秋季艾比湖流域水质综合分析与评价*

李晓航 张 飞# 王 娟 王东芳

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046;2.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046;3.新疆大学智慧城市与环境建模普通高校重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046)

秋季艾比湖流域水质综合分析与评价*

李晓航1,2,3张 飞1,2,3#王 娟1,2,3王东芳1,2,3

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046;2.新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046;3.新疆大学智慧城市与环境建模普通高校重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046)

河流综合水质评价是水环境治理中的基础性工作。于2014年10月在艾比湖流域的55个采样点采集地表水样，将pH、COD、溶解氧(DO)作为评价因子，采用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法和综合污染指数法进行了水质评价，并探讨了艾比湖流域的总体污染状况。结果表明：(1)艾比湖流域4种水体污染程度为河流>裸露湖床>水库>农田灌溉水；(2)艾比湖流域中部区域的水质污染最严重，西部和东部区域的水质仍处于清洁状态。本研究为干旱区流域地表水资源的治理与保护提供参考依据。

艾比湖流域 水质评价 单因子污染指数 内梅罗污染指数 综合污染指数

如今，人类面临较为严重的水资源危机[1]。而河流综合水质评价是目前水环境治理中重要的基础性工作，只有对水质监测数据进行合理评价，才能制定科学的整治规划[2]。近年来，河流水质评价已成为我国学者关注的热点问题，水质评价方法也是多种多样。典型的水质评价方法包括：模糊数学评价法、灰色系统评价法、层次分析法、物元分析法、人工神经网络评价法、单因子污染指数法、综合污染指数法、内梅罗污染指数法等[3-5]。

单因子污染指数法操作简单，以最差的单项水质指标所属类别来确定水体综合水质类别[6]。单因子污染指数法能对湖泊、河流、水库等[7-10]主要地表水进行评价，是评价地表水水质最基本也是运用最广泛的方法[11]40。综合污染指数法利用各种污染物的相对污染指数进行数学上的归纳和统计，得出一个较简单的代表水体污染程度的综合污染指数。张旋等[12]将层次聚类分析法和综合污染指数法结合，对北京密云古北口潮河、门头沟永定河，天津果河桥黎河、三岔口和河北张家口八号桥断面的污染状况进行分析。张景平等[13]利用综合污染指数法对珠江口海域的综合水质污染情况进行了研究。内梅罗污染指数法在进行水质评价时能突出最大污染指数对环境质量的影响和作用。徐彬等[11]38-40利用内梅罗污染指数法对太湖水质进行评价，表明该方法具有较好的适用性。内梅罗污染指数法经过改进后再用于水质评价的研究案例众多。关云鹏[14]利用内梅罗污染指数法和改进的内梅罗污染指数法分别对山西某城市地下水水质进行评价，并对两种方法进行对比，发现综合两种方法分析能够更客观地对水质进行评价。杨磊磊等[15]将内梅罗污染指数法进行了改进，并结合模糊综合法对吉林东南部桦甸辉发河河口、桦甸老水源地、四闸门、白山水库和红石水库的水质进行评价，发现内梅罗污染指数法更适用于反映水体污染程度。

针对流域污染运用多种方法综合分析的研究仍较少见，且对于干旱区流域水质的整体污染评价尚未得到足够的重视。基于此，本研究利用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法及综合污染指数法对艾比湖流域地表水进行分析，并以各采样点的pH、COD、溶解氧(DO)为评价因子进行评价，为干旱区流域地表水资源的治理与保护提供科学的参考依据。

1 研究区概况

艾比湖流域位于新疆西北部，地处准噶尔盆地边缘，三面环山，西北部为我国四大风区之一的阿拉山口，位于43°38′N～45°52′N、79°53′E～85°02′E，横跨博尔塔拉蒙古自治州3个县市，流域面积为50 621 km2[16]。艾比湖流域主要包括博尔塔拉河、精河、奎屯河、阿奇克苏河、四棵树河、古尔图河、阿恰勒河、大河沿子河等河流，由于受到阿拉山口的影响，艾比湖流域气候干燥，降水稀少，具有典型干旱区生态环境特点，其中山地面积24 317 km2，平原区面积25 762 km2，湖泊面积542 km2。近50年来随着流域耕地面积的扩大，农业需水不断增多。与此同时，流域工农业生产及城镇污染物的排放导致其主要补给河流——精河和博尔塔拉河受到污染，并引发了一系列生态环境问题[17-18]。本研究对艾比湖流域的水质污染进行分析，研究范围包括博尔塔拉河、精河、奎屯河、阿奇克苏河等几条主要干流及周围部分小河，共设有55个采样点，采样点分布见图1。

2 研究方法

2.1 实验方法

2014年10月对艾比湖流域进行了野外考察，在精河、博尔塔拉河、奎屯河、阿奇克苏河等主要河流沿线以及艾比湖边缘采集水样，水质检测项目包括pH、COD、DO和BOD5，均依照文献[19]进行测定。其中，pH采用电位法测定，COD采用重铬酸钾法测定，DO采用电化学探头法测定，BOD5采用稀释接种法测定。在测定过程中发现BOD5均小于0.5 mg/L，所以本研究只选取pH、COD、DO作为评价因子。

注：椭圆区域分别表示艾比湖流域西部、中部和东部；采样点26～29不在研究区内，故图中缺省。图1 研究区示意图Fig.1 The map of study area

2.2 评价方法

2.2.1 单因子污染指数法

单因子污染指数法是将某种污染物实测浓度与该种污染物的评价标准进行比较以确定水质类别的方法[20]139。单因子污染指数法中，超标最严重的评价因子对整个评价结果具有决定性作用。COD污染指数的计算方法如式(1)所示。

(1)

式中：PCOD,j为采样点j的COD污染指数；cCOD,j为采样点j的COD质量浓度，mg/L；cCOD,s为COD的评价标准值，mg/L，参考《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，水库、河流、裸露湖床和农田灌溉水分别参照Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类限值。

DO污染指数的计算公式如式(2)、式(3)所示。

(2)

cDO,f=468/(31.6+T)

(3)

式中：PDO,j为采样点j的DO污染指数；cDO,f为饱和DO质量浓度，mg/L；cDO,j为采样点j的DO质量浓度，mg/L；cDO,s为DO的评价标准值，mg/L，参考GB 3838—2002，水库、河流、裸露湖床和农田灌溉水分别参照Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类限值；T为水体水温实测值，℃；468为转换系数，mg/(L·℃)。

pH>7.0时，参照式(4)计算pH污染指数。

PpH,j=(cpH,j-7.0)/(cpH,su-7.0)

(4)

式中：PpH,j为采样点j的pH污染指数；cpH,j为采样点j的pH；cpH,su为GB 3838—2002中规定的pH上限。

单因子污染指数分级标准见表1。

表1 单因子污染指数分级标准

注：1)Pi,j为单因子污染指数；i为评价因子，包括COD、DO、pH。

2.2.2 内梅罗污染指数法

内梅罗污染指数法基于单因子污染指数中的平均值和最大值综合评价污染程度[21]，其计算公式见式(5)。

(5)

式中：PN为内梅罗污染指数；Pi,j,max为单因子污染指数最大值；Pi,j,ave为单因子污染指数平均值。

内梅罗污染指数分级标准见表2。

表2 内梅罗污染指数分级标准

2.2.3 综合污染指数法

综合污染指数法也是由单因子污染指数法衍化而来，其将评价因子综合考虑，从整体上反映环境系统的污染状况[20]140。综合污染指数计算公式如式(6)所示。

Pcom=∑WiPi,j

(6)

式中：Pcom为综合污染指数；Wi为评价因子i的权重系数。

综合污染指数分级标准见表3。

表3 综合污染指数分级标准

3 结果与分析

将采集的55个水样分为4种水体类型：河流、水库、裸露湖床、农田灌溉水，通过单因子污染指数法、内梅罗污染指数法和综合污染指数法，对4种水体的pH、COD、DO进行分析，以评价秋季艾比湖流域的污染状况。

3.1 单因子污染指数法评价结果

单因子污染指数计算结果见表4。pH污染指数总体较平均，最大值(0.69)出现在采样点24，水体类型为裸露湖床。COD污染指数最大值(8.25)出现在采样点8，水体类型为河流。DO污染指数最大值(2.13)出现在采样点38，水体类型为水库。

为了将4种水体的3种评价因子进行综合比较，计算了各种水体的单因子污染指数，如图2所示。在4种水体中，pH污染等级较低，处于清洁状态；COD污染程度表现为河流>裸露湖床>水库>农田灌溉水，其中河流为中度污染，裸露湖床为轻度污染，水库与农田灌溉水均处于清洁状态；DO污染程度表现为水库>河流>裸露湖床>农田灌溉水，其中水库与河流为轻度污染，裸露湖床与农田灌溉水处于清洁状态。

表4 单因子污染指数计算结果1)

注：1)-表示所测数据超出正常阈值或数据缺省。

图2 4种水体的单因子污染指数Fig.2 Single pollution index of 4 kinds of water body

3.2 内梅罗污染指数法评价结果

4种水体的内梅罗污染指数见图3。从pH看，4种水体均处于安全状态；从COD看，水库处于警戒状态，农田灌溉水、裸露湖床、河流的污染程度由轻度向重度递进；从DO看，农田灌溉水处于安全状态，裸露湖床处于警戒状态，河流与水库均为轻度污染。从整体上看，河流的COD污染较严重，裸露湖床的COD为中度污染，其余水体的污染程度较弱。

图3 4种水体的内梅罗污染指数Fig.3 Nemerow pollution index of 4 kinds of water body

3.3 综合污染指数法评价结果

从表5可以看出：Pcom最大值(5.65)出现在采样点8，水体类型为河流；水库Pcom较低，均小于1；裸露湖床的Pcom最大值(2.04)出现在采样点15；农田灌溉水的Pcom最大值(1.19)出现在采样点7。4种水体的综合污染指数如图4所示。从图4可以看出，污染程度为河流>裸露湖床>水库>农田灌溉水。河流为轻度污染，水库、裸露湖床和农田灌溉水均处于清洁状态。

3.4 不同方法综合比较

通过3种不同方法对艾比湖流域水质进行评价，其综合比较结果如表6所示。

表5 综合污染指数计算结果

图4 4种水体的综合污染指数Fig.4 Comprehensive pollution index of 4 kinds of water body

单因子污染指数法的评价结果显示，河流为中度污染，水库和裸露湖床为轻度污染，农田灌溉水处于清洁状态；内梅罗污染指数法的评价结果显示，河流为重度污染，裸露湖床为中度污染，水库和农田灌溉水为轻度污染；综合污染指数法的评价结果显示，河流为轻度污染，水库、裸露湖床和农田灌溉水均处于清洁状态。结合图2至图4以及表6可以看出，基于不同污染指数的评价结果存在差异，但4种水体的污染程度大致表现为：河流>裸露湖床>水库>农田灌溉水。由于单因子污染指数法和内梅罗污染指数法中，污染程度最重的评价因子决定总体评价结果；而综合污染指数法对不同评价因子分配不同权重，权重最大的评价因子对评价结果具有主导性，因此采用不同污染指数，可能会直接影响最终的评价结果，建议在污染评价工作中结合多种评价方法得出结论。

3.5 流域分区后的综合污染指数分析

为了更好地分析整个艾比湖流域的水质情况，将整个流域分为西部、中部、东部(见图1)，采用综合污染指数法评价不同区域的水质情况，结果如图5所示。

图5 不同区域的综合污染指数Fig.5 Comprehensive pollution index of different partition

水体类型单因子污染指数pHCODDO内梅罗污染指数pHCODDO综合污染指数河流清洁中度污染轻度污染安全重度污染轻度污染轻度污染水库清洁清洁轻度污染安全警戒轻度污染清洁裸露湖床清洁轻度污染清洁安全中度污染警戒清洁农田灌溉水清洁清洁清洁安全轻度污染安全清洁

从图5可以看出，西部的水体类型较全，4种类型的水体都具备，且各种水体均处于清洁状态。中部只有河流和农田灌溉水，其中，河流为中度污染，农田灌溉水处于清洁状态。东部包含河流、水库和农田灌溉水，3种水体均处于清洁状态。比较不同区域的4种水体的污染状况可以得出，污染最严重的为中部河流，因此整个艾比湖流域的水体污染可以锁定在中部，且应着重关注河流污染问题。

4 讨 论

由于艾比湖流域属于典型的干旱区，水环境污染与自然因素、人为因素、社会经济因素都有直接或间接的关系，国内已有学者开展了艾比湖流域水质研究。苏琴等[22]对艾比湖流域水化学现状进行了分析，认为艾比湖流域上游由于生活污水和未经处理的工业废水排入河道，使得河流受到一定程度的污染。杨艺渊等[23]研究得出：艾比湖流域内耕地面积快速增长，需水量急剧增大，灌溉水源不足，导致弃耕地增多，加剧了流域内沙漠化程度，也加重了河流污染程度。

此外，艾比湖流域的污染情况与其他干旱区流域存在差别。黑河流域的沿途工业污染较少，流经矿区的河流受到污染，但属于物理性质的污染[24]；疏勒河流域受人类活动影响较小，主要影响来自岩石风化[25]；渭河流域咸阳段的污染程度严重且历时很长[26]。由此可见，同为干旱区流域，其水体受到的污染情况也大不相同。艾比湖流域环境较复杂，受到阿拉山口大风的影响，土地盐渍化较重，水体污染种类多样，所以对于干旱区艾比湖流域水质的研究有一定的特殊性与必要性。

5 结 论

(1) 运用单因子污染指数法、内梅罗污染指数法和综合污染指数法对艾比湖流域进行水质评价，均显示4种水体污染程度为河流>裸露湖床>水库>农田灌溉水，但不同评价方法对各种水体的污染等级评定存在差异。

(2) 艾比湖流域水质污染最严重的为中部区域，西部和东部区域的水质仍处于清洁状态。

[1] 侯立安.加大高技术研发力度,多举措缓解水资源危机[J].科技导报,2015,33(14):1．

[2] 尹海龙，徐祖信．河流综合水质评价方法比较研究[J]．长江流域资源与环境，2008，17(5)：729-733．

[3] 徐祖信．我国河流单因子水质标识指数评价方法研究[J]．同济大学学报(自然科学版)，2005，33(3)：321-325．

[4] 徐祖信．我国河流综合水质标识指数评价方法研究[J]．同济大学学报(自然科学版)，2005，33(4)：482-488．

[5] 李艳利，李艳粉，徐宗学．浑太河流域水环境质量综合分析与评价[J]．水土保持研究，2014，21(4)：173-178．

[6] 刘成，袁琳，余明星，等．河流水质评价方法综述[J]．吉林农业，2012(7)：226-227．

[7] 张宇红,胡成.单因子标识指数法在浑河抚顺段水质评价中的应用[J].环境科学与技术,2011(增刊1):276-279.

[8] 王梁，陈守越．江苏省农村地表水功能区水环境单因子指标评价与空间分析[J]．中国农业资源与区划，2014，35(2)：18-23．

[9] 张千千，王效科，郝丽岭，等．春季盘溪河水质日变化规律及水质评价[J]．环境科学，2012，33(4)：1114-1121．

[10] 杨大杰.综合水质标识指数法及单因子水质标识指数法在2013年官厅水库水质评价中的应用[J].水利水电技术,2014,45(10):28-30.

[11] 徐彬，林灿尧，毛新伟．内梅罗水污染指数法在太湖水质评价中的适用性分析[J]．水资源保护，2014，30(2)．

[12] 张旋，王启山，于淼，等．基于聚类分析和水质标识指数的水质评价方法[J]．环境工程学报，2010，4(2)：476-480．

[13] 张景平，黄小平，江志坚，等．珠江口海域污染的水质综合污染指数和生物多样性指数评价[J]．热带海洋学报，2010，29(1)：69-76．

[14] 关云鹏.利用内梅罗指数法模型评价地下水水质的探讨[J].山西水利科技,2012(1):81-84.

[15] 杨磊磊，卢文喜，黄鹤，等．改进内梅罗污染指数法和模糊综合法在水质评价中的应用[J]．水电能源科学，2012，30(6)：41-44．

[16] 金相灿，刘树坤，章宗涉．中国湖泊环境[M]．北京：海洋出版社，1995．

[17] 弥艳，常顺利，师庆东，等．艾比湖流域2008年丰水期水环境质量现状评价[J]．湖泊科学，2009，21(6)：891-894．

[18] 弥艳，常顺利，师庆东，等．农业面源污染对丰水期艾比湖流域水环境的影响[J]．干旱区研究，2010，27(2)：278-283．

[19] 国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].4版.北京:中国环境科学出版社，2002.

[20] 王雅茹,刘德深,唐荣华,等.桂林市自来水厂源水水质分析与评价[J].渤海大学学报,2007,28(2).

[21] 关伯仁．评内梅罗的污染指数[J]．环境科学，1979(4)：67-71．

[22] 苏琴，王文全．艾比湖水化学现状分析与评价[J]．地下水，2015，37(3)：116-118．

[23] 杨艺渊,高亚琪,孙雅丽.新疆艾比湖流域耕地面积与艾比湖水域关系的研究[J].防护林科技,2014(10):4-6.

[24] 杨海涛，温琦，刘哲．黑河市地表水水质评价[J]．黑龙江水利科技，2005，33(2)：82-83．

[25] 周嘉欣，丁永建，曾国雄，等．疏勒河上游地表水水化学主离子特征及其控制因素[J]．环境科学，2014，35(9)：3315-3324．

[26] 黄兴国，刘秀花．咸阳市水环境质量评价研究[J]．干旱区资源与环境，2005，19(6)：91-94．

AnalysisandassessmentofwaterqualityofEbinurLakebasininautumn

LIXiaohang1,2,3,ZHANGFei1,2,3,WANGJuan1,2,3,WANGDongfang1,2,3.

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentSciences,XinjiangUniversity,UrumqiXinjiang830046;2.KeyLaboratoryofOasisEcology,XinjiangUniversity,UrumqiXinjiang830046;3.KeyLaboratoryofXinjiangWisdomCityandEnvironmentModeling,XinjiangUniversity,UrumqiXinjiang830046)

River water quality assessment is the basic work of water environment management. In this study,pH,COD and dissolved oxygen (DO) of water samples from 55 sampling sites were selected as the main factors in Ebinur Lake basin in October 2014 with single factor pollution index method,Nemerow pollution index method and comprehensive pollution index method to evaluate the pollution and discuss the whole situation of surface water. The results show that:(1)pollution level of 4 kinds of water body in Ebinur Lake basin order river>bare lake bed>reservoir>farmland irrigation water. (2)The water body in the central of Ebinur Lake basin was most serious polluted,while that in western and eastern region was in clean state. This study could provide a scientific reference for the governance and protection of surface water resources in arid areas.

Ebinur Lake basin; water quality assessment; single factor pollution; Nemerow pollution index; comprehensive pollution index

李晓航，女，1990年生，硕士研究生，主要从事干旱区资源与环境遥感应用研究。#

。

*国家自然科学基金资助项目(No.41361045、No.41130531)；自治区青年科技创新人才培养工程项目(青年博士科技人才培养项目)(No.2013731002)；新疆绿洲生态(教育部省部共建)重点实验室开放课题项目(No.XJDX0201-2012-01)；教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队资助项目(No.IRT1180)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.06.002

2016-02-27)