黃河流域中小河流水質評價的比較研究

史陳雪,劉慶慶,楊艷霞,安東妹,劉玥,祖國峰

(1.中國環境科學研究院,北京 100012;2.山東科技大學 地球科學與工程學院,山東 青島 266590;3.鄭州市生態環境局滎陽分局,鄭州 450000;4.中關村中環土壤地下水污染防控與修復產業聯盟,北京 100020)

隨著城市化進程的加快和生態文明理念的深入,眾多學者對評價指標、評價標準和評價方法等開展了深入研究,但多以黃河、長江和遼河等較大尺度河流為研究對象[1-3],對于我國中小河流的研究相對較少,而中小河流作為全球物質流、能量流的重要環節,是淡水生態系統的重要組成部分.我國中小河流有5萬多條,數量眾多[4-5],覆蓋了全國85%的城鎮及廣大農村地區,與人類生產生活密切相關[6],又是區域生產生活用水的主要來源和污染負荷排放的接納者[7].因此,對中小河流水污染特征、水質現狀的研究變得尤為重要.

目前,國內外常用的水環境質量評價方法有單因子評價法、綜合污染指數法、模糊綜合評價法、主成分分析法、綜合水質標識法、隨機森林評價法、內梅羅指數法等[8-11].單因子評價法直觀地反映出監測斷面的主要污染因子,選擇水質最差指標所屬類別來確定河流水質類別,評價結果“過保護”;綜合污染指數法可以對河流斷面水質情況進行排序,但不能反映水質與評價標準的關系[12];模糊綜合評價法考慮了各個水質監測值的程度和污染因子的權重,可解決水質評價過程中存在的不確定性問題[13],水質標識指數可以對河道綜合水質進行定性評價和定量評價,還可以對劣Ⅴ類的河流進行水質評價,并判別河流水體是否黑臭.將多種水質評價方法有效結合更能科學合理地評價河流的水質狀況[14].

分析流域的水污染特征以及水質污染狀況,是保證流域水安全的首要任務,對河流污染控制和水資源管理十分重要.以黃河流域河南省滎陽市水系2條典型中小河流為研究對象,圍繞滎陽河流水質污染特征,基于評價方法計算的難易程度、定性/定量評價結果和是否考慮水質指標權重等因素,采用單因子評價法、綜合污染指數法、水質標識指數法及模糊綜合評價法4種方法對2條中小河流進行水質綜合評價,分析主要污染因子及河流水質變化特征,探討不同方法在水質評價中的適用性,以期為中小河流水質的科學合理評價提供參考,并提出了加強該地區中小河流水環境保護的對策建議.

1 研究區概況

2條河流(簡稱S河和K河)均屬黃河水系,所在區域屬暖溫帶大陸性季風氣候,年平均氣溫14.8 ℃,年平均降水量608.8 mm,主要集中在7-9月,占降水量的56.3%.S河河道全長39.1 km,流域面積181.7 km2,南部為低山丘陵,總的趨勢由南向北傾斜;K河河道全長40.6 km,流域面積247.7 km2,土質為輕粉質沙壤土和細砂土,位于城市主城區以北,主要穿越城鎮發展區,K河所在區域土地利用類型相對單一,農村段為緩坡農田耕地及自然村落.2條河流所設監測斷面見圖S1所示.

2 材料與方法

2.1 樣品監測指標和檢測方法

在K河及S河共布設14個監測斷面(K1～K8、S1～S6).根據國家GB 3838-2002《地表水環境質量標準》[15]監測原則和方法,于10-12月對14個監測斷面進行采樣,每月采樣1次.常規監測指標為水溫、pH、溶解氧(DO)、化學需氧量(COD)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、高錳酸鉀指數(CODMn)、氟化物(F-)、糞大腸菌、重金屬(As)、揮發酚,經常未檢出的因子包括氰化物、石油類、六價鉻、陰離子表面活性劑、汞、硒、鉛、鎘、鋅、有機氯等10個.因此,需剔除未檢出率高于80%及數據缺失過多的指標.其中,溫度、pH及DO用便攜式儀器進行現場原位測定,取樣前,用待取樣的水潤洗取樣容器2～3次,避免樣品污染.其余指標按照《水和廢水監測分析方法》[16]測定.

2.2 數據處理與方法

數據分析圖采用Origin 8.5、ArcGIS 10.4進行繪制,數據處理采用Excel統計分析.因K河及S河水域功能考核目標確定為Ⅳ類,故2條河流水質評價標準以GB 3838-2002《地表水環境質量標準》中的Ⅳ類水質標準限值為依據,采用單因子評價法、綜合污染指數法、水質標識指數法、模糊綜合評價法對河流水質進行綜合評價分析.

2.2.1單因子評價法

單因子評價法[17]是將水質監測實測值與相應的標準值進行對比,確定水質類別,選擇水質最差的單項指標所屬類別為最終結果.一般適用于河流的一類水質污染物對水質影響較大且所占比例較大時,通過此方法可以分析出水環境質量的大體情況.其計算公式為:Pi=Ci/Si,Ci為第i種水質指標的月平均實測質量濃度(mg/L);Si為第i種水質指標的評價標準(mg/L),具體見文獻[15]中的Ⅳ類水質標準限值.

2.2.2綜合污染指數法

綜合污染指數[18]是在單因子污染指數的基礎上進行統計分析,根據所選水質指標Pi的算術平均、加權平均或其他數學手段得到的結果,來綜合評價水體污染程度,通常分別根據指標的超標倍數和污染貢獻率來篩選主要的污染指標.

綜合污染指數公式為:

水質指標污染貢獻率公式為:

P為監測斷面的綜合污染指數;Pi為單因子污染指數;n為水質指標的個數.

2.2.3水質標識指數法

水質標識指數法將水質表示為一個具有代數性質的小數,能夠連續性描述水質狀況.該方法首先計算水體監測數據中各評價因子的單因子水質標識指數,在此基礎上,進行綜合評價,計算綜合水質標識指數.該方法是徐祖信[19]最早提出的河流綜合水質評價方法,可以定性定量評價河流水質,針對不同河流水質或同一河流不同斷面水質進行評價比較.

水質標識指數公式為:Iwq=X1X2X3X4,X1表示河流綜合水質的類別,X2為綜合水質在該類別變化區間中所處的位置,X3是參與評價的所有指標中劣于河流水質目標的指標個數,X4為水質類別與水體功能區類別比較的結果.

2.2.4模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評價方法[20],把定性評價轉化為定量評價.主要步驟如下:

(1)建立評價對象因子集和評價集

根據本研究中斷面水質監測數據,選取所監測的10個污染指標作為評價因子,建立以下評價因子集:U={DO,BOD5,CODMn,NH3-N,TP,COD,F-,As,揮發酚,糞大腸菌},根據GB 3838-2002《地表水環境質量標準》,確定水質評價集V={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ},Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ分別代表GB 3838-2002《地表水環境質量標準》中的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ類水.

(2)確定權重系數及歸一化處理

通過超標法計算河流水質指標權重,即:

(3)建立隸屬度函數及模糊關系矩陣

隸屬度函數用降半梯形分布函數法確定隸屬度函數,隸屬度函數可表達為:

Ci表示i污染物的實測值;Sij表示i污染物對應j級水質標準.

構建模糊矩陣:

(4)構建模糊綜合評價結果矩陣

將模糊權重矩陣W和模糊關系矩陣R相乘,求得模糊綜合評價結果B.

3 結果與討論

3.1 水質因子特征空間分布特征

為了解K河及S河各采樣斷面的水質狀況,取各斷面監測點的月平均值繪制水質指標空間分布圖,分析河流主要監測斷面污染因子的空間變化規律,結果見圖1和圖2(為更清晰表示河流各指標空間變化情況,繪制2條河流時沿法向向量方向拓寬50 m).

3.1.1理化和營養鹽指標

理化參數可以反映河流水質的污染狀況,河流監測的理化和營養鹽指標包括pH、NH3-N和TP(圖3),其中pH值是評價水質狀況的綜合性指標,NH3-N和TP可作為表征水體營養物污染水平的參數.K河及S河各斷面監測點pH均值為7.4～7.7,水質整體呈弱堿性,河流平均溫度在15 ℃左右.其中,K河TP均值在0.1～1.8 mg/L 的區間內變化,NH3-N均值變化范圍為0.4～8.9 mg/L,整體質量濃度波動大.總體來說,K河中下游TP、NH3-N超標嚴重,造成此現象可能的原因是周邊區域土地利用類型相對單一,為耕地及村莊,耕地主要種植玉米、小麥等作物,河岸帶存在面源污染輸入[21],大量的復合肥會隨著雨水進入水體,造成水體營養物質超標[22].其次,河流中下游周邊為人口聚集區,未建設污水管網,生活污水直接排放入河[23],導致K河富營養化嚴重.S河TP均值變化范圍為0.04～0.14 mg/L,NH3-N質量濃度為0.71～1.83 mg/L,沿河流流向NH3-N含量呈現降低趨勢,隨著經濟的發展,上游污水排放量逐漸增加,未經處理的污水排入S河,導致S河上游河段受到污染,河水部分化學指標超標[24].

3.1.2有機物及其他污染指標

本研究中有機物指標包括DO、CODMn、BOD5和COD(圖2).其中,DO是衡量水體自凈能力的指標,并間接反映水體有機污染狀況[25],水溫是影響DO質量濃度的主要因素;CODMn、COD和BOD5是反映水中有機物污染的常用指標,在一定程度上可以用來描述有機物對水體的污染程度[26];糞大腸菌群是衡量水體糞便污染的指示微生物,水體存在糞大腸菌群表明已被糞便污染;F-被世界衛生組織列入致癌物清單,如果經常飲用高氟飲用水,可能會對人體健康有害.揮發酚等化學污染物主要來自于工業廢水的排放,是評價水質的重要指標.

從各指標質量濃度均值的空間分布圖(圖2)可知,對于DO指標,K河監測斷面(K1～K8)DO質量濃度變化范圍為7.3～8.1 mg/L,S河監測斷面(S1～S6)DO質量濃度變化范圍為8.29～8.59 mg/L.整體上,河流沿程變化范圍不大且2條河流DO質量濃度相差不大,水體自凈能力較好.K河CODMn質量濃度范圍為3.63～17.3 mg/L,K1斷面質量濃度最高,除此斷面外,其余斷面CODMn值有一定波動,但均小于10.00 mg/L;BOD5范圍為3.3～18.9 mg/L,K1斷面質量濃度達18.9 mg/L,其余斷面BOD5值在3～6 mg/L范圍內變化;COD質量濃度范圍15.7～91.7 mg/L,K1斷面質量濃度最高.除K1斷面外,K河BOD5、CODMn值沿程變化范圍較小,K3斷面F-質量濃度最高,為2.3 mg/L;糞大腸菌濃度范圍為1 200～3 550 L-1,As質量濃度范圍為0.000 6～0.002 7 mg/L,受工業企業廢水排放影響,K河揮發酚質量濃度沿河流流向逐漸降低,K1斷面揮發酚質量濃度最高,達0.064 6 mg/L.

S河CODMn質量濃度范圍為1.63～2.43 mg/L,中游質量濃度高于上、下游,BOD5質量濃度范圍為1.8～2.2 mg/L,COD質量濃度范圍為8.67～10.33 mg/L,F-質量濃度在0.66～0.89 mg/L變化, BOD5、COD、F-質量濃度空間差異不大,揮發酚質量濃度范圍為0.004 8～0.031 7 mg/L,As質量濃度在0.005 mg/L上下波動,S3斷面質量濃度最高,糞大腸菌濃度范圍為845～3 450 L-1,下游濃度明顯高于上游,整體上,S河各水質指標質量濃度沿程變化不大,較穩定.綜上,K河在空間尺度上,污染物質量濃度整體呈現“V”型波動趨勢,除K1斷面外,其余斷面水質指標質量濃度起伏較小,西南沿岸河流污染物質量濃度較高;S河污染物質量濃度沿程變化較為平穩.總體上K河污染物質量濃度高于S河.

3.2評價結果分析

選取水質監測斷面的溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、五日生化需氧量、總磷、氨氮、氟化物、砷、揮發酚及糞大腸菌10項主要污染指標,采用2021年河流各斷面水質監測值進行水質現狀評價.

3.2.1單因子評價法結果

以GB 3838-2002《地表水環境質量標準》為評價依據,采用單因子評價法對各斷面水質進行了分析.圖3為單因子指數法對河流主要水質因子超標倍數評價結果,若污染指數Pi>1,表明該水質指標劣于規定的水質標準(Ⅳ類).從水質指數值看,K河在K1點位NH3-N、TP、BOD5、COD、揮發酚、CODMn均出現不同程度的超標,水質指標超標數量最多,河流污染最嚴重,水體中揮發酚、TP的單因子污染指數值高達6.46、6.00.F-污染主要出現在K4斷面,超標1.5倍,其余斷面均未超標;而K2、K3斷面水質指標出現超標現象較少,除揮發酚超標外,其余指標均達到Ⅳ類水質標準.總的來說,K河水質污染的主要原因為揮發酚、TP及CODMn超標,其次為BOD5、COD超標.所有點位中,K2、K5、K7、K8的水質相對較好,K1、K4和K6點位的水質相對較差.S河S1、S2監測斷面NH3-N污染指數分別為1.22、1.11,揮發酚污染指數分別為1.15、3.17,DO、CODMn、COD、BOD5及TP等指標均未超標,說明水體中可生物降解的有機物污染并不嚴重.

由表1可知,K河各斷面水質均為Ⅴ類水,As、糞大腸菌、DO、CODMn均處于地表水Ⅳ類標準及以上,NH3-N、揮發酚及TP為單因子評價結果的決定性因子.S河各監測點除S1、S2均處于Ⅳ類水體及以上,NH3-N及揮發酚為決定性因子.

表1 河流單因子評價結果Tab. 1 Single factor evaluation results of the rivers

3.2.2綜合污染指數評價結果

2條河流各斷面點位綜合污染指數如圖4所示.K河各斷面綜合污染指數為2.52、0.71、0.52、0.82、0.62、1.33、0.71、0.85,水質從優到劣依次為K3>K5>K7=K2>K4>K8>K6>K1.根據水質級別得出,K1、K6水質污染較嚴重,其余斷面點位為中度污染,這表明K河水質整體污染較嚴重;S河污染綜合指數為0.29～0.61,根據水質分級標準,S2斷面為中度污染,S3、S4、S5、S6斷面較為清潔,表明S河水質整體較好.

進一步利用綜合污染指數計算污染負荷貢獻率,計算結果見圖5.K河斷面點位水質指標中,DO、CODMn、COD、BOD5、TP、NH3-N、F-、As、揮發酚、糞大腸菌的平均貢獻率分別為4.34%、7.62%、10.02%、9.88%、12.23%、36.68%、10.35%、0.28%、6.35%、2.26%,說明揮發酚、NH3-N、TP、COD、BOD5對K河水質影響最大,其次為F-、CODMn、DO,其他指標對水質的影響較小.K河中下游TP、NH3-N超標的主要原因有:周邊為村莊和新建農村社區,人口密集,未建設污水管網,生活污水直接排放入河道.中下游區域污染來源主要是生活污水和農田施肥,主要受人類活動影響,生活污水排放量顯著增加,因此河流下游TP、NH3-N超標嚴重.除生活污水排放外,生活垃圾也是非點源污染的主要來源之一.人為活動產生較多的垃圾堆放在中下游河道兩側,暴雨后也會成為非點源污染物的重要組成部分[27].S河平均貢獻率最大的為揮發酚、NH3-N及F-,貢獻率依次為26.51%、20.42%、13.71%.BOD5、COD、TP、DO、CODMn污染貢獻率次之,說明揮發酚、NH3-N及F-對S河水質有較大的影響.

3.2.3水質標識指數評價結果

河流水質標識指數的結果見表2.所有斷面綜合水質標識指數Iwq均小于7.0,因此本研究中的2條河流均未形成黑臭.各監測斷面水質綜合水質標識指數最小值為2.700,水質類別最優為Ⅱ類,綜合水質標識指數最大值為5.561,水質類別為Ⅴ類.K河Ⅲ類水質共有4個點位,Ⅳ類水質共有3個點位,Ⅴ類水質共有1個點位.K1斷面的綜合標識指數最大,K河斷面水體污染程度由高到低依次為K1、K6、K8、K4、K7、K5、K3、K2,除K1斷面,其余斷面水質均在Ⅳ類水質范圍內.S河S2～S6斷面綜合水質標識指數在2.0

表2 綜合水質標識法評價結果Tab. 2 Evaluation results of comprehensive water quality identification method

3.2.4模糊綜合評價過程及結果

河流各斷面評價因子的權重結果見附錄表S1,采用超標倍數賦權法歸一化計算各個評價因子的權重值,經過歸一化處理后的權重計算結果見附錄表S2.

表S1 各評價因子的權重Tab. S1 Weights of each evaluation factor

表S2 各評價參數的權重歸一化結果Tab. S2 Weights of each evaluation parameters

2條河流斷面的模糊關系矩陣為:

同方法可求出其余斷面模糊關系矩陣,在此不逐一列出.

經過計算,得出2條河流各監測斷面的模糊綜合評價的結果(表3),并采用最大隸屬度原則確定河流斷面水質類別.K河K1、K4～K8監測斷面綜合水質類別均為Ⅴ類水,K2斷面為Ⅱ類水,K3斷面為Ⅲ類水.S河6個監測斷面綜合水質類別均為Ⅰ類水.

表3 模糊綜合評價結果Tab. 3 Fuzzy comprehensive evaluation results

3.2.5不同評價方法結果對比

總結評價結果可知,4種評價結果略微不同,主要是由于評價方法的原理及計算方式的不同所致.針對K河和S河的不同評價方法結果對比分別見表4和表5.

表4 K河4種評價方法結果對比Tab. 4 Comparison of the results of four evaluation methods for River K

表5 S河4種評價方法結果對比Tab. 5 Comparison of the results of four evaluation methods for River S

比較分析表中4種水質評價結果可知:單因子評價法結果為K河8個斷面水質均為Ⅴ類水,S河S1、S2斷面為Ⅴ類水,S3～S5斷面為Ⅳ類水,S6斷面為Ⅲ類水,評價結果最差.這是因為單因子評價法采用最差的水質等級代表最終評價結果,相較于綜合評價法,該方法評價結果較片面,且采用單因子評價法得出的同一類別的水質結果無法體現差異,如K河8個斷面水質均為Ⅴ類水,S河S1、S2斷面均為Ⅴ類水不能區分其差異.

綜合污染指數法結果為K河水質從優到劣依次為K3、K5、K7、K2、K4、K8、K6、K1,其中K1、K6斷面為重污染,其余斷面為中污染.S河水質從優到劣依次為S6、S4、S3、S5、S1、S2,其中S1斷面為輕污染,S2斷面為中污染,其余斷面較清潔.綜合污染指數計算污染負荷貢獻率表明,NH3-N(36.68%)、TP(12.23%)、COD(10.02%)對K河水質影響最大,揮發酚(26.51%)、NH3-N(20.42%)、F-(13.71%)對S河水質有較大的影響.該方法能對每個斷面的多個指標進行綜合評價[28],消除由于某些監測指標污染過于嚴重而產生的影響,并判斷不同斷面水質的優劣程度和計算污染負荷貢獻率.綜合污染指數法與單因子評價的結果也存在矛盾,如在單因子評價中,K1、K2斷面水質為Ⅴ類;而這兩個斷面的綜合污染指數值為2.52、0.71,污染程度分別為重污染及中污染,進一步反映了水質污染的差異.

水質標識指數法結果為K1斷面為Ⅴ類水,K4、K6、K8斷面為Ⅳ類水,K2、K3、K5、K7斷面為Ⅲ類水.S河S1斷面為Ⅲ類水,其余斷面為Ⅱ類水.該方法是一種基于單因子指數法優化而來的,計算簡便,不會因某個水質指標較差而否定綜合水質,既能判斷綜合水質類別,細分類別的污染程度,說明水質達標情況,識別單因子水質達標個數,更進一步反映水質的污染狀況,從定量和定性兩個方面表達綜合水質信息,便于比較與分析水質變化趨勢.

模糊綜合評價法結果為K河只有K2、K3斷面為IV類水,其余斷面處于Ⅴ類水.S河6個斷面均為Ⅰ類水.該方法在考慮各項水質指標的基礎上,全面分析了污染因子對河流的貢獻程度及隸屬度,不僅能判斷出各斷面的水質類別,也能反映指標占比情況.

綜上,雖然評價方法存在差異,但4種方法均顯示K河斷面K2、K3斷面水質較好,S河水質較清潔.

3.2.6可靠性分析結果

不同的方法得到的水質結果有一定差異,為了確定哪種評價方法結果最為可靠,采用可靠性分析計算其結果,公式如下[29]:

M為最終的水質評價結果;Nt為第t種水質評價方法的結果;Wt為第t種水質評價方法對應的權重.

根據不同評價方法的優缺點進行權重計算.單因子評價法采用最差的水質等級確定最終水質類別,評價結果偏差,賦予權重W1;水質標識指數法降低了評價指標最大值對最終結果的影響,賦予權重W2;模糊綜合評價法考慮了評價指標的權重又考慮了兩者之間的非線性關系,賦予權重W3,權重值需滿足W3>W2>W1,確定最終權重W3=0.45,W2=0.4,W1=0.15.3 種評價方法與可靠性分析水質類型的比較如表6 所示.

表6 3種評價方法與可靠性分析的水質類別的比較 Tab. 6 Comparison of water quality types between three assessment methods and reliability analysis

由表6 可知,水質標識指數法的評價結果與可靠性分析的水質類型的一致性程度最高.

4 結論與建議

(1)2條河流水質總體處于良好水平.K河TP質量濃度為0.4～8.9 mg/L,超過地表水Ⅳ類限值的點位占50%,對比K河和S河的水質情況可知,K河CODMn、TP、NH3-N、BOD5、COD的監測結果均值要顯著高于S河,說明K河流污染更嚴重,需著重治理.K河上游水質提升在于降低揮發酚質量濃度,中下游需著重考慮NH3-N等水質指標;整體來看,S河水體中F-、揮發酚等化學污染含量較少.

(2)中小河流兩岸環境條件復雜,沿岸多分布著城鎮、村莊和農田,沿岸農村生活污水及生活垃圾收集及處理能力有限,導致河流水質易受污染.其次,水資源不合理開發和長期存在的農業面源污染導致中小河流水質污染問題突出.針對中小河流的污染情況,地區應完善污水管網系統,提高污水處理能力,加強已建成污水處理設施的運行管理;明確中小河道管理范圍;引導鼓勵企業、居民等社會各界力量參與河流的治理保護.

(3)4種評價方法得出的評價結果并不完全一致.其中,綜合污染指數法雖然無法得到河流的水質類別,但通過計算污染負荷貢獻率可知,NH3-N對K河水質影響最大,揮發酚對S河水質有較大的影響.而水質標識指數法的評價結果與可靠性分析中的水質評價結果一致性最高,該方法得到的水質類別結果更加可靠.

附錄見電子版(DOI：10.16366/j.cnki.1000-2367.2022.11.23.0001).

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