石佛寺水库水环境质量状况研究

林洪娟，马兴涛，袁朴玉

(1.沈阳理工大学 理学院，沈阳 110159；2.辽宁省沈阳水文局，沈阳110005)

石佛寺水库位于沈阳市北部，离城区约40公里，为滞洪型水库，是辽河干流上唯一的一项控制性水利工程[1]。水库的输入源头是上游的辽河水，而辽河吸收了周边四个城市的生活污水和工业废水。辽河水在水库内不断积蓄，水中污染物不断积累，会使石佛寺水库水质发生恶变。所以需要选择科学的方法对水质进行评判分析，从而为管理水环境和治理水污染给出依据。

当今，在对我国江河进行水质评判时，用的比较多的评判方式包含：建立在单项水质指标基础上的单因子评价法；建立在矩阵运算基础上的模糊数学评判法和灰色系统原理；依据样本训练的神经网络方法；建立在代数运算基础上的综合水质标识指数法[2-9]。每一种方法都有各自的优势，但也都有不足之处。单因子评价法的判定依据是最差的指标属于哪一类水，显然不合理。灰色系统原理、模糊数学评价法、人工神经网络评价法，这些对综合水质Ⅰ至V类的分析都具有科学合理性，但当综合水质为劣V类时，这几种方法的分析结果偏保护。综合水质标识指数法可以定性，也可以定量，且不会由于个别水质指标好坏就做出片面地分析，尤其是当综合水质为劣V类时，更具合理性[10]。

本文评价分析石佛寺水库水质选用的是综合水质标识指数评价法，根据评价结果分析该水库的主要污染物及每一种污染物的污染程度，对更好地维护与管理石佛寺水库具有重要意义。

1 综合水质标识指数法基本原理

1.1 单因子水质标识指数

单因子水质标识指数Pi[11]表示为

Pi=X1.X2X3

(1)

式中：X1为整数部分，表示第i个指标所在的水质类别，小数部分可以是2或3位有效数字；X2表示测量数据在X1类水质变动范围内所处的方位；X3表示所选水域目标值与水质类别的比较结果。计算X2时可以按四舍五入确定；X3可以是1到2位有效数字(与指标的污染程度有关)。

当水质在Ⅰ类水到Ⅴ类水之间，可将测量数据与国家标准进行对比，确立X1(X1=1表示该指标满足Ⅰ类水标准，X1=2表明这个指标达到Ⅱ类水标准，其余可类似得到；如果X1<1说明优于Ⅰ类水，X1>5说明劣于V类水)。

X2分非溶解氧(浓度越小越好)和溶解氧(浓度越大越好)两类取值。

非溶解氧指标的表达式为

(2)

式中：Ci为第i项指标所测值；Cikx为第i项指标处在第k(k=X1)类水浓度范围的最低值；Ciks为第i项指标处在第k(k=X1)类水浓度范围的最高值。计算出X2后将其四舍五入，取一位整数。X2符号意义如图1所示。

图1 X2符号意义示意图

对溶解氧指标，其表达式为

(3)

式中C为溶解氧所测值。计算出X2后将其四舍五入，取一位整数。

当水质劣于V类水时，对非溶解氧指标，有

(4)

式中Ci5s为第i个水质指标V类水浓度范围的最大值。

对溶解氧指标，有

(5)

式中Ci5x为第i个水质指标Ⅴ类水浓度范围的最小值。

X3通过判断得到，如果功能区目标类别比水质计算类别差，则X3=0；如果功能区目标类别比水质计算类别好，同时X2不等于零，则X3=X1-f，其中f为水环境功能区目标类别，石佛寺水库水功能区目标类别为Ⅲ类水，因此这里f取3。如果功能区目标类别比水质计算类别好且X2=0，则X3=X1-f-1。如果是劣Ⅴ类水，功能区目标值与水质计算类别相差可能超过10(水质污染特别重时)，那么X3是两位有效数字。

1.2 综合水质标识指数

综合水质标识指数I[12]由整数位和小数位构成，而小数位通常是3个或4个，表达式为

(6)

2 石佛寺水库水质状况分析

2.1 水质评价因子的选择与监测数据

在石佛寺水库库区上游和下游各选取3个监测点。分别在丰水期(夏季)和枯水期(秋季)采样化验，测量的指标包括高锰酸盐指数(CODMn)、溶解氧(DO)、总氮(TN)、化学需氧量(CODCr)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)。得到的测量数据如表1所示。

表1 石佛寺水库各个监测点的测量数据 mg/L

表1中“上左”表示库区上游靠近左岸的监测点，其它类似。

2.2 水质评价标准

根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)[13]，列出各项指标水质类别标准值，如表2所示。

表2 地表水环境质量标准 mg/L

根据表2，可以得到各个监测指标所对应的水质类别。例如，丰水期库区上游靠近左岸测量的TP值为0.11(见表1)，说明TP处于IV～V类水区间。

2.3 单因子标识指数法的分析结果

单因子法水质分析结果在表3中列出。如石佛寺水库丰水期TP单因子水质标识指数为5.12，“5”表示TP为V类水，“1”表示TP值在V类水范围内距离低值10%处，“2”表示TP的判定类别比目标类别差2。从表3中知道，在丰水期，TP和TN两项指标劣于目标值，都是Ⅴ类。在枯水期，TP、CODMn、CODCr、TN4项指标不能达标，其中TN为劣V类。结果表明，对石佛寺水库而言，污染因子主要有两类，一个是有机污染指标，如CODCr；另一个是富营养化指标，如TP、TN。

表3 单因子水质标识指数法对单项指标的判定结果

2.4 综合水质标识指数对水质的评价

通过综合水质标识指数的整数位和小数点后第一位X1.X2，可以判定综合水质级别，判断依据参照表4。

表4 标识指数法判别综合水质的分类根据

依据综合水质标识指数法基本原理，得到丰水期和枯水期综合水质标识指数分别是3.420和4.241(见表5)。参照表4可知石佛寺水库丰水期符合Ⅲ类水标准，而枯水期符合Ⅳ类水标准，丰水期水质比枯水期好。这是由于枯水期水的更新速度慢、自净能力差，对污染物的扩散不利。

表5 综合水质标识指数法对水库水质的分析结果

3 结束语

利用综合水质标识指数法评价了石佛寺水库CODMn、DO、TN、CODCr、TP、NH3-N 6个指标，单项指标的判定结果显示，氮和磷是主要污染物，水库有富营养化趋势。从综合指标的判定结果可以看到，枯水期水质比丰水期差，不达标的项数也偏多，这是因为不同季节水库水体更新速度不同，导致污染物的扩散程度有差异。

综合水质标识指数法计算方便、操作简单、结论合理，比较符合石佛寺水库实际水质情况。此后应该更加保持石佛寺水库和周边各地的生态环境，减少工业和居民生活污水的排放，保证水库的水质安全。