基于水質標識指數法的秦皇島市河流水質評價

田海蘭，程 林，劉西漢，王艷霞

(1.河北省科學院地理科學研究所，石家莊 050011；2.河北省地理信息開發應用工程技術研究中心，石家莊 050011)

秦皇島地處環渤海中心地帶，為河北省最負盛名的沿海旅游城市。由于入海河流是陸源污染物的主要攜帶體之一[1]，海水環境質量極大的影響該地區旅游質量以及水平。近年來隨著人類活動強度的增加，農業、生活污染以及非點源污染程度在不斷加強[2]，河口區域水質污染嚴重，導致海域赤潮頻發等一系列生態問題。李志偉等[3]研究發現，秦皇島近岸海域的水質主要受到入海河流的影響，二者具有較強的相關性。因此對該地區河流水質進行跟蹤監測，科學合理地分析河流水質變化，對于開展水污染防治、改善水環境質量和保障流域生態環境具有一定的借鑒作用。

對河流水質進行評價的方法主要包括單因子評價法、模糊綜合評價法、物元分析法、綜合水質標識指數法等，廖杰等[4]運用貝葉斯方法對四川境內的八條河流進行水質評價；王玲杰等[5]綜合運用多種不確定數學分析方法對河流水質評價中的應用的適用條件進行分析對比，對評價方法進行改進；陳娟等[6]對物元模型中權重確定的不足進行了改進，應用于某河流監測斷面水質評價中；夏凡等[7]分別采用單因子評價法、綜合污染指數法和主成分分析法對丹江口水庫直接入庫河流水質狀況進行評價。諸多評價方法均存在各自的局限性，比如評價計算過程繁雜、評價結果單一、不直觀，或是缺乏對水質污染程度的直觀判別。綜合水質標識指數法建立在單因子水質標識法的基礎上，該方法由徐祖信[8,9]提出，并在之后的水質評價工作中得到一系列的應用[10-13]，較其他水質評價方法而言，該方法可以定性、定量地綜合評價水質狀況，清晰確定水體質量現狀與水質功能區達標的差距，真實而全面地反映河流在監測時間段內水質的連續變化。

本文基于單因子及綜合水質標識指數法，以2015年為主要空間評價年段，選取8條河流的20個監測斷面，對秦皇島市河流水質情況進行分析，并評估其污染風險；同時基于綜合水質標識指數法選取2010-2015年共6年為時間評價年段，對秦皇島市河流水質進行時間演變的影響研究。本研究將水質標識指數法用于秦皇島河流水質評價并對其時空變化進行解析，確定研究區域每條河流的污染特征和污染風險級別，對地區水資源評價及管理工作具有指導意義。

1 研究區概況

秦皇島，簡稱“秦”，位于河北省東北部，是中國首批沿海對外開放城市，河北三大沿海城市之一。其主要行政區劃單元包括四區三縣，分別為山海關區、北戴河區、海港區、撫寧區(原撫寧縣)以及青龍滿族自治縣、盧龍縣、昌黎縣，調查范圍總面積7 812.4 km2，見圖1。秦皇島市境內水資源豐富，許多河流天然水質較好，支流眾多，屬于灤河及冀東沿海獨流入海諸河、遼東灣西部沿渤海諸河三個水系，其中灤河支流青龍河、洋河、石河等是秦皇島市的最主要水源(圖2)。本次研究將秦皇島市范圍內主要8條河流作為流域控制單元進行水質評價(表1)。

圖1 秦皇島位置示意圖Fig.1 Map of study area，Qinhuangdao

圖2 秦皇島市河流及監測站點分布圖Fig.2 River and monitoring section distribution of Qinhuangdao

2 研究數據及方法

2.1 數據收集及監測項目

監測原始數據來源于秦皇島市環境保護局主辦的秦皇島市環境保護網[14]。水質監測項目共31項，本研究在眾多環境影響因子中找出能反映水質特征具有代表性的主要因子進行分析，沒有超標的項目不作重點評價，綜合選取溶解氧、高錳酸鉀指數、化學需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、氟化物、糞大腸菌群等八項評價指標，選擇的污染指標較多可以較好地反映河流污染的程度。

2.2 斷面及采樣點布設

根據流域環境、沿海污染源排放情況及各條河流的水文特點，從所有監測數據中確定了8條主要河流共20個監測斷面進行水質分析(圖2)。在每條河流的重要節點處設置采樣點，分別分布于秦皇島市境內主要河流的上游、中游以及河流入海口處，并在部分典型區域比如防潮閘、不同河流匯交處等區域設置監測樣點選取控制單元，可以完整的顯示河流不同地段的污染特征。按照河北省水功能區劃(冀水資[2004]42號)，河流監測斷面所處水功能區不同，水質目標不同，詳見表1。

2.3 水質評價方法

2.3.1 單因子水質標識指數法

單因子水質標識指數法評價結果標識為P，P是由一位整數、小數點后面2位或3位有效數字組成，表達方式為[15]：

P=X1·X2X3

(1)

式中：X1為某一水質指標的級別；X2為監測數據在某一級別水質變化區間中所處的地位；X3為現狀水質級別與水功能規劃比較結果。

具體各因子計算方法詳見參考文獻[15]。

2.3.2 綜合水質標識指數

綜合水質標識指數法是在單因子水質標識指數法基礎上的延伸和發展[16]，綜合了水質類別、與水環境功能區類別的比較結果等有關內容，計算公式如下：

表1 秦皇島市主要河流監測斷面分布Tab.1 The monitoring sections distribution of rivers in Qinhuangdao

Iwq=X1·X2X3X4

(2)

式中：X1代表河流水質級別；X2代表綜合水質在變化區間所處的位置；X3代表在所有指標中，較水體功能區目標劣的指標個數；X4為水質類別與水體功能區規劃級別的比較結果。

具體各因子計算方法詳見參考文獻[16]。

3 評價結果分析

3.1 單因子水質標識指數法結果

運用單因子指數法對秦皇島市2015年河流水質進行評價，評價結果分析見表2。

溶解氧：參評的20個斷面中X3值均為0，說明現階段溶解氧在各條河流的各個斷面均達到水功能區劃的要求，秦皇島市境內河流均不存在溶解氧污染。

高錳酸鉀指數：參評的20個斷面中超標斷面為6個，百分比為30%，其中超過水功能區劃1個類別斷面有5個占83%，剩余1個超標斷面超過水功能區劃2個類別；監測值在功能區要求50%的位置有10個占50%，說明斷面內接近超標的斷面比例較高，有潛在的高錳酸鉀指數污染風險。

化學需氧量：參評的20個斷面中超標斷面為11個，百分比為55%，其中超過水功能區劃1個類別斷面有10個占超標斷面50%，剩余1個超標斷面超過水功能區劃2個類別；監測值在功能區要求50%的位置有13個占65%，說明斷面內不僅超標斷面個數較多，而且接近超標的斷面也存在較高的比例，有潛在的化學需氧量污染風險。

表2 單因子水質識別指數計算結果分析表Tab.2 The analysis results by single factor water quality identification index of rivers in Qinhuangdao

五日生化需氧量：參評的20個斷面中超標斷面為6個，百分比為30%，其中所有超標斷面均超過水功能區劃1個類別，占100%；監測值在功能區要求50%的位置有11個斷面占55%，說明斷面內水質雖然大部分處于達標狀態，但接近超標的斷面比例較高，有潛在的污染風險。

氨氮：參評的20個斷面中超標斷面為4個，百分比為20%，其中人造河以及飲馬河四個斷面為劣五類，其余斷面水質均不存在超標現象。監測值在功能區要求50%的位置占21%，說明個別河流內存在較高污染極值，但整體斷面內接近超標的斷面比例較低，其余河流該項污染因子風險不高。

總磷：參評的20個斷面中超標斷面為5個，百分比為25%，其中劣五類水體飲馬河為3個斷面占60%，該三個斷面分別超過水環境功能區類別為4個、6個以及4個屬于嚴重污染級別，超過水功能區劃1個類別斷面有1個。監測值在功能區要求50%的位置占50%，說明斷面內水質雖然達標，但接近超標的斷面比例高，有較強潛在的污染風險。

氟化物：參評的20個斷面中超標斷面為1個，百分比為5%，該斷面為超過水功能區劃1個類別。監測值在功能區要求50%的位置的斷面不存在，說明秦皇島境內河流不存在氟化物污染風險。

糞大腸菌群：參評的19個斷面中X3值均為0，說明該因子在各條河流的各個斷面均達到水功能區劃的要求，秦皇島境內河流不存在糞大腸菌群污染風險。

利用單因子水質標識指數進行水質評價結果顯示，秦皇島市主要河流斷面高錳酸鉀指數、化學需氧量、總磷、氨氮、五日生化需氧量均存在不同程度的超標，其中化學需氧量嚴重超標，在達標斷面中接近超標的斷面也達到了相當的比例，為導致秦皇島市河流水質污染嚴重的首要因子。

化學需氧量是海水中有機物污染的綜合指標，國外研究表明，某些地區如日本瀨戶內海水體中化學需氧量濃度大于2mg/L的時候，在特定環境條件下即容易發生赤潮[17]，且據黃備[18]研究表明赤潮藻類與COD存在極顯著正相關。對于赤潮頻發的敏感海域，應該進行嚴格控制[19]。秦皇島近岸海域為赤潮頻發敏感區域，按《河北省海洋環境質量公報》[20]顯示，自2010～2015年，在河北省海域發生的赤潮90%發生在秦皇島海域，赤潮的爆發對當地海濱浴場旅游業以及扇貝養殖業均產生較為嚴重的影響，因此應加強對秦皇島地區生態環境監控工作，警惕赤潮災害發生。

表3 2015年秦皇島河流水質識別指數法評價結果Tab.3 The evaluation results by comprehensive water quality identification index of rivers in Qinhuangdao (2015)

3.2 綜合水質標識指數法結果

根據秦皇島市環境保護網監測結果，對2010-2015年各個監測斷面綜合水質隨時間的變化進行評價。圖3為近年來各斷面水質與水功能區水質目標情況。

圖3 2010-2015年秦皇島河流監測斷面水質分析Fig.3 Analysis of monitoring sections of rivers in Qinhuangdao (2010-2015)

根據綜合水質標識指數法對水質的最終評價結果對秦皇島市河流水質隨時空變化進行分析，評價標準如表4所示。

表4中，T表示為綜合水質標識指數隨時間的變化，計算過程為時間變化分析起始的綜合水質標識指數與結束時期水質指數之差的絕對值與起始標識指數的比值即T=|(X1·X2)t1-(X1·X2)t2|/(X1·X2)t1；S表示為綜合水質標識指數隨空間的變化，計算過程為空間間隔比較分析起始的綜合水質標識指數與結束空間間隔時期水質指數之差的絕對值與起始標識指數的比值即T=|(X1·X2)s1-(X1·X2)s2|/(X1·X2)s1。

就石河而言，近年來大壩以及鐵路橋斷面水質T≤10%基本不變均為Ⅱ類、Ⅲ類水質，2014-2015年下游石河河口水質惡化41.67%，為顯著惡化，其主要污染因子為高錳酸鉀指數、化學需氧量，但整體水質級別都在水環境功能區劃分類別的標準值范圍之內。

湯河水質近年來均為Ⅲ類水質，滿足水環境要求。

戴河水質近年來有整體輕微好轉趨勢，其中戴河村2015年較2014年改善19.6%，戴河口水質2012年水質出現輕微惡化，之后趨于正常，尼龍壩斷面水質保持基本不變，滿足水環境要求。

表4 綜合水質評價級別判定及時空變化評價標準[16]Tab.4 Analysis standard of space-time change of comprehensive water quality [16]

圖4 2010-2015年秦皇島市河流水質變化Fig.4 Change trends of water quality of rivers in Qinhuangdao (2010-2015)

圖5 2010年秦皇島市河流監測斷面水質狀況圖Fig.5 Water quality of typical stations of Qinhuangdao in 2010

圖6 2015年秦皇島市河流監測斷面水質狀況圖Fig.6 Water quality of typical stations of Qinhuangdao in 2015

洋河水質波動較大，2010-2015年盧王莊斷面水質改善90.86%，水庫出口改善33.33%，洋河口改善38.69%，均為顯著改善，改善結果有最初的劣Ⅴ類到現在的Ⅲ類水質，滿足水功能區劃要求。

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飲馬河水質整體一直處于較差階段，劣Ⅴ類水體出現的頻率較高，2014年以來在最差的基礎上稍有改善，王店子和飲馬河口均改善28.75%，為顯著改善。歇馬臺改善16.67%，為輕微改善，但均未達到水環境功能區要求。

青龍河由于地處山區，流入河流的污染源較少，河流水質清潔，2015年較2010年紅旗桿和桃林口均改善50%，田莊子改善66.7%為顯著改善，滿足水環境功能區要求。

新開河和人造河只有下游入海口的監測數據，新開河近年來一直維持在較為穩定的水平，2015年較2010年改善47.82%，水質級別均好于或達到水環境功能區要求；人造河水質好轉，改善31.94%，為顯著改善，但仍然低于水環境功能區要求。

總之，秦皇島市境內的河流處在Ⅱ、Ⅲ類級別比例較高，規避污染風險能力較強。飲馬河、人造河水質劣于水環境功能區要求，屬于水質不達標河流，斷面為劣五類但不黑臭，但水環境質量較以前仍有所改善，其余河流水質呈現為顯著改善或輕微改善狀態，但均在水環境功能區劃要求范圍之內。

4 結論與建議