李曉航 張 飛# 王 娟 王東芳

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046;2.新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046;3.新疆大學智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046)

秋季艾比湖流域水質(zhì)綜合分析與評價*

李曉航1,2,3張 飛1,2,3#王 娟1,2,3王東芳1,2,3

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046;2.新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046;3.新疆大學智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046)

河流綜合水質(zhì)評價是水環(huán)境治理中的基礎(chǔ)性工作。于2014年10月在艾比湖流域的55個采樣點采集地表水樣，將pH、COD、溶解氧(DO)作為評價因子，采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法進行了水質(zhì)評價，并探討了艾比湖流域的總體污染狀況。結(jié)果表明：(1)艾比湖流域4種水體污染程度為河流>裸露湖床>水庫>農(nóng)田灌溉水；(2)艾比湖流域中部區(qū)域的水質(zhì)污染最嚴重，西部和東部區(qū)域的水質(zhì)仍處于清潔狀態(tài)。本研究為干旱區(qū)流域地表水資源的治理與保護提供參考依據(jù)。

艾比湖流域 水質(zhì)評價 單因子污染指數(shù) 內(nèi)梅羅污染指數(shù) 綜合污染指數(shù)

如今，人類面臨較為嚴重的水資源危機[1]。而河流綜合水質(zhì)評價是目前水環(huán)境治理中重要的基礎(chǔ)性工作，只有對水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行合理評價，才能制定科學的整治規(guī)劃[2]。近年來，河流水質(zhì)評價已成為我國學者關(guān)注的熱點問題，水質(zhì)評價方法也是多種多樣。典型的水質(zhì)評價方法包括：模糊數(shù)學評價法、灰色系統(tǒng)評價法、層次分析法、物元分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法、單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法等[3-5]。

單因子污染指數(shù)法操作簡單，以最差的單項水質(zhì)指標所屬類別來確定水體綜合水質(zhì)類別[6]。單因子污染指數(shù)法能對湖泊、河流、水庫等[7-10]主要地表水進行評價，是評價地表水水質(zhì)最基本也是運用最廣泛的方法[11]40。綜合污染指數(shù)法利用各種污染物的相對污染指數(shù)進行數(shù)學上的歸納和統(tǒng)計，得出一個較簡單的代表水體污染程度的綜合污染指數(shù)。張旋等[12]將層次聚類分析法和綜合污染指數(shù)法結(jié)合，對北京密云古北口潮河、門頭溝永定河，天津果河橋黎河、三岔口和河北張家口八號橋斷面的污染狀況進行分析。張景平等[13]利用綜合污染指數(shù)法對珠江口海域的綜合水質(zhì)污染情況進行了研究。內(nèi)梅羅污染指數(shù)法在進行水質(zhì)評價時能突出最大污染指數(shù)對環(huán)境質(zhì)量的影響和作用。徐彬等[11]38-40利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對太湖水質(zhì)進行評價，表明該方法具有較好的適用性。內(nèi)梅羅污染指數(shù)法經(jīng)過改進后再用于水質(zhì)評價的研究案例眾多。關(guān)云鵬[14]利用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和改進的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法分別對山西某城市地下水水質(zhì)進行評價，并對兩種方法進行對比，發(fā)現(xiàn)綜合兩種方法分析能夠更客觀地對水質(zhì)進行評價。楊磊磊等[15]將內(nèi)梅羅污染指數(shù)法進行了改進，并結(jié)合模糊綜合法對吉林東南部樺甸輝發(fā)河河口、樺甸老水源地、四閘門、白山水庫和紅石水庫的水質(zhì)進行評價，發(fā)現(xiàn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)法更適用于反映水體污染程度。

針對流域污染運用多種方法綜合分析的研究仍較少見，且對于干旱區(qū)流域水質(zhì)的整體污染評價尚未得到足夠的重視?；诖耍狙芯坷脝我蜃游廴局笖?shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法及綜合污染指數(shù)法對艾比湖流域地表水進行分析，并以各采樣點的pH、COD、溶解氧(DO)為評價因子進行評價，為干旱區(qū)流域地表水資源的治理與保護提供科學的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

艾比湖流域位于新疆西北部，地處準噶爾盆地邊緣，三面環(huán)山，西北部為我國四大風區(qū)之一的阿拉山口，位于43°38′N～45°52′N、79°53′E～85°02′E，橫跨博爾塔拉蒙古自治州3個縣市，流域面積為50 621 km2[16]。艾比湖流域主要包括博爾塔拉河、精河、奎屯河、阿奇克蘇河、四棵樹河、古爾圖河、阿恰勒河、大河沿子河等河流，由于受到阿拉山口的影響，艾比湖流域氣候干燥，降水稀少，具有典型干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境特點，其中山地面積24 317 km2，平原區(qū)面積25 762 km2，湖泊面積542 km2。近50年來隨著流域耕地面積的擴大，農(nóng)業(yè)需水不斷增多。與此同時，流域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及城鎮(zhèn)污染物的排放導致其主要補給河流——精河和博爾塔拉河受到污染，并引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題[17-18]。本研究對艾比湖流域的水質(zhì)污染進行分析，研究范圍包括博爾塔拉河、精河、奎屯河、阿奇克蘇河等幾條主要干流及周圍部分小河，共設(shè)有55個采樣點，采樣點分布見圖1。

2 研究方法

2.1 實驗方法

2014年10月對艾比湖流域進行了野外考察，在精河、博爾塔拉河、奎屯河、阿奇克蘇河等主要河流沿線以及艾比湖邊緣采集水樣，水質(zhì)檢測項目包括pH、COD、DO和BOD5，均依照文獻[19]進行測定。其中，pH采用電位法測定，COD采用重鉻酸鉀法測定，DO采用電化學探頭法測定，BOD5采用稀釋接種法測定。在測定過程中發(fā)現(xiàn)BOD5均小于0.5 mg/L，所以本研究只選取pH、COD、DO作為評價因子。

注：橢圓區(qū)域分別表示艾比湖流域西部、中部和東部；采樣點26～29不在研究區(qū)內(nèi)，故圖中缺省。圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 The map of study area

2.2 評價方法

2.2.1 單因子污染指數(shù)法

單因子污染指數(shù)法是將某種污染物實測濃度與該種污染物的評價標準進行比較以確定水質(zhì)類別的方法[20]139。單因子污染指數(shù)法中，超標最嚴重的評價因子對整個評價結(jié)果具有決定性作用。COD污染指數(shù)的計算方法如式(1)所示。

(1)

式中：PCOD,j為采樣點j的COD污染指數(shù)；cCOD,j為采樣點j的COD質(zhì)量濃度，mg/L；cCOD,s為COD的評價標準值，mg/L，參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)，水庫、河流、裸露湖床和農(nóng)田灌溉水分別參照Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類限值。

DO污染指數(shù)的計算公式如式(2)、式(3)所示。

(2)

cDO,f=468/(31.6+T)

(3)

式中：PDO,j為采樣點j的DO污染指數(shù)；cDO,f為飽和DO質(zhì)量濃度，mg/L；cDO,j為采樣點j的DO質(zhì)量濃度，mg/L；cDO,s為DO的評價標準值，mg/L，參考GB 3838—2002，水庫、河流、裸露湖床和農(nóng)田灌溉水分別參照Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類限值；T為水體水溫實測值，℃；468為轉(zhuǎn)換系數(shù)，mg/(L·℃)。

pH>7.0時，參照式(4)計算pH污染指數(shù)。

PpH,j=(cpH,j-7.0)/(cpH,su-7.0)

(4)

式中：PpH,j為采樣點j的pH污染指數(shù)；cpH,j為采樣點j的pH；cpH,su為GB 3838—2002中規(guī)定的pH上限。

單因子污染指數(shù)分級標準見表1。

表1 單因子污染指數(shù)分級標準

注：1)Pi,j為單因子污染指數(shù)；i為評價因子，包括COD、DO、pH。

2.2.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法基于單因子污染指數(shù)中的平均值和最大值綜合評價污染程度[21]，其計算公式見式(5)。

(5)

式中：PN為內(nèi)梅羅污染指數(shù)；Pi,j,max為單因子污染指數(shù)最大值；Pi,j,ave為單因子污染指數(shù)平均值。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)分級標準見表2。

表2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)分級標準

2.2.3 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法也是由單因子污染指數(shù)法衍化而來，其將評價因子綜合考慮，從整體上反映環(huán)境系統(tǒng)的污染狀況[20]140。綜合污染指數(shù)計算公式如式(6)所示。

Pcom=∑WiPi,j

(6)

式中：Pcom為綜合污染指數(shù)；Wi為評價因子i的權(quán)重系數(shù)。

綜合污染指數(shù)分級標準見表3。

表3 綜合污染指數(shù)分級標準

3 結(jié)果與分析

將采集的55個水樣分為4種水體類型：河流、水庫、裸露湖床、農(nóng)田灌溉水，通過單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法，對4種水體的pH、COD、DO進行分析，以評價秋季艾比湖流域的污染狀況。

3.1 單因子污染指數(shù)法評價結(jié)果

單因子污染指數(shù)計算結(jié)果見表4。pH污染指數(shù)總體較平均，最大值(0.69)出現(xiàn)在采樣點24，水體類型為裸露湖床。COD污染指數(shù)最大值(8.25)出現(xiàn)在采樣點8，水體類型為河流。DO污染指數(shù)最大值(2.13)出現(xiàn)在采樣點38，水體類型為水庫。

為了將4種水體的3種評價因子進行綜合比較，計算了各種水體的單因子污染指數(shù)，如圖2所示。在4種水體中，pH污染等級較低，處于清潔狀態(tài)；COD污染程度表現(xiàn)為河流>裸露湖床>水庫>農(nóng)田灌溉水，其中河流為中度污染，裸露湖床為輕度污染，水庫與農(nóng)田灌溉水均處于清潔狀態(tài)；DO污染程度表現(xiàn)為水庫>河流>裸露湖床>農(nóng)田灌溉水，其中水庫與河流為輕度污染，裸露湖床與農(nóng)田灌溉水處于清潔狀態(tài)。

表4 單因子污染指數(shù)計算結(jié)果1)

注：1)-表示所測數(shù)據(jù)超出正常閾值或數(shù)據(jù)缺省。

圖2 4種水體的單因子污染指數(shù)Fig.2 Single pollution index of 4 kinds of water body

3.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價結(jié)果

4種水體的內(nèi)梅羅污染指數(shù)見圖3。從pH看，4種水體均處于安全狀態(tài)；從COD看，水庫處于警戒狀態(tài)，農(nóng)田灌溉水、裸露湖床、河流的污染程度由輕度向重度遞進；從DO看，農(nóng)田灌溉水處于安全狀態(tài)，裸露湖床處于警戒狀態(tài)，河流與水庫均為輕度污染。從整體上看，河流的COD污染較嚴重，裸露湖床的COD為中度污染，其余水體的污染程度較弱。

圖3 4種水體的內(nèi)梅羅污染指數(shù)Fig.3 Nemerow pollution index of 4 kinds of water body

3.3 綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果

從表5可以看出：Pcom最大值(5.65)出現(xiàn)在采樣點8，水體類型為河流；水庫Pcom較低，均小于1；裸露湖床的Pcom最大值(2.04)出現(xiàn)在采樣點15；農(nóng)田灌溉水的Pcom最大值(1.19)出現(xiàn)在采樣點7。4種水體的綜合污染指數(shù)如圖4所示。從圖4可以看出，污染程度為河流>裸露湖床>水庫>農(nóng)田灌溉水。河流為輕度污染，水庫、裸露湖床和農(nóng)田灌溉水均處于清潔狀態(tài)。

3.4 不同方法綜合比較

通過3種不同方法對艾比湖流域水質(zhì)進行評價，其綜合比較結(jié)果如表6所示。

表5 綜合污染指數(shù)計算結(jié)果

圖4 4種水體的綜合污染指數(shù)Fig.4 Comprehensive pollution index of 4 kinds of water body

單因子污染指數(shù)法的評價結(jié)果顯示，河流為中度污染，水庫和裸露湖床為輕度污染，農(nóng)田灌溉水處于清潔狀態(tài)；內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評價結(jié)果顯示，河流為重度污染，裸露湖床為中度污染，水庫和農(nóng)田灌溉水為輕度污染；綜合污染指數(shù)法的評價結(jié)果顯示，河流為輕度污染，水庫、裸露湖床和農(nóng)田灌溉水均處于清潔狀態(tài)。結(jié)合圖2至圖4以及表6可以看出，基于不同污染指數(shù)的評價結(jié)果存在差異，但4種水體的污染程度大致表現(xiàn)為：河流>裸露湖床>水庫>農(nóng)田灌溉水。由于單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅污染指數(shù)法中，污染程度最重的評價因子決定總體評價結(jié)果；而綜合污染指數(shù)法對不同評價因子分配不同權(quán)重，權(quán)重最大的評價因子對評價結(jié)果具有主導性，因此采用不同污染指數(shù)，可能會直接影響最終的評價結(jié)果，建議在污染評價工作中結(jié)合多種評價方法得出結(jié)論。

3.5 流域分區(qū)后的綜合污染指數(shù)分析

為了更好地分析整個艾比湖流域的水質(zhì)情況，將整個流域分為西部、中部、東部(見圖1)，采用綜合污染指數(shù)法評價不同區(qū)域的水質(zhì)情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同區(qū)域的綜合污染指數(shù)Fig.5 Comprehensive pollution index of different partition

水體類型單因子污染指數(shù)pHCODDO內(nèi)梅羅污染指數(shù)pHCODDO綜合污染指數(shù)河流清潔中度污染輕度污染安全重度污染輕度污染輕度污染水庫清潔清潔輕度污染安全警戒輕度污染清潔裸露湖床清潔輕度污染清潔安全中度污染警戒清潔農(nóng)田灌溉水清潔清潔清潔安全輕度污染安全清潔

從圖5可以看出，西部的水體類型較全，4種類型的水體都具備，且各種水體均處于清潔狀態(tài)。中部只有河流和農(nóng)田灌溉水，其中，河流為中度污染，農(nóng)田灌溉水處于清潔狀態(tài)。東部包含河流、水庫和農(nóng)田灌溉水，3種水體均處于清潔狀態(tài)。比較不同區(qū)域的4種水體的污染狀況可以得出，污染最嚴重的為中部河流，因此整個艾比湖流域的水體污染可以鎖定在中部，且應著重關(guān)注河流污染問題。

4 討 論

由于艾比湖流域?qū)儆诘湫偷母珊祬^(qū)，水環(huán)境污染與自然因素、人為因素、社會經(jīng)濟因素都有直接或間接的關(guān)系，國內(nèi)已有學者開展了艾比湖流域水質(zhì)研究。蘇琴等[22]對艾比湖流域水化學現(xiàn)狀進行了分析，認為艾比湖流域上游由于生活污水和未經(jīng)處理的工業(yè)廢水排入河道，使得河流受到一定程度的污染。楊藝淵等[23]研究得出：艾比湖流域內(nèi)耕地面積快速增長，需水量急劇增大，灌溉水源不足，導致棄耕地增多，加劇了流域內(nèi)沙漠化程度，也加重了河流污染程度。

此外，艾比湖流域的污染情況與其他干旱區(qū)流域存在差別。黑河流域的沿途工業(yè)污染較少，流經(jīng)礦區(qū)的河流受到污染，但屬于物理性質(zhì)的污染[24]；疏勒河流域受人類活動影響較小，主要影響來自巖石風化[25]；渭河流域咸陽段的污染程度嚴重且歷時很長[26]。由此可見，同為干旱區(qū)流域，其水體受到的污染情況也大不相同。艾比湖流域環(huán)境較復雜，受到阿拉山口大風的影響，土地鹽漬化較重，水體污染種類多樣，所以對于干旱區(qū)艾比湖流域水質(zhì)的研究有一定的特殊性與必要性。

5 結(jié) 論

(1) 運用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和綜合污染指數(shù)法對艾比湖流域進行水質(zhì)評價，均顯示4種水體污染程度為河流>裸露湖床>水庫>農(nóng)田灌溉水，但不同評價方法對各種水體的污染等級評定存在差異。

(2) 艾比湖流域水質(zhì)污染最嚴重的為中部區(qū)域，西部和東部區(qū)域的水質(zhì)仍處于清潔狀態(tài)。

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AnalysisandassessmentofwaterqualityofEbinurLakebasininautumn

LIXiaohang1,2,3,ZHANGFei1,2,3,WANGJuan1,2,3,WANGDongfang1,2,3.

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentSciences,XinjiangUniversity,UrumqiXinjiang830046;2.KeyLaboratoryofOasisEcology,XinjiangUniversity,UrumqiXinjiang830046;3.KeyLaboratoryofXinjiangWisdomCityandEnvironmentModeling,XinjiangUniversity,UrumqiXinjiang830046)

River water quality assessment is the basic work of water environment management. In this study,pH,COD and dissolved oxygen (DO) of water samples from 55 sampling sites were selected as the main factors in Ebinur Lake basin in October 2014 with single factor pollution index method,Nemerow pollution index method and comprehensive pollution index method to evaluate the pollution and discuss the whole situation of surface water. The results show that:(1)pollution level of 4 kinds of water body in Ebinur Lake basin order river>bare lake bed>reservoir>farmland irrigation water. (2)The water body in the central of Ebinur Lake basin was most serious polluted,while that in western and eastern region was in clean state. This study could provide a scientific reference for the governance and protection of surface water resources in arid areas.

Ebinur Lake basin; water quality assessment; single factor pollution; Nemerow pollution index; comprehensive pollution index

李曉航，女，1990年生，碩士研究生，主要從事干旱區(qū)資源與環(huán)境遙感應用研究。#

。

*國家自然科學基金資助項目(No.41361045、No.41130531)；自治區(qū)青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)工程項目(青年博士科技人才培養(yǎng)項目)(No.2013731002)；新疆綠洲生態(tài)(教育部省部共建)重點實驗室開放課題項目(No.XJDX0201-2012-01)；教育部“長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”創(chuàng)新團隊資助項目(No.IRT1180)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.002

2016-02-27)