可獲取性和可比性原則選擇水質(zhì)影響因子，結(jié)合柳河流域水質(zhì)實(shí)測(cè)結(jié)果中常年低于檢出限評(píng)價(jià)因子和當(dāng)?shù)厮h(huán)境實(shí)際情況，對(duì)柳河水質(zhì)狀況選取CODMn、BOD5、NH3-N、TP、DO5個(gè)因子進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用水楊酸分光-連續(xù)流動(dòng)法、鉬酸銨分光光度法和滴定法測(cè)定氨氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)值；采用接種與稀釋法、電化學(xué)探頭法測(cè)定生化需氧量和溶解氧。

2.4 污染等級(jí)劃分

不同評(píng)價(jià)時(shí)段各水質(zhì)類別的綜合指數(shù)利用改進(jìn)內(nèi)梅羅法進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果見表1。然后將各類污染標(biāo)準(zhǔn)以Ⅲ類水質(zhì)為基準(zhǔn)進(jìn)行等級(jí)劃分，不同水質(zhì)類別下綜合污染指數(shù)的取值區(qū)間見表2。相同水質(zhì)因子不同污染濃度及不同水質(zhì)因子的貢獻(xiàn)率不同，根據(jù)表1可確定權(quán)重最大的因子為總磷，其次為高錳酸鹽指數(shù)，由此表明對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)貢獻(xiàn)率最大的因子為總磷。

2.5 結(jié)果分析

對(duì)2018年柳河阜新段10個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面的綜合污染指數(shù)利用改進(jìn)的內(nèi)梅羅法進(jìn)行計(jì)算分析，通過分析與單因子法水質(zhì)等級(jí)驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性，如表3所示。

表1 不同水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)下各評(píng)價(jià)因子權(quán)重值

表2 水質(zhì)類別和內(nèi)梅羅污染等級(jí)

表3 兩種不同方法的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

從表3可以看出，單因子評(píng)價(jià)法與改進(jìn)的內(nèi)梅羅法評(píng)價(jià)結(jié)果基本相同，除個(gè)別斷面外其它河段的水質(zhì)評(píng)價(jià)等級(jí)整體一致。采用單因子法計(jì)算得到的5#、6#、7#斷面的水質(zhì)等級(jí)為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅲ類，而采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅法為Ⅱ類?；趩我蜃臃ǖ母鲾嗝娴乃|(zhì)等級(jí)的確定，通常以所有的指標(biāo)中最差的因子所處的等級(jí)確定。對(duì)于水質(zhì)的評(píng)價(jià)這種一票否決的原則要求過高，對(duì)于水體的綜合質(zhì)量狀況分析無法給出客觀、合理的結(jié)論[12-13]。例如，溶解氧在6#斷面中的超標(biāo)倍數(shù)達(dá)到0.95，在評(píng)價(jià)體系中該因子權(quán)值僅為0.15，該方法過于強(qiáng)調(diào)超標(biāo)因子對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)的影響。綜合考慮了各評(píng)價(jià)因子權(quán)重的改進(jìn)的內(nèi)梅羅法，對(duì)于超標(biāo)因子的評(píng)判沒有那么的突出。綜合分析以上不同方法的水質(zhì)等級(jí)，達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)的監(jiān)測(cè)斷面有10#、9#、8#、3#、2#、1#，這些斷面的水污染程度較輕；能夠達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)的斷面有4#，水環(huán)境處于清潔狀態(tài)；采用單因子法確定的7#、6#、5#斷面水質(zhì)為中度和輕度污染，而采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅法評(píng)價(jià)為清潔等級(jí)。

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，對(duì)比分析改進(jìn)的內(nèi)梅羅法和單因子法，10個(gè)斷面中單因子評(píng)價(jià)結(jié)果達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)的8個(gè)，占比為80%，優(yōu)于和劣于Ⅲ類水質(zhì)的斷面各占1個(gè)；參與水質(zhì)監(jiān)測(cè)的10個(gè)斷面中改進(jìn)內(nèi)梅羅法能夠滿足Ⅲ類水質(zhì)的6個(gè)，達(dá)到Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)的有4個(gè)，占比分別為60%和40%。總體而言，對(duì)柳河阜新段水質(zhì)狀況利用改進(jìn)的內(nèi)梅羅法和單因子法，二者評(píng)價(jià)結(jié)果均以Ⅲ類水質(zhì)為主，可見該河段的水環(huán)境質(zhì)量總體較高，評(píng)價(jià)結(jié)果處于良好的水平。

3 結(jié) 論

本文對(duì)柳河阜新段水質(zhì)狀況運(yùn)用改進(jìn)的內(nèi)梅羅法評(píng)價(jià)，為解決傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅法存在的未考慮權(quán)重因素和過于強(qiáng)調(diào)水質(zhì)污染受最大污染因子影響的問題，將各因子對(duì)水體的影響程度采取賦予每種評(píng)價(jià)因子權(quán)重的方法進(jìn)行量化，從而更加系統(tǒng)、準(zhǔn)確的反映河流水質(zhì)狀況，評(píng)價(jià)結(jié)果較單因子法更加客觀準(zhǔn)確。選擇CODMn、BOD5、NH3-N、TP、DO5個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況，研究表明污染最為嚴(yán)重的因子為總磷。參評(píng)的10個(gè)斷面中均能，滿足Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求，該河段的水環(huán)境整體處于較高水平。