改进内梅罗污染指数法在河道水质评价中的应用

2022-10-18陈天池卞唯嘉陈慧敏

供水技术 2022年4期

陈天池，李昂，卞唯嘉，陈慧敏

(徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州221111)

水质评价是合理开发利用和保护水资源的一项基本工作。只有对河流做出具体科学的分析监测，才能掌握水资源的现状和未来的发展趋势。目前水质评价采用的主要方法有单因子评价法[1]、污染指数法、模糊综合评价法[2]、灰色系统评价法[3]、BP神经网络评价法[4]等。内梅罗污染指数法因运算简单，概念清晰，成为当前国内外进行综合污染指数计算的最常用方法之一。但此方法存在过于突出分指数最大因子对水质的影响，且未考虑各污染因子权重的缺点[5]。改进的内梅罗指数法引入权重值的概念，能够考虑到毒性重金属的积累效应对生物链的影响，提高毒理性指标的影响，在一定程度上削弱了极大值的影响[6]。本文采用改进的内梅罗污染指数法对河道进行水质评价，以更科学地反映水质受污染状况，掌握真实的水质变化情况并为采取相关的水体污染防治措施提供参考依据，推动经济社会的持续发展以及生态环境的保护。

1 区域概况与基础数据

1.1 区域概述

某市汇水流域内河道监测断面位置如图1所示，共设置了8个水质监测断面，河道的水流方向为自西向东。该区域内沟壑纵横，水系发达。目前，西部主要为城市建成区，建成区面积约为30.42 km2，开发强度较大。东部主要为农田、林地，其中农田面积约为40.55 km2，林地面积为5.18 km2。区域内地面高程在28～318 m之间，地势整体较为平坦，中间较低，西北部较高。

图1 监测断面位置Fig.1 Position of monitoring section

1.2 基础数据

各监测断面五日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和总磷(TP)监测数据如表1所示。

表1 2019年1—9月各断面水质监测数据Tab.1 Water quality monitoring data of each section from January to September 2019 mg·L-1

续表1 (Continue)

2 地表水质量评价体系的建立

2.1 污染等级的划分

以BOD5、COD、NH3-N、TP这4项污染因子作为评价指标，选择《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[7]将水质分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类5个等级，并以Ⅲ类水体标准限值作为评价标准，如表2所示。

表2 地表水环境质量分级标准Tab.2 Classification standard for surface water environmental quality mg·L-1

2.2 评价方法

2.2.1改进的内梅罗污染指数法

受自身算法的限制, 内梅罗指数的评价结果特别突出了超标最严重的指标影响, 尤其是在评价指标较多且仅有个别指标超标的情况下, 占多数的低浓度指标对评价结果影响有限[8-9]。改进的内梅罗指数法考虑到各污染因子在水体中作用的综合性和差异性，能更加合理地进行水质综合评价。权重计算公式为：

(1)

Rj=ymax/yj

(2)

式中，ωj为第j个污染因子的权重值；n为污染因子的个数；ymax为n个污染因子计算标准的最大值；yj为第j个污染因子的计算标准。利用式(1)、式(2)分别计算得出4个评价指标的权重值，如表3所示。

表3 各污染因子的权重值Tab.3 Weight values of each pollution factor

由表3可以看出，TP的权重值最大，则认为TP对河道水质评价体系的影响最大，权重占整个评价体系的79.4%。

改进的内梅罗污染指数法公式为：

Ej=gj/yj

(3)

(4)

(5)

根据表2得出改进的内梅罗综合指数P′与水质的关系如表4所示。

表4 改进的内梅罗指数划分的水质级别Tab.4 Classification of water quality by improved Nemerow index

续表4 (Continue)

3 评价结果

3.1 各断面的评价结果分析

由表5可知，根据改进内梅罗指数得到的8个监测断面的水质评价结果中仅有2#断面达到Ⅲ级水标准，水质良好，1#和7#断面为Ⅳ级水质，3#、4#、5#、6#和8#断面污染严重，均为Ⅴ级水。结合水质评价结果和对流域拉网式的调查结果，分析认为造成水体污染的可能原因如下：

① 断面4#、6#和8#位于主城区，虽然城区管网为雨污分流制，但雨污水混接现象比较普遍，造成雨水管道内有污水流出。部分农贸市场垃圾未集中收集，缺乏管理，存在垃圾随雨水进入排水管道的情况。污水处理厂采用高水位运行，污水管网内水位抬高，污水漫过溢流堰进入水体。

② 3#、5#断面处于河道下游，沿线为农村地区，河道内围网养殖及河道两岸禽畜养殖众多，存在养殖废水直排现象。由于闸坝控制，水体整体流动性差，上游污染来水难以自净。

③ 1#、2#断面所处河道属于运河，流量较大，此外该处位于城市郊区，两岸植被繁茂，无外排污水进入，因此水体水质相对较好。7#断面处为城市景观水体，为了避免上游来水的污染，河道上游设有截污干管将上游来水直接引入下游，因此该处水体水质相对优于6#断面。

表5 各断面改进的内梅罗污染指数及水质评价结果Tab.5 Improved Nemerow pollution index and water quality evaluation results of each section

续表5 (Continue)

3.2 丰、枯变化分析

为了进一步分析河道的水质变化情况，将1—2月作为枯水期，4—5月作为平水期，7—8月作为丰水期，将每2个月的4项污染因子的实测值进行算术平均，计算出改进的内梅罗指数。对各期改进的内梅罗污染指数变化规律进行分析，结果见图2。丰水期内，4#、5#、6#和8#断面的内梅罗污染指数值明显低于平水期或枯水期，说明丰水期降雨径流增大，大量雨水进入河道后，水体中的污染物会被不断稀释、扩散、分解破坏或沉入水底。

图2 三个时期的内梅罗污染指数Fig.2 Nemerow index in three periods

3.3 传统和改进内梅罗污染指数的对比

由表6可知，传统的内梅罗污染指数法评价的8个断面中达到Ⅳ级水体的断面有2个，占参评断面个数的25%；改进后的内梅罗污染指数法评价中达到Ⅳ级水体的断面有3个，占参评断面的37.5%。2#断面和7#断面评价结果不一致，这是因为传统内梅罗指数法特别强调浓度大的污染物的污染能力(如COD)，但是未考虑COD在评价体系中所占的权重值；而改进后的内梅罗污染指数法将权重值纳入计算范畴内，COD的权重值仅占整个评价体系权重的0.8%，在一定程度上削减了其影响与作用，结果更加客观、可信。