代貞偉， 王磊， 賀小黑， 伏永朋， 潘偉， 章昱

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205； 2.中南地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，武漢 430205； 3.東華理工大學 核資源與環(huán)境國家重點實驗室,南昌 330013； 4.東華理工大學 水資源與環(huán)境工程學院,南昌 330013)

0 引言

全球淡水資源日益緊缺，對于重點水源區(qū)水資源的保護越來越受到政府部門及人民群眾的高度關(guān)注[1-2]。為緩解華北地區(qū)水資源短缺問題，2002年我國開始實施南水北調(diào)工程，丹江口水庫作為中國南水北調(diào)中線工程水源地和國家一級水源保護區(qū)，也是亞洲最大的人工淡水湖，主要由湖北境內(nèi)漢江庫區(qū)和河南省境內(nèi)丹江庫區(qū)兩大庫區(qū)組成，水域橫跨鄂、陜、豫三省，素有“亞洲天池”之美譽，承擔著保障調(diào)水水質(zhì)安全的重要任務，庫區(qū)水資源污染情況是亟須關(guān)注的重要問題[3]。近年來，相關(guān)研究表明： 庫區(qū)上游流域每年接納廢水約0.61×109m3，并呈逐年增長的趨勢； 庫區(qū)周邊神定河、泗河、老灌河、浪河等支流存在較明顯的污染跡象[4]。

厚子河位于陜西省白河縣，是漢江庫區(qū)主河道南岸白石河的支流。厚子河上游有圣母山硫鐵礦，最早開采于1957年，至1981年開采礦石量達到頂峰，其收入占白河縣財政收入的25%，為白河縣經(jīng)濟建設(shè)作出了一定貢獻。2000年4月圣母山硫鐵礦關(guān)閉，遺留礦渣總量達550×104m3，含硫、鐵的廢礦渣經(jīng)氧化和雨水淋溶，分解出的含酸性及大量鐵離子的廢水經(jīng)厚子河匯入白石河，造成了嚴重的流域性污染，厚子河在色度、渾濁度、氣味等方面發(fā)生了顯著變化。因此，對厚子河水質(zhì)作出科學、全面、客觀的評價，對區(qū)域水環(huán)境生態(tài)功能的修復和提升具有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外關(guān)于河流水環(huán)境質(zhì)量的評價方法有很多，大致可分為指數(shù)評價法(單因子評價法[5-7]、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法[8]、綜合污染指數(shù)法[9]、綜合水質(zhì)標識指數(shù)法[10])、模糊數(shù)學評價法[11]、灰色系統(tǒng)評價法[12]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法[13]及主成分分析法[14]等。不同的評價方法各有側(cè)重： 單因子評價法能夠確定某一斷面的水質(zhì)類別，但不能對同一類別水質(zhì)的斷面進行細化評價； 單因子指數(shù)法能夠?qū)ν活悇e水質(zhì)污染程度進行精細評價，但不能明確水質(zhì)類別； 綜合污染指數(shù)法可對某斷面污染程度進行評價，但不能闡釋清楚水質(zhì)類別、功能區(qū)達標等情況。

為掌握厚子河不同區(qū)域河水受硫鐵礦污染的程度差異，嘗試不同的水質(zhì)評價方法在厚子河水質(zhì)評價中的應用效果，2018年10月筆者沿厚子河從上游硫鐵礦礦區(qū)至下游卡子鎮(zhèn)4個典型河流斷面采集了多組水樣，在湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊實驗測試中心開展了水質(zhì)全分析測試，采用單因子評價法和綜合水質(zhì)標識指數(shù)法[5，10，15]進行分析評價。

1 評價分析方法

1.1 采樣點位置

采樣點位置如圖1所示，HZ001采樣點位于硫鐵礦采礦區(qū)下游約50 m處，HZ002采樣點位于采礦區(qū)下游約4 km處，HZ003采樣點距離采礦區(qū)下游約6 km，HZ004則距采礦區(qū)下游約10 km。

圖1 厚子河流域采樣點位置示意圖Fig.1 Location of sampling pointsin Houzi River Basin

1.2 評價參數(shù)和評價標準

1.3 評價方法

1.3.1 單因子評價法

單因子評價法，即最差因子判別法，利用樣品水化學試驗分析的實測數(shù)據(jù)，與《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)[16]中各項影響因子的標準限值進行比較分類，依據(jù)參評指標類別最高的一項確定斷面的水質(zhì)類別，即選取所有因子中水質(zhì)最差的類別作為評價結(jié)果。該方法計算簡單，超標參數(shù)和超標倍數(shù)簡單明了，是目前水質(zhì)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測中最常用的一種判別水質(zhì)類別的方法。

1.3.2 綜合水質(zhì)標識指數(shù)法

單因子水質(zhì)標識指數(shù)P由1位整數(shù)及其小數(shù)點后2位或3位有效數(shù)字組成，表示為：

Pi=X1.X2X3，

(1)

式中：X1代表第i項水質(zhì)指標的水質(zhì)類別；X2代表監(jiān)測數(shù)據(jù)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間中所處的位置；X3代表水質(zhì)類別與水環(huán)境功能區(qū)劃定類別的比較結(jié)果(X3為1位或2位有效數(shù)字)。

綜合水質(zhì)標識指數(shù)WQI由整數(shù)位及其小數(shù)點后3位或4位有效數(shù)字組成，表示為：

WQI=Y1.Y2Y3Y4，

(2)

式中：Y1.Y2由單因子水質(zhì)標識指數(shù)法的評價結(jié)果進行算術(shù)均值計算獲取。Y3為參與評價的劣于水環(huán)境功能區(qū)水質(zhì)的單項污染指標個數(shù)。當Y3=0時，說明該斷面所有水質(zhì)參數(shù)指標均達到水環(huán)境功能區(qū)標準； 當Y3=1時，說明該斷面水質(zhì)參數(shù)指標有1項超標，沒有達到水環(huán)境功能區(qū)標準； 以此類推。Y4為當前綜合水質(zhì)類別與水環(huán)境功能區(qū)劃定類別的比較結(jié)果(Y4為1位或2位有效數(shù)字)。當Y4=0時，說明當前綜合水質(zhì)類別達到或優(yōu)于水環(huán)境功能區(qū)類別； 當綜合水質(zhì)類別差于水環(huán)境功能區(qū)類別且Y2不為0時，則Y4=Y1-f，其中f為水環(huán)境功能區(qū)類別； 當綜合水質(zhì)類別差于水環(huán)境功能區(qū)類別且Y2為0時，則Y4=Y1-f-1； 當Y4=1時，說明綜合水質(zhì)類別劣于水環(huán)境功能區(qū)1個類別； 當Y4=2，說明綜合水質(zhì)類別劣于水環(huán)境功能區(qū)2個類別； 以此類推。

其中，Y1.Y2的計算公式如下：

(3)

式中：m為參與綜合水質(zhì)評價的水質(zhì)單項指標數(shù)目；P1′，P2′，Pm′分別為第1，2，m個水質(zhì)因子的單因子水質(zhì)指數(shù)，對應單因子水質(zhì)標識指數(shù)中的整數(shù)位和小數(shù)點后1位，即單因子水質(zhì)標識指數(shù)中的X1.X2。

1.3.3 綜合水質(zhì)分級標準

按照綜合水質(zhì)標識指數(shù)法可以將水質(zhì)分成7個類型，即Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類但不黑臭、劣Ⅴ類且黑臭。

依據(jù)地表水水域環(huán)境功能和保護目標，按功能高低，前5類的劃分標準同《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)[16]。

Ⅰ類： 主要適用于源頭水、國家自然保護區(qū)；

Ⅱ類： 主要適用于集中式生活飲用水地表水源地一級保護區(qū)、珍稀水生生物棲息地、魚蝦類產(chǎn)卵場、仔稚幼魚的索餌場等；

Ⅲ類： 主要適用于集中式生活飲用水地表水水源地二級保護區(qū)、魚蝦類越冬場、洄游通道、水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)等漁業(yè)水域及游泳區(qū)；

Ⅳ類： 主要適用于一般工業(yè)用水區(qū)及人體非直接接觸的娛樂用水區(qū)；

Ⅴ類： 主要適用于農(nóng)業(yè)用水區(qū)及一般景觀要求水域。

1.3.4 綜合水質(zhì)級別判定

本文所采用的綜合水質(zhì)級別判定方法主要依據(jù)綜合水質(zhì)標識指數(shù)值X1.X2區(qū)分河流斷面綜合水質(zhì)級別，同時對劣V類水質(zhì)污染程度進行細分，判斷當前河水水體是否為黑臭狀態(tài)(表1)。

表1 基于綜合水質(zhì)標識指數(shù)的綜合水質(zhì)級別判定[10]Tab.1 Comprehensive water quality classification basedon the comprehensive water quality index[10]

2 評價結(jié)果與討論

2.1 單因子評價法評價結(jié)果

根據(jù)水樣水化學實驗測試結(jié)果，按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GBT 3838—2002)[16]對厚子河流域水質(zhì)開展單因子評價，選取所有參評因子中水質(zhì)最差的類別作為評價結(jié)果，各水樣評價結(jié)果見表2。

表2 基于單因子評價法厚子河水質(zhì)評價結(jié)果Tab.2 Evaluation results of Houzi River water qualitybased on single factor evaluation method

從表2單因子評價法評價結(jié)果來看，4個采水樣斷面處的河水均為劣Ⅴ類水，判斷不出水質(zhì)類別的差異。而從現(xiàn)場實際調(diào)查得知，距離硫鐵礦采礦區(qū)較近的HZ001和HZ002點處，河水呈十分明顯的褐紅色，水體渾濁； 距離硫鐵礦采礦區(qū)較遠的HZ003處，河水顏色變淺，水體變清； 距離硫鐵礦采礦區(qū)更遠的HZ004點處，褐紅色完全消失，河水呈無色清澈狀態(tài)(圖2—圖5)。這說明從HZ001至HZ004，厚子河河水水質(zhì)逐漸變好，特別是HZ004點處的河水水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)。因此，僅根據(jù)某些指標達到劣Ⅴ類便將其判定為劣Ⅴ類水存在一定的不合理性，有必要利用綜合水質(zhì)評價方法開展厚子河4個斷面處水質(zhì)變化情況的研究。

圖2 HZ001采樣點照片F(xiàn)ig.2 Sampling point photo of HZ001

圖3 HZ002采樣點照片F(xiàn)ig.3 Sampling point photo of HZ002

圖4 HZ003采樣點照片F(xiàn)ig.4 Sampling point photo of HZ003

2.2 綜合水質(zhì)標識指數(shù)法評價結(jié)果

根據(jù)厚子河4個河流斷面水樣測試指標參數(shù)，通過計算獲得各個河流斷面單因子水質(zhì)標識指數(shù)，在單因子水質(zhì)標識指數(shù)的基礎(chǔ)上，本文對所有評價指標進行算術(shù)平均值計算，得出其綜合水質(zhì)標識指數(shù)。厚子河單因子水質(zhì)標識指數(shù)及綜合水質(zhì)標識指數(shù)見表3。

根據(jù)表3計算所得的綜合水質(zhì)標識指數(shù)，通過綜合水質(zhì)級別的判定依據(jù)開展水質(zhì)綜合評價，評價結(jié)果見表4。

表4 綜合水質(zhì)標識指數(shù)評價結(jié)果Tab.4 Evaluation results based on thecomprehensive water quality index

從綜合水質(zhì)標識指數(shù)評價結(jié)果可以直觀了解到厚子河各個河流斷面的綜合水質(zhì)級別、綜合水質(zhì)標識指數(shù)及水環(huán)境功能區(qū)達標的相關(guān)情況。由表4分析可知，厚子河距離硫鐵礦采礦區(qū)由近及遠的4個斷面綜合水質(zhì)標識指數(shù)逐漸下降，綜合水質(zhì)整體趨好，符合現(xiàn)場實際調(diào)查的情況。

對于HZ001、HZ002兩處采樣點的水質(zhì)綜合評價結(jié)果，其水質(zhì)級別與單因子評價法的結(jié)果一致，均為劣Ⅴ類水。但通過綜合水質(zhì)標識指數(shù)法能夠在劣Ⅴ類水中細分出HZ001點處水體黑臭，HZ002點處水體不黑臭。對于HZ003、HZ004兩處采樣點的水質(zhì)綜合評價結(jié)果，其水質(zhì)級別高于單因子評價法的評價結(jié)果，因為綜合水質(zhì)標識指數(shù)法采用了各指標評價結(jié)果的平均值作為其評價水質(zhì)的依據(jù)，避免單因子評價法“一票否決制”的缺點。

3 結(jié)論

(1)基于單因子評價法，硫鐵礦區(qū)厚子河水質(zhì)評價結(jié)果均為劣Ⅴ類水，無差異，不能反映距離硫鐵礦開采區(qū)越遠時河水水質(zhì)趨好的客觀實際情況。

(2)綜合水質(zhì)標識指數(shù)法避免了“一票否決制”，不僅可以客觀反映同一河流各個斷面所處的綜合水質(zhì)類別、同一水質(zhì)類別中受污染的不同程度以及與水環(huán)境功能區(qū)類別的比較結(jié)果，而且實現(xiàn)了對劣V類水質(zhì)污染程度的精細劃分，相較于單因子評價法更加客觀、科學、全面。

(3)綜合水質(zhì)標識指數(shù)法適用于硫鐵礦開采等類似重污染區(qū)域河流不同斷面的水質(zhì)污染程度以及劣V類水體是否黑臭等問題的分析，研究成果可為水環(huán)境相關(guān)管理人員研判水環(huán)境質(zhì)量、進行水污染治理以及綜合決策提供一定的科學參考依據(jù)。