基于水质指数法的城市河流水质综合评价研究

靳聪聪，区舵样，周晗宇，董海洋

(1.江门市水利局, 广东 江门 529000; 2.浙江大学 舟山海洋研究中心， 浙江 舟山 316021;3.浙江大学 建筑工程学院， 浙江 杭州 310058)

伴随着工业化和城市现代化发展进程的不断推进，工业污染物和城市污水的总量和未完成处理的比重也在加大。联合国环境署的报告指出[1]，全球范围内超过80%的废水未经完全处理即排入环境水体中。世界范围内的水污染问题愈发复杂化，河流湖泊水质恶化和富营养化程度不断升级、城市范围内水体萎缩和城市内水生态破坏严重等已经亟待解决的社会问题。我国同样也面临着高速经济发展带来的一系列水环境污染问题，根据《中国环境状况公报》[2]，2015年全国废水主要污染物仅COD一项的排放总量即高达2 223.5 t。为科学有效应对日益严重的水污染问题，国家2015年发布了《关于印发水污染防治行动计划的通知》，并明确提出要强化水环境质量目标管理，严格水环境风险控制，防范水环境风险[3]。经过一系列行之有效的水污染防治措施，扭转了我国的水环境恶化的趋势，并经过一系列有效治理取得明显改善。结合《2019年中国生态环境状况公报》[4]数据可知，我国整体的生态环境水准从总体上得到有效改善，全国地级及以上城市2 899个黑臭水体消除2 513个，全国地表水监测的1 931个水质断面劣V类仅占3.4%，比2018年降3.3个百分点。

水质评价是水环境改善和监测防治水污染的基础，能够定量分析河流的水环境质量的总体状况，是河流生态健康评价的基础，也是水环境规划管理与综合治理提供依据[5-6]。目前国内外水质评价方法主要分为单因子评价法[7]、水质指数法[8-9]、人工神经网络法[10]、投影寻踪法[11]、模糊数学法[12]等。单因子评价法主要适用于单个断面的评价，难以较好对地表水环境质量进行综合评价。水质指数法简单易行，处理长多断面水体的综合评价结果直观，评价结果精确度相对较高，能够较全面的反映水质的污染情况，在国内外水质评价得到了广泛应用[13]。其他的不确定性水质评价方法通常依靠各自算法的资深自适应性，对水质监测数据的分析相对复杂，主要是作为理论研究。水质指数(Water Quality Index, WQI)能够整体反映出多个水质指标数据，并通过对水质参数的归一化处理，可合理分析监测数据并能综合评估出水质等别和水质指数值。加拿大水质指数(Canadian Water Quality Index，CWQI)法通过三个主要指标，即范围、频率和振幅方面分析水质监测数据，进而得到水质指数和对应的水质等级[14-15]。该方法能较全面反映水质情况，得到了联合国环境署(UNEP)认可，并作为主要方法评估国家饮用水水质[16]。柳超[17]采用CWQI对内河水系进行综合评价，能够从整体上较为准确地反映区域水系水质综合状况，并给出了适合我国一般河流(尤其是Ⅳ类、Ⅴ类水体)的综合水质的方法。

本文通过采用CWQI方法对江门市河流水质监测数据进行综合评价分析，并考虑选用我国常见的流域面积不足50 km2的城镇二级支流作为研究对象。为能够快速有效地对监测数据进行分析，并将评价结果作为指导河流水环境治理的依据，选择以短周期监测数据作为研究的时间尺度，选取泥海水5个典型监测断面2020年9月份的三次监测数据进行CWQI水质综合评价，并开展对江门市泥海水水体水质监测结果的综合评价工作。通过对水质综合评价为泥海水水环境综合改善工程措施实施前的关键问题识别提供理论依据。

1 研究对象与水质监测数据

1.1 研究对象与研究方法

天沙河属于江门水道的一级支流，位于江门市区的西北部，流经鹤山市雅瑶镇，蓬江区棠下镇、环市街道、杜阮镇、白沙街道和新会区会城街道六个镇街。天沙河全流域集雨面积为291 km2，干流全长49 km。天沙河上游段河面垃圾漂浮，不少河段垃圾积存，河道底泥淤积厚度为0.5 m～1.2 m，内源污染严重。天沙河上游河流形态生态自然，两岸以村镇和养殖塘为主，周边村民的畜禽养殖和水产养殖过程中投放的饲料残余和排泄物形成的污染物对上游水体、池塘底泥等造成了严重污染，水体黑臭，富营养化严重，分布有大面积的水葫芦，水体基本丧失自净能力。泥海水主要流经鹤山市和蓬江区，位于天沙河上游，属天沙河支流，泥海水因流量小、流速慢，河底多泥，因而称“泥海”。泥海水上游接蓬江区三堡排洪渠，下游汇入天沙河，现状河道杂草丛生，淤积严重，排洪能力差。泥海水全流域面积22.1 km2，干流全长13.3 km，其中鹤山市境内河长3.2 km，蓬江区境内河长10.44 km，流经雅瑶镇、棠下镇两个镇街。

采用CWQI方法对泥海水的水质进行综合评价，其中加拿大水质指数的计算公式为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：F1(代表范围)为监测期间超过标准限值的水质参数的个数占监测总数的百分比；F2(代表频率)表示监测数据超过标准限值数占监测总数的比例；F3(代表振幅) 反映超标数据的超标程度；P为超过标准限值的水质参数个数；N为水质监测总数；Q为监测数据超过标准限值数；M为监测总数；S为不达标指标实测值偏离标准值倍数。

对于规定上限值的水质指标，表达式为：

(6)

对于不能低于某一限值的指标(如溶解氧) ，表达式为：

(7)

式中：ci为指标实测值；cS为对应指标标准限值。

1.2 水质监测数据分析

在泥海水跨县断面和河口断面共布设5个水质监控断面(江番高速铁桥(#1)、一河两岸竹溪(#2)、三堡工业区排洪渠(#3)、朝阳村排污口(#4)、三堡工业区(#5))。监测断面水质类别主要评价指标为溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)共5项。采样时间分别为2020年9月4日、9月14日、9月22日，根据国家《地表水环境质量标准》[18]的水质分级标准得到泥海水水质统计和水质指标分级标准，具体如表1所示。

表1 泥海水水质指标的统计及地表水环境质量标准

由表1可知，指标NH3-N的平均值2.24超出地表水V类水2.0的限值。采用变异系数(CV)对监测水质主要指标变异程度进行分析，从上表监测数据统计值可知，五个主要指标的CV值差别较大，从10.11%到 41.71%变化均不等。尤其是DO的CV值高达 41.71%，其次是监测指标NH3-N，对应的CV值也达到了21.88%。

通过对泥海水五个典型监测断面在9月份的三个监测时间段里五项基本水质指标统计，具体如表2所示。

表2 水质监测指标

结合表1和表2，对各个监测断面所属水质进行分类，具体如表3所示。

表3 各监测指标对应的水质类别

由表3可知，各监测点的CODMn和COD均满足Ⅳ类水质要求，TP基本满足Ⅳ类水质要求，DO污染较为严重，NH3-N污染最为严重。

2 水质评价方法与讨论

柳超提出的CWQI的分类赋值表能够根据我国国情及评价区域水体的实际情况，有效分析我国一般河流(尤其是IV类、V类水体)的综合水质评价具体如表4所示。

表4 调整后的CWQI水质分类及适宜性说明

目前天沙河已划定水功能区，目标水质对应为Ⅳ类，但是天沙河支流泥海水暂时未划定水功能区。因此，根据泥海水所在区域特点及综合考虑天沙河的水功能区，可考虑对泥海水的水质目标划定与天沙河干流水质目标相同。因此本文选取Ⅳ类地表水标准作为模型水质对研究泥海水的河道水质进行综合评估。

2.1 泥海水水体污染的时间空间分布特征

为了进一步研究泥海水各监测断面各项水质参数随时间的变化，全面分析5个监测断面的监测指标在2020年9月的三次水质变化趋势情况，具体如图1所示。

图1 泥海水水体污染物时间空间尺度差异性

由图1可知，泥海水9月份监测数据中五个水质参数的变化规律差别较大。其中，江番高速铁桥(#1)和一河两岸竹溪(#2) 三个监测断面在9月份的监测数据变化基本一致，波动不大，而三堡工业区排洪渠(#3) 、朝阳村排污口(#4)和三堡工业区(#5) 断面水质参数在不同的时间波动较大。9月4日监测各个断面的NH3-N和TP浓度相对较高，而9月14日监测各个断面的CODMn浓度较高，DO的各个断面变化波动较大，COD的变化较小，NH3-N和TP浓度9月4日的各个断面则相对减小，9月22日的NH3-N较上次监测数据有较明显增幅，COD较前两次监测数据有所增加，CODMn浓度降低幅度较大，DO和TP浓度较9月14日有小幅度增加。

2.2 CWQI评价结果

以DO、CODMn、COD、NH3-N、TP 作为CWQI模型的水质变量，以IV类水作为模型水质目标，对泥海水的5个监测断面3次监测数据进行评价分析，具体如表5所示。

表5 CWQI评价结果

由表5可知，5个监测断面的3次监测结果中NH3-N超限次数最高，其中#4的超限比例高达100%，位于朝阳村排污口，最低的是#5超限比例为0%，位于三堡工业区，其余均在33.3%以上。同时，CODMn和COD的超限比例也相对较多。通过CWQI 法对泥海水9月份监测数据的五个监测断面评估，结果如图2所示。

图2 泥海水各监测断面水质CWQI综合评价结果

由图2可知，泥海水的#1和#2个监测断面的水质情况属于一般，表明水质遭受到一定程度污染，由表5可知，存在不满足功能区水质要求。泥海水的#3和#4监测断面水质遭受污染情况明显重于#1和#2个监测断面，属于极差状态，不能达到功能区要求，需要进行专门的治理。

为进一步考察泥海水水质污染整体状况，采用 CWQI 对开发区内河水系从2020年9月的3次采样样本分别进行计算，结果如表6所示。

表6 开发区内河水系 CWQI 综合评价结果

从表6可以看出，泥海水的水质在9月初的监测数据显示水质级别为极差，到达月中的监测情况较月初略有好转，但总体仍为极差，再到下旬的监测数据呈现出继续好转的趋势，显示为较差状态。采用CWQI方法能够从定性和定量两个方面对监测结果进行综合分析。监测结果可为下一步实施改善型措施提供依据。

3 结 论

(1) 泥海水的5个监测指标的CV值变化范围从10.11%到 41.71%，变异程度最大的为DO和NH3-N，对应的CV值分别为 41.71%和21.88%，表明这两个指标在监测期内波动较为强烈。各监测点的CODMn和COD均满足Ⅳ类水质要求，TP基本满足Ⅳ类水质要求，DO污染较为严重，NH3-N污染最为严重。

(2) 通过对泥海水的监测断面的水质时间空间分布趋势分析，五个监测指标在9月份三次监测数据中变化规律均不一致，同一监测指标的在5个断面监测情况的变化规律也各不相同，呈现出明显的变异性。三堡工业区排洪渠(#3) 和朝阳村排污口(#4)断面水质参数在不同的时间波动较大。

(3) 泥海水的5个监测断面的水质状况通过CWQI分析可知，#1和#2监测断面对应的水质级别为一般，水质级别为极差的为#3和#4监测断面，说明该断面水质存在严重污染问题，已无法满足功能区要求。泥海水的水质在月初的时候显示水质级别为极差，月中的监测情况较月初略有好转，但总体仍为极差，到下旬的监测数据呈现出继续好转的趋势，显示为较差状态。采用CWQI方法能够从定性和定量两个方面对监测结果进行综合分析，监测结果可为下一步实施改善型措施提供依据。