基于CCME WQI模型對(duì)渭河寶雞段水質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

郭 嬋， 易文利，2， 鄭浩浩

（1.寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院，陜西寶雞 721013；2.寶雞文理學(xué)院陜西省災(zāi)害監(jiān)測與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西寶雞 721013）

水質(zhì)評(píng)價(jià)作為水環(huán)境監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，對(duì)水體污染程度及水環(huán)境保護(hù)具有重要作用［1］，隨著理論發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，水環(huán)境研究從常規(guī)理化指標(biāo)拓展到對(duì)水體重金屬離子的測定. 重金屬作為具有難降解性的污染物和有毒物，對(duì)人體及環(huán)境會(huì)產(chǎn)生極大危害［2］，水環(huán)境中上覆水體是重金屬在湖泊、水庫中遷移轉(zhuǎn)化的主要場所，相對(duì)于懸浮物和沉積物，水體重金屬可被水生生物直接吸收，形成體內(nèi)富集，痕量水平上會(huì)產(chǎn)生極端毒性［3］，因此，水體重金屬含量常被作為環(huán)境監(jiān)測與水質(zhì)評(píng)價(jià)中的一項(xiàng)重要指標(biāo). 近年來，不同學(xué)者從不同角度不同評(píng)價(jià)方法對(duì)水環(huán)境進(jìn)行研究，易文利［4］選取渭河寶雞段水質(zhì)理化指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)從上游至下游水質(zhì)逐漸惡化；徐晨等［5］對(duì)望虞河西岸河網(wǎng)進(jìn)行重金屬研究及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)后發(fā)現(xiàn)，水體重金屬除Hg外均污染較輕，沉積物中Cd、As和Hg具有較強(qiáng)的二次釋放潛力；劉友存等［6］對(duì)贛江龍逕河水體研究發(fā)現(xiàn)，重金屬主要污染物為Mn、Hg、Pb，重金屬Zn、Mn、As、Cd、Pb與氨氮具有顯著的正相關(guān)性，河流水質(zhì)整體較差，重金屬污染上游較嚴(yán)重. 現(xiàn)存的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，包括主成分分析［1］、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法［7-8］、綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法［8］、模糊綜合評(píng)價(jià)法［9］、層次分析法［10］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［11］等均被廣泛應(yīng)用. 國內(nèi)學(xué)者的大量研究，使以上方法出現(xiàn)研究“過熱”現(xiàn)象，因此引入用來評(píng)價(jià)飲用水的加拿大水質(zhì)指數(shù)法［12］（Canadian Council of Ministers of the Environment Water Quality Index，CCME WOI）對(duì)水環(huán)境評(píng)價(jià). 該方法是由加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)（UBC）提出的水質(zhì)指數(shù)改進(jìn)而來，規(guī)定根據(jù)水質(zhì)功能來選取水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)，參與評(píng)價(jià)水質(zhì)參數(shù)個(gè)數(shù)應(yīng)大于8，小于20個(gè)［13］，分別從監(jiān)測指標(biāo)的超標(biāo)范圍、超標(biāo)頻率和超標(biāo)幅度3個(gè)方面衡量研究區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量［14］. 不僅國外學(xué)者對(duì)其研究，國內(nèi)學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行不同程度應(yīng)用，證實(shí)其在地表水環(huán)境評(píng)價(jià)中的可行性. Gao等［15］運(yùn)用CCME WQI對(duì)三峽水庫2008—2013年水質(zhì)狀況進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)；Zhang等［16］采用CCME WQI對(duì)第二松花江盆地的地表水與地下水相互關(guān)系進(jìn)行探究.

本研究以渭河寶雞段水質(zhì)為研究對(duì)象. 寶雞地處關(guān)天經(jīng)濟(jì)副中心帶，工業(yè)及交通發(fā)達(dá)，是典型工業(yè)城市. 渭河自西向東流經(jīng)寶雞，是區(qū)內(nèi)地表水系主動(dòng)脈和農(nóng)灌水源，也是川道地下水補(bǔ)充水源，同時(shí)負(fù)擔(dān)著泄洪、排污、保持生態(tài)平衡的重任［4］. 研究選取單因子指數(shù)法［17］及CCME WQI法［11，15-16］對(duì)渭河寶雞市區(qū)段水質(zhì)常規(guī)理化指標(biāo)和重金屬含量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并借助ArcGIS對(duì)河流污染評(píng)價(jià)影響做出可視化表達(dá). 研究結(jié)果可為改善水環(huán)境及寶雞市建設(shè)提供有效參考依據(jù).

1 研究方法

1.1 樣品采集與處理

選取渭河寶雞市區(qū)段神農(nóng)橋至虢鎮(zhèn)橋共10個(gè)監(jiān)測斷面為研究對(duì)象，于2019年3—4月進(jìn)行研究區(qū)水質(zhì)采樣，采樣點(diǎn)如圖1所示. 將取好的水樣放入聚乙烯瓶中當(dāng)日帶回實(shí)驗(yàn)室處理［18］.

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)Fig.1 Sampling points of study area

化學(xué)需氧量（CODcr）采用重鉻酸鉀法［19］進(jìn)行測定；總磷（TP）采用鉬酸銨分光光度法［20］測定；總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法［21-22］；氨氮（NH3-N）采用納氏試劑分光光度法［23］測定；水質(zhì)重金屬測定中，取約40 mL水樣置于聚四氟乙烯消解管中，采用DEENAII全自動(dòng)消解儀對(duì)水樣進(jìn)行消解，消解后選取Agilent7500C電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS（美國安捷倫公司）對(duì)水體中金屬含量進(jìn)行測試［24］.

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法

參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 3838—2002 以及《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 14848—93），按照Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，選取加拿大水質(zhì)指數(shù)（CCME WQI）法，對(duì)渭河寶雞段水體進(jìn)行評(píng)價(jià). 利用CCME WQI 從范圍（F1）、頻率（F2）、振幅（F3）這3個(gè)方面測試采樣點(diǎn)的檢測值是否超過了標(biāo)準(zhǔn)限值［14，25］，計(jì)算公式如下：式中：S為達(dá)指標(biāo)的實(shí)測值相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)限值的偏移量；Q為歸一化指數(shù)；q為達(dá)標(biāo)的數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；M為所有監(jiān)測地點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù)；p為達(dá)標(biāo)的指標(biāo)的數(shù)量；N為監(jiān)測指標(biāo)的總數(shù)量；CCME WQI為三個(gè)變量的調(diào)和平方和；水質(zhì)等級(jí)劃分如表1所示.

表1 CCME WQI水質(zhì)等級(jí)劃分及釋義Tab.1 CCME WQI water quality classification and interpretation

2 結(jié)果與分析

2.1 不同采樣點(diǎn)水質(zhì)重金屬及營養(yǎng)鹽指標(biāo)全量分析

對(duì)流域上覆水重金屬及營養(yǎng)鹽全量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示：流域采樣區(qū)內(nèi)的重金屬元素Mn、As、Zn及Pb的質(zhì)量濃度均偏高，分別為：12.64～143.71、61.93～154.66、5.69～80.14、2.41～13.38 μg/L. Mn元素平均質(zhì)量濃度數(shù)值較高，標(biāo)準(zhǔn)偏差為51.97，Zn元素全量質(zhì)量濃度整體低于As元素，從標(biāo)準(zhǔn)偏差及變異系數(shù)上來看Zn＞As元素，但整體標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比其他重金屬元素明顯偏大，表明不同采樣點(diǎn)之間水質(zhì)污染變化差異明顯，Mn、Zn、As、Pb元素污染變化尤其嚴(yán)重. Mn、Co、Ni、Pb、Zn、Cd的變異系數(shù)達(dá)到高度變異.

水體COD、NH3-N、TP、TN 全量質(zhì)量濃度范圍為15.25～26.34、2.31～6.66、0.05～0.32、1.59～6.60 mg/L，COD離散程度較大，標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到3.51；TP在不同采樣點(diǎn)最大值與最小值質(zhì)量濃度差距較大，標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值差異較大致使變異系數(shù)達(dá)到0.57；NH3-N、TN質(zhì)量濃度變化趨勢較平穩(wěn)，變異系數(shù)分別為0.45和0.47，由于其均大于0.36，所以為高度變異.

表2 渭河寶雞段流域水質(zhì)重金屬（μg/L）及理化指標(biāo)（mg/L）質(zhì)量濃度及分析（n=10）Tab.2 Heavy metal（μg/L）and physicochemical index（mg/L）levels of water quality in the Baoji section of the Weihe River（n=10）

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.2.1 單因子污染指數(shù) 通過對(duì)10個(gè)斷面上覆水監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)分析（表2），結(jié)果表明：上覆水理化指標(biāo)中COD自金陵河起除去渭河虢鎮(zhèn)橋外均超過Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，TP含量在臥龍橋及虢鎮(zhèn)渭河橋間超標(biāo)，NH3-N及TN在整個(gè)研究區(qū)范圍內(nèi)超標(biāo)，且在臥龍橋及虢鎮(zhèn)渭河橋間超標(biāo)嚴(yán)重；水質(zhì)重金屬元素中，Mn元素在臥龍橋、鳳凰橋以及虢鎮(zhèn)橋三個(gè)監(jiān)測斷面超標(biāo)；類金屬元素As在研究區(qū)內(nèi)的10個(gè)監(jiān)測斷面均污染超標(biāo)，在吊橋監(jiān)測點(diǎn)超標(biāo)最為嚴(yán)重，其含量達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)的3.093倍.

表3 水質(zhì)理化指標(biāo)及重金屬元素單因子污染指數(shù)Tab.3 Physicochemical indicators of water quality and single factor pollution index of heavy metal elements

2.2.2 加拿大水質(zhì)指數(shù)（CCME WQI）評(píng)價(jià) CCME WQI 通過結(jié)合水質(zhì)評(píng)價(jià)項(xiàng)目，利用超過標(biāo)準(zhǔn)限值占比（F1）、監(jiān)測項(xiàng)目超過標(biāo)準(zhǔn)限值次數(shù)占比（F2）、超標(biāo)幅度（F3）三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)等級(jí)評(píng)定，對(duì)渭河寶雞市區(qū)段水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果如表4所示. 整體來看，研究區(qū)上覆水水質(zhì)由上游到下游表現(xiàn)出從中等到較差的特征，吊橋采樣點(diǎn)處的CCME WQI分值為65.96，在中等水質(zhì)中評(píng)分略低，廊橋采樣點(diǎn)的CCME WQI分值略有升高為69.02，表明吊橋污染稍加嚴(yán)重，廊橋樣點(diǎn)水環(huán)境污染暫有回緩. 臥龍橋至虢鎮(zhèn)渭河橋之間，CCME WQI分值均處于［50，60］的區(qū)間內(nèi)，評(píng)分較低，表明這三處水質(zhì)較差，水環(huán)境受到較嚴(yán)重破壞.

表4 加拿大水質(zhì)指數(shù)（CCME WQI）評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Canadian Water Quality Index（CCME WQI）evaluation results

2.2.3 污染指數(shù)評(píng)價(jià)空間分布 通過加拿大指數(shù)（CCME WQI）對(duì)水質(zhì)污染進(jìn)行評(píng)價(jià)，將其結(jié)果運(yùn)用ArcGIS軟件進(jìn)行反距離權(quán)重插值［26］（IDW）進(jìn)行空間表征，結(jié)果如圖2 所示，表現(xiàn)為研究區(qū)水質(zhì)整體為中等較差水平，以臥龍橋?yàn)榻鐝纳嫌蔚较掠卧u(píng)價(jià)分值呈“西高東低”的分布狀態(tài)，神農(nóng)橋至蟠龍橋評(píng)分等級(jí)高于臥龍橋至虢鎮(zhèn)渭河橋段. CCME WQI 評(píng)價(jià)方法為正向評(píng)判，得分越高污染越低，因此研究區(qū)的污染情況整體上為“西低東高”. 在中等水質(zhì)中，金渭橋、吊橋處的污染較大，在較差水質(zhì)中，虢鎮(zhèn)渭河橋處的污染較大，且其污染影響范圍均以樣點(diǎn)為中心向四周遞減擴(kuò)散.

圖2 上覆水CCME WQI指數(shù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of CCME WQI index in overlying water

3 討論

通過對(duì)渭河寶雞段水質(zhì)進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)鹽COD 和NH3-N 含量較高與靳美娟等［27］對(duì)寶雞市水體研究得出COD和NH3-N為主要污染物有較好的對(duì)應(yīng)，TP含量變化除金陵河及神農(nóng)橋外與耿雅妮［28］對(duì)渭河水體分析中得出結(jié)果一致，即渭河干流TP 含量自上游至下游呈現(xiàn)上升趨勢，支流TP 因只選取金陵河作為研究點(diǎn)，因此不足以表明支流TP 情況含量；類重金屬元素As 作為致癌元素，其含量在吊橋采樣點(diǎn)處達(dá)到最大值，As元素受成土母質(zhì)影響主要為自然源［29-30］，但同時(shí)土壤揚(yáng)塵對(duì)其影響較大［31］，在取樣時(shí)，由于選取的采樣點(diǎn)接近濱河路段，居民區(qū)廣布，并在采樣期間現(xiàn)場正在施工，施工期間揚(yáng)塵及廢棄物等均對(duì)As 的含量造成影響. 在對(duì)水體營養(yǎng)鹽及重金屬元素進(jìn)行全量分析時(shí)，變異系數(shù)可在一定程度上反映采樣點(diǎn)的離散程度. 當(dāng)變異系數(shù)大于0.36時(shí)為高度變異［32］，理化指標(biāo)NH3-N、TP、TN及重金屬M(fèi)n、Co、Ni、Pb、Zn、Cd變異系數(shù)均達(dá)高度變異，表明人為因素貢獻(xiàn)極大，可能與沿岸的工業(yè)生產(chǎn)、建筑建設(shè)、居民區(qū)生活污水排放等活動(dòng)有關(guān)，這是影響水質(zhì)重金屬元素及理化指標(biāo)含量增加、分布不均的原因. 同時(shí)，重金屬元素通過污水排放、大氣沉降［33］、交通排放［34］等途徑進(jìn)入水體，經(jīng)過吸附、絮凝的過程，營養(yǎng)鹽及重金屬會(huì)在底泥中累積，可能造成二次污染.

通過單因子污染指數(shù)對(duì)研究區(qū)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)后發(fā)現(xiàn)，NH3-N含量值在鳳凰橋以及虢鎮(zhèn)渭河橋監(jiān)測點(diǎn)達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的6.7和6倍，TN在鳳凰橋和虢鎮(zhèn)渭河橋處含量值分別達(dá)到4倍和6倍多，Mn元素臥龍橋、鳳凰橋及虢鎮(zhèn)渭河橋單因子指數(shù)均達(dá)到三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)1倍多，這三種元素在下游段污染物濃度含量分析中均呈現(xiàn)增加趨勢，主要是由于監(jiān)測斷面處于研究區(qū)下游，對(duì)其周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)地考察分析發(fā)現(xiàn)，蟠龍橋下游附近有排污口出現(xiàn)，而水體重金屬自然源為巖石風(fēng)化的碎屑產(chǎn)物，通過自然途徑進(jìn)入水體通過自然途徑進(jìn)入水體中的重金屬一般不會(huì)對(duì)水體造成污染，人為污染源例如采礦和冶煉、金屬加工、化工、廢電池處理、電子、造革和染料、農(nóng)藥和化肥的使用等，是造成水體重金屬污染的主要原因［35］，因此蟠龍橋處的排污口可能會(huì)使下游中的NH3-N、TN、Mn含量增加. 類重金屬元素As在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)均超過三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在吊橋處達(dá)到三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的3倍，而As元素受土壤揚(yáng)塵影響較大，采樣期間在吊橋處存在施工現(xiàn)場，施工所產(chǎn)生的揚(yáng)塵及廢棄物等均對(duì)會(huì)As含量變化造成影響，As元素含量在吊橋采樣點(diǎn)達(dá)到最高值.

在單因子指數(shù)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上選取CCME WQI 評(píng)價(jià)法，綜合考慮監(jiān)測斷面超標(biāo)指標(biāo)個(gè)數(shù)，超標(biāo)次數(shù)以及超標(biāo)幅度大小，能全面反映整體水質(zhì)污染程度. 對(duì)比其他方法中出現(xiàn)以最差因子濃度來確定污染等級(jí)，能夠考慮到超標(biāo)指標(biāo)占全部參評(píng)因子的比例［14］，通過分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)水質(zhì)從上游神農(nóng)橋開始至下游渭河虢鎮(zhèn)橋，監(jiān)測斷面逐漸出現(xiàn)超標(biāo)指標(biāo)增多現(xiàn)象，水質(zhì)等級(jí)由中等類別轉(zhuǎn)變?yōu)檩^差類別，與研究區(qū)途經(jīng)商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、工業(yè)活動(dòng)、毗鄰公路交通運(yùn)輸?shù)纫蛩赜嘘P(guān). 因此，應(yīng)加大檢查頻次，在處理不同種類廢水應(yīng)盡可能將其廢水分流，就地單獨(dú)處理及預(yù)處理，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后在進(jìn)行排放. 在施工路段，應(yīng)做到易揚(yáng)塵地方及時(shí)打掃清理，物料切割等易揚(yáng)塵作業(yè)應(yīng)采取濕法作業(yè).

4 結(jié)論

1）渭河寶雞段水質(zhì)COD、TP、Mn、Zn、Pb變異系數(shù)較高，受人為活動(dòng)影響嚴(yán)重. 上覆水理化指標(biāo)含量在鳳凰橋上升，但整體含量變化不大，類金屬元素As在吊橋處達(dá)到峰值，與吊橋處存在施工現(xiàn)場有關(guān)，臥龍橋采樣點(diǎn)處重金屬元素的含量均出現(xiàn)上升，這與臥龍橋附近發(fā)現(xiàn)排污口可能有關(guān).

2）單因子評(píng)價(jià)中研究區(qū)內(nèi)理化指標(biāo)TN、NH3-N整體超標(biāo)，且在臥龍橋及虢鎮(zhèn)渭河橋間超標(biāo)嚴(yán)重；類金屬元素As整體超標(biāo)，在吊橋處污染指數(shù)最大；Zn、Cd元素在金陵河和臥龍橋污染增高.

3）CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果神農(nóng)橋至蟠龍橋?yàn)橹械人|(zhì)，臥龍橋至虢鎮(zhèn)橋?yàn)檩^差水質(zhì)，上游至下游污染逐漸增加. 空間可視化表現(xiàn)研究區(qū)水質(zhì)污染呈現(xiàn)“西低東高”.