浅析综合水质指数法对长江沙市江段的水质评价
发布时间：2015-07-07 11:23
摘要:利用长江干流沙市江段3个断面水质实测资料,采用综合水质指数法,对长江干流沙市江段3个断面1999年-2008年水质状况进行分析评价。根据综合水质指数法(wqi),得出沙市江段近期水质尚好,并根据单项指数的结果,找出了沙市江段近期水质影响最大的污染因子。结果表明,铅、粪大肠菌群、总磷是沙市江段的主要污染因子。
关键词:综合污染指数法;水质评价;长江;沙市
water quality assessment in shashi of the yangtze river by comprehensive water quality index
zhu ye-hua, zeng tao,yang jun, tan ying
(jingjiang bureau of hydrology and water resources survey, hydrographic bureau of changjiang water resources commission, jingzhou 434020,china)
abstract: based on the data of the water quality at three sections in shashi of the yangtze river from 1999 to 2008, using a reasonable and practical integrated pollution index, an analysis of water quality assessment is carried out. according to the comprehensive water quality index (wqi), water quality in shashi section of the river is still good. and based on the individual indices, the greatest influencing pollution factor on water quality was identified in the shashi river section near future. the results showed that lead, fecal coliform, total phosphorus are the city's major pollution factors.
key words: integrated pollution index; water quality assessment; yangtze river; shashi
长江是我国第一大河,但由于大规模的开发及快速的经济发展,人类活动与自然规律的负面效应相叠加,使得长江流域环境的生态调节和自我恢复能力大幅降低,导致水质日趋恶化,直接影响着沿岸的经济发展和社会进步。目前合理利用和保护长江水资源显得尤为重要。
荆江是长江中游的一段,长约404 km(裁弯后长约331 km),宽度一般在2 km左右。在水质水量并重的今天,利用现有的监测资料对该江段水量水质进行综合分析是一项十分有意义的工作。常用的水质评价方法包括:单因子评价法、污染指数评价法、基于模糊理论的水环境评价法、基于灰色系统理论的水环境评价法、基于统计理论的主成分分析法、基于人工神经网络的水环境评价法[1-5]。纵观这些水质评价方法,由于研究目的的不同,对水质评价的侧重点不同,加之评价方法本身的不足,所以要寻求一种新的既科学合理,又能够全面客观的反映河流水体水质状况的评价方法。受到湖泊富营养化分级评价的启发[6],本文选取了水质评价中应用较多的参数,采用水质分级、分类相结合的综合水质指数评价方法,用简明的计算方法得到综合水质指数值,较合理的对荆江沙市江段1999年-2008年近期水质状况进行了定量评价,并分析了其变化趋势。
1 资料的搜集、整理
为研究沙市江段近期水质变化情况,选取荆江沙市江段砖瓦厂、五七码头及江陵观音寺断面1999年-2008年这10年来的常规监测数据作为评价依据,这3个断面位于沙市江段的荆33、荆47及荆51,分别作为对照断面、控制断面及消减断面,是国家一级常规监测断面,所监测的水质资料能基本反映该段的水质情况。该数据均由长江委水文局荆江水环境监测中心监测。为了凸显年际变化规律,并将断面年均值作为分析采用的数据。
2 综合水质指数评价法
2.1 综合水质指数法的应用背景
综合水质指数法只有在调查的水质参数较多时方可应用。此方法从优先有毒污染物、污染物净化难易、水源地背景值3方面考虑,将参与评价的项目分为3类,通过对各项污染物质的相对污染值,建立数学模式,进行数学上的归纳和统计,得出一个较简单的数值,用该数值代表水体的污染程度,并据此进行水体污染的分类和分级。在评价中按类别区别对待,从严控制毒性污染指标,弱化背景值和经处理易达标的污染指标。从而了解多个水质参数的综合现状与相应的标准的综合情况之间的某种相对关系,较客观准确的反映了水体的水质情况。
2.2 综合水质指数法的分类标准及评价项目
该方法将地表水标准[7]中基本项目和补充项目(除化学需氧量、水温外)的27项,从epa公布的水环境优先有毒污染物、难以净化的污染物、水源地背景值几方面考虑,将参与评价的项目分为3类:① 对人体危害程度严重且经水厂处理后难以消除的污染物;② 经水厂处理后出水水质能够达标的污染物;③ 除第1、第2类以外的其他污染。根据长江委水文局荆江水环境监测中心监测的21个参数项目,可具体按表1分类。
表1 评价分类具体项目
table 1 evaluation of classification of specific items
类别评价项目
第1类砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物
第2类ph值、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、粪大肠菌群
第3类总磷、氟化物、挥发酚、石油类、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、铁、铜
2.3 综合水质指数法评价的计算方法
计算分3个步骤。
2.3.1 单项指数ii的计算
先将单个项目的实测值与地表水环境质量标准基本项目标准限值,相比较,当实测值ci处于cik≤ci≤cik+m时,则每个项目的单项指数ii为:
ii=(ci-cikcik+m-cik)×20m+iik+m-1
式中:ci—i评价项目的实测浓度;cik—i项评价项目的k级标准浓度;cik+m—i项评价项目的k+m级标准浓度;iik+m-1—i项评价项目的(k+m-1)级指数值,由于水环境质量标准将水质分为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ,对应的ii1、ii2、ii3、ii4、ii5分别为20、40、60、80、100;m为标准中两分级值或多分级值相同标准的个数,当分级标准值都不相同时,m为1,可记为如下公式:
ii=(ci-cikcik+1-cik)×20+iik
2.3.2 分类指数il的计算
对于第一类项目,il取各单项指数的最高值,即:
il1=(ii)max
对于第二、三类项目,il取各单项指数之和的平均值,即:
il2=1n∑n1ii;il3=1n∑n1ii
式中:n—参与评价的项目个数。
2.3.3 综合水质指数wqi的计算
取上述3种分类指数中的最大值,即:wqi=(il)max,根据wqi值,按照表2评价水体的水质状况。
表2 水质评价分级
table 2 water quality evaluation and table
水质评价优良良好尚好较差差极差
wqi≤2021～4041～6061～8081～100>100
2.4 评价计算中的细节处理
① 未检出项目的单项指数可简单的计为0,超过等于ⅵ级水时,单项指数计为ii≥100。
② 当ph值在6～9范围内时,其单项指数计为0,否则计为100。
③ 由于gb 3838-2002集中式生活饮用水地表水水源地补充项目中的5项标准限值只有一个,故其单项污染指数按以下公式计:
ii=cico×60(co为项目对应的标准限值)
3 综合水质指数评价法在荆江沙市江段的应用
3.1 评价过程
荆江沙市江段3个断面的采样点每月进行一次监测,10年共120测次,由各个测次测得各月的均值进行统计分析,得到各年的水质状况和评价。对沙市江段3个断面1999年—2008年的水质数据分别计算其单项指数、分类指数及综合水质指数,计算结果见表3。
表3 各个断面的水质指数(wqi)统计
table 3 each section of the water quality index (wqi) tables
年份
沙市砖瓦厂沙市五七码头江陵观音寺
分类指数
il1il2il3wqi
分类指数
il1il2il3wqi
分类指数
il1il2il3wqi
1999911.759.3011.75912.3851.3851.38912.529.4912.52
2000011.979.3111.97012.5632.8632.86012.399.3012.39
200142.8 12.029.3342.8 41.7 12.5 34.0341.7 41.612.089.3341.6
200250.0513.229.3550.0551.8512.5 21.9051.8551.9512.999.5651.95
200348.5 17.3928.2448.5 47.9516.8525.3947.9548.3516.2827.7948.35
200448.4517.0222.6848.4548.7 16.7722.9848.7 48.5 16.5022.5448.5
200546.6 15.6416.7 46.6 47.4515.3717.0947.4546.9515.1217.0146.95
20064816.0510.524848.4515.6 11.3048.4548.3516.1410.6648.35
200745.5 17.0213.0245.5 44.8516.7 12.9544.8543.6516.9813.0343.65
200846.3516.9912.5746.3545.2 17.0512.3845.2 44.9516.6412.4844.95
3.2 趋势分析
由表3中的第1类、2类、3类及综合水质指数wqi进行水质变化趋势分析,具体情况如下图所示。其中,横坐标为时间(以年为时间),纵坐标为水质指数。
图1 沙市砖瓦厂各类指数趋势变化图
fig.1 various indicators of trends in shashi brick
图2 沙市五七码头各类指数趋势变化图
fig.2 various indicators of trends in shashi 57 pier
图3 江陵观音寺各类指数趋势变化
fig.3 various indicators of trends in jiangling kannonji
由趋势变化图可以看出,沙市江段3个断面的综合水质指数wqi都在10～60范围内,其中沙市砖瓦厂和江陵观音寺在1999年、2000年的综合水质指数wqi<20,说明这2年水质优良,基本上没有污染,由计算得出的单项污染指数来判断,这2年的主要污染因子是氨氮和铜,而化肥的大量使用使面源污染加剧,直接造成氨氮含量偏高;此外,在上游的枝江及宜昌,有多家大型氮肥企业,如宜化集团、三宁化工、湖北化肥厂等,年排污量都在千万吨以上,排污量的增加也是造成氨氮含量呈上升趋势的直接原因之一。由此可见,应大力加强对大型企业的排污控制。而沙市五七码头在这2年的水质却较差,主要污染因子是铁,但根据铁的测量值远远小于地表水标准的限值,如果根据单因子评价法,是不能突出这点的。但是比较这3个断面,可发现其分类指数il1、il2的变化趋势基本相同,il3却有很大的差异,经过比较后发现,由于铁只测定了五七码头断面,故其他两个断面铁没有参与计算,从而导致综合水质指数没有呈现出预期的效果,由此可见评价项目选择的重要性。在随后的年份,一直到2008年,这3个断面的wqi值都超过40,且3个断面的水质变化趋势基本相同,说明长江水体庞大,有着巨大的稀释和自净能力,虽沿岸排入大量工业废水和生活污水,目前江段断面水质状况尚可,维持在一个比较稳定的水质状态,这同单因子的评价结果,沙市江段水质总体以ⅲ类水居多,占总测次的65%左右;分析时段前期,基本上是ⅱ类水,占总测次的30%左右;偶尔达到ⅳ、ⅴ类水,主要是铅超标,占总测次的5%左右。而前3位的污染因子都是重金属铅、粪大肠菌群、总磷。由此可见,重金属污染仍然是长江水质的一大核心问题,应加强对冶金及相关企业的排污控制,特别是电镀、电池制造等企业。
4 结语
综上所述,从1999年-2008年这10年来,长江干流荆江河段水质总体呈下降趋势,而且根据《地表水环境质量标准》中铅的含量大于0.05 mg/l,水质便是ⅴ类,因此干流水质达到ⅳ类或者ⅴ类是可以预期的,形式相对来说比较严峻,严格控制污染增加,力争100%达标排放,是关系国计民生的大事。应大力加强水环境监测力度,提高监测水平,加强对污染源的监控。
参考文献:
[1] 郭劲松,龙腾跃,霍国友,等.四种水质综合评价方法的比较[j].重庆建筑大学学报,2000,22(4):6-12.(guo jing-song,long teng-yue,huo guo-you,et four quality assessment methods [j].chongqing architecture university,2000,22(4):6-12.(in chinese))
[2] 韩家悦,吕海峰,门宝辉.物元分析法在水环境质量评价应用中的初探[j].南水北调与水利科技,2005,3(2):33-35.(han jia-yue,lv hai-feng,men ng method of matter element analysis to evaluate the water quality [j].south-to-north water transfer and water science & technology,2005,3(2):33-35.(in chinese))
[3] 兰文辉,安海燕.环境水质评价方法的分析与探讨[j].干旱环境监测,2002,16(3):167-169.(lan wen-hui,an nmental quality evaluation method of analysis and discussion [j].environmental monitoring,2002,16(3):167-169.(in chinese))
[4] 任珺,陶玲,郭彦英.国内外饮用水水质标准的综合评价[j].
关键词:综合污染指数法;水质评价;长江;沙市
water quality assessment in shashi of the yangtze river by comprehensive water quality index
zhu ye-hua, zeng tao,yang jun, tan ying
(jingjiang bureau of hydrology and water resources survey, hydrographic bureau of changjiang water resources commission, jingzhou 434020,china)
abstract: based on the data of the water quality at three sections in shashi of the yangtze river from 1999 to 2008, using a reasonable and practical integrated pollution index, an analysis of water quality assessment is carried out. according to the comprehensive water quality index (wqi), water quality in shashi section of the river is still good. and based on the individual indices, the greatest influencing pollution factor on water quality was identified in the shashi river section near future. the results showed that lead, fecal coliform, total phosphorus are the city's major pollution factors.
key words: integrated pollution index; water quality assessment; yangtze river; shashi
长江是我国第一大河,但由于大规模的开发及快速的经济发展,人类活动与自然规律的负面效应相叠加,使得长江流域环境的生态调节和自我恢复能力大幅降低,导致水质日趋恶化,直接影响着沿岸的经济发展和社会进步。目前合理利用和保护长江水资源显得尤为重要。
荆江是长江中游的一段,长约404 km(裁弯后长约331 km),宽度一般在2 km左右。在水质水量并重的今天,利用现有的监测资料对该江段水量水质进行综合分析是一项十分有意义的工作。常用的水质评价方法包括:单因子评价法、污染指数评价法、基于模糊理论的水环境评价法、基于灰色系统理论的水环境评价法、基于统计理论的主成分分析法、基于人工神经网络的水环境评价法[1-5]。纵观这些水质评价方法,由于研究目的的不同,对水质评价的侧重点不同,加之评价方法本身的不足,所以要寻求一种新的既科学合理,又能够全面客观的反映河流水体水质状况的评价方法。受到湖泊富营养化分级评价的启发[6],本文选取了水质评价中应用较多的参数,采用水质分级、分类相结合的综合水质指数评价方法,用简明的计算方法得到综合水质指数值,较合理的对荆江沙市江段1999年-2008年近期水质状况进行了定量评价,并分析了其变化趋势。
1 资料的搜集、整理
为研究沙市江段近期水质变化情况,选取荆江沙市江段砖瓦厂、五七码头及江陵观音寺断面1999年-2008年这10年来的常规监测数据作为评价依据,这3个断面位于沙市江段的荆33、荆47及荆51,分别作为对照断面、控制断面及消减断面,是国家一级常规监测断面,所监测的水质资料能基本反映该段的水质情况。该数据均由长江委水文局荆江水环境监测中心监测。为了凸显年际变化规律,并将断面年均值作为分析采用的数据。
2 综合水质指数评价法
2.1 综合水质指数法的应用背景
综合水质指数法只有在调查的水质参数较多时方可应用。此方法从优先有毒污染物、污染物净化难易、水源地背景值3方面考虑,将参与评价的项目分为3类,通过对各项污染物质的相对污染值,建立数学模式,进行数学上的归纳和统计,得出一个较简单的数值,用该数值代表水体的污染程度,并据此进行水体污染的分类和分级。在评价中按类别区别对待,从严控制毒性污染指标,弱化背景值和经处理易达标的污染指标。从而了解多个水质参数的综合现状与相应的标准的综合情况之间的某种相对关系,较客观准确的反映了水体的水质情况。
2.2 综合水质指数法的分类标准及评价项目
该方法将地表水标准[7]中基本项目和补充项目(除化学需氧量、水温外)的27项,从epa公布的水环境优先有毒污染物、难以净化的污染物、水源地背景值几方面考虑,将参与评价的项目分为3类:① 对人体危害程度严重且经水厂处理后难以消除的污染物;② 经水厂处理后出水水质能够达标的污染物;③ 除第1、第2类以外的其他污染。根据长江委水文局荆江水环境监测中心监测的21个参数项目,可具体按表1分类。
表1 评价分类具体项目
table 1 evaluation of classification of specific items
类别评价项目
第1类砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物
第2类ph值、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、粪大肠菌群
第3类总磷、氟化物、挥发酚、石油类、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、铁、铜
2.3 综合水质指数法评价的计算方法
2.3.1 单项指数ii的计算
先将单个项目的实测值与地表水环境质量标准基本项目标准限值,相比较,当实测值ci处于cik≤ci≤cik+m时,则每个项目的单项指数ii为:
ii=(ci-cikcik+m-cik)×20m+iik+m-1
式中:ci—i评价项目的实测浓度;cik—i项评价项目的k级标准浓度;cik+m—i项评价项目的k+m级标准浓度;iik+m-1—i项评价项目的(k+m-1)级指数值,由于水环境质量标准将水质分为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ、ⅴ,对应的ii1、ii2、ii3、ii4、ii5分别为20、40、60、80、100;m为标准中两分级值或多分级值相同标准的个数,当分级标准值都不相同时,m为1,可记为如下公式:
ii=(ci-cikcik+1-cik)×20+iik
2.3.2 分类指数il的计算
对于第一类项目,il取各单项指数的最高值,即:
il1=(ii)max
对于第二、三类项目,il取各单项指数之和的平均值,即:
il2=1n∑n1ii;il3=1n∑n1ii
式中:n—参与评价的项目个数。
2.3.3 综合水质指数wqi的计算
取上述3种分类指数中的最大值,即:wqi=(il)max,根据wqi值,按照表2评价水体的水质状况。
表2 水质评价分级
table 2 water quality evaluation and table
水质评价优良良好尚好较差差极差
wqi≤2021～4041～6061～8081～100>100
2.4 评价计算中的细节处理
① 未检出项目的单项指数可简单的计为0,超过等于ⅵ级水时,单项指数计为ii≥100。
② 当ph值在6～9范围内时,其单项指数计为0,否则计为100。
③ 由于gb 3838-2002集中式生活饮用水地表水水源地补充项目中的5项标准限值只有一个,故其单项污染指数按以下公式计:
ii=cico×60(co为项目对应的标准限值)
3 综合水质指数评价法在荆江沙市江段的应用
3.1 评价过程
荆江沙市江段3个断面的采样点每月进行一次监测,10年共120测次,由各个测次测得各月的均值进行统计分析,得到各年的水质状况和评价。对沙市江段3个断面1999年—2008年的水质数据分别计算其单项指数、分类指数及综合水质指数,计算结果见表3。
表3 各个断面的水质指数(wqi)统计
table 3 each section of the water quality index (wqi) tables
年份
沙市砖瓦厂沙市五七码头江陵观音寺
分类指数
il1il2il3wqi
分类指数
il1il2il3wqi
分类指数
il1il2il3wqi
1999911.759.3011.75912.3851.3851.38912.529.4912.52
2000011.979.3111.97012.5632.8632.86012.399.3012.39
200142.8 12.029.3342.8 41.7 12.5 34.0341.7 41.612.089.3341.6
200250.0513.229.3550.0551.8512.5 21.9051.8551.9512.999.5651.95
200348.5 17.3928.2448.5 47.9516.8525.3947.9548.3516.2827.7948.35
200448.4517.0222.6848.4548.7 16.7722.9848.7 48.5 16.5022.5448.5
200546.6 15.6416.7 46.6 47.4515.3717.0947.4546.9515.1217.0146.95
20064816.0510.524848.4515.6 11.3048.4548.3516.1410.6648.35
200745.5 17.0213.0245.5 44.8516.7 12.9544.8543.6516.9813.0343.65
200846.3516.9912.5746.3545.2 17.0512.3845.2 44.9516.6412.4844.95
3.2 趋势分析
由表3中的第1类、2类、3类及综合水质指数wqi进行水质变化趋势分析,具体情况如下图所示。其中,横坐标为时间(以年为时间),纵坐标为水质指数。
图1 沙市砖瓦厂各类指数趋势变化图
fig.1 various indicators of trends in shashi brick
图2 沙市五七码头各类指数趋势变化图
fig.2 various indicators of trends in shashi 57 pier
图3 江陵观音寺各类指数趋势变化
fig.3 various indicators of trends in jiangling kannonji
由趋势变化图可以看出,沙市江段3个断面的综合水质指数wqi都在10～60范围内,其中沙市砖瓦厂和江陵观音寺在1999年、2000年的综合水质指数wqi<20,说明这2年水质优良,基本上没有污染,由计算得出的单项污染指数来判断,这2年的主要污染因子是氨氮和铜,而化肥的大量使用使面源污染加剧,直接造成氨氮含量偏高;此外,在上游的枝江及宜昌,有多家大型氮肥企业,如宜化集团、三宁化工、湖北化肥厂等,年排污量都在千万吨以上,排污量的增加也是造成氨氮含量呈上升趋势的直接原因之一。由此可见,应大力加强对大型企业的排污控制。而沙市五七码头在这2年的水质却较差,主要污染因子是铁,但根据铁的测量值远远小于地表水标准的限值,如果根据单因子评价法,是不能突出这点的。但是比较这3个断面,可发现其分类指数il1、il2的变化趋势基本相同,il3却有很大的差异,经过比较后发现,由于铁只测定了五七码头断面,故其他两个断面铁没有参与计算,从而导致综合水质指数没有呈现出预期的效果,由此可见评价项目选择的重要性。在随后的年份,一直到2008年,这3个断面的wqi值都超过40,且3个断面的水质变化趋势基本相同,说明长江水体庞大,有着巨大的稀释和自净能力,虽沿岸排入大量工业废水和生活污水,目前江段断面水质状况尚可,维持在一个比较稳定的水质状态,这同单因子的评价结果,沙市江段水质总体以ⅲ类水居多,占总测次的65%左右;分析时段前期,基本上是ⅱ类水,占总测次的30%左右;偶尔达到ⅳ、ⅴ类水,主要是铅超标,占总测次的5%左右。而前3位的污染因子都是重金属铅、粪大肠菌群、总磷。由此可见,重金属污染仍然是长江水质的一大核心问题,应加强对冶金及相关企业的排污控制,特别是电镀、电池制造等企业。
综上所述,从1999年-2008年这10年来,长江干流荆江河段水质总体呈下降趋势,而且根据《地表水环境质量标准》中铅的含量大于0.05 mg/l,水质便是ⅴ类,因此干流水质达到ⅳ类或者ⅴ类是可以预期的,形式相对来说比较严峻,严格控制污染增加,力争100%达标排放,是关系国计民生的大事。应大力加强水环境监测力度,提高监测水平,加强对污染源的监控。
参考文献:
[1] 郭劲松,龙腾跃,霍国友,等.四种水质综合评价方法的比较[j].重庆建筑大学学报,2000,22(4):6-12.(guo jing-song,long teng-yue,huo guo-you,et four quality assessment methods [j].chongqing architecture university,2000,22(4):6-12.(in chinese))
[2] 韩家悦,吕海峰,门宝辉.物元分析法在水环境质量评价应用中的初探[j].南水北调与水利科技,2005,3(2):33-35.(han jia-yue,lv hai-feng,men ng method of matter element analysis to evaluate the water quality [j].south-to-north water transfer and water science & technology,2005,3(2):33-35.(in chinese))
[3] 兰文辉,安海燕.环境水质评价方法的分析与探讨[j].干旱环境监测,2002,16(3):167-169.(lan wen-hui,an nmental quality evaluation method of analysis and discussion [j].environmental monitoring,2002,16(3):167-169.(in chinese))
[4] 任珺,陶玲,郭彦英.国内外饮用水水质标准的综合评价[j].
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