印度尼西亚布兰塔斯河的水质评价系统

[印尼] M.A.福拉扎基

毛红梅 摘译自荷刊《水资源管理》2009年第6期

水资源管理旨在开发利用水资源时水质水量均能得到保障。水质恶化会降低下游水资源利用能力。根据水资源改革框架,2001年,印度尼西亚政府颁布了关于水质管理与水污染控制第82号政府条例(PP NO.8/2001)。该条例是国家级、省级、流域级相关机构管理者、执行者在水质管理中应遵循的全国性指南。目前河流污染的问题,是根据国家政策法规进行处理的。然而,由于全国范围的河流存在地域条件的差异,国家政策法规确立的目标并不完全适合。因此,尽管该条例和其他相关法律法规以及国家水质标准等级划分等技术要求在水质管理中都发挥作用,但在应用于特定流域水质管理时,其可操作性不强。因此,有必要根据各个流域的自身特点,制定适宜的操作指南。

河流水质评价方法有很多,水质指数(WQI)是对地表水分类的标准方法,它所使用的是标准的水体特征参数。由于政策的目的性与方法不同,不同国家常常采用不同的技术手段。但是要将数据转化为反映河流实际情况的信息,必须采用最合适的技术手段对所有观测参数进行分析。

水质评价系统(WQES)是响应市场对水质级别的需要而建立的,赋予了与河流实际水质一致的水质级别及水适宜性级别。该方法考虑了水质的时空变化。WQES用来评估河流水质状况,识别某个级别的水所适宜的用途及生态系统,它是水质综合评价的模型方法。前人研究表明,模型方法可以用来预测流域水质管理规划的效果,模型也能为水质改善提出不同程度的处理建议。应用样本集合方法,WQES通过对不同指标进行分类,可以确定水质状况及不同用水的潜能。每个指标都有阈值,表征水质受影响的临界值。解读这些指标,首先需通过选择水质变化最差的参数来表示水质的状况和水质潜能,然后以最差的变化表示监测站水质的实际情况。确定水质状况时,必须考虑所有的观测参数,但分析水质潜能时,则只需关注相关参数。WQES的评价结果需要考虑水质标准和指标,其测定的首选方法是基于当地特定条件而制定的。系统科学地分析水质数据并解读真实信息,即为决策支持系统(DSS)。获得准确的信息有利于决策者制定适合地方的水质评价及管理政策和指南,并告诫用水者明智地分配水权。

本研究的目的在于:

(1)评价布兰塔斯河水质状况,并向当地管理部门提出优先采取措施的建议;

(2)识别不同目的用水及河流生态系统的适宜性,以对供水发出预警并向当地相关政府部门提出改善水质的建议。

1 运用 WQES评价河流水质

WQES是水质监测数据处理过程中的一个环节,目的在于将数据转为信息。由于水质数据可能因专家的经历与学识不同而有不同的解释,因此使水质数据的解释变成可疑而不确定的信息。交互式模糊多目标线性规划模型(IFMOLP)被用来模拟污染负荷效能的分配,在模拟用更富有弹性的政策来管理更为复杂流域时,结果令人满意。WQES是面向将数据转为信息的操作程序标准(OPS)。WQES能提供两类信息:水质状况和不同目的用水及生态系统的水适宜性。

WQES的意义,首先是用来评价河流水质的恶化状况,从而给当地政府提供水质管理技术支撑。水质状况常用 WQI表示。尽管其内涵有所不同,WQI曾被用来评估墨西哥里奥莱尔马(Lerma)河流域 25 a水质的时空变化。其次,是用来识别不同目的用水以及生态系统的适宜性,即水质潜能(WQA)。此信息对合理配置水资源,满足农业、渔业、牲畜饮水等要求,以及地方政府应急处置水问题,优先采取适宜的措施等非常有用。

1.1 WQES评价步骤

按以下步骤,运用 WQES评价河流水质。

(1)将水质参数分成 15类,分类原则是参数相似特性及其对环境的影响。

(2)对每个水质参数定义并分成 5级临界值,即蓝、绿、黄、橙、红色,分别表示水质非常好、好 、一般、差和严重污染(完全不能利用)。

(3)根据水质恶化程度,对应相应的水质指数WQI及其级别,5级的指数值范围为 0～20,大于 4级的指数值范围为 20～40,3级指数为 40～60,2级指数为 60～80,1级指数为 80～100;相应形成不同目的用水及其水生态系统的水质潜能,即水质潜能从最适合到不适合利用之间。

(4)对每个参数值进行评估,并将水质状态分成 WQI相应的级别,或者将不同目的的用水及其生态系统的适宜性分成相应级别的 WQA。

(5)验证参数中水质最差的级别,即代表该类水质。

(6)识别水质最差的级别,并代表水质状态WQI或者不同目的用水及其生态系统(水生生物)的水适宜性的水质潜能。

为进行 WQI和 WQA级别的评价,将 151个水质参数分成 15类,分类依据是其相似特性和对环境的影响。这 15类分别是:有机氧化物、氮化物、氨氮 、磷化物 、悬浮物 、色度 、水温 、矿化度 、酸度 、微生物、浮游植物、原水中矿化微量污染物、苔藓植物中的金属含量、污水中杀虫剂、污水中非杀虫剂类的有机微污染物。研究了评估 WQI的有机氧化物的相关参数,并评估了饮用水 WQA的悬浮物的相关参数。

WQI分为 5个连续的级别,分别用指数 1、指数2、指数 3、指数 4、指数 5表示。

(1)指数 1表示水体未受到污染,水质非常好;

(2)指数 2表示河水水质好;

(3)指数 3表示河水水质一般;

(4)指数 4表示河水水质差;

(5)指数 5表示水体污染很严重,不能被利用。

WQA被确定为评估不同目的用水的适宜性以及水污染对生物多样性的影响。生物体功能具有潜在的适应性,当栖息地的水文和地形条件较好时,水生生物能适宜其生境。金属、有机物等污染物会对生物多样性及底泥产生影响。例如,尽管水生植物根部的金属浓度高,但由于根部的生物量仅占底泥总生物量的一小部分,因此湿生土壤中大部分金属含量是与底泥相关的。定义了 5种适宜性级别,表示包括对污染最敏感的物种消失至生物群落结构逐步改善的过程。

确定饮用水的适宜性级别依赖于:

(1)相关法规,首要任务是明确适宜用水的级别阈值,不适合作为饮用水水源的级别阈值。

(2)生产者和供应者确定对污水是采取简单处理还是复杂处理的意见。可将适宜性级别分为 5级。

休闲及水上运动用水主要是在人类可直接接触的水域,相关法律规定的阈值也主要与水的浊度和微生物有关。对娱乐和水上运动用水,定义了 3个适宜性级别。

定义灌溉用水的适宜性的主要因素是:土壤结构、灌溉作物、灌溉频率和持续时间。按作物的敏感性,可分为 4类,即从非常敏感到完全不敏感。作物分类常常因参数不同而有所不同,也就是说每种作物的类型不同,其组成也是不同的。例如,土壤和植物中的砷含量受到灌溉水中的含砷量大小的影响。同时还要考虑土壤的类型,可将其分为 2个有所重叠的类别:

(1)包含敏感性极强的所有土壤;

(2)中性或碱性土壤。

牲畜饮水为适宜养殖动物饮用的水。其类型划分因素为 3个年龄级别和敏感性,即:

(1)小鸡、猪崽、牛仔等年幼动物,由于生长快,对所有污染物都很敏感;

(2)生长较慢不太敏感的成年动物;

(3)孕期动物,这些动物在怀孕及哺乳期对水质的要求较高。

对于牲畜饮水,水必须是可以使用且对养殖户来说必须是能立即使用的,如果水是不能使用的,他们会转向供水公司。确定了 3个可供牲畜饮水的适宜性级别。

河流水产养殖适宜性主要是针对鱼类养殖而言。进行高密度的鱼类养殖时,水质是影响产量的主要因素,特别是三文鱼养殖。通过物理化学变化,水携带氧气,可以降解污染物,调节产量。确定了 3个水产养殖的适宜性级别。

1.2 WQI和 WQA确定方法

WQES首先是对某一时期的原始监测数据进行整理。但由于原始数据的时空变化会影响对其解读,因此有必要对原始数据进行筛查,以便从多次测量数据中获得有效数据。可以使用集合方法,随机选择所有样本进行水污染程度的评价。样本集合方法的目的在于产生对紧急情况下水质或适宜性的评价,但并不考虑例外情况。因此要保留会产生最坏适宜性或最差水质的样本,而这种样本在观察结果中至少占近 10%的比重,这就是所谓的 90%法则。该法则规定将每类保留观测期内 90%的数据,用来作为描述适宜性的级别、水质级别和水质指数。该法则适用于除悬浮物外的所有参数。

每个参数的 WQI和 WQA的每个级别都有阈值。水质评价时,应选择每类中水质最差的参数,以表示其相关类的 WQI和 WQA。由于综合分析方法要涵盖所有测量参数,因而可作为普遍适用的操作程序标准(OPS),为全国和当地政策的实施以及水质管理目标的实现提供支持。一旦理解水质状态和对不同用水的水适宜性,就可以提出改善水质并警示用水者的相关建议。

2 运用 WQES评价布兰塔斯河的水质

本文对布兰塔斯河沿岸 5个站 2005年监测的1136个数据进行分析。该数据来源于杰萨蒂尔塔第一公共服务公司(PJT1)的年报。由于该资料未包含所有参数,只能按 11个类别对布兰塔斯河的水质进行初步评价。将数据转为信息,要考虑更多的参数,从而才可以得到更细致的解读。根据 90%法则筛查完数据后,运用 WQES评价布兰塔斯河河水的 WQI和 WQA级别,计算公式如下:

式中 i是需用于分析的数据个数;N是数据总数;F是0.9(百分比)或能用于评估的数据总数的 90%。

例如,按 90%法则或 F=0.9,第0160站克东皮达林安(Kedung Pedaringan)2005年进行的9次观测中收集的化学需氧量(COD)数据总数是 9。按上述公式计算出 i值为8.6,接近数据总数 9,因此需保留所有的COD数据。COD值在指数 4的阈值范围,证实了有机氧化物 WQI值为 4,是由于其类别中的 7个监测数据表示水质最差。由于该站的悬浮物和矿化微污染物的最差 WQI是位于指数 5的阈值内,表明该断面 WQI是 5级。

评价悬浮物类别时采用 50%保留法则,可避免降雨事件刚发生后的水质定性。降雨事件这种情况是很常见的,发生率高于 10%。公式如下:

由于布兰塔斯河水质监测数据量巨大,故需要采用这些法则。1987年以来,PJT1负责布兰塔斯河流域的水质监测,监测站点共有 51个。

布兰塔斯河流域 5个监测站的评价水质状态的参数个数分别为 28、22、25、26、25,评价水质潜能的参数个数分别为 26、20、23、24、23。由于缺少色度、微生物、污水中杀虫剂、污水中非杀虫剂类的有机微污染物等 4类监测数据,本文未能对其进行评价。

2.1 布兰塔斯河研究站的 WQI

根据 2005年水质监测数据,表明所有研究站均受到高程度的悬浮物及矿化物的污染。河流中悬浮物浓度高是因为水土流失造成的,尤其是流域上游,说明耕地和森林的退化。导致这种状况的原因是1998年以来,一些合法和不合法的伐木以及改变土地利用的情况一直在持续增加。河水中铜和汞的高浓度可能是由于工业废水或火山爆发所引起的。水生态系统中沉积的汞很难被生物体吸收。水体中汞的含量不是固定不变的,它受流域汇入水的影响,可能会随时间的变化而发生剧烈变化。然而,与金属高浓度有关的高风险区域主要是耕地、园地、改良的草地及居民区,这些区域的土壤中金属含量增加更快。金属的分布及污染源与土壤特性之间的平衡引起的风险具有性命攸关的影响。结合金属对环境影响的已有研究成果,本文建议有必要对其进行深入研究,以识别布兰塔斯河的污染源及其对生态系统的影响。

5个监测站中有 3个监测站发现磷的含量较高。布兰塔斯河下游水中的有机物含量有上升的趋势。在工业相对集中的佩尔宁(Perning)监测站,发现氨氮含量高。显然,要提高布兰塔斯河的水质,需优先改善悬浮物和无机微污染物两项指标。也就是说,首先必须解决森林和土地退化以及工业废水的排放问题。在水质得到改善以后,再着手降低生活污水的污染负荷。

2.2 布兰塔斯河研究站的 WQA

(1)水生态系统的适宜性。因污染负荷高,流域面临物种多样性降低的问题,已有研究表明,需结合生态功能评估河流的生态完整性。上述分析研究表明,布兰塔斯河下游 5个水质监测站中有 2个站的水质 WQA属于水体污染很严重而不能利用的级别,表明其水质已不能支撑水生态系统的可持续性。也就是说,敏感物种的数量会急剧减少,甚至灭绝,物种多样性低。另外的 3个水质监测站的水质属于水质差的级别,说明敏感物种的数量以及物种的多样性会减少。

(2)饮用水的适宜性。目前,泗水(Surabaya)市政府在恩加格尔(Ngagel)出资建设的供水公司还在运行,但根据分析研究结果,其 WQA为水体污染很严重,属不能利用的级别,表明已不适于作为饮用水水源。有 1个监测站即普洛索(Ploso)站的 WQA为河水水质差,但其上游水作为饮用水水源是可行的。建议在饮用水生产时要采用先进的净水技术。

(3)休闲运动用水的适宜性。本次研究虽未对布兰塔斯河流域所有 51个监测站的资料进行分析,但是从 5个研究站点的水质评价来看,WQA都属于水体污染很严重而不能利用的级别,表明河水不能用于休闲和运动。

(4)灌溉用水的适宜性。从以上数据分析来看,5个水体监测站的 WQA都属于水体未受到污染,水质非常好的级别。说明布兰塔斯河的河水适合作为灌溉用水水源,特别是适合该地区占主导产品地位的稻田的灌溉。不幸的是,灌溉后的回水通常会回流到河流中。如法国的伊勒卡马格(Ile de Camague)的稻田回排水,携带有大量溶解性的杀虫剂,流进了包括河流在内的湿地中。

(5)牲畜饮水适宜性。根据前述,WQA属于河水水质一般级别,说明布兰塔斯河河水作为牛羊等成年牲畜饮用水水源时,需要对用水水质进行严格控制。

(6)水产养殖的适宜性。根据上述对水质的分析评价结果,布兰塔斯河流域下游地区 WQA属于水体污染很严重而不能被利用的级别,说明已不适合直接用于水产养殖,但是普洛索监测站的上游地区的水目前还能适宜于对污染不敏感的成年鱼类的养殖。

3 结 语

将 WQES用来评价布兰塔斯河水质现状以及对不同用户及河流生态系统的适宜性。用 WQI表示水质恶化的总体水平,发现处于非常差的级别。为了解决水体污染问题,本文建议当地政府及相关部门应优先处理以下 2个问题:

(1)在布兰塔斯河流域,特别是其上游地区,实施森林植被恢复和土地修复工程;

(2)采取持续措施减少工业废水和生活污水负荷。

采用 WQA评价水的适宜情况:谨慎作为休闲运动用水,建议在普洛索水体监测站的上游采取先进的水处理技术,下游的水不要作为饮用水源,应严格限制牲畜饮水和水产养殖的水质。布兰塔斯河的水质将导致流域,特别是下游地区的生物多样性下降。应强化公众参与地表水的管理,从而实现全局性与可持续性的水管理决策过程。当地政府以及其他相关利益各方应该一起参与改善布兰塔斯河水质的行动。