基于CCME WQI模型对渭河宝鸡段水质的风险评价

郭 婵， 易文利，2， 郑浩浩

（1.宝鸡文理学院地理与环境学院，陕西宝鸡 721013；2.宝鸡文理学院陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，陕西宝鸡 721013）

水质评价作为水环境监测的重要环节，对水体污染程度及水环境保护具有重要作用［1］，随着理论发展和技术进步，水环境研究从常规理化指标拓展到对水体重金属离子的测定. 重金属作为具有难降解性的污染物和有毒物，对人体及环境会产生极大危害［2］，水环境中上覆水体是重金属在湖泊、水库中迁移转化的主要场所，相对于悬浮物和沉积物，水体重金属可被水生生物直接吸收，形成体内富集，痕量水平上会产生极端毒性［3］，因此，水体重金属含量常被作为环境监测与水质评价中的一项重要指标. 近年来，不同学者从不同角度不同评价方法对水环境进行研究，易文利［4］选取渭河宝鸡段水质理化指标进行评价，发现从上游至下游水质逐渐恶化；徐晨等［5］对望虞河西岸河网进行重金属研究及风险评价后发现，水体重金属除Hg外均污染较轻，沉积物中Cd、As和Hg具有较强的二次释放潜力；刘友存等［6］对赣江龙迳河水体研究发现，重金属主要污染物为Mn、Hg、Pb，重金属Zn、Mn、As、Cd、Pb与氨氮具有显著的正相关性，河流水质整体较差，重金属污染上游较严重. 现存的水质评价方法，包括主成分分析［1］、内梅罗污染指数法［7-8］、综合污染指数评价法［8］、模糊综合评价法［9］、层次分析法［10］、人工神经网络［11］等均被广泛应用. 国内学者的大量研究，使以上方法出现研究“过热”现象，因此引入用来评价饮用水的加拿大水质指数法［12］（Canadian Council of Ministers of the Environment Water Quality Index，CCME WOI）对水环境评价. 该方法是由加拿大英属哥伦比亚大学（UBC）提出的水质指数改进而来，规定根据水质功能来选取水质监测参数，参与评价水质参数个数应大于8，小于20个［13］，分别从监测指标的超标范围、超标频率和超标幅度3个方面衡量研究区域的水环境质量［14］. 不仅国外学者对其研究，国内学者也对其进行不同程度应用，证实其在地表水环境评价中的可行性. Gao等［15］运用CCME WQI对三峡水库2008—2013年水质状况进行了分析评价；Zhang等［16］采用CCME WQI对第二松花江盆地的地表水与地下水相互关系进行探究.

本研究以渭河宝鸡段水质为研究对象. 宝鸡地处关天经济副中心带，工业及交通发达，是典型工业城市. 渭河自西向东流经宝鸡，是区内地表水系主动脉和农灌水源，也是川道地下水补充水源，同时负担着泄洪、排污、保持生态平衡的重任［4］. 研究选取单因子指数法［17］及CCME WQI法［11，15-16］对渭河宝鸡市区段水质常规理化指标和重金属含量进行综合评价，并借助ArcGIS对河流污染评价影响做出可视化表达. 研究结果可为改善水环境及宝鸡市建设提供有效参考依据.

1 研究方法

1.1 样品采集与处理

选取渭河宝鸡市区段神农桥至虢镇桥共10个监测断面为研究对象，于2019年3—4月进行研究区水质采样，采样点如图1所示. 将取好的水样放入聚乙烯瓶中当日带回实验室处理［18］.

图1 研究区采样点Fig.1 Sampling points of study area

化学需氧量（CODcr）采用重铬酸钾法［19］进行测定；总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法［20］测定；总氮（TN）采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法［21-22］；氨氮（NH3-N）采用纳氏试剂分光光度法［23］测定；水质重金属测定中，取约40 mL水样置于聚四氟乙烯消解管中，采用DEENAII全自动消解仪对水样进行消解，消解后选取Agilent7500C电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS（美国安捷伦公司）对水体中金属含量进行测试［24］.

1.2 评价标准及方法

参照《地表水环境质量标准》GB 3838—2002 以及《地下水质量标准》GB/T 14848—93），按照Ⅲ类水质标准，选取加拿大水质指数（CCME WQI）法，对渭河宝鸡段水体进行评价. 利用CCME WQI 从范围（F1）、频率（F2）、振幅（F3）这3个方面测试采样点的检测值是否超过了标准限值［14，25］，计算公式如下：式中：S为达指标的实测值相对于标准限值的偏移量；Q为归一化指数；q为达标的数据的个数；M为所有监测地点的监测数据的总个数；p为达标的指标的数量；N为监测指标的总数量；CCME WQI为三个变量的调和平方和；水质等级划分如表1所示.

表1 CCME WQI水质等级划分及释义Tab.1 CCME WQI water quality classification and interpretation

2 结果与分析

2.1 不同采样点水质重金属及营养盐指标全量分析

对流域上覆水重金属及营养盐全量进行统计，结果如表2所示：流域采样区内的重金属元素Mn、As、Zn及Pb的质量浓度均偏高，分别为：12.64～143.71、61.93～154.66、5.69～80.14、2.41～13.38 μg/L. Mn元素平均质量浓度数值较高，标准偏差为51.97，Zn元素全量质量浓度整体低于As元素，从标准偏差及变异系数上来看Zn＞As元素，但整体标准偏差对比其他重金属元素明显偏大，表明不同采样点之间水质污染变化差异明显，Mn、Zn、As、Pb元素污染变化尤其严重. Mn、Co、Ni、Pb、Zn、Cd的变异系数达到高度变异.

水体COD、NH3-N、TP、TN 全量质量浓度范围为15.25～26.34、2.31～6.66、0.05～0.32、1.59～6.60 mg/L，COD离散程度较大，标准偏差达到3.51；TP在不同采样点最大值与最小值质量浓度差距较大，标准偏差与平均值差异较大致使变异系数达到0.57；NH3-N、TN质量浓度变化趋势较平稳，变异系数分别为0.45和0.47，由于其均大于0.36，所以为高度变异.

表2 渭河宝鸡段流域水质重金属（μg/L）及理化指标（mg/L）质量浓度及分析（n=10）Tab.2 Heavy metal（μg/L）and physicochemical index（mg/L）levels of water quality in the Baoji section of the Weihe River（n=10）

2.2 风险评价

2.2.1 单因子污染指数 通过对10个断面上覆水监测指标进行单因子污染指数评价分析（表2），结果表明：上覆水理化指标中COD自金陵河起除去渭河虢镇桥外均超过Ⅲ类水质标准，TP含量在卧龙桥及虢镇渭河桥间超标，NH3-N及TN在整个研究区范围内超标，且在卧龙桥及虢镇渭河桥间超标严重；水质重金属元素中，Mn元素在卧龙桥、凤凰桥以及虢镇桥三个监测断面超标；类金属元素As在研究区内的10个监测断面均污染超标，在吊桥监测点超标最为严重，其含量达到Ⅲ类水质的3.093倍.

表3 水质理化指标及重金属元素单因子污染指数Tab.3 Physicochemical indicators of water quality and single factor pollution index of heavy metal elements

2.2.2 加拿大水质指数（CCME WQI）评价 CCME WQI 通过结合水质评价项目，利用超过标准限值占比（F1）、监测项目超过标准限值次数占比（F2）、超标幅度（F3）三个指标进行水质等级评定，对渭河宝鸡市区段水质进行评价的结果如表4所示. 整体来看，研究区上覆水水质由上游到下游表现出从中等到较差的特征，吊桥采样点处的CCME WQI分值为65.96，在中等水质中评分略低，廊桥采样点的CCME WQI分值略有升高为69.02，表明吊桥污染稍加严重，廊桥样点水环境污染暂有回缓. 卧龙桥至虢镇渭河桥之间，CCME WQI分值均处于［50，60］的区间内，评分较低，表明这三处水质较差，水环境受到较严重破坏.

表4 加拿大水质指数（CCME WQI）评价结果Tab.4 Canadian Water Quality Index（CCME WQI）evaluation results

2.2.3 污染指数评价空间分布 通过加拿大指数（CCME WQI）对水质污染进行评价，将其结果运用ArcGIS软件进行反距离权重插值［26］（IDW）进行空间表征，结果如图2 所示，表现为研究区水质整体为中等较差水平，以卧龙桥为界从上游到下游评价分值呈“西高东低”的分布状态，神农桥至蟠龙桥评分等级高于卧龙桥至虢镇渭河桥段. CCME WQI 评价方法为正向评判，得分越高污染越低，因此研究区的污染情况整体上为“西低东高”. 在中等水质中，金渭桥、吊桥处的污染较大，在较差水质中，虢镇渭河桥处的污染较大，且其污染影响范围均以样点为中心向四周递减扩散.

图2 上覆水CCME WQI指数空间分布Fig.2 Spatial distribution of CCME WQI index in overlying water

3 讨论

通过对渭河宝鸡段水质进行分析研究发现，营养盐COD 和NH3-N 含量较高与靳美娟等［27］对宝鸡市水体研究得出COD和NH3-N为主要污染物有较好的对应，TP含量变化除金陵河及神农桥外与耿雅妮［28］对渭河水体分析中得出结果一致，即渭河干流TP 含量自上游至下游呈现上升趋势，支流TP 因只选取金陵河作为研究点，因此不足以表明支流TP 情况含量；类重金属元素As 作为致癌元素，其含量在吊桥采样点处达到最大值，As元素受成土母质影响主要为自然源［29-30］，但同时土壤扬尘对其影响较大［31］，在取样时，由于选取的采样点接近滨河路段，居民区广布，并在采样期间现场正在施工，施工期间扬尘及废弃物等均对As 的含量造成影响. 在对水体营养盐及重金属元素进行全量分析时，变异系数可在一定程度上反映采样点的离散程度. 当变异系数大于0.36时为高度变异［32］，理化指标NH3-N、TP、TN及重金属Mn、Co、Ni、Pb、Zn、Cd变异系数均达高度变异，表明人为因素贡献极大，可能与沿岸的工业生产、建筑建设、居民区生活污水排放等活动有关，这是影响水质重金属元素及理化指标含量增加、分布不均的原因. 同时，重金属元素通过污水排放、大气沉降［33］、交通排放［34］等途径进入水体，经过吸附、絮凝的过程，营养盐及重金属会在底泥中累积，可能造成二次污染.

通过单因子污染指数对研究区水质进行评价后发现，NH3-N含量值在凤凰桥以及虢镇渭河桥监测点达到Ⅲ类水质标准的6.7和6倍，TN在凤凰桥和虢镇渭河桥处含量值分别达到4倍和6倍多，Mn元素卧龙桥、凤凰桥及虢镇渭河桥单因子指数均达到三类水质标准1倍多，这三种元素在下游段污染物浓度含量分析中均呈现增加趋势，主要是由于监测断面处于研究区下游，对其周围环境进行实地考察分析发现，蟠龙桥下游附近有排污口出现，而水体重金属自然源为岩石风化的碎屑产物，通过自然途径进入水体通过自然途径进入水体中的重金属一般不会对水体造成污染，人为污染源例如采矿和冶炼、金属加工、化工、废电池处理、电子、造革和染料、农药和化肥的使用等，是造成水体重金属污染的主要原因［35］，因此蟠龙桥处的排污口可能会使下游中的NH3-N、TN、Mn含量增加. 类重金属元素As在整个研究区内均超过三类水质标准，在吊桥处达到三类水质标准的3倍，而As元素受土壤扬尘影响较大，采样期间在吊桥处存在施工现场，施工所产生的扬尘及废弃物等均对会As含量变化造成影响，As元素含量在吊桥采样点达到最高值.

在单因子指数评价的基础上选取CCME WQI 评价法，综合考虑监测断面超标指标个数，超标次数以及超标幅度大小，能全面反映整体水质污染程度. 对比其他方法中出现以最差因子浓度来确定污染等级，能够考虑到超标指标占全部参评因子的比例［14］，通过分析发现研究区水质从上游神农桥开始至下游渭河虢镇桥，监测断面逐渐出现超标指标增多现象，水质等级由中等类别转变为较差类别，与研究区途经商业区、居民区、工业活动、毗邻公路交通运输等因素有关. 因此，应加大检查频次，在处理不同种类废水应尽可能将其废水分流，就地单独处理及预处理，达到标准后在进行排放. 在施工路段，应做到易扬尘地方及时打扫清理，物料切割等易扬尘作业应采取湿法作业.

4 结论

1）渭河宝鸡段水质COD、TP、Mn、Zn、Pb变异系数较高，受人为活动影响严重. 上覆水理化指标含量在凤凰桥上升，但整体含量变化不大，类金属元素As在吊桥处达到峰值，与吊桥处存在施工现场有关，卧龙桥采样点处重金属元素的含量均出现上升，这与卧龙桥附近发现排污口可能有关.

2）单因子评价中研究区内理化指标TN、NH3-N整体超标，且在卧龙桥及虢镇渭河桥间超标严重；类金属元素As整体超标，在吊桥处污染指数最大；Zn、Cd元素在金陵河和卧龙桥污染增高.

3）CCME WQI评价结果神农桥至蟠龙桥为中等水质，卧龙桥至虢镇桥为较差水质，上游至下游污染逐渐增加. 空间可视化表现研究区水质污染呈现“西低东高”.