基于水质标识指数法的秦皇岛市河流水质评价

田海兰，程 林，刘西汉，王艳霞

(1.河北省科学院地理科学研究所，石家庄 050011；2.河北省地理信息开发应用工程技术研究中心，石家庄 050011)

秦皇岛地处环渤海中心地带，为河北省最负盛名的沿海旅游城市。由于入海河流是陆源污染物的主要携带体之一[1]，海水环境质量极大的影响该地区旅游质量以及水平。近年来随着人类活动强度的增加，农业、生活污染以及非点源污染程度在不断加强[2]，河口区域水质污染严重，导致海域赤潮频发等一系列生态问题。李志伟等[3]研究发现，秦皇岛近岸海域的水质主要受到入海河流的影响，二者具有较强的相关性。因此对该地区河流水质进行跟踪监测，科学合理地分析河流水质变化，对于开展水污染防治、改善水环境质量和保障流域生态环境具有一定的借鉴作用。

对河流水质进行评价的方法主要包括单因子评价法、模糊综合评价法、物元分析法、综合水质标识指数法等，廖杰等[4]运用贝叶斯方法对四川境内的八条河流进行水质评价；王玲杰等[5]综合运用多种不确定数学分析方法对河流水质评价中的应用的适用条件进行分析对比，对评价方法进行改进；陈娟等[6]对物元模型中权重确定的不足进行了改进，应用于某河流监测断面水质评价中；夏凡等[7]分别采用单因子评价法、综合污染指数法和主成分分析法对丹江口水库直接入库河流水质状况进行评价。诸多评价方法均存在各自的局限性，比如评价计算过程繁杂、评价结果单一、不直观，或是缺乏对水质污染程度的直观判别。综合水质标识指数法建立在单因子水质标识法的基础上，该方法由徐祖信[8,9]提出，并在之后的水质评价工作中得到一系列的应用[10-13]，较其他水质评价方法而言，该方法可以定性、定量地综合评价水质状况，清晰确定水体质量现状与水质功能区达标的差距，真实而全面地反映河流在监测时间段内水质的连续变化。

本文基于单因子及综合水质标识指数法，以2015年为主要空间评价年段，选取8条河流的20个监测断面，对秦皇岛市河流水质情况进行分析，并评估其污染风险；同时基于综合水质标识指数法选取2010-2015年共6年为时间评价年段，对秦皇岛市河流水质进行时间演变的影响研究。本研究将水质标识指数法用于秦皇岛河流水质评价并对其时空变化进行解析，确定研究区域每条河流的污染特征和污染风险级别，对地区水资源评价及管理工作具有指导意义。

1 研究区概况

秦皇岛，简称“秦”，位于河北省东北部，是中国首批沿海对外开放城市，河北三大沿海城市之一。其主要行政区划单元包括四区三县，分别为山海关区、北戴河区、海港区、抚宁区(原抚宁县)以及青龙满族自治县、卢龙县、昌黎县，调查范围总面积7 812.4 km2，见图1。秦皇岛市境内水资源丰富，许多河流天然水质较好，支流众多，属于滦河及冀东沿海独流入海诸河、辽东湾西部沿渤海诸河三个水系，其中滦河支流青龙河、洋河、石河等是秦皇岛市的最主要水源(图2)。本次研究将秦皇岛市范围内主要8条河流作为流域控制单元进行水质评价(表1)。

图1 秦皇岛位置示意图Fig.1 Map of study area，Qinhuangdao

图2 秦皇岛市河流及监测站点分布图Fig.2 River and monitoring section distribution of Qinhuangdao

2 研究数据及方法

2.1 数据收集及监测项目

监测原始数据来源于秦皇岛市环境保护局主办的秦皇岛市环境保护网[14]。水质监测项目共31项，本研究在众多环境影响因子中找出能反映水质特征具有代表性的主要因子进行分析，没有超标的项目不作重点评价，综合选取溶解氧、高锰酸钾指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、氟化物、粪大肠菌群等八项评价指标，选择的污染指标较多可以较好地反映河流污染的程度。

2.2 断面及采样点布设

根据流域环境、沿海污染源排放情况及各条河流的水文特点，从所有监测数据中确定了8条主要河流共20个监测断面进行水质分析(图2)。在每条河流的重要节点处设置采样点，分别分布于秦皇岛市境内主要河流的上游、中游以及河流入海口处，并在部分典型区域比如防潮闸、不同河流汇交处等区域设置监测样点选取控制单元，可以完整的显示河流不同地段的污染特征。按照河北省水功能区划(冀水资[2004]42号)，河流监测断面所处水功能区不同，水质目标不同，详见表1。

2.3 水质评价方法

2.3.1 单因子水质标识指数法

单因子水质标识指数法评价结果标识为P，P是由一位整数、小数点后面2位或3位有效数字组成，表达方式为[15]：

P=X1·X2X3

(1)

式中：X1为某一水质指标的级别；X2为监测数据在某一级别水质变化区间中所处的地位；X3为现状水质级别与水功能规划比较结果。

具体各因子计算方法详见参考文献[15]。

2.3.2 综合水质标识指数

综合水质标识指数法是在单因子水质标识指数法基础上的延伸和发展[16]，综合了水质类别、与水环境功能区类别的比较结果等有关内容，计算公式如下：

表1 秦皇岛市主要河流监测断面分布Tab.1 The monitoring sections distribution of rivers in Qinhuangdao

Iwq=X1·X2X3X4

(2)

式中：X1代表河流水质级别；X2代表综合水质在变化区间所处的位置；X3代表在所有指标中，较水体功能区目标劣的指标个数；X4为水质类别与水体功能区规划级别的比较结果。

具体各因子计算方法详见参考文献[16]。

3 评价结果分析

3.1 单因子水质标识指数法结果

运用单因子指数法对秦皇岛市2015年河流水质进行评价，评价结果分析见表2。

溶解氧：参评的20个断面中X3值均为0，说明现阶段溶解氧在各条河流的各个断面均达到水功能区划的要求，秦皇岛市境内河流均不存在溶解氧污染。

高锰酸钾指数：参评的20个断面中超标断面为6个，百分比为30%，其中超过水功能区划1个类别断面有5个占83%，剩余1个超标断面超过水功能区划2个类别；监测值在功能区要求50%的位置有10个占50%，说明断面内接近超标的断面比例较高，有潜在的高锰酸钾指数污染风险。

化学需氧量：参评的20个断面中超标断面为11个，百分比为55%，其中超过水功能区划1个类别断面有10个占超标断面50%，剩余1个超标断面超过水功能区划2个类别；监测值在功能区要求50%的位置有13个占65%，说明断面内不仅超标断面个数较多，而且接近超标的断面也存在较高的比例，有潜在的化学需氧量污染风险。

表2 单因子水质识别指数计算结果分析表Tab.2 The analysis results by single factor water quality identification index of rivers in Qinhuangdao

五日生化需氧量：参评的20个断面中超标断面为6个，百分比为30%，其中所有超标断面均超过水功能区划1个类别，占100%；监测值在功能区要求50%的位置有11个断面占55%，说明断面内水质虽然大部分处于达标状态，但接近超标的断面比例较高，有潜在的污染风险。

氨氮：参评的20个断面中超标断面为4个，百分比为20%，其中人造河以及饮马河四个断面为劣五类，其余断面水质均不存在超标现象。监测值在功能区要求50%的位置占21%，说明个别河流内存在较高污染极值，但整体断面内接近超标的断面比例较低，其余河流该项污染因子风险不高。

总磷：参评的20个断面中超标断面为5个，百分比为25%，其中劣五类水体饮马河为3个断面占60%，该三个断面分别超过水环境功能区类别为4个、6个以及4个属于严重污染级别，超过水功能区划1个类别断面有1个。监测值在功能区要求50%的位置占50%，说明断面内水质虽然达标，但接近超标的断面比例高，有较强潜在的污染风险。

氟化物：参评的20个断面中超标断面为1个，百分比为5%，该断面为超过水功能区划1个类别。监测值在功能区要求50%的位置的断面不存在，说明秦皇岛境内河流不存在氟化物污染风险。

粪大肠菌群：参评的19个断面中X3值均为0，说明该因子在各条河流的各个断面均达到水功能区划的要求，秦皇岛境内河流不存在粪大肠菌群污染风险。

利用单因子水质标识指数进行水质评价结果显示，秦皇岛市主要河流断面高锰酸钾指数、化学需氧量、总磷、氨氮、五日生化需氧量均存在不同程度的超标，其中化学需氧量严重超标，在达标断面中接近超标的断面也达到了相当的比例，为导致秦皇岛市河流水质污染严重的首要因子。

化学需氧量是海水中有机物污染的综合指标，国外研究表明，某些地区如日本濑户内海水体中化学需氧量浓度大于2mg/L的时候，在特定环境条件下即容易发生赤潮[17]，且据黄备[18]研究表明赤潮藻类与COD存在极显著正相关。对于赤潮频发的敏感海域，应该进行严格控制[19]。秦皇岛近岸海域为赤潮频发敏感区域，按《河北省海洋环境质量公报》[20]显示，自2010～2015年，在河北省海域发生的赤潮90%发生在秦皇岛海域，赤潮的爆发对当地海滨浴场旅游业以及扇贝养殖业均产生较为严重的影响，因此应加强对秦皇岛地区生态环境监控工作，警惕赤潮灾害发生。

表3 2015年秦皇岛河流水质识别指数法评价结果Tab.3 The evaluation results by comprehensive water quality identification index of rivers in Qinhuangdao (2015)

3.2 综合水质标识指数法结果

根据秦皇岛市环境保护网监测结果，对2010-2015年各个监测断面综合水质随时间的变化进行评价。图3为近年来各断面水质与水功能区水质目标情况。

图3 2010-2015年秦皇岛河流监测断面水质分析Fig.3 Analysis of monitoring sections of rivers in Qinhuangdao (2010-2015)

根据综合水质标识指数法对水质的最终评价结果对秦皇岛市河流水质随时空变化进行分析，评价标准如表4所示。

表4中，T表示为综合水质标识指数随时间的变化，计算过程为时间变化分析起始的综合水质标识指数与结束时期水质指数之差的绝对值与起始标识指数的比值即T=|(X1·X2)t1-(X1·X2)t2|/(X1·X2)t1；S表示为综合水质标识指数随空间的变化，计算过程为空间间隔比较分析起始的综合水质标识指数与结束空间间隔时期水质指数之差的绝对值与起始标识指数的比值即T=|(X1·X2)s1-(X1·X2)s2|/(X1·X2)s1。

就石河而言，近年来大坝以及铁路桥断面水质T≤10%基本不变均为Ⅱ类、Ⅲ类水质，2014-2015年下游石河河口水质恶化41.67%，为显著恶化，其主要污染因子为高锰酸钾指数、化学需氧量，但整体水质级别都在水环境功能区划分类别的标准值范围之内。

汤河水质近年来均为Ⅲ类水质，满足水环境要求。

戴河水质近年来有整体轻微好转趋势，其中戴河村2015年较2014年改善19.6%，戴河口水质2012年水质出现轻微恶化，之后趋于正常，尼龙坝断面水质保持基本不变，满足水环境要求。

表4 综合水质评价级别判定及时空变化评价标准[16]Tab.4 Analysis standard of space-time change of comprehensive water quality [16]

图4 2010-2015年秦皇岛市河流水质变化Fig.4 Change trends of water quality of rivers in Qinhuangdao (2010-2015)

图5 2010年秦皇岛市河流监测断面水质状况图Fig.5 Water quality of typical stations of Qinhuangdao in 2010

图6 2015年秦皇岛市河流监测断面水质状况图Fig.6 Water quality of typical stations of Qinhuangdao in 2015

洋河水质波动较大，2010-2015年卢王庄断面水质改善90.86%，水库出口改善33.33%，洋河口改善38.69%，均为显著改善，改善结果有最初的劣Ⅴ类到现在的Ⅲ类水质，满足水功能区划要求。

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饮马河水质整体一直处于较差阶段，劣Ⅴ类水体出现的频率较高，2014年以来在最差的基础上稍有改善，王店子和饮马河口均改善28.75%，为显著改善。歇马台改善16.67%，为轻微改善，但均未达到水环境功能区要求。

青龙河由于地处山区，流入河流的污染源较少，河流水质清洁，2015年较2010年红旗杆和桃林口均改善50%，田庄子改善66.7%为显著改善，满足水环境功能区要求。

新开河和人造河只有下游入海口的监测数据，新开河近年来一直维持在较为稳定的水平，2015年较2010年改善47.82%，水质级别均好于或达到水环境功能区要求；人造河水质好转，改善31.94%，为显著改善，但仍然低于水环境功能区要求。

总之，秦皇岛市境内的河流处在Ⅱ、Ⅲ类级别比例较高，规避污染风险能力较强。饮马河、人造河水质劣于水环境功能区要求，属于水质不达标河流，断面为劣五类但不黑臭，但水环境质量较以前仍有所改善，其余河流水质呈现为显著改善或轻微改善状态，但均在水环境功能区划要求范围之内。

4 结论与建议