靳聰聰，區(qū)舵樣，周晗宇，董海洋

(1.江門市水利局, 廣東 江門 529000; 2.浙江大學(xué) 舟山海洋研究中心， 浙江 舟山 316021;3.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 浙江 杭州 310058)

伴隨著工業(yè)化和城市現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程的不斷推進(jìn)，工業(yè)污染物和城市污水的總量和未完成處理的比重也在加大。聯(lián)合國(guó)環(huán)境署的報(bào)告指出[1]，全球范圍內(nèi)超過(guò)80%的廢水未經(jīng)完全處理即排入環(huán)境水體中。世界范圍內(nèi)的水污染問(wèn)題愈發(fā)復(fù)雜化，河流湖泊水質(zhì)惡化和富營(yíng)養(yǎng)化程度不斷升級(jí)、城市范圍內(nèi)水體萎縮和城市內(nèi)水生態(tài)破壞嚴(yán)重等已經(jīng)亟待解決的社會(huì)問(wèn)題。我國(guó)同樣也面臨著高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的一系列水環(huán)境污染問(wèn)題，根據(jù)《中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》[2]，2015年全國(guó)廢水主要污染物僅COD一項(xiàng)的排放總量即高達(dá)2 223.5 t。為科學(xué)有效應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的水污染問(wèn)題，國(guó)家2015年發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)水污染防治行動(dòng)計(jì)劃的通知》，并明確提出要強(qiáng)化水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)管理，嚴(yán)格水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制，防范水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[3]。經(jīng)過(guò)一系列行之有效的水污染防治措施，扭轉(zhuǎn)了我國(guó)的水環(huán)境惡化的趨勢(shì)，并經(jīng)過(guò)一系列有效治理取得明顯改善。結(jié)合《2019年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》[4]數(shù)據(jù)可知，我國(guó)整體的生態(tài)環(huán)境水準(zhǔn)從總體上得到有效改善，全國(guó)地級(jí)及以上城市2 899個(gè)黑臭水體消除2 513個(gè)，全國(guó)地表水監(jiān)測(cè)的1 931個(gè)水質(zhì)斷面劣V類僅占3.4%，比2018年降3.3個(gè)百分點(diǎn)。

水質(zhì)評(píng)價(jià)是水環(huán)境改善和監(jiān)測(cè)防治水污染的基礎(chǔ)，能夠定量分析河流的水環(huán)境質(zhì)量的總體狀況，是河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，也是水環(huán)境規(guī)劃管理與綜合治理提供依據(jù)[5-6]。目前國(guó)內(nèi)外水質(zhì)評(píng)價(jià)方法主要分為單因子評(píng)價(jià)法[7]、水質(zhì)指數(shù)法[8-9]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[10]、投影尋蹤法[11]、模糊數(shù)學(xué)法[12]等。單因子評(píng)價(jià)法主要適用于單個(gè)斷面的評(píng)價(jià)，難以較好對(duì)地表水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。水質(zhì)指數(shù)法簡(jiǎn)單易行，處理長(zhǎng)多斷面水體的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果直觀，評(píng)價(jià)結(jié)果精確度相對(duì)較高，能夠較全面的反映水質(zhì)的污染情況，在國(guó)內(nèi)外水質(zhì)評(píng)價(jià)得到了廣泛應(yīng)用[13]。其他的不確定性水質(zhì)評(píng)價(jià)方法通常依靠各自算法的資深自適應(yīng)性，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析相對(duì)復(fù)雜，主要是作為理論研究。水質(zhì)指數(shù)(Water Quality Index, WQI)能夠整體反映出多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，并通過(guò)對(duì)水質(zhì)參數(shù)的歸一化處理，可合理分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并能綜合評(píng)估出水質(zhì)等別和水質(zhì)指數(shù)值。加拿大水質(zhì)指數(shù)(Canadian Water Quality Index，CWQI)法通過(guò)三個(gè)主要指標(biāo)，即范圍、頻率和振幅方面分析水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到水質(zhì)指數(shù)和對(duì)應(yīng)的水質(zhì)等級(jí)[14-15]。該方法能較全面反映水質(zhì)情況，得到了聯(lián)合國(guó)環(huán)境署(UNEP)認(rèn)可，并作為主要方法評(píng)估國(guó)家飲用水水質(zhì)[16]。柳超[17]采用CWQI對(duì)內(nèi)河水系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，能夠從整體上較為準(zhǔn)確地反映區(qū)域水系水質(zhì)綜合狀況，并給出了適合我國(guó)一般河流(尤其是Ⅳ類、Ⅴ類水體)的綜合水質(zhì)的方法。

本文通過(guò)采用CWQI方法對(duì)江門市河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，并考慮選用我國(guó)常見的流域面積不足50 km2的城鎮(zhèn)二級(jí)支流作為研究對(duì)象。為能夠快速有效地對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將評(píng)價(jià)結(jié)果作為指導(dǎo)河流水環(huán)境治理的依據(jù)，選擇以短周期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究的時(shí)間尺度，選取泥海水5個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面2020年9月份的三次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行CWQI水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，并開展對(duì)江門市泥海水水體水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的綜合評(píng)價(jià)工作。通過(guò)對(duì)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)為泥海水水環(huán)境綜合改善工程措施實(shí)施前的關(guān)鍵問(wèn)題識(shí)別提供理論依據(jù)。

1 研究對(duì)象與水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

1.1 研究對(duì)象與研究方法

天沙河屬于江門水道的一級(jí)支流，位于江門市區(qū)的西北部，流經(jīng)鶴山市雅瑤鎮(zhèn)，蓬江區(qū)棠下鎮(zhèn)、環(huán)市街道、杜阮鎮(zhèn)、白沙街道和新會(huì)區(qū)會(huì)城街道六個(gè)鎮(zhèn)街。天沙河全流域集雨面積為291 km2，干流全長(zhǎng)49 km。天沙河上游段河面垃圾漂浮，不少河段垃圾積存，河道底泥淤積厚度為0.5 m～1.2 m，內(nèi)源污染嚴(yán)重。天沙河上游河流形態(tài)生態(tài)自然，兩岸以村鎮(zhèn)和養(yǎng)殖塘為主，周邊村民的畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中投放的飼料殘余和排泄物形成的污染物對(duì)上游水體、池塘底泥等造成了嚴(yán)重污染，水體黑臭，富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，分布有大面積的水葫蘆，水體基本喪失自凈能力。泥海水主要流經(jīng)鶴山市和蓬江區(qū)，位于天沙河上游，屬天沙河支流，泥海水因流量小、流速慢，河底多泥，因而稱“泥?！?。泥海水上游接蓬江區(qū)三堡排洪渠，下游匯入天沙河，現(xiàn)狀河道雜草叢生，淤積嚴(yán)重，排洪能力差。泥海水全流域面積22.1 km2，干流全長(zhǎng)13.3 km，其中鶴山市境內(nèi)河長(zhǎng)3.2 km，蓬江區(qū)境內(nèi)河長(zhǎng)10.44 km，流經(jīng)雅瑤鎮(zhèn)、棠下鎮(zhèn)兩個(gè)鎮(zhèn)街。

采用CWQI方法對(duì)泥海水的水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其中加拿大水質(zhì)指數(shù)的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：F1(代表范圍)為監(jiān)測(cè)期間超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值的水質(zhì)參數(shù)的個(gè)數(shù)占監(jiān)測(cè)總數(shù)的百分比；F2(代表頻率)表示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值數(shù)占監(jiān)測(cè)總數(shù)的比例；F3(代表振幅) 反映超標(biāo)數(shù)據(jù)的超標(biāo)程度；P為超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值的水質(zhì)參數(shù)個(gè)數(shù)；N為水質(zhì)監(jiān)測(cè)總數(shù)；Q為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值數(shù)；M為監(jiān)測(cè)總數(shù)；S為不達(dá)標(biāo)指標(biāo)實(shí)測(cè)值偏離標(biāo)準(zhǔn)值倍數(shù)。

對(duì)于規(guī)定上限值的水質(zhì)指標(biāo)，表達(dá)式為：

(6)

對(duì)于不能低于某一限值的指標(biāo)(如溶解氧) ，表達(dá)式為：

(7)

式中：ci為指標(biāo)實(shí)測(cè)值；cS為對(duì)應(yīng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)限值。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在泥海水跨縣斷面和河口斷面共布設(shè)5個(gè)水質(zhì)監(jiān)控?cái)嗝?江番高速鐵橋(#1)、一河兩岸竹溪(#2)、三堡工業(yè)區(qū)排洪渠(#3)、朝陽(yáng)村排污口(#4)、三堡工業(yè)區(qū)(#5))。監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)類別主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)共5項(xiàng)。采樣時(shí)間分別為2020年9月4日、9月14日、9月22日，根據(jù)國(guó)家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[18]的水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)得到泥海水水質(zhì)統(tǒng)計(jì)和水質(zhì)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，具體如表1所示。

表1 泥海水水質(zhì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)及地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

由表1可知，指標(biāo)NH3-N的平均值2.24超出地表水V類水2.0的限值。采用變異系數(shù)(CV)對(duì)監(jiān)測(cè)水質(zhì)主要指標(biāo)變異程度進(jìn)行分析，從上表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值可知，五個(gè)主要指標(biāo)的CV值差別較大，從10.11%到 41.71%變化均不等。尤其是DO的CV值高達(dá) 41.71%，其次是監(jiān)測(cè)指標(biāo)NH3-N，對(duì)應(yīng)的CV值也達(dá)到了21.88%。

通過(guò)對(duì)泥海水五個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面在9月份的三個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段里五項(xiàng)基本水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，具體如表2所示。

表2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

結(jié)合表1和表2，對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面所屬水質(zhì)進(jìn)行分類，具體如表3所示。

表3 各監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的水質(zhì)類別

由表3可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的CODMn和COD均滿足Ⅳ類水質(zhì)要求，TP基本滿足Ⅳ類水質(zhì)要求，DO污染較為嚴(yán)重，NH3-N污染最為嚴(yán)重。

2 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法與討論

柳超提出的CWQI的分類賦值表能夠根據(jù)我國(guó)國(guó)情及評(píng)價(jià)區(qū)域水體的實(shí)際情況，有效分析我國(guó)一般河流(尤其是IV類、V類水體)的綜合水質(zhì)評(píng)價(jià)具體如表4所示。

表4 調(diào)整后的CWQI水質(zhì)分類及適宜性說(shuō)明

目前天沙河已劃定水功能區(qū)，目標(biāo)水質(zhì)對(duì)應(yīng)為Ⅳ類，但是天沙河支流泥海水暫時(shí)未劃定水功能區(qū)。因此，根據(jù)泥海水所在區(qū)域特點(diǎn)及綜合考慮天沙河的水功能區(qū)，可考慮對(duì)泥海水的水質(zhì)目標(biāo)劃定與天沙河干流水質(zhì)目標(biāo)相同。因此本文選取Ⅳ類地表水標(biāo)準(zhǔn)作為模型水質(zhì)對(duì)研究泥海水的河道水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)估。

2.1 泥海水水體污染的時(shí)間空間分布特征

為了進(jìn)一步研究泥海水各監(jiān)測(cè)斷面各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)隨時(shí)間的變化，全面分析5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)指標(biāo)在2020年9月的三次水質(zhì)變化趨勢(shì)情況，具體如圖1所示。

圖1 泥海水水體污染物時(shí)間空間尺度差異性

由圖1可知，泥海水9月份監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中五個(gè)水質(zhì)參數(shù)的變化規(guī)律差別較大。其中，江番高速鐵橋(#1)和一河兩岸竹溪(#2) 三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面在9月份的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化基本一致，波動(dòng)不大，而三堡工業(yè)區(qū)排洪渠(#3) 、朝陽(yáng)村排污口(#4)和三堡工業(yè)區(qū)(#5) 斷面水質(zhì)參數(shù)在不同的時(shí)間波動(dòng)較大。9月4日監(jiān)測(cè)各個(gè)斷面的NH3-N和TP濃度相對(duì)較高，而9月14日監(jiān)測(cè)各個(gè)斷面的CODMn濃度較高，DO的各個(gè)斷面變化波動(dòng)較大，COD的變化較小，NH3-N和TP濃度9月4日的各個(gè)斷面則相對(duì)減小，9月22日的NH3-N較上次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有較明顯增幅，COD較前兩次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有所增加，CODMn濃度降低幅度較大，DO和TP濃度較9月14日有小幅度增加。

2.2 CWQI評(píng)價(jià)結(jié)果

以DO、CODMn、COD、NH3-N、TP 作為CWQI模型的水質(zhì)變量，以IV類水作為模型水質(zhì)目標(biāo)，對(duì)泥海水的5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面3次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，具體如表5所示。

表5 CWQI評(píng)價(jià)結(jié)果

由表5可知，5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的3次監(jiān)測(cè)結(jié)果中NH3-N超限次數(shù)最高，其中#4的超限比例高達(dá)100%，位于朝陽(yáng)村排污口，最低的是#5超限比例為0%，位于三堡工業(yè)區(qū)，其余均在33.3%以上。同時(shí)，CODMn和COD的超限比例也相對(duì)較多。通過(guò)CWQI 法對(duì)泥海水9月份監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的五個(gè)監(jiān)測(cè)斷面評(píng)估，結(jié)果如圖2所示。

圖2 泥海水各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)CWQI綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由圖2可知，泥海水的#1和#2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)情況屬于一般，表明水質(zhì)遭受到一定程度污染，由表5可知，存在不滿足功能區(qū)水質(zhì)要求。泥海水的#3和#4監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)遭受污染情況明顯重于#1和#2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，屬于極差狀態(tài)，不能達(dá)到功能區(qū)要求，需要進(jìn)行專門的治理。

為進(jìn)一步考察泥海水水質(zhì)污染整體狀況，采用 CWQI 對(duì)開發(fā)區(qū)內(nèi)河水系從2020年9月的3次采樣樣本分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表6所示。

表6 開發(fā)區(qū)內(nèi)河水系 CWQI 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

從表6可以看出，泥海水的水質(zhì)在9月初的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示水質(zhì)級(jí)別為極差，到達(dá)月中的監(jiān)測(cè)情況較月初略有好轉(zhuǎn)，但總體仍為極差，再到下旬的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出繼續(xù)好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，顯示為較差狀態(tài)。采用CWQI方法能夠從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。監(jiān)測(cè)結(jié)果可為下一步實(shí)施改善型措施提供依據(jù)。

3 結(jié) 論

(1) 泥海水的5個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的CV值變化范圍從10.11%到 41.71%，變異程度最大的為DO和NH3-N，對(duì)應(yīng)的CV值分別為 41.71%和21.88%，表明這兩個(gè)指標(biāo)在監(jiān)測(cè)期內(nèi)波動(dòng)較為強(qiáng)烈。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的CODMn和COD均滿足Ⅳ類水質(zhì)要求，TP基本滿足Ⅳ類水質(zhì)要求，DO污染較為嚴(yán)重，NH3-N污染最為嚴(yán)重。

(2) 通過(guò)對(duì)泥海水的監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)時(shí)間空間分布趨勢(shì)分析，五個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)在9月份三次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中變化規(guī)律均不一致，同一監(jiān)測(cè)指標(biāo)的在5個(gè)斷面監(jiān)測(cè)情況的變化規(guī)律也各不相同，呈現(xiàn)出明顯的變異性。三堡工業(yè)區(qū)排洪渠(#3) 和朝陽(yáng)村排污口(#4)斷面水質(zhì)參數(shù)在不同的時(shí)間波動(dòng)較大。

(3) 泥海水的5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)狀況通過(guò)CWQI分析可知，#1和#2監(jiān)測(cè)斷面對(duì)應(yīng)的水質(zhì)級(jí)別為一般，水質(zhì)級(jí)別為極差的為#3和#4監(jiān)測(cè)斷面，說(shuō)明該斷面水質(zhì)存在嚴(yán)重污染問(wèn)題，已無(wú)法滿足功能區(qū)要求。泥海水的水質(zhì)在月初的時(shí)候顯示水質(zhì)級(jí)別為極差，月中的監(jiān)測(cè)情況較月初略有好轉(zhuǎn)，但總體仍為極差，到下旬的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出繼續(xù)好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，顯示為較差狀態(tài)。采用CWQI方法能夠從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果可為下一步實(shí)施改善型措施提供依據(jù)。