游如玥，敖天其，2，朱 虹，高丹陽，張 興

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065)

前 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國的生態(tài)環(huán)境問題也日益突出。小流域沒有絕對(duì)性的定義，在不同國家和不同研究領(lǐng)域的劃分標(biāo)準(zhǔn)有所差異。本文所研究的是水利上的小流域，指面積在1 000km2以內(nèi)，所包含鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)在20個(gè)以內(nèi)的流域。流域水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法有很多種，其中最常用的是單因子評(píng)價(jià)法，評(píng)價(jià)指標(biāo)最多最全面的是綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法，最普遍使用的是內(nèi)梅羅污染指數(shù)法，在國際上較廣泛用于飲用水水源地的是加拿大水質(zhì)指數(shù)法。

本文以小安溪流域?yàn)槔?，利用單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和加拿大水質(zhì)指數(shù)法對(duì)其進(jìn)行水質(zhì)分析、確定了小安溪流域的主要污染物，并且將這四種方法轉(zhuǎn)化到同一尺度進(jìn)行比較，選出最適合小流域水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法，對(duì)小流域的水治理可提供一定的借鑒，對(duì)于該流域的水污染治理有著重要的意義。

1 材料與方法

1.1 單因子評(píng)價(jià)法

單因子評(píng)價(jià)法[1～3]是最簡(jiǎn)單的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，依據(jù)國家環(huán)境保護(hù)總局于2002年4月26日頒布的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中的規(guī)定，用監(jiān)測(cè)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值除以國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值，得到每一種指標(biāo)的超標(biāo)倍數(shù)，從而確定每項(xiàng)指標(biāo)的水質(zhì)類別。最后以該監(jiān)測(cè)斷面中污染最嚴(yán)重指標(biāo)的水質(zhì)類別作為該斷面的水質(zhì)類別，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Ci為實(shí)測(cè)濃度，Coi為標(biāo)準(zhǔn)濃度，Si為指標(biāo)i的水質(zhì)指數(shù)。如果某項(xiàng)指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)大于1了，說明這項(xiàng)指標(biāo)的污染濃度已經(jīng)超過了標(biāo)準(zhǔn)量，水質(zhì)不達(dá)標(biāo)、無法滿足該水域的水質(zhì)要求。

在單因子評(píng)價(jià)法中，監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)由所有水質(zhì)指標(biāo)中最差的評(píng)價(jià)指標(biāo)決定[4]，雖然計(jì)算過程簡(jiǎn)單，但因?yàn)樽畈钪笜?biāo)起了決定性作用，所以評(píng)價(jià)結(jié)果在一定程度上比現(xiàn)實(shí)的水質(zhì)狀況略差。

1.2 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法

綜合污染指數(shù)法[5]是評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量的一種重要方法，是對(duì)各污染指標(biāo)的相對(duì)污染指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出代表水體污染程度的數(shù)值，從而對(duì)水質(zhì)的污染狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜合污染指數(shù)法克服了單一指標(biāo)評(píng)價(jià)水體質(zhì)量的局限性，多項(xiàng)指標(biāo)使得評(píng)價(jià)更加全面化、系統(tǒng)化。計(jì)算公式為：

(2)

(3)

式中，P為水體的綜合污染指數(shù)；n為參加評(píng)價(jià)的污染物指標(biāo)數(shù)目；Pi為污染物i污染指數(shù)；Ci為污染物i的監(jiān)測(cè)濃度；Coi為污染物i的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。綜合污染指數(shù)對(duì)應(yīng)的水質(zhì)分級(jí)如下：P≤0.25，清潔；0.25

1.3 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅指數(shù)法[6～8]計(jì)算過程簡(jiǎn)單高效。利用所選指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度和標(biāo)準(zhǔn)濃度，以Ⅲ類水的標(biāo)準(zhǔn)值作為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算?？紤]到傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法沒有考慮到不同污染物權(quán)重的影響[9]，以及過于強(qiáng)調(diào)最大污染因子的影響。因此，為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文將內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行改進(jìn)，新增污染物的影響權(quán)重指標(biāo)，對(duì)均值和最大值進(jìn)行修正，最后選取4個(gè)斷面的平均內(nèi)梅羅指數(shù)作為判定依據(jù)。具體公式為：

(4)

(5)

(6)

(7)

表1 內(nèi)梅羅指數(shù)和水質(zhì)等級(jí)Tab.1 The Nemerow index and water quality grade

1.4 加拿大水質(zhì)指數(shù)法

加拿大水質(zhì)指數(shù)法(CWQI法)一般用于飲用水源地的水質(zhì)分析[10～13]，由F1(范圍)、F2(頻率)和F3(振幅)構(gòu)成，通過對(duì)長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)分析得出綜合水質(zhì)指數(shù)值，直接反應(yīng)了某一時(shí)期內(nèi)的水質(zhì)信息，計(jì)算公式為：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中，M為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù)，S為不達(dá)標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測(cè)值偏離標(biāo)準(zhǔn)值的倍數(shù)，Ci為水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測(cè)濃度，Coi為水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)濃度。

對(duì)于規(guī)定了上限值的水質(zhì)指標(biāo)而言

(13)

對(duì)于規(guī)定了下限值的水質(zhì)指標(biāo)而言

(14)

加拿大水質(zhì)指數(shù)CWQI和水質(zhì)級(jí)別的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 加拿大水質(zhì)指數(shù)和水質(zhì)等級(jí)Tab.2 The Canadian water quality index and water quality grade

1.5 等標(biāo)水質(zhì)分析

類比等標(biāo)污染負(fù)荷的思想，將上述四種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法轉(zhuǎn)化到同一尺度進(jìn)行評(píng)價(jià)。具體方法是將各類水質(zhì)評(píng)價(jià)方法計(jì)算得到的值(指數(shù))與其對(duì)應(yīng)年份四個(gè)斷面計(jì)算出的平均值(指數(shù))作比較，得到一個(gè)關(guān)于污染程度的百分比，從而將不同的方法轉(zhuǎn)化到同一尺度上面進(jìn)行比較，加強(qiáng)了評(píng)估的準(zhǔn)確性。計(jì)算公式如下：

等標(biāo)水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)=計(jì)算值(指數(shù))÷對(duì)應(yīng)年份四個(gè)斷面的平均值(指數(shù))×100%

(15)

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)概況

小安溪又名臨渡河，是涪江的最后一條支流。發(fā)源于永川市巴岳山東麓永興鄉(xiāng)白龍洞，流經(jīng)永川、大足、銅梁、合川，在距涪江匯嘉陵江的河口以上3公里處匯入涪江。本文選取的是小安溪流域(銅梁段)作為研究對(duì)象，小安溪河流經(jīng)區(qū)內(nèi)長(zhǎng)為88.3km，多年平均流量16.5m3/s，年均徑流量5.20億m3，區(qū)內(nèi)流域面積688 km2。通過GIS軟件中的水文分析提取出的研究區(qū)水系圖見下圖。研究所用到的實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于銅梁區(qū)環(huán)保局。

圖 小安溪流域水系圖Fig. Drainage map of Xiao An-xi basin

2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

本文選取雙河口、段家塘、眾志橋、玉峽渡口這四個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，以2017年和2018年全年的水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取pH值、COD、BOD5、溶解氧、TN、TP、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氟化物、六價(jià)鉻、砷共十個(gè)評(píng)價(jià)因子。通過對(duì)小安溪流域歷史資料和河流水質(zhì)分析文獻(xiàn)調(diào)查，劃分豐平枯三個(gè)水期，豐水期為6、7、8、9月，平水期為4、5、10、11月，枯水期為1、2、3、12月[2]，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表3、表4。

表3 研究區(qū)2017年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.3 the actual data of 2017 in the study area

續(xù)表3

表4 研究區(qū)2018年實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)Tab.4 the actual data of 2018 in the study area

續(xù)表4

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，小安溪河流域目標(biāo)水質(zhì)為地表水Ⅲ類水，水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果一共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五個(gè)等級(jí)。

2.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果

分別利用單因子評(píng)價(jià)法、綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和加拿大水質(zhì)指數(shù)法對(duì)小安溪流域2017和2018年的水質(zhì)進(jìn)行計(jì)算分析，評(píng)價(jià)結(jié)果見表5、表6。

結(jié)合表5、表6，從整體上進(jìn)行分析，小安溪流域四個(gè)斷面的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果均較差，2017年和2018年年均有高達(dá)75%的評(píng)價(jià)結(jié)果未達(dá)到Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)等級(jí)基本都為Ⅳ類，部分指標(biāo)的污染程度甚至達(dá)到Ⅴ類。水質(zhì)按季節(jié)呈規(guī)律性變化，豐水期整體水質(zhì)要略優(yōu)于枯水期，這可能是因?yàn)樨S水期流域水的總量更為豐富，水環(huán)境容量更大，相當(dāng)于污染物被稀釋了，流域水體自凈能力更好，所以污染物的濃度較低。

單因子評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：2017年有94%都是Ⅴ類水，2018年全年都是Ⅴ類水，其中TN為污染最嚴(yán)重的因子，水質(zhì)極差。

綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：2017年有69%為中污染，31%為重污染；2018年有31%為中污染，69%為重污染，水質(zhì)差。

內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：水質(zhì)較差，均未達(dá)到Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。2017年有93.75%為Ⅳ類水，有6.25%為Ⅴ類水；2018年有75%為Ⅳ類水，有25%為Ⅴ類水，水質(zhì)較差。

加拿大水質(zhì)指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：水質(zhì)普遍較好，都符合地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。2017年有18.75%為中等，81.25%為良好；2018年有50%為中等，50%為良好，水質(zhì)中等。

表5 2017年水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 the water quality evaluation results of 2017

續(xù)表5

表6 2018年水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.6 the water quality evaluation results of 2018

2.4 等標(biāo)水質(zhì)分析

將四種方法轉(zhuǎn)化為同一尺度和統(tǒng)一單位進(jìn)行比較，計(jì)算其等標(biāo)水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)，結(jié)果對(duì)比見表7、表8。結(jié)合表7、表8，超過100%的數(shù)據(jù)說明污染程度更為嚴(yán)重，已然超出平均水平。等標(biāo)水質(zhì)分析結(jié)果顯示：?jiǎn)我蜃釉u(píng)價(jià)法的結(jié)果很不穩(wěn)定，極差很大，各年份各斷面污染情況也有所差異。2017年段家塘斷面的污染情況最嚴(yán)重，其次是眾志橋、雙河口、玉峽渡口，2018年眾志橋斷面的污染情況最嚴(yán)重，其次是段家塘、雙河口、玉峽渡口。因?yàn)橐宰畈畹闹笜?biāo)為決定性因素，所以該方法的評(píng)價(jià)結(jié)果整體要偏差一些；內(nèi)梅羅污染指數(shù)法2017年和2018年各斷面污染情況和單因子評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

綜合指數(shù)法2017年和2018年的評(píng)價(jià)結(jié)果較為穩(wěn)定，除玉峽渡口外的其余三個(gè)斷面評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)一致，玉峽渡口的水質(zhì)情況更好一些。加拿大水質(zhì)指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，不同年份不同斷面的等標(biāo)水質(zhì)值差距不大，屬于正常的波動(dòng)，相比較前三種方法而言，加拿大水質(zhì)指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果整體偏優(yōu)一些。

各個(gè)斷面水質(zhì)也有一定差異，2017年段家塘斷面和2018年段家塘、眾志橋斷面水質(zhì)相比其他斷面都要差一些，反映出該斷面水質(zhì)污染情況更加嚴(yán)重，可能和地理位置以及當(dāng)?shù)鼐用裆盍?xí)慣有關(guān)。

總體而言，通過和實(shí)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)超標(biāo)情況進(jìn)行對(duì)比，以上四種方法按準(zhǔn)確度從大到小排，大致比較結(jié)果為：綜合指數(shù)法>內(nèi)梅羅污染指數(shù)法>加拿大水質(zhì)指數(shù)法>單因子評(píng)價(jià)法。

表7 2017年水質(zhì)評(píng)價(jià)方法對(duì)比Tab.7 the comparison of water quality evaluation methods of 2017 (%)

表8 2018年水質(zhì)評(píng)價(jià)方法對(duì)比Tab.8 the comparison of water quality evaluation methods of 2018 (%)

3 結(jié) 論

綜上，單因子評(píng)價(jià)法更適合評(píng)價(jià)水質(zhì)優(yōu)劣情況較平均的流域，以此可以減少最差指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法是最適合小流域水質(zhì)評(píng)價(jià)的，其結(jié)果為小流域水質(zhì)評(píng)價(jià)方法選擇提供了借鑒。內(nèi)梅羅污染指數(shù)法的評(píng)價(jià)結(jié)果分布略平均，各斷面2017年和2018年的水質(zhì)均為Ⅳ、Ⅴ類。加拿大水質(zhì)指數(shù)法的結(jié)果偏優(yōu)一些，更加適合大型河流或者流域，評(píng)價(jià)指標(biāo)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較多的地區(qū)，從而可以提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度。