鄭利杰，高紅杰，宋永會，韓璐，呂純劍

1.沈陽化工大學環(huán)境與安全工程學院，遼寧 沈陽 110142 2.中國環(huán)境科學研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012

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我國典型城市地表水水質綜合評價與分析

鄭利杰1,2，高紅杰2*，宋永會2，韓璐2，呂純劍2

1.沈陽化工大學環(huán)境與安全工程學院，遼寧 沈陽 110142 2.中國環(huán)境科學研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地，北京 100012

應用內梅羅指數(shù)法對我國27個典型城市地表水水質進行評價，分析地表水水環(huán)境質量現(xiàn)狀，揭示水質時空變化規(guī)律。結果表明：NH3-N濃度、TP濃度、CODCr、BOD5和CODMn為地表水主要超標因子，NH3-N濃度為首要污染因子，水質主要受氮、磷營養(yǎng)鹽及有機物影響。華北地區(qū)參與評估城市的水質級別均為較差；西北、東北、華東、華南、華中和西南地區(qū)參與評估城市的水質級別較好比例在50%以上。城市建成區(qū)水質優(yōu)于非建成區(qū)；國控斷面水質級別為較好。2012—2014年期間，典型城市地表水水質有明顯的好轉趨勢，水質級別較差城市比例下降11%。西北和東北地區(qū)，因為人口密度小，經濟發(fā)展相對不快，水質保持相對穩(wěn)定，多數(shù)城市水質季節(jié)性特征不明顯；華東地區(qū)地域遼闊，整體來看季度水質波動沒有明顯規(guī)律；華中和華北地區(qū)，受氣候和降水量影響，城市水質季節(jié)性特征比較明顯。

典型城市；地表水；內梅羅指數(shù)法；水質評價

城市水體是城市環(huán)境的重要組成部分。近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展、城市規(guī)模的擴大，工業(yè)廢水和生活污水排放量急劇增加，導致城市地表水環(huán)境嚴重惡化[1]，城市地表水質狀況備受關注。因此，及時客觀地對城市地表水質量做出評價，掌握水體污染狀況，揭示水體質量發(fā)展規(guī)律，對城市水污染治理、水環(huán)境規(guī)劃及水環(huán)境管理具有重要意義。

水質評價是水環(huán)境管理的基礎性工作。應用合理的水質評價方法，才能科學合理地表征水質狀況，滿足水環(huán)境管理和決策需要[2]。合理的水質評價方法應具有科學性、準確性和可操作性等特點。單因子評價法是比較簡單的水質評價方法，但不能綜合反映水質具體情況；模糊數(shù)學評價法、灰色系統(tǒng)評價法、層次分析法和人工神經網(wǎng)絡法[3-5]等評價方法將復雜的數(shù)學原理運用于水質評價，具有一定的科學性，但計算方法復雜，可操作性差。內梅羅指數(shù)法是由內梅羅教授在其所著的《河流污染科學分析》一書中提出[6]，常用于對區(qū)域地表水環(huán)境質量的綜合評價[7-10]：該方法具有數(shù)學過程簡捷、運算方便和物理概念清晰的優(yōu)點[11]，能突出污染指數(shù)最大的污染物對環(huán)境質量的影響和作用，其綜合評價結果總體上可以反映水體污染的性質和程度，是當前國內外進行綜合污染指數(shù)計算的常用方法之一。筆者采用內梅羅指數(shù)法，分析我國27個典型城市2012—2014年的水質情況，辨析水環(huán)境污染關鍵因子，揭示水環(huán)境質量時空變化規(guī)律，以期為城市環(huán)境綜合治理提供科學依據(jù)。

1 評價區(qū)域與方法

1.1 評價范圍

為了使所選城市評價結果具有代表性，本研究綜合考慮了地理區(qū)位、經濟發(fā)展水平、典型環(huán)境特征、城市區(qū)域重要性以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性，在全國7個地區(qū)選擇了27個典型城市的495個斷面作為評價對象，各城市和斷面的分布及基本情況如表1所示。

(續(xù)表1)

注：數(shù)據(jù)來源為各城市環(huán)境保護局實測資料。

1.2 評價方法

用內梅羅指數(shù)法先求出各因子的分指數(shù)(Ii，超標倍數(shù))，然后求出各分指數(shù)的平均值，取分指數(shù)最大值和平均值計算得出斷面內梅羅指數(shù)(I)：

(1)

對城市所有斷面的內梅羅指數(shù)求均值，得出城市地表水水質綜合污染指數(shù)(D)：

(2)

式中：max(Ii)為某水質指標污染指數(shù)的最大值；avg(Ii)為某水質指標污染指數(shù)的算術平均值；Ii為第i個斷面內綜合污染指數(shù)；n為城市所有評估斷面。

根據(jù)計算所得地表水水質綜合污染指數(shù)值，對環(huán)境質量進行評價等級的劃分[12]，水質等級劃分是

相對性的，分級原則與標準見表2。

表2 內梅羅指數(shù)法水質分級Table 2 Nemerow index method scale

1)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》。

2 結果與分析

2.1 評價指標的確定

利用內梅羅指數(shù)法對27個典型城市2012—2014年監(jiān)測數(shù)據(jù)(各城市環(huán)境保護局實測資料)分析發(fā)現(xiàn)，共有12項指標有超標現(xiàn)象，其斷面超標率和斷面超標數(shù)如表3所示。

表3 超標指標Table 3 Excess standard factor

由表3可知，主要超標項(超標率大于10%)有NH3-N濃度、TP濃度、CODCr、BOD5和CODMn。其中，NH3-N濃度為首要污染因子，選擇其作為水質評價指標；CODCr、BOD5和CODMn三者之間具有很強的正相關性[13-14]，CODCr超標率最大，可代表BOD5和CODMn參與評估；TP濃度是表征水體富營養(yǎng)化指標之一；NH3-N濃度能夠表征水體中氮元素的濃度，應作為評價指標參與評估；DO濃度是表征水質優(yōu)劣、水體黑臭的重要水質指標之一，應納入評價指標體系。根據(jù)對主要超標參數(shù)的分析，最終選取NH3-N濃度、TP濃度、CODCr和DO濃度4項指標作為評價參數(shù)。

2.2 空間分布特征

2.2.1 不同區(qū)域典型城市水質特征分析

運用內梅羅指數(shù)法對區(qū)域性典型城市地表水進行評價，得到27個典型城市地表水綜合污染指數(shù)，如圖1所示。

圖1 27個典型城市地表水綜合污染指數(shù)Fig.1 Comprehensive pollution index of surface water in 27 typical cities

由圖1可知，西北地區(qū)除城市NW4外，參與評估城市的地表水綜合污染指數(shù)為0.44～0.89，較好水質級別城市比例占75%，為較好水質級別所占比例最大的地區(qū)。原因是該地區(qū)荒漠廣布，多數(shù)城市經濟發(fā)展相對不快，污染物排放量少，人口密度低，人為因素污染小，所以該地區(qū)水質整體較好。由于NW4為重工業(yè)城市之一，城鎮(zhèn)生活污水、工業(yè)廢水大量排放且水資源短缺，導致該城市水質級別為較差。

東北地區(qū)參與評估城市的地表水綜合污染指數(shù)分別為0.53、1.04和1.86，沒有水質級別較差城市，各城市水質差別較大。城市NE1作為旅游城市，2014年污水處理廠集中處理率達95.96%，在314個城市中，排名18(數(shù)據(jù)來源于《中國城市統(tǒng)計年鑒2014》)，環(huán)境保護投資力度大，水質級別為較好；城市NE3，由于機械加工、糧食深加工、屠宰等行業(yè)廢水未經處理或處理不當直接排入地表河流，導致水體嚴重污染，排放的工業(yè)廢水和居民生活污水以綜合型有機污染物為主[15]，主要超標因子為NH3-N濃度、CODCr和TP濃度。

華東地區(qū)是我國經濟文化最發(fā)達地區(qū)，部分城市隸屬于長江三角洲城市群，人口稠密，經濟發(fā)達。該地區(qū)地表水水質級別較差的城市多分布在長江三角洲周圍，綜合污染指數(shù)為2.15～5.17：如城市EC6，北連首都經濟圈，南接長江三角洲經濟圈，是環(huán)渤海經濟區(qū)和京滬經濟軸上的重要交匯點，經濟高速發(fā)展的同時，工業(yè)廢水和生活污水大量排放，而總處理量不足污水排放量的13；另外地表河流補給水主要是污水處理廠出水，而污水廠出水即使100%達到GB 3838—88《地表水綜合排放標準》一級A標準，河流水質也與Ⅴ類水體差距較大，導致城市EC6水質更差；城市EC7是長江三角洲城市群最大的工業(yè)城市之一，該市2013年污廢水排放量為222 963萬ta，而工業(yè)廢水處理能力僅為318.6萬td(數(shù)據(jù)來源于《中國省市經濟年鑒2014》)，污廢水處理能力不足，致使全部地表水體受到不同程度污染；城市EC8也位于長江三角洲城市群，該市污廢水排放量多，同時水資源匱乏，水體流動性差，水體基本喪失調節(jié)與修復功能，30%以上的斷面都為劣Ⅴ類斷面。

華南地區(qū)參與評估城市水質級別較好的占66.7%，除了城市SC3，其余城市地表水綜合污染指數(shù)為0.68～0.85，水質良好。城市SC3屬于珠江三角洲城市群，是我國經濟中心城市，其水耗和污水排放量大，NH3-N濃度嚴重超標，城市水體普遍受到污染。

華中地區(qū)多為平原，該地區(qū)農業(yè)發(fā)達，水資源豐富，污水排放量少，沒有重污染型城市，水質較好級別城市占33.3%，地表水綜合污染指數(shù)為0.71～1.32，水質普遍較好。

西南地區(qū)人口稠密、經濟相對發(fā)達。但城市WS2人均水資源不足300 m3，遠低于中國人均水資源量的2 100 m3，屬于嚴重缺水城市[16]，另外城市河流多為納污通道和污水處理廠尾水通道，且河道幾乎沒有生態(tài)補給水，導致地表水體嚴重污染。

華北地區(qū)是我國的政治文化中心。地表水綜合污染指數(shù)為2.32～5.23，是污染最為嚴重的地區(qū)，參與評估城市全部為水質級別較差城市。城市NC2、NC4隸屬于京津冀城市群，是我國主要的高新技術和重工業(yè)基地，隨著農業(yè)、城鎮(zhèn)經濟發(fā)展，地表河流干涸、斷流，地表湖泊不斷退化萎縮，上游補給的河道已經多年斷水，水資源枯竭已成為京津冀地區(qū)最核心的生態(tài)性問題，排放的污水得不到生態(tài)水補給，導致水體污染越來越嚴重；城市NC3的畜牧業(yè)、電廠、生物制藥及發(fā)酵等行業(yè)比較發(fā)達，位居我國前列，經濟發(fā)展的同時，也帶來了對環(huán)境的污染，如電廠的沖灰水、畜牧業(yè)產生廢水以及沿岸工廠未經處理的工業(yè)廢水等排入到水體，導致水質嚴重惡化。

2.2.2 不同斷面屬性典型城市水質特征分析

由于部分城市監(jiān)測斷面分布在建成區(qū)或非建成區(qū)，因此僅有9個典型城市參與評估。圖2為評估斷面不同空間屬性的水質特征。由圖2可知，大部分城市建成區(qū)水質優(yōu)于非建成區(qū)。這可能是因為建成區(qū)斷面分布在市區(qū)內部，河流的整治力度和監(jiān)控管理都要優(yōu)于非建成區(qū)。

圖2 斷面空間分布水質特征Fig.2 Water quality characteristics of section spatial distribution

評估斷面不同控制屬性水質特征顯示(圖3)，國控斷面水質較好。由于城市NE3、MC3和NC2監(jiān)測斷面不含國控斷面，因此有24個典型城市參與評估。由于國控斷面主要針對流域整體水質情況，多分布在流域干流，相對于支流而言，水體流動性好，生態(tài)補給水充足，水體自凈功能強，且污染物主要來源于支流，因此國控斷面水質相對較好。

圖3 斷面控制屬性水質特征Fig.3 Water quality characteristics of the section control attribution

2.3 時間變化特征

2.3.1 典型城市水質年際變化

表4為27個典型城市地表水水質年際變化評價結果。從表4可以看出，參與評估城市地表水水質有明顯的好轉趨勢。水質級別較好城市比例基本維持不變，而水質級別較差城市比例明顯減少，由41%降到30%，且城市地表水綜合污染指數(shù)也有降低趨勢，最大值從5.23降低到3.69。

表4 27個典型城市地表水水質年際變化Table 4 Interannual variation of surface water quality in 27 tipical cities

2.3.2 典型城市水質季節(jié)變化特征

依據(jù)地理區(qū)劃分析水質季度特征，評價結果見表5。

表5 27個典型城市地表水水質季度變動Table 5 Quarter variation of surface water quality in 27 tipical cities

華中、華北和西南地區(qū)多數(shù)城市水質綜合污染指數(shù)隨季節(jié)變化明顯，但引起季節(jié)變化原因不同：華中地區(qū)受溫度和降雨影響，溫度高，微生物分解有機物活躍，夏季雨水多，水體中有機物得到了很大程度的稀釋和擴散，因此二、三季度水質較好；華北地區(qū)主要是因為城市廢水排放量的季節(jié)性變化小，而河川徑流受降水季節(jié)變化大，因此降雨量比較大的夏季、秋季(三、四季度)水質較好；西南地區(qū)農業(yè)特色突出，二、三季度化肥、農藥使用量增加，因此雨季(二、三季度)會有大量的含磷、含氮物質沖進水體，導致水體污染，水質綜合污染指數(shù)隨季節(jié)變化明顯。

3 結論

(1)內梅羅指數(shù)法評價結果顯示：NH3-N濃度、TP濃度、CODCr、BOD5和CODMn為地表水主要超標因子，NH3-N濃度超標率最高，為首要污染因子，水質主要受氮磷營養(yǎng)元素和有機物污染。

(2)西北、華北、華東、華南、華中地區(qū)參與評估的城市多數(shù)水質較好，水質級別較好城市均在50%以上；華北地區(qū)參與評估的城市整體水質較差，水質級別較差城市為100%。受整治力度和監(jiān)控管理影響，大部分城市建成區(qū)水質優(yōu)于非建成區(qū)。受水流、水量以及執(zhí)行目標影響，國控斷面水質比較好。

(3)2012—2014年期間，典型城市地表水質有明顯的好轉趨勢，水質較好城市的比例基本不變，而水質級別較差城市的比例由41%降到30%。西北和東北地區(qū)，因為人口密度小，經濟發(fā)展相對不快，水質保持相對穩(wěn)定，多數(shù)城市水質季節(jié)性特征不明顯；華東地區(qū)地域遼闊，整體來看水質季度波動沒有明顯規(guī)律；華中和華北地區(qū)四季分明，受氣候影響和雨量影響，城市水質季節(jié)性特征也比較明顯。

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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

重點流域環(huán)境保護監(jiān)管項目(2110302)

鄭利杰(1989—)，女，碩士，主要從事城市水環(huán)境管理研究，zhenglijie2015@163.com

*通訊作者:高紅杰(1981—)，男，副研究員，博士，主要從事城市水生態(tài)修復技術，ghjlxh@sina.com

X824

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

10.3969j.issn.1674-991X.2016.03.038