我国典型城市地表水水质综合评价与分析

郑利杰，高红杰，宋永会，韩璐，吕纯剑

1.沈阳化工大学环境与安全工程学院，辽宁 沈阳 110142 2.中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地，北京 100012



我国典型城市地表水水质综合评价与分析

郑利杰1,2，高红杰2*，宋永会2，韩璐2，吕纯剑2

1.沈阳化工大学环境与安全工程学院，辽宁 沈阳 110142 2.中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地，北京 100012

应用内梅罗指数法对我国27个典型城市地表水水质进行评价，分析地表水水环境质量现状，揭示水质时空变化规律。结果表明：NH3-N浓度、TP浓度、CODCr、BOD5和CODMn为地表水主要超标因子，NH3-N浓度为首要污染因子，水质主要受氮、磷营养盐及有机物影响。华北地区参与评估城市的水质级别均为较差；西北、东北、华东、华南、华中和西南地区参与评估城市的水质级别较好比例在50%以上。城市建成区水质优于非建成区；国控断面水质级别为较好。2012—2014年期间，典型城市地表水水质有明显的好转趋势，水质级别较差城市比例下降11%。西北和东北地区，因为人口密度小，经济发展相对不快，水质保持相对稳定，多数城市水质季节性特征不明显；华东地区地域辽阔，整体来看季度水质波动没有明显规律；华中和华北地区，受气候和降水量影响，城市水质季节性特征比较明显。

典型城市；地表水；内梅罗指数法；水质评价

城市水体是城市环境的重要组成部分。近年来，随着工业的发展、城市规模的扩大，工业废水和生活污水排放量急剧增加，导致城市地表水环境严重恶化[1]，城市地表水质状况备受关注。因此，及时客观地对城市地表水质量做出评价，掌握水体污染状况，揭示水体质量发展规律，对城市水污染治理、水环境规划及水环境管理具有重要意义。

水质评价是水环境管理的基础性工作。应用合理的水质评价方法，才能科学合理地表征水质状况，满足水环境管理和决策需要[2]。合理的水质评价方法应具有科学性、准确性和可操作性等特点。单因子评价法是比较简单的水质评价方法，但不能综合反映水质具体情况；模糊数学评价法、灰色系统评价法、层次分析法和人工神经网络法[3-5]等评价方法将复杂的数学原理运用于水质评价，具有一定的科学性，但计算方法复杂，可操作性差。内梅罗指数法是由内梅罗教授在其所著的《河流污染科学分析》一书中提出[6]，常用于对区域地表水环境质量的综合评价[7-10]：该方法具有数学过程简捷、运算方便和物理概念清晰的优点[11]，能突出污染指数最大的污染物对环境质量的影响和作用，其综合评价结果总体上可以反映水体污染的性质和程度，是当前国内外进行综合污染指数计算的常用方法之一。笔者采用内梅罗指数法，分析我国27个典型城市2012—2014年的水质情况，辨析水环境污染关键因子，揭示水环境质量时空变化规律，以期为城市环境综合治理提供科学依据。

1 评价区域与方法

1.1 评价范围

为了使所选城市评价结果具有代表性，本研究综合考虑了地理区位、经济发展水平、典型环境特征、城市区域重要性以及监测数据的完整性，在全国7个地区选择了27个典型城市的495个断面作为评价对象，各城市和断面的分布及基本情况如表1所示。

(续表1)

注：数据来源为各城市环境保护局实测资料。

1.2 评价方法

用内梅罗指数法先求出各因子的分指数(Ii，超标倍数)，然后求出各分指数的平均值，取分指数最大值和平均值计算得出断面内梅罗指数(I)：

(1)

对城市所有断面的内梅罗指数求均值，得出城市地表水水质综合污染指数(D)：

(2)

式中：max(Ii)为某水质指标污染指数的最大值；avg(Ii)为某水质指标污染指数的算术平均值；Ii为第i个断面内综合污染指数；n为城市所有评估断面。

根据计算所得地表水水质综合污染指数值，对环境质量进行评价等级的划分[12]，水质等级划分是

相对性的，分级原则与标准见表2。

表2 内梅罗指数法水质分级Table 2 Nemerow index method scale

1)GB 3838—2002《地表水环境质量标准》。

2 结果与分析

2.1 评价指标的确定

利用内梅罗指数法对27个典型城市2012—2014年监测数据(各城市环境保护局实测资料)分析发现，共有12项指标有超标现象，其断面超标率和断面超标数如表3所示。

表3 超标指标Table 3 Excess standard factor

由表3可知，主要超标项(超标率大于10%)有NH3-N浓度、TP浓度、CODCr、BOD5和CODMn。其中，NH3-N浓度为首要污染因子，选择其作为水质评价指标；CODCr、BOD5和CODMn三者之间具有很强的正相关性[13-14]，CODCr超标率最大，可代表BOD5和CODMn参与评估；TP浓度是表征水体富营养化指标之一；NH3-N浓度能够表征水体中氮元素的浓度，应作为评价指标参与评估；DO浓度是表征水质优劣、水体黑臭的重要水质指标之一，应纳入评价指标体系。根据对主要超标参数的分析，最终选取NH3-N浓度、TP浓度、CODCr和DO浓度4项指标作为评价参数。

2.2 空间分布特征

2.2.1 不同区域典型城市水质特征分析

运用内梅罗指数法对区域性典型城市地表水进行评价，得到27个典型城市地表水综合污染指数，如图1所示。

图1 27个典型城市地表水综合污染指数Fig.1 Comprehensive pollution index of surface water in 27 typical cities

由图1可知，西北地区除城市NW4外，参与评估城市的地表水综合污染指数为0.44～0.89，较好水质级别城市比例占75%，为较好水质级别所占比例最大的地区。原因是该地区荒漠广布，多数城市经济发展相对不快，污染物排放量少，人口密度低，人为因素污染小，所以该地区水质整体较好。由于NW4为重工业城市之一，城镇生活污水、工业废水大量排放且水资源短缺，导致该城市水质级别为较差。

东北地区参与评估城市的地表水综合污染指数分别为0.53、1.04和1.86，没有水质级别较差城市，各城市水质差别较大。城市NE1作为旅游城市，2014年污水处理厂集中处理率达95.96%，在314个城市中，排名18(数据来源于《中国城市统计年鉴2014》)，环境保护投资力度大，水质级别为较好；城市NE3，由于机械加工、粮食深加工、屠宰等行业废水未经处理或处理不当直接排入地表河流，导致水体严重污染，排放的工业废水和居民生活污水以综合型有机污染物为主[15]，主要超标因子为NH3-N浓度、CODCr和TP浓度。

华东地区是我国经济文化最发达地区，部分城市隶属于长江三角洲城市群，人口稠密，经济发达。该地区地表水水质级别较差的城市多分布在长江三角洲周围，综合污染指数为2.15～5.17：如城市EC6，北连首都经济圈，南接长江三角洲经济圈，是环渤海经济区和京沪经济轴上的重要交汇点，经济高速发展的同时，工业废水和生活污水大量排放，而总处理量不足污水排放量的13；另外地表河流补给水主要是污水处理厂出水，而污水厂出水即使100%达到GB 3838—88《地表水综合排放标准》一级A标准，河流水质也与Ⅴ类水体差距较大，导致城市EC6水质更差；城市EC7是长江三角洲城市群最大的工业城市之一，该市2013年污废水排放量为222 963万ta，而工业废水处理能力仅为318.6万td(数据来源于《中国省市经济年鉴2014》)，污废水处理能力不足，致使全部地表水体受到不同程度污染；城市EC8也位于长江三角洲城市群，该市污废水排放量多，同时水资源匮乏，水体流动性差，水体基本丧失调节与修复功能，30%以上的断面都为劣Ⅴ类断面。

华南地区参与评估城市水质级别较好的占66.7%，除了城市SC3，其余城市地表水综合污染指数为0.68～0.85，水质良好。城市SC3属于珠江三角洲城市群，是我国经济中心城市，其水耗和污水排放量大，NH3-N浓度严重超标，城市水体普遍受到污染。

华中地区多为平原，该地区农业发达，水资源丰富，污水排放量少，没有重污染型城市，水质较好级别城市占33.3%，地表水综合污染指数为0.71～1.32，水质普遍较好。

西南地区人口稠密、经济相对发达。但城市WS2人均水资源不足300 m3，远低于中国人均水资源量的2 100 m3，属于严重缺水城市[16]，另外城市河流多为纳污通道和污水处理厂尾水通道，且河道几乎没有生态补给水，导致地表水体严重污染。

华北地区是我国的政治文化中心。地表水综合污染指数为2.32～5.23，是污染最为严重的地区，参与评估城市全部为水质级别较差城市。城市NC2、NC4隶属于京津冀城市群，是我国主要的高新技术和重工业基地，随着农业、城镇经济发展，地表河流干涸、断流，地表湖泊不断退化萎缩，上游补给的河道已经多年断水，水资源枯竭已成为京津冀地区最核心的生态性问题，排放的污水得不到生态水补给，导致水体污染越来越严重；城市NC3的畜牧业、电厂、生物制药及发酵等行业比较发达，位居我国前列，经济发展的同时，也带来了对环境的污染，如电厂的冲灰水、畜牧业产生废水以及沿岸工厂未经处理的工业废水等排入到水体，导致水质严重恶化。

2.2.2 不同断面属性典型城市水质特征分析

由于部分城市监测断面分布在建成区或非建成区，因此仅有9个典型城市参与评估。图2为评估断面不同空间属性的水质特征。由图2可知，大部分城市建成区水质优于非建成区。这可能是因为建成区断面分布在市区内部，河流的整治力度和监控管理都要优于非建成区。

图2 断面空间分布水质特征Fig.2 Water quality characteristics of section spatial distribution

评估断面不同控制属性水质特征显示(图3)，国控断面水质较好。由于城市NE3、MC3和NC2监测断面不含国控断面，因此有24个典型城市参与评估。由于国控断面主要针对流域整体水质情况，多分布在流域干流，相对于支流而言，水体流动性好，生态补给水充足，水体自净功能强，且污染物主要来源于支流，因此国控断面水质相对较好。

图3 断面控制属性水质特征Fig.3 Water quality characteristics of the section control attribution

2.3 时间变化特征

2.3.1 典型城市水质年际变化

表4为27个典型城市地表水水质年际变化评价结果。从表4可以看出，参与评估城市地表水水质有明显的好转趋势。水质级别较好城市比例基本维持不变，而水质级别较差城市比例明显减少，由41%降到30%，且城市地表水综合污染指数也有降低趋势，最大值从5.23降低到3.69。

表4 27个典型城市地表水水质年际变化Table 4 Interannual variation of surface water quality in 27 tipical cities

2.3.2 典型城市水质季节变化特征

依据地理区划分析水质季度特征，评价结果见表5。

表5 27个典型城市地表水水质季度变动Table 5 Quarter variation of surface water quality in 27 tipical cities

华中、华北和西南地区多数城市水质综合污染指数随季节变化明显，但引起季节变化原因不同：华中地区受温度和降雨影响，温度高，微生物分解有机物活跃，夏季雨水多，水体中有机物得到了很大程度的稀释和扩散，因此二、三季度水质较好；华北地区主要是因为城市废水排放量的季节性变化小，而河川径流受降水季节变化大，因此降雨量比较大的夏季、秋季(三、四季度)水质较好；西南地区农业特色突出，二、三季度化肥、农药使用量增加，因此雨季(二、三季度)会有大量的含磷、含氮物质冲进水体，导致水体污染，水质综合污染指数随季节变化明显。

3 结论

(1)内梅罗指数法评价结果显示：NH3-N浓度、TP浓度、CODCr、BOD5和CODMn为地表水主要超标因子，NH3-N浓度超标率最高，为首要污染因子，水质主要受氮磷营养元素和有机物污染。

(2)西北、华北、华东、华南、华中地区参与评估的城市多数水质较好，水质级别较好城市均在50%以上；华北地区参与评估的城市整体水质较差，水质级别较差城市为100%。受整治力度和监控管理影响，大部分城市建成区水质优于非建成区。受水流、水量以及执行目标影响，国控断面水质比较好。

(3)2012—2014年期间，典型城市地表水质有明显的好转趋势，水质较好城市的比例基本不变，而水质级别较差城市的比例由41%降到30%。西北和东北地区，因为人口密度小，经济发展相对不快，水质保持相对稳定，多数城市水质季节性特征不明显；华东地区地域辽阔，整体来看水质季度波动没有明显规律；华中和华北地区四季分明，受气候影响和雨量影响，城市水质季节性特征也比较明显。

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Comprehensive Evaluation and Analysis of Surface Water Quality for Typical Cities of China

ZHENG Lijie1,2, GAO Hongjie2, SONG Yonghui2, HAN Lu2, LÜ Chunjian2

1.College of Environmental and Safety Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China 2.Scientific and Technological Innovation Base for Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Based on Nemerow index method, 27 typical cities all over China were chosen for the analysis of the present situation and spatio-temporal variation regulation of urban surface water. The results showed that TP, NH3-N, CODCr, BOD5and CODMnwere major factors exceeding the standards and NH3-N was the most serious, and the water was mainly affected by nitrogen, phosphorus and organic pollution. Water quality in North China area was poorer. Water quality in Northwest, Northeast, East China, South China, Central China and Southwest area was better and their ratio of good quality was over 50%. Water quality in built up area was better than that of the unbuilt up area. Water quality of the state-controlled sections was relatively good. The pollution of typical cities surface water quality alleviated from 2012 to 2014, and the proportion of cities with low-quality water had decreased by 11%. In Northwest and Northeast, most cities did not show clear seasonal characteristics due to low population density, relatively slow economy development and relatively stable water quality. In the vast East China region, water quality did not show obvious quarterly fluctuations. In Central China and North China, water quality showed relatively clear seasonal characteristics due to the influences of climate and rainfall.

typical cities; surface water; Nemerow index method; water quality evaluation

2015-12-26

重点流域环境保护监管项目(2110302)

郑利杰(1989—)，女，硕士，主要从事城市水环境管理研究，zhenglijie2015@163.com

*通讯作者:高红杰(1981—)，男，副研究员，博士，主要从事城市水生态修复技术，ghjlxh@sina.com

X824

1674-991X(2016)03-0252-07

10.3969j.issn.1674-991X.2016.03.038