陳天池， 李 昂， 卞唯嘉， 陳慧敏

(徐州工程學(xué)院 環(huán)境工程學(xué)院，江蘇徐州221111)

水質(zhì)評(píng)價(jià)是合理開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)水資源的一項(xiàng)基本工作。只有對(duì)河流做出具體科學(xué)的分析監(jiān)測(cè)，才能掌握水資源的現(xiàn)狀和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。目前水質(zhì)評(píng)價(jià)采用的主要方法有單因子評(píng)價(jià)法[1]、污染指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法[2]、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法[3]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法[4]等。內(nèi)梅羅污染指數(shù)法因運(yùn)算簡(jiǎn)單，概念清晰，成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算的最常用方法之一。但此方法存在過(guò)于突出分指數(shù)最大因子對(duì)水質(zhì)的影響，且未考慮各污染因子權(quán)重的缺點(diǎn)[5]。改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法引入權(quán)重值的概念，能夠考慮到毒性重金屬的積累效應(yīng)對(duì)生物鏈的影響，提高毒理性指標(biāo)的影響，在一定程度上削弱了極大值的影響[6]。本文采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對(duì)河道進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，以更科學(xué)地反映水質(zhì)受污染狀況，掌握真實(shí)的水質(zhì)變化情況并為采取相關(guān)的水體污染防治措施提供參考依據(jù)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

1 區(qū)域概況與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 區(qū)域概述

某市匯水流域內(nèi)河道監(jiān)測(cè)斷面位置如圖1所示，共設(shè)置了8個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，河道的水流方向?yàn)樽晕飨驏|。該區(qū)域內(nèi)溝壑縱橫，水系發(fā)達(dá)。目前，西部主要為城市建成區(qū)，建成區(qū)面積約為30.42 km2，開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較大。東部主要為農(nóng)田、林地，其中農(nóng)田面積約為40.55 km2，林地面積為5.18 km2。區(qū)域內(nèi)地面高程在28～318 m之間，地勢(shì)整體較為平坦，中間較低，西北部較高。

圖1 監(jiān)測(cè)斷面位置Fig.1 Position of monitoring section

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

各監(jiān)測(cè)斷面五日生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 2019年1—9月各斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Water quality monitoring data of each section from January to September 2019 mg·L-1

續(xù)表1 (Continue)

2 地表水質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的建立

2.1 污染等級(jí)的劃分

以BOD5、COD、NH3-N、TP這4項(xiàng)污染因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[7]將水質(zhì)分為Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)、Ⅴ類(lèi)5個(gè)等級(jí)，并以Ⅲ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)限值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

表2 地表水環(huán)境質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classification standard for surface water environmental quality mg·L-1

2.2 評(píng)價(jià)方法

2.2.1改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法

受自身算法的限制, 內(nèi)梅羅指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果特別突出了超標(biāo)最嚴(yán)重的指標(biāo)影響, 尤其是在評(píng)價(jià)指標(biāo)較多且僅有個(gè)別指標(biāo)超標(biāo)的情況下, 占多數(shù)的低濃度指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響有限[8-9]。改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)法考慮到各污染因子在水體中作用的綜合性和差異性，能更加合理地進(jìn)行水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。權(quán)重計(jì)算公式為：

(1)

Rj=ymax/yj

(2)

式中，ωj為第j個(gè)污染因子的權(quán)重值；n為污染因子的個(gè)數(shù)；ymax為n個(gè)污染因子計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的最大值；yj為第j個(gè)污染因子的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。利用式(1)、式(2)分別計(jì)算得出4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，如表3所示。

表3 各污染因子的權(quán)重值Tab.3 Weight values of each pollution factor

由表3可以看出，TP的權(quán)重值最大，則認(rèn)為T(mén)P對(duì)河道水質(zhì)評(píng)價(jià)體系的影響最大，權(quán)重占整個(gè)評(píng)價(jià)體系的79.4%。

改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法公式為：

Ej=gj/yj

(3)

(4)

(5)

根據(jù)表2得出改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)P′與水質(zhì)的關(guān)系如表4所示。

表4 改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)劃分的水質(zhì)級(jí)別Tab.4 Classification of water quality by improved Nemerow index

續(xù)表4 (Continue)

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 各斷面的評(píng)價(jià)結(jié)果分析

由表5可知，根據(jù)改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)得到的8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果中僅有2#斷面達(dá)到Ⅲ級(jí)水標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)良好，1#和7#斷面為Ⅳ級(jí)水質(zhì)，3#、4#、5#、6#和8#斷面污染嚴(yán)重，均為Ⅴ級(jí)水。結(jié)合水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果和對(duì)流域拉網(wǎng)式的調(diào)查結(jié)果，分析認(rèn)為造成水體污染的可能原因如下：

① 斷面4#、6#和8#位于主城區(qū)，雖然城區(qū)管網(wǎng)為雨污分流制，但雨污水混接現(xiàn)象比較普遍，造成雨水管道內(nèi)有污水流出。部分農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)垃圾未集中收集，缺乏管理，存在垃圾隨雨水進(jìn)入排水管道的情況。污水處理廠采用高水位運(yùn)行，污水管網(wǎng)內(nèi)水位抬高，污水漫過(guò)溢流堰進(jìn)入水體。

② 3#、5#斷面處于河道下游，沿線為農(nóng)村地區(qū)，河道內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖及河道兩岸禽畜養(yǎng)殖眾多，存在養(yǎng)殖廢水直排現(xiàn)象。由于閘壩控制，水體整體流動(dòng)性差，上游污染來(lái)水難以自?xún)簟?/p>

③ 1#、2#斷面所處河道屬于運(yùn)河，流量較大，此外該處位于城市郊區(qū)，兩岸植被繁茂，無(wú)外排污水進(jìn)入，因此水體水質(zhì)相對(duì)較好。7#斷面處為城市景觀水體，為了避免上游來(lái)水的污染，河道上游設(shè)有截污干管將上游來(lái)水直接引入下游，因此該處水體水質(zhì)相對(duì)優(yōu)于6#斷面。

表5 各斷面改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)及水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Improved Nemerow pollution index and water quality evaluation results of each section

續(xù)表5 (Continue)

3.2 豐、枯變化分析

為了進(jìn)一步分析河道的水質(zhì)變化情況，將1—2月作為枯水期，4—5月作為平水期，7—8月作為豐水期，將每2個(gè)月的4項(xiàng)污染因子的實(shí)測(cè)值進(jìn)行算術(shù)平均，計(jì)算出改進(jìn)的內(nèi)梅羅指數(shù)。對(duì)各期改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。豐水期內(nèi)，4#、5#、6#和8#斷面的內(nèi)梅羅污染指數(shù)值明顯低于平水期或枯水期，說(shuō)明豐水期降雨徑流增大，大量雨水進(jìn)入河道后，水體中的污染物會(huì)被不斷稀釋、擴(kuò)散、分解破壞或沉入水底。

圖2 三個(gè)時(shí)期的內(nèi)梅羅污染指數(shù)Fig.2 Nemerow index in three periods

3.3 傳統(tǒng)和改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)的對(duì)比

由表6可知，傳統(tǒng)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評(píng)價(jià)的8個(gè)斷面中達(dá)到Ⅳ級(jí)水體的斷面有2個(gè)，占參評(píng)斷面?zhèn)€數(shù)的25%；改進(jìn)后的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評(píng)價(jià)中達(dá)到Ⅳ級(jí)水體的斷面有3個(gè)，占參評(píng)斷面的37.5%。2#斷面和7#斷面評(píng)價(jià)結(jié)果不一致，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法特別強(qiáng)調(diào)濃度大的污染物的污染能力(如COD)，但是未考慮COD在評(píng)價(jià)體系中所占的權(quán)重值；而改進(jìn)后的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法將權(quán)重值納入計(jì)算范疇內(nèi)，COD的權(quán)重值僅占整個(gè)評(píng)價(jià)體系權(quán)重的0.8%，在一定程度上削減了其影響與作用，結(jié)果更加客觀、可信。

表6 傳統(tǒng)和改進(jìn)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.6 Evaluation results of traditional and improved Nemerow pollution index

4 結(jié)論

① 8個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)僅有1個(gè)斷面達(dá)到Ⅲ級(jí)水標(biāo)準(zhǔn)，2個(gè)斷面達(dá)到Ⅳ級(jí)水標(biāo)準(zhǔn)，5個(gè)斷面受到嚴(yán)重污染，屬于Ⅴ級(jí)水。豐水期4#、5#、6#和8#斷面的改進(jìn)內(nèi)梅羅污染指數(shù)值明顯低于平水期/枯水期，說(shuō)明豐水期降雨徑流的沖刷、稀釋作用增強(qiáng)。

② 相比于傳統(tǒng)內(nèi)梅羅指數(shù)法，改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法充分考慮了各污染物含量對(duì)水體的影響程度，引入權(quán)重以削弱最大值的影響，使評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況更為相符。

③ 針對(duì)水體污染的現(xiàn)狀，應(yīng)采取相應(yīng)的工程措施對(duì)目標(biāo)污染水體進(jìn)行修復(fù)，加強(qiáng)對(duì)河道及其周邊環(huán)境的保護(hù)。