改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)法在河道水質(zhì)評價中的應用

陳天池， 李 昂， 卞唯嘉， 陳慧敏

(徐州工程學院 環(huán)境工程學院，江蘇徐州221111)

水質(zhì)評價是合理開發(fā)利用和保護水資源的一項基本工作。只有對河流做出具體科學的分析監(jiān)測，才能掌握水資源的現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢。目前水質(zhì)評價采用的主要方法有單因子評價法[1]、污染指數(shù)法、模糊綜合評價法[2]、灰色系統(tǒng)評價法[3]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價法[4]等。內(nèi)梅羅污染指數(shù)法因運算簡單，概念清晰，成為當前國內(nèi)外進行綜合污染指數(shù)計算的最常用方法之一。但此方法存在過于突出分指數(shù)最大因子對水質(zhì)的影響，且未考慮各污染因子權重的缺點[5]。改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法引入權重值的概念，能夠考慮到毒性重金屬的積累效應對生物鏈的影響，提高毒理性指標的影響，在一定程度上削弱了極大值的影響[6]。本文采用改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對河道進行水質(zhì)評價，以更科學地反映水質(zhì)受污染狀況，掌握真實的水質(zhì)變化情況并為采取相關的水體污染防治措施提供參考依據(jù)，推動經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境的保護。

1 區(qū)域概況與基礎數(shù)據(jù)

1.1 區(qū)域概述

某市匯水流域內(nèi)河道監(jiān)測斷面位置如圖1所示，共設置了8個水質(zhì)監(jiān)測斷面，河道的水流方向為自西向東。該區(qū)域內(nèi)溝壑縱橫，水系發(fā)達。目前，西部主要為城市建成區(qū)，建成區(qū)面積約為30.42 km2，開發(fā)強度較大。東部主要為農(nóng)田、林地，其中農(nóng)田面積約為40.55 km2，林地面積為5.18 km2。區(qū)域內(nèi)地面高程在28～318 m之間，地勢整體較為平坦，中間較低，西北部較高。

圖1 監(jiān)測斷面位置Fig.1 Position of monitoring section

1.2 基礎數(shù)據(jù)

各監(jiān)測斷面五日生化需氧量(BOD5)、化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 2019年1—9月各斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab.1 Water quality monitoring data of each section from January to September 2019 mg·L-1

續(xù)表1 (Continue)

2 地表水質(zhì)量評價體系的建立

2.1 污染等級的劃分

以BOD5、COD、NH3-N、TP這4項污染因子作為評價指標，選擇《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)[7]將水質(zhì)分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類5個等級，并以Ⅲ類水體標準限值作為評價標準，如表2所示。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量分級標準Tab.2 Classification standard for surface water environmental quality mg·L-1

2.2 評價方法

2.2.1改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

受自身算法的限制, 內(nèi)梅羅指數(shù)的評價結果特別突出了超標最嚴重的指標影響, 尤其是在評價指標較多且僅有個別指標超標的情況下, 占多數(shù)的低濃度指標對評價結果影響有限[8-9]。改進的內(nèi)梅羅指數(shù)法考慮到各污染因子在水體中作用的綜合性和差異性，能更加合理地進行水質(zhì)綜合評價。權重計算公式為：

(1)

Rj=ymax/yj

(2)

式中，ωj為第j個污染因子的權重值；n為污染因子的個數(shù)；ymax為n個污染因子計算標準的最大值；yj為第j個污染因子的計算標準。利用式(1)、式(2)分別計算得出4個評價指標的權重值，如表3所示。

表3 各污染因子的權重值Tab.3 Weight values of each pollution factor

由表3可以看出，TP的權重值最大，則認為TP對河道水質(zhì)評價體系的影響最大，權重占整個評價體系的79.4%。

改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法公式為：

Ej=gj/yj

(3)

(4)

(5)

根據(jù)表2得出改進的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)P′與水質(zhì)的關系如表4所示。

表4 改進的內(nèi)梅羅指數(shù)劃分的水質(zhì)級別Tab.4 Classification of water quality by improved Nemerow index

續(xù)表4 (Continue)

3 評價結果

3.1 各斷面的評價結果分析

由表5可知，根據(jù)改進內(nèi)梅羅指數(shù)得到的8個監(jiān)測斷面的水質(zhì)評價結果中僅有2#斷面達到Ⅲ級水標準，水質(zhì)良好，1#和7#斷面為Ⅳ級水質(zhì)，3#、4#、5#、6#和8#斷面污染嚴重，均為Ⅴ級水。結合水質(zhì)評價結果和對流域拉網(wǎng)式的調(diào)查結果，分析認為造成水體污染的可能原因如下：

① 斷面4#、6#和8#位于主城區(qū)，雖然城區(qū)管網(wǎng)為雨污分流制，但雨污水混接現(xiàn)象比較普遍，造成雨水管道內(nèi)有污水流出。部分農(nóng)貿(mào)市場垃圾未集中收集，缺乏管理，存在垃圾隨雨水進入排水管道的情況。污水處理廠采用高水位運行，污水管網(wǎng)內(nèi)水位抬高，污水漫過溢流堰進入水體。

② 3#、5#斷面處于河道下游，沿線為農(nóng)村地區(qū)，河道內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖及河道兩岸禽畜養(yǎng)殖眾多，存在養(yǎng)殖廢水直排現(xiàn)象。由于閘壩控制，水體整體流動性差，上游污染來水難以自凈。

③ 1#、2#斷面所處河道屬于運河，流量較大，此外該處位于城市郊區(qū)，兩岸植被繁茂，無外排污水進入，因此水體水質(zhì)相對較好。7#斷面處為城市景觀水體，為了避免上游來水的污染，河道上游設有截污干管將上游來水直接引入下游，因此該處水體水質(zhì)相對優(yōu)于6#斷面。

表5 各斷面改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)及水質(zhì)評價結果Tab.5 Improved Nemerow pollution index and water quality evaluation results of each section

續(xù)表5 (Continue)

3.2 豐、枯變化分析

為了進一步分析河道的水質(zhì)變化情況，將1—2月作為枯水期，4—5月作為平水期，7—8月作為豐水期，將每2個月的4項污染因子的實測值進行算術平均，計算出改進的內(nèi)梅羅指數(shù)。對各期改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)變化規(guī)律進行分析，結果見圖2。豐水期內(nèi)，4#、5#、6#和8#斷面的內(nèi)梅羅污染指數(shù)值明顯低于平水期或枯水期，說明豐水期降雨徑流增大，大量雨水進入河道后，水體中的污染物會被不斷稀釋、擴散、分解破壞或沉入水底。

圖2 三個時期的內(nèi)梅羅污染指數(shù)Fig.2 Nemerow index in three periods

3.3 傳統(tǒng)和改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)的對比

由表6可知，傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價的8個斷面中達到Ⅳ級水體的斷面有2個，占參評斷面?zhèn)€數(shù)的25%；改進后的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價中達到Ⅳ級水體的斷面有3個，占參評斷面的37.5%。2#斷面和7#斷面評價結果不一致，這是因為傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法特別強調(diào)濃度大的污染物的污染能力(如COD)，但是未考慮COD在評價體系中所占的權重值；而改進后的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法將權重值納入計算范疇內(nèi)，COD的權重值僅占整個評價體系權重的0.8%，在一定程度上削減了其影響與作用，結果更加客觀、可信。

表6 傳統(tǒng)和改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)評價結果Tab.6 Evaluation results of traditional and improved Nemerow pollution index

4 結論

① 8個監(jiān)測斷面的改進內(nèi)梅羅指數(shù)評價結果顯示，評價區(qū)域內(nèi)僅有1個斷面達到Ⅲ級水標準，2個斷面達到Ⅳ級水標準，5個斷面受到嚴重污染，屬于Ⅴ級水。豐水期4#、5#、6#和8#斷面的改進內(nèi)梅羅污染指數(shù)值明顯低于平水期/枯水期，說明豐水期降雨徑流的沖刷、稀釋作用增強。

② 相比于傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法，改進內(nèi)梅羅指數(shù)法充分考慮了各污染物含量對水體的影響程度，引入權重以削弱最大值的影響，使評價結果與實際情況更為相符。

③ 針對水體污染的現(xiàn)狀，應采取相應的工程措施對目標污染水體進行修復，加強對河道及其周邊環(huán)境的保護。