水质标识指数法在赣江尾闾段水质评价中的应用

任长江，赵 勇，龚家国，裴青宝，赵新宇

（1.南昌工程学院 水利与生态工程学院，南昌 330099；2.中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038）

1 研究背景

在我国河流水质评价方法中，水质评价方法分为单因子水质评价法和综合水质评价法，单因子评价法由于其“一票否决制”，难以真实反映水质综合污染情况，因而很少被研究者采用。综合水质评价法［1］包括内梅罗指数法［2］、综合水质指数法［3］、综合水质标识指数法［4-5］、主要污染物标识指数法［6］、主要污染物水质指数法、基于组合权重的水质评价法［7］、基于因子分析的水质综合指标评价法［8］和按水质功能区划分的污染指数法［9］等多种评价方法。而对水质的预测方法的研究也取得了诸多成果，例如基于计算机人工智能技术的灰色关联法［10-11］、层次分析法［12］、人工神经网络评价法［1］、模糊数学法［13］、回归支持向量机、投影寻踪回归法［14-15］、主成分分析法［16-17］、模糊识别法［18］、指标概率密度法［19］和水质标识指数法［20-21］。在众多的水质评价以及预测方法中，水质标识指数法［22］由于其综合水质类别、定量污染程度、水环境功能区达标等水环境管理信息既能定性又能定量对水质进行评价，既不会因个别水质指标较差就否定综合水质，又能对综合水质做出合理评价的优点，因而在河流水质评价中得到了广泛的应用［6，17，20，23-25］。

近年来随着南昌地区工农业的发展，工农业排污量的增大，对赣江水质造成了不同程度的污染，而赣江又是鄱阳湖的重要补给水源，这势必对下游鄱阳湖生态造成较大影响，准确掌握和预测赣江水质变化对鄱阳湖生态保护至关重要。本文采用水质标识指数法从空间和时间维度对赣江水质进行综合分析，以期为鄱阳湖水质演变以及区域生态治理提供科学依据。

2 水质检测

2.1 研究区概况研究区下游的鄱阳湖是中国第一大淡水湖，位于江西省北部，面积3960 km2，国家5A 级旅游景区，湖区有41 个岛屿和7 个自然保护区。保护区内鄱阳湖候鸟300 多种，近百万只，其中珍禽50多种，是世界上最大的鸟类保护区。赣江为鄱阳湖的重要补给水源，自南向北在南昌东北方向分北支、中支、南支汇入鄱阳湖。而赣江下游尾闾南昌段地处江西中部偏北、鄱阳湖西南岸（东经115°27′—116°35′、北纬18°10′—29°11′），位于赣江边上的南昌市人口密集，周边工农业发达。

2.2 采样点布置按照地表水质监测布点与采样原则进行布点，对赣江尾闾3个支流8个断面进行采样，采样点分别为：赣江北支大巷站、潭口村发电站以及禾洲电力灌排站；中支下楼村、南新村及楼前大桥；南支滁北大桥和北旺大桥。采样点位置见图1中S1，S2，…，S8。

图1 采样点布置示意图

2.3 监测指标根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）和《地表水资源质量标准》（SL63-94），选取pH值、总磷（total phosphorus，TP）、总氮（total nitrogen，TN）、氨氮（ammonia-nitrogen，NH4-N）、化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）、硝态氮（nitric nitrogen，NO3-N）、电导率（electrical con⁃ductivity，EC）、浊度（turbidity，TUR）、悬浮物（suspended solids，SS）作为评价指标。采样时间分别为2015 年10 月30 日（T1）、12 月4 日（T2）以及2016 年1 月12 日（T3）、3 月10（T4）日和5 月30 日（T5）。悬浮物（SS）根据GB11901-89 标准测定，电导率（EC）根据HJ/T97-2003 标准测定，水质浊度（TUR）根据HJ/T98-2003 标准测定，氨氮（NH4-N）根据HJ/T101-2003 技术要求测定，总氮（TN）根据HJ/T102-2003 技术要求测定，总磷（TP）根据HJ/T103-2003 技术要求测定，硝态氮（NO3-N）根据HJ/T103-2003技术要求测定，化学需氧量（COD）根据HJ/T103-2003技术要求测定。对5个时段的8个监测点各项水质指标求平均值，水质指标实测值在时间和空间上分布如表1。

表1 水质监测指标

3 评价方法

水质标识指数法［22］（water quality identification index，WQI）将水质表示为一个具有代数性质的小数，能够连续性描述水质状况。该方法首先计算水体监测数据中各参评因子的单因子水质标识指数，综合考虑国家《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）的水质分级标准、国家《水功能区划分标准》（GB/T50594-2010）的水功能分级标准，然后计算水质标识指数。

3.1 单因子水质标识指数法单因子水质标识指数法［22］（single factor water quality identification index，SWQI），由反映水质类别X1，水质类别区间所处的位置X2，以及反映单项指标与水环境功能区关系X3的三位数组成。水质标识指数Pi包括一位整数、小数点后两位或三位有效数字，可以表示为：

式中：Pi为第i项水质指标的标识指数；X1为第i项水质指标的水质类别，为Pi的整数部分；X2为监测数据在X1类水质变化区间中所处的位置，为Pi小数部分的第一位小数，根据四舍五入原则计算；X3为水质类别与功能区类别的比较结果，为Pi小数部分第二位小数（一位有效数字）或者第二位和第三位小数（两位有效数字）。

3.1.1X1的确定X1由水质监测数据与地表水标准GB3838—2002比较确定。X1=1，表示该指标为Ⅰ类水；X1=2，表示该指标为Ⅱ类水；其它以此类推。

3.1.2X2的确定 除水温、pH和溶解氧外的其余20项指标值随水质类别数的增大而增加，非溶解氧指标（20项）X2可根据下式计算：

式中：ρi为第i项指标的实测质量浓度，ρikl≤ρi≤ρiku；ρiku为第i项水质指标第k类水区间质量浓度的上限值，k=X1；ρikl为第i项水质指标第k类水区间质量浓度的下限值。

当水质劣于或等于Ⅴ类水上限值时，非溶解氧指标的X1X2可根据式计算，按四舍五入原则保留小数点后一位数据。

式中ρi5u为第i项指标Ⅴ类水质量浓度上限值。

3.1.3X3的确定X3一般通过判断得出，如果水质类别好于或达到功能区类别，则有：

当水质类别差于功能区类别且X2不为零，则有：

当水质类别差于功能区类别且X2为零，则有：

式中fi为水环境功能区类别，当X3=1说明水质类别劣于功能区1个类别；当X3=2，说明水质劣于功能区2个类别，以此类推。

3.2 主要污染物水质标识指数法主要污染物水质标识指数法［6］（Primary Pollutant-Water Quality Identification Index，PP-WQI），在水质标识指数法的基础上对其进行修正，引入体现水质主要污染物类别的参数F，其表达式如下：

式中：PP-WQI为该监测水体主要污染物水质标识指数；η为参加整体水质评价的指标中劣于水质类别标准的水质指标的个数，为PP-WQI小数部分第二位小数；F为该监测水体中的主要污染物。

3.3 综合水质标识指数法综合水质标识指数［5］（Composite water quality identification index，CWQI）在单因子水质标识方法的基础上，由单因子水质标识指数总和的平均值、代表水质类别与功能区划设定类别比较结果和参加整体水质评价的指标中劣于功能区标准的水质指标个数组成，其计算公式为：

式中：CWQI为评价体系中所有参评指标的综合计算结果，为所有参与评价指标所计算的X1⋅X2平均值；M为参与综合水质评价的水质指标中，劣于水环境功能区目标的单项指标个数，为CWQI小数部分第二位小数；N为综合水质类别与水体功能区类别的比较结果，为CWQI小数部分第三位小数，通过参评的单因子标识指数Pi中的M不为0 的个数来确定。

4 结果与分析

根据国家《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）的水质分级标准，以及《地表水环境质量评价技术规范》，本文各项水质指标分级标准见表2，将表1水质指标实测值与表2水质评价指标分级标准进行比对，得表3各指标所属水质分级类别。

表2 水质评价指标分级标准值

表3 各监测指标对应的水质类别

由表3可知，各监测点的EC均满足Ⅰ类水质要求，NO3-N稍优于Ⅲ类水质标准，NH4-N基本满足Ⅲ类水质标准，TP和TN 轻度污染，TUR和SS污染较为严重，COD污染最为严重。

根据单因子污染指数法将表1各个断面水质指标实测值的平均值与表2水质分级标准Ⅲ类水质标准相除，按照三级功能区划分，得图2所示各项指标污染指数（WPI）。由图2可知，不考虑浊度和悬浮物，对水质影响较大的前三项化学指标为COD、TN和TP。

4.1 SWQI 评价结果根据单因子水质标识指数法［26］计算，各监测点以及各时段水质评价结果如表4所示。

4.2 PP-WQI 评价结果根据主要污染物水质标识指数法计算，各监测点以及各时段水质评价结果如表5所示。

图2 各监测指标单因子污染指数

表4 单因子水质标识指数法评价结果

表5 主要污染物水质标识指数法评价结果

4.3 CWQI评价结果根据主要污染物水质标识指数法计算，各监测点以及各时段水质评价结果如表6所示。

4.4 不同方法水质评价比较为了比较不同评价方法对赣江水质评价结果的影响，分别采用基于水环境功能区的加权平均污染指数法（Pollution Index method，PIM）［1］、单因子污染指数法（SFCI）［1］、内梅罗指数法（NI）［2］、主要污染物染指数法（Major Pollutant Index，MPI）［5］、单因子水质标识指数（SWQI）、主要污染物水质标识指数法（PP-WQI）和综合水质标识指数法CWQI等7种方法对赣江水质进行评价，7种方法计算结果如表7所示。

表6 综合水质标识指数法评价结果

表7 不同评价方法水质评价结果

由表7 可知：对比7 种评价方法水质评价结果，对于3 个支流：北支（S1、S2、S3）、中支（S4、S5、S6）和南支（S7、S8），采用加权平均污染指数法（PIM）结果为Ⅲ类水且水质较好；单因子污染指数法（SFCI）由于以最差水质指标所属类别作为综合水质类别，按其评价标准属于Ⅲ类水且中度污染；内梅罗指数法（NI）依据其评判标准则属于Ⅲ类水且轻度污染；主要污染物指数法（MPI）按其评判标准则属于Ⅳ类水；主要污染物水质标识指数法（PP-WQI）表明水质主要污染物为COD其次为TN和SS。三种水质标识指数法SWQI、PP-WQI 和CWQI 评价结果较为接近，均属于Ⅲ类水且处于偏差位置（X1⋅X2≈ 0.8），接近Ⅳ类水。7种方法中由于SWQI、PP-WQI、CWQI评价结果较为接近，能较准确反映赣江水质污染状况。

从时间上分析，7 种评价方法基本上均表现出：T5（2016-5-30 夏季）污染指数最大，T2 和T3（2015-12-4 和2016-1-12 冬季）次之，T4（2016-3-10 春季）第三，T1（2015-10-30 秋季）最小。这是由于研究区雨水丰沛、土地肥沃，鄱阳湖湿地周边为鸟的天堂，区内有候鸟300多种、近百万只；另一方面在赣江尾闾段分布着7家以散养为主的养殖场（养牛为主）。这些积累的动物粪便随着降雨被汇集到各支流，因而水质较差、污染指数较大。而在秋季随着降雨量的减少，汇入河湖的污染物较少，河流水量介于丰水期和枯水期，水量较为丰富，因而污染物浓度相对较低，污染指数较小。

从空间上分析，北支S1 监测点（大港站）污染指数均小于下游两个分支S2（潭口村发电站）和S3（禾洲灌排站）监测点的污染指数；中支S4（楼前大桥站）监测点污染指数小于S6（下楼村站）监测点污染指数；南支S8（北旺大桥）监测点污染指数小于S7（滁北大桥）监测点污染指数。水质在空间上表现为上游优于下游；从北、中、南平均值来看，北支和南支较为接近，而与中支相差较大，整体上水质中支较好，南支和北支较差。

5 结论

采用7种水质评价指数法对赣江尾闾河段水质进行了综合评价，从时间和空间维度对水质演化规律进行了分析，得到以下结论：赣江尾闾河段水质污染源主要为动物和鸟类粪便，在3种水质标识指数法SWQI、PP-WQI、CWQI 评价结果较为接近的情况下，PP-WQI 方法不仅能够反映水质污染程度，也能体现主要污染物，更能真实反映该区域水质污染情况；从PP-WQI评价结果来看，水质污染在时间上表现为：夏季污染指数最大（4.25（COD）），冬季次之（4.06（COD）和4.05（TN）），秋季最小（3.03（COD））；在空间上表现为上游（北支S1 为3.74（COD），中支S4 为3.53（COD），南支S7 为3.74（SS））优于下游（北支S3 为3.74（COD），中支S6 为3.53（COD），南支S8 为3.74（SS）），中支较好（3.53（COD）），北支和南支较差（3.84（COD）和3.84（COD/SS））；赣江-鄱阳湖段水质主要污染物为COD，其次为TN和SS。