小流域水质评价方法对比研究

游如玥，敖天其，2，朱 虹，高丹阳，张 兴

(1.四川大学水利水电学院，成都 610065；2.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

前 言

随着社会经济的高速发展，我国的生态环境问题也日益突出。小流域没有绝对性的定义，在不同国家和不同研究领域的划分标准有所差异。本文所研究的是水利上的小流域，指面积在1 000km2以内，所包含乡镇数在20个以内的流域。流域水质评价的方法有很多种，其中最常用的是单因子评价法，评价指标最多最全面的是综合污染指数评价法，最普遍使用的是内梅罗污染指数法，在国际上较广泛用于饮用水水源地的是加拿大水质指数法。

本文以小安溪流域为例，利用单因子评价法、综合污染指数评价法、内梅罗污染指数法和加拿大水质指数法对其进行水质分析、确定了小安溪流域的主要污染物，并且将这四种方法转化到同一尺度进行比较，选出最适合小流域水质评价的方法，对小流域的水治理可提供一定的借鉴，对于该流域的水污染治理有着重要的意义。

1 材料与方法

1.1 单因子评价法

单因子评价法[1～3]是最简单的水质评价方法，依据国家环境保护总局于2002年4月26日颁布的《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的规定，用监测指标的实测值除以国家规定的标准限值，得到每一种指标的超标倍数，从而确定每项指标的水质类别。最后以该监测断面中污染最严重指标的水质类别作为该断面的水质类别，计算公式如下：

(1)

式中，Ci为实测浓度，Coi为标准浓度，Si为指标i的水质指数。如果某项指标的水质指数大于1了，说明这项指标的污染浓度已经超过了标准量，水质不达标、无法满足该水域的水质要求。

在单因子评价法中，监测断面的水质由所有水质指标中最差的评价指标决定[4]，虽然计算过程简单，但因为最差指标起了决定性作用，所以评价结果在一定程度上比现实的水质状况略差。

1.2 综合污染指数评价法

综合污染指数法[5]是评价水环境质量的一种重要方法，是对各污染指标的相对污染指数进行统计，得出代表水体污染程度的数值，从而对水质的污染状况进行评价。综合污染指数法克服了单一指标评价水体质量的局限性，多项指标使得评价更加全面化、系统化。计算公式为：

(2)

(3)

式中，P为水体的综合污染指数；n为参加评价的污染物指标数目；Pi为污染物i污染指数；Ci为污染物i的监测浓度；Coi为污染物i的评价标准值。综合污染指数对应的水质分级如下：P≤0.25，清洁；0.25

1.3 内梅罗污染指数法

传统的内梅罗指数法[6～8]计算过程简单高效。利用所选指标的实测浓度和标准浓度，以Ⅲ类水的标准值作为基准进行计算。考虑到传统内梅罗指数法没有考虑到不同污染物权重的影响[9]，以及过于强调最大污染因子的影响。因此，为保证结果的准确性，本文将内梅罗指数法进行改进，新增污染物的影响权重指标，对均值和最大值进行修正，最后选取4个断面的平均内梅罗指数作为判定依据。具体公式为：

(4)

(5)

(6)

(7)

表1 内梅罗指数和水质等级Tab.1 The Nemerow index and water quality grade

1.4 加拿大水质指数法

加拿大水质指数法(CWQI法)一般用于饮用水源地的水质分析[10～13]，由F1(范围)、F2(频率)和F3(振幅)构成，通过对长系列数据分析得出综合水质指数值，直接反应了某一时期内的水质信息，计算公式为：

(8)

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式中，M为监测数据总数，S为不达标水质指标实测值偏离标准值的倍数，Ci为水质指标实测浓度，Coi为水质指标标准浓度。

对于规定了上限值的水质指标而言

(13)

对于规定了下限值的水质指标而言

(14)

加拿大水质指数CWQI和水质级别的对应关系见表2。

表2 加拿大水质指数和水质等级Tab.2 The Canadian water quality index and water quality grade

1.5 等标水质分析

类比等标污染负荷的思想，将上述四种水质评价方法转化到同一尺度进行评价。具体方法是将各类水质评价方法计算得到的值(指数)与其对应年份四个断面计算出的平均值(指数)作比较，得到一个关于污染程度的百分比，从而将不同的方法转化到同一尺度上面进行比较，加强了评估的准确性。计算公式如下：

等标水质评价指数=计算值(指数)÷对应年份四个断面的平均值(指数)×100%

(15)

2 结果与讨论

2.1 研究区概况

小安溪又名临渡河，是涪江的最后一条支流。发源于永川市巴岳山东麓永兴乡白龙洞，流经永川、大足、铜梁、合川，在距涪江汇嘉陵江的河口以上3公里处汇入涪江。本文选取的是小安溪流域(铜梁段)作为研究对象，小安溪河流经区内长为88.3km，多年平均流量16.5m3/s，年均径流量5.20亿m3，区内流域面积688 km2。通过GIS软件中的水文分析提取出的研究区水系图见下图。研究所用到的实测水质数据来源于铜梁区环保局。

图 小安溪流域水系图Fig. Drainage map of Xiao An-xi basin

2.2 实测数据

本文选取双河口、段家塘、众志桥、玉峡渡口这四个监测断面，以2017年和2018年全年的水质检测数据为基础，选取pH值、COD、BOD5、溶解氧、TN、TP、高锰酸盐指数(CODMn)、氟化物、六价铬、砷共十个评价因子。通过对小安溪流域历史资料和河流水质分析文献调查，划分丰平枯三个水期，丰水期为6、7、8、9月，平水期为4、5、10、11月，枯水期为1、2、3、12月[2]，实测数据见表3、表4。

表3 研究区2017年实测数据Tab.3 the actual data of 2017 in the study area

续表3

表4 研究区2018年实测水质数据Tab.4 the actual data of 2018 in the study area

续表4

根据《地表水环境质量标准》，小安溪河流域目标水质为地表水Ⅲ类水，水质评价结果一共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个等级。

2.3 水质评价计算结果

分别利用单因子评价法、综合指数评价法、内梅罗污染指数法和加拿大水质指数法对小安溪流域2017和2018年的水质进行计算分析，评价结果见表5、表6。

结合表5、表6，从整体上进行分析，小安溪流域四个断面的水质评价结果均较差，2017年和2018年年均有高达75%的评价结果未达到Ⅲ类水水质标准，水质等级基本都为Ⅳ类，部分指标的污染程度甚至达到Ⅴ类。水质按季节呈规律性变化，丰水期整体水质要略优于枯水期，这可能是因为丰水期流域水的总量更为丰富，水环境容量更大，相当于污染物被稀释了，流域水体自净能力更好，所以污染物的浓度较低。

单因子评价法的评价结果显示：2017年有94%都是Ⅴ类水，2018年全年都是Ⅴ类水，其中TN为污染最严重的因子，水质极差。

综合污染指数评价法的评价结果显示：2017年有69%为中污染，31%为重污染；2018年有31%为中污染，69%为重污染，水质差。

内梅罗污染指数法的评价结果显示：水质较差，均未达到Ⅲ类水水质标准。2017年有93.75%为Ⅳ类水，有6.25%为Ⅴ类水；2018年有75%为Ⅳ类水，有25%为Ⅴ类水，水质较差。

加拿大水质指数法的评价结果显示：水质普遍较好，都符合地表水Ⅲ类水质标准。2017年有18.75%为中等，81.25%为良好；2018年有50%为中等，50%为良好，水质中等。

表5 2017年水质评价结果Tab.5 the water quality evaluation results of 2017

续表5

表6 2018年水质评价结果Tab.6 the water quality evaluation results of 2018

2.4 等标水质分析

将四种方法转化为同一尺度和统一单位进行比较，计算其等标水质评价指数，结果对比见表7、表8。结合表7、表8，超过100%的数据说明污染程度更为严重，已然超出平均水平。等标水质分析结果显示：单因子评价法的结果很不稳定，极差很大，各年份各断面污染情况也有所差异。2017年段家塘断面的污染情况最严重，其次是众志桥、双河口、玉峡渡口，2018年众志桥断面的污染情况最严重，其次是段家塘、双河口、玉峡渡口。因为以最差的指标为决定性因素，所以该方法的评价结果整体要偏差一些；内梅罗污染指数法2017年和2018年各断面污染情况和单因子评价法的评价结果一致。

综合指数法2017年和2018年的评价结果较为稳定，除玉峡渡口外的其余三个断面评价结果相对一致，玉峡渡口的水质情况更好一些。加拿大水质指数法评价结果相对稳定，不同年份不同断面的等标水质值差距不大，属于正常的波动，相比较前三种方法而言，加拿大水质指数的评价结果整体偏优一些。

各个断面水质也有一定差异，2017年段家塘断面和2018年段家塘、众志桥断面水质相比其他断面都要差一些，反映出该断面水质污染情况更加严重，可能和地理位置以及当地居民生活习惯有关。

总体而言，通过和实测水质数据超标情况进行对比，以上四种方法按准确度从大到小排，大致比较结果为：综合指数法>内梅罗污染指数法>加拿大水质指数法>单因子评价法。

表7 2017年水质评价方法对比Tab.7 the comparison of water quality evaluation methods of 2017 (%)

表8 2018年水质评价方法对比Tab.8 the comparison of water quality evaluation methods of 2018 (%)

3 结 论

综上，单因子评价法更适合评价水质优劣情况较平均的流域，以此可以减少最差指标对评价结果的影响。综合指数评价法是最适合小流域水质评价的，其结果为小流域水质评价方法选择提供了借鉴。内梅罗污染指数法的评价结果分布略平均，各断面2017年和2018年的水质均为Ⅳ、Ⅴ类。加拿大水质指数法的结果偏优一些，更加适合大型河流或者流域，评价指标和实测数据较多的地区，从而可以提高评价的准确度。