改進(jìn)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法在水質(zhì)變化趨勢(shì)中的應(yīng)用

田 晶，劉建衛(wèi)，陳小強(qiáng)

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部水環(huán)境研究所，遼寧 大連 116024)

在水生態(tài)環(huán)境治理進(jìn)程中，流域水體污染形勢(shì)嚴(yán)峻，水質(zhì)問題凸顯，進(jìn)行更為詳細(xì)的水質(zhì)分級(jí)對(duì)于水污染治理意義重大。目前有諸多關(guān)于水質(zhì)評(píng)價(jià)方面的研究，劉浩等[1]基于單因子指數(shù)法對(duì)遼河流域的水質(zhì)狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)；王以鵬等[2]基于灰色關(guān)聯(lián)法及單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)沿岸的水質(zhì)情況；田詩(shī)陽等[3]基于單因子評(píng)價(jià)法及內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)；蔣紅艷等[4]利用模糊綜合評(píng)價(jià)法研究黃龍洞景區(qū)的水質(zhì)情況；向夢(mèng)玲等[5]利用改進(jìn)TOPSIS模型進(jìn)行沱江流域水質(zhì)評(píng)價(jià)；靳聰聰?shù)萚6]基于水質(zhì)指數(shù)法進(jìn)行城市河流水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)；Nong等[7]基于WQI評(píng)價(jià)南水北調(diào)中線總干渠的水質(zhì)狀況；Sitzenfrei等[8]采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法對(duì)大型輸配水系統(tǒng)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)；Mian等[9]采用水足跡法進(jìn)行可靠的水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)估；Yotova等[10]采用復(fù)合水質(zhì)指數(shù)和自組織圖對(duì)某河流集水區(qū)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

上述研究多采用常見的水質(zhì)評(píng)價(jià)手段，如單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法等，這些方法參照地表水分類標(biāo)準(zhǔn)劃分水質(zhì)等級(jí)，但仍然存在水質(zhì)界線劃分不清晰且歸屬于同一水質(zhì)類別的水體實(shí)際情況難以評(píng)價(jià)的缺陷；水質(zhì)分類按照V類劃分，且劣于V類的地表水均按照劣V類評(píng)價(jià)，這種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致劣于V類的水質(zhì)無法得到合理的評(píng)價(jià)；單因子指數(shù)法及單因子評(píng)價(jià)法利用最劣指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，難以準(zhǔn)確反映水體的整體情況。為了解決上述問題，采用插值思想建立分段函數(shù)進(jìn)行細(xì)化水質(zhì)分級(jí)、并調(diào)整對(duì)應(yīng)的污染指數(shù)的范圍，得到改進(jìn)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法。改進(jìn)后的方法基于現(xiàn)有方法且計(jì)算結(jié)果在原方法評(píng)價(jià)結(jié)果附近，差異性不大，說明較為合理；該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)；該方法可以量化水質(zhì)分級(jí)，細(xì)化水質(zhì)分類，可以明晰水質(zhì)變化趨勢(shì)。以渾太流域?yàn)檠芯繉?shí)例，通過最近鄰法確定研究斷面，并對(duì)單因子、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法及改進(jìn)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行合理的分析，得到中下游地區(qū)水質(zhì)變化趨勢(shì)及主要污染指標(biāo)，對(duì)細(xì)化水質(zhì)分類、準(zhǔn)確掌握水質(zhì)變化趨勢(shì)具有重要意義。

1 改進(jìn)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法

單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法[11]按照最劣水質(zhì)指標(biāo)所屬類別進(jìn)行水質(zhì)分類，該指標(biāo)一旦嚴(yán)重超標(biāo)即默認(rèn)該部分水體喪失使用功能，可表示某單項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)是否達(dá)到規(guī)定的水體功能類別以及相對(duì)于水體功能類別的達(dá)標(biāo)或超標(biāo)程度。常規(guī)綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法[12-15]選取多種水質(zhì)指標(biāo)可較為客觀的反映水質(zhì)情況，是基于單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的一種綜合算法。

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法按照綜合污染指數(shù)范圍進(jìn)行水質(zhì)分類，改進(jìn)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法基于原分類思想建立水質(zhì)分類與綜合污染指數(shù)的函數(shù)關(guān)系，使得水質(zhì)分類細(xì)化且有據(jù)可依。其基本原理：將實(shí)測(cè)值與所選水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，得到單項(xiàng)污染指數(shù)，并對(duì)污染指數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均得到綜合污染指數(shù)[12]。在此基礎(chǔ)上，采用線性插值的方法建立水質(zhì)類別P與綜合污染指數(shù)Y的分段函數(shù)方程，計(jì)算過程見公式(1)—公式(7)。其中，污染程度參照綜合污染指數(shù)進(jìn)行分段，其污染指數(shù)范圍較常規(guī)綜合污染指數(shù)略有調(diào)整，污染程度按照五級(jí)進(jìn)行劃分，如表1所示，即當(dāng)污染指數(shù)Yi<0.40時(shí)，水質(zhì)處于較好狀態(tài)；當(dāng)0.40≤Yi<0.70時(shí)，水質(zhì)處于輕度污染狀態(tài)；當(dāng)0.70≤Yi<1.00時(shí)，水質(zhì)處于中度污染狀態(tài)；當(dāng)1.00≤Yi<3.00時(shí)，水質(zhì)處于重度污染狀態(tài)；當(dāng)Yi≥3.00時(shí)，水質(zhì)處于嚴(yán)重污染狀態(tài)，其中輕度及中度污染狀態(tài)的水質(zhì)類別計(jì)算公式相同。

表1 污染程度分級(jí)

(1)

(2)

(3)

P=5Y,Y<0.40

(4)

(5)

P=Y+3.00，1.00≤Y<3.00

(6)

劣VI類，Y≥3.00

(7)

改進(jìn)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的優(yōu)勢(shì)在于水質(zhì)分類結(jié)果較改進(jìn)前的方法更為詳細(xì)，便于量化水質(zhì)，其所得水質(zhì)分類結(jié)果處于原分類級(jí)附近，具有一定的可靠性，同時(shí)突破了歸屬于同一類別的水質(zhì)的實(shí)際情況難以精準(zhǔn)評(píng)價(jià)的局限性。改進(jìn)后的方法可以評(píng)價(jià)不劣于VI類的水體，較以往的方法多了一個(gè)整數(shù)分類，使得原來差于V類的水體可以得到正常評(píng)價(jià)，但現(xiàn)實(shí)中劣于VI類的水體不常見，繼續(xù)詳細(xì)劃分缺乏實(shí)用價(jià)值，故可以直接按照劣VI類計(jì)算。

2 實(shí)例分析

2.1 流域概況

渾河及太子河是遼河左岸支流，位于遼寧省中東部地區(qū)，地處東經(jīng)122°20′～125°15′，北緯40°29′～42°15′，流經(jīng)撫順，沈陽，鞍山，本溪等重要城市，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，控制遼寧省重工業(yè)及糧食生產(chǎn)命脈。渾太流域上游為山區(qū)，中游地形平坦為丘陵地貌，下游為遼河平原，植被覆蓋率較高，土地開發(fā)利用程度較高[16-17]。河流東西走向，總河長(zhǎng)828 km，流域面積28 088 km2。渾河地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，太子河地處溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季冷暖干濕分明，多年平均氣溫8℃，多年平均降水735.8 mm。渾太流域工業(yè)較為發(fā)達(dá)，工廠密布，農(nóng)業(yè)種植面積較大，點(diǎn)源、面源污染嚴(yán)重，水體情況倍受關(guān)注。

2.2 監(jiān)測(cè)斷面分布及選擇

2.2.1 數(shù)據(jù)來源及分布

降水?dāng)?shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，選用沈陽站、撫順站、本溪站、鞍山站、遼陽站、營(yíng)口站共6個(gè)國(guó)家氣象站(見圖1)的1972年—2019年逐日降水?dāng)?shù)據(jù)。水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院，選用渾河及太子河干流13個(gè)斷面(見圖2)的2015年—2019年逐月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，其中，北雜木、大伙房水庫(kù)、戈布橋、砂山、于家房位于渾河干流，老官砬子、興安、葠窩壩下、下王家、下口子、劉家臺(tái)及小姐廟站位于太子河干流，三岔河口站位于渾河及太子河匯流后的大遼河。

圖1 渾太流域水文水質(zhì)站點(diǎn)分布圖

2.2.2 斷面選擇

(1)典型水文年確定。利用1972年—2019年共48年降水?dāng)?shù)據(jù)，通過SWAT模型運(yùn)行得出流域年平均降水見圖3，根據(jù)渾太流域?qū)嶋H情況選擇頻率20%為豐水年、50%為平水年、95%為枯水年。利用Curve Fitting工具繪制皮爾遜III型曲線(見圖4)確定較近年份典型水文年，最后確定下來2016年為豐水年(降水量約為826.5 mm)，2017年為枯水年(降水量約為526.4 mm)，2019年為平水年(降水量約為711.3 mm)。

圖3 渾太流域年降水變化情況

圖4 降水量頻率曲線

(2)計(jì)算斷面選取。利用最近鄰水質(zhì)模型[18]選擇DO、TP、CODMn、COD、BOD5五種水質(zhì)指標(biāo)對(duì)渾河及太河干流13個(gè)重要監(jiān)測(cè)斷面的典型水文年汛期(6月—9月)及非汛期(10月—次年5月)水質(zhì)情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖2。

圖2 渾太流域典型水文年干支流水質(zhì)情況

整體而言，渾太流域水質(zhì)狀態(tài)一般。渾河自大伙房水庫(kù)以下，水質(zhì)變差明顯；太子河自觀音閣水庫(kù)出庫(kù)水質(zhì)亦有變差趨勢(shì)。三岔河口汛期及非汛期水質(zhì)均處于平穩(wěn)狀態(tài)。下游的小姐廟、于家房及三岔河口監(jiān)測(cè)斷面水體污染嚴(yán)重，對(duì)大遼河流域輸出水質(zhì)情況影響較大，故可選擇此三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面作為主要評(píng)價(jià)斷面。

3 結(jié)果與分析

3.1 方法對(duì)比分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)后的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的評(píng)價(jià)效果，選用單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法、綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法[10-14]及改進(jìn)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法以III類水為參照標(biāo)準(zhǔn)，以2015年—2019年汛期6月—9月及非汛期4月、5月、10月、11月為計(jì)算時(shí)段，選取DO、CODMn、BOD5、COD、NH3-N、TP等10個(gè)水質(zhì)指標(biāo)(見表2)對(duì)小姐廟、于家房及三岔河口站的三種方法的水質(zhì)評(píng)價(jià)效果進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量III類水標(biāo)準(zhǔn)限值

由表3可知，單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法計(jì)算出的小姐廟、于家房及三岔河口站的汛期及非汛期水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果是三種水質(zhì)分類方法中最差的。該方法以最劣的水質(zhì)指標(biāo)類別作為分類標(biāo)準(zhǔn)，考慮的是水體處于最差的情況，因此在水質(zhì)資料較少或缺失時(shí)，可用該方法進(jìn)行大致的水質(zhì)評(píng)價(jià)；在資料充足及水質(zhì)指標(biāo)多樣化的情況下，可用該方法進(jìn)行超標(biāo)因子分析，不建議用其進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法比單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的評(píng)價(jià)效果好。該方法選用多種指標(biāo)可進(jìn)行加權(quán)平均從而獲取水質(zhì)分類，該方法考慮指標(biāo)較全面，可在一定程度上反映水體的整體情況；但是和單因子水質(zhì)方法一樣存在水質(zhì)類別整數(shù)化、區(qū)分度不大的污染指數(shù)歸屬同一水質(zhì)類別，且極差水質(zhì)難以評(píng)價(jià)的問題，不利于水質(zhì)變化趨勢(shì)的研究。

改進(jìn)后的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法可做到水質(zhì)類別不再以整數(shù)類劃分，如2019年(見表3)，小姐廟汛期水質(zhì)情況，利用改進(jìn)后的綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)為2.81，可知水質(zhì)處于Ⅱ類、Ⅲ類之間更貼近于Ⅲ類水，該計(jì)算結(jié)果更貼近于綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法，比前兩種方法計(jì)算出來的水質(zhì)等級(jí)稍低，計(jì)算結(jié)果較好；該方法的計(jì)算結(jié)果比前兩種方法更精確，可細(xì)化到小數(shù)位，能夠更明顯的顯示水質(zhì)的趨勢(shì)變化情況；同時(shí)，也可以更明晰的評(píng)價(jià)介于相鄰整數(shù)類之間的水質(zhì)情況。因此，改進(jìn)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法較其他方法而言更有利于水質(zhì)變化趨勢(shì)的研究。

表3 2015年—2019年汛期及非汛期水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

3.2 水質(zhì)變化趨勢(shì)

3.2.1 汛期水質(zhì)變化趨勢(shì)

采用改進(jìn)的污染指數(shù)法研究小姐廟、于家房及三岔河口監(jiān)測(cè)斷面2015年—2019年汛期及非汛期水質(zhì)變化趨勢(shì)。汛期時(shí)(見圖5)，小姐廟水環(huán)境狀況相對(duì)較好，為輕度污染狀況，逐年變化不大，水質(zhì)在Ⅲ類附近浮動(dòng)。于家房為中度-重度污染狀況，水質(zhì)有惡化趨勢(shì)，水質(zhì)在Ⅳ類附近浮動(dòng)。三岔河口多年水質(zhì)類別顯著降低，水質(zhì)向好，水質(zhì)在Ⅲ、Ⅳ類變化，為重度-中度-輕度污染狀況。

圖5 三站汛期水質(zhì)變化

3.2.2 非汛期水質(zhì)變化趨勢(shì)

非汛期時(shí)(見圖6)，小姐廟、于家房和三岔河口逐年水質(zhì)均有下降趨勢(shì)(個(gè)別年份除外)，超標(biāo)因子見表4。小姐廟的水質(zhì)為中度-輕度污染狀況，水質(zhì)在Ⅱ類、Ⅲ類變化，下降趨勢(shì)平緩。于家房水質(zhì)波動(dòng)較大，存在污染反彈現(xiàn)象，為重度-中度-輕度污染狀況，水質(zhì)在Ⅲ類、Ⅴ類變化。三岔河口水質(zhì)向好趨勢(shì)明顯，為重度-中度-輕度狀態(tài)，水質(zhì)在Ⅲ類、Ⅴ類變化。

圖6 三站非汛期水質(zhì)變化

3.3 主要污染指標(biāo)分析

三個(gè)水質(zhì)斷面的汛期水質(zhì)均優(yōu)于非汛期水質(zhì)。小姐廟多年水質(zhì)在Ⅲ類浮動(dòng)，水質(zhì)狀態(tài)較好。于家房汛期及非汛期的水質(zhì)狀態(tài)較差，水質(zhì)有多次上升的突變趨勢(shì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年NH3-N、TP及COD的排放量遠(yuǎn)高于水環(huán)境容量(如表4所示)，污染反彈現(xiàn)象嚴(yán)峻。小姐廟水質(zhì)優(yōu)于于家房，說明太子河中下游區(qū)域比渾河中下游的水環(huán)境質(zhì)量好。2016年汛期小姐廟、于家房水質(zhì)狀態(tài)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，是因?yàn)?015年年底實(shí)施了《遼寧省水污染防治工作方案》[19-22]，強(qiáng)化水污染綜合防治，對(duì)改善汛期水質(zhì)效果較好，后續(xù)治理出現(xiàn)反彈，水質(zhì)有輕微惡化的趨勢(shì)。三岔河口水質(zhì)等級(jí)下降(水質(zhì)上升)幅度明顯，變化趨勢(shì)穩(wěn)定，污染防治較好。

表4 三站污染情況及主要超標(biāo)因子

渾太流域下游主要污染指標(biāo)為COD、BOD5、CODMn、TP、NH3-N(見表4)，流域有機(jī)污染嚴(yán)重、TP及NH3-N超標(biāo)情況較為明顯，且三岔河口斷面石油類亦出現(xiàn)多次超標(biāo)的情況。渾太流域重工業(yè)發(fā)達(dá)，人口密集，農(nóng)業(yè)種植及畜禽養(yǎng)殖規(guī)模較大，導(dǎo)致大量污染物質(zhì)直排入河，加之污水處理廠尾水量過大造成的污染是十分嚴(yán)重，亟需采取措施進(jìn)行水體污染防控及治理。

4 結(jié) 論

(1)文中三種水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比，單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)結(jié)果最劣，一旦所選指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)會(huì)影響水體正常功能的使用，但在缺乏資料時(shí)可用該方法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)和超標(biāo)因子篩選。綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法可客觀反映水質(zhì)的整體情況，但水質(zhì)分類粗糙，難以區(qū)分歸屬同一整數(shù)類的水體實(shí)際情況。改進(jìn)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的計(jì)算結(jié)果與綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的相近，說明該方法具有可靠性。改進(jìn)后的方法細(xì)化了水質(zhì)分類，可評(píng)價(jià)介于相鄰整數(shù)類之間的水體，適用于研究流域水質(zhì)變化趨勢(shì)，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的可操作性，所得結(jié)果較為客觀，接近實(shí)際情況。

(2)2015年—2019年小姐廟的水質(zhì)要優(yōu)于于家房，且較為穩(wěn)定，于家房水質(zhì)變化幅度較大，污染反彈明顯。三岔河口2015年—2019年汛期及非汛期水質(zhì)向好趨勢(shì)明顯。

(3)渾太中下游地區(qū)主要超標(biāo)因子為CODMn、BOD5、COD、TP、NH3-N，該流域工廠密布，農(nóng)業(yè)種植及畜禽養(yǎng)殖導(dǎo)致有機(jī)污染嚴(yán)重，TP、NH3-N等指標(biāo)超標(biāo)。

綜上，針對(duì)存在污染反彈情況的流域如渾太流域，單因子及改進(jìn)的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法的聯(lián)合應(yīng)用可高效精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)水質(zhì)及其變化趨勢(shì)，同時(shí)可快速找出影響水質(zhì)的主要指標(biāo)，對(duì)于污染溯源及防控具有一定的借鑒意義。