印度尼西亞布蘭塔斯河的水質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)

[印尼] M.A.福拉扎基

毛紅梅 摘譯自荷刊《水資源管理》2009年第6期

水資源管理旨在開發(fā)利用水資源時(shí)水質(zhì)水量均能得到保障。水質(zhì)惡化會(huì)降低下游水資源利用能力。根據(jù)水資源改革框架,2001年,印度尼西亞政府頒布了關(guān)于水質(zhì)管理與水污染控制第82號(hào)政府條例(PP NO.8/2001)。該條例是國(guó)家級(jí)、省級(jí)、流域級(jí)相關(guān)機(jī)構(gòu)管理者、執(zhí)行者在水質(zhì)管理中應(yīng)遵循的全國(guó)性指南。目前河流污染的問題,是根據(jù)國(guó)家政策法規(guī)進(jìn)行處理的。然而,由于全國(guó)范圍的河流存在地域條件的差異,國(guó)家政策法規(guī)確立的目標(biāo)并不完全適合。因此,盡管該條例和其他相關(guān)法律法規(guī)以及國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)劃分等技術(shù)要求在水質(zhì)管理中都發(fā)揮作用,但在應(yīng)用于特定流域水質(zhì)管理時(shí),其可操作性不強(qiáng)。因此,有必要根據(jù)各個(gè)流域的自身特點(diǎn),制定適宜的操作指南。

河流水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有很多,水質(zhì)指數(shù)(WQI)是對(duì)地表水分類的標(biāo)準(zhǔn)方法,它所使用的是標(biāo)準(zhǔn)的水體特征參數(shù)。由于政策的目的性與方法不同,不同國(guó)家常常采用不同的技術(shù)手段。但是要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為反映河流實(shí)際情況的信息,必須采用最合適的技術(shù)手段對(duì)所有觀測(cè)參數(shù)進(jìn)行分析。

水質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)(WQES)是響應(yīng)市場(chǎng)對(duì)水質(zhì)級(jí)別的需要而建立的,賦予了與河流實(shí)際水質(zhì)一致的水質(zhì)級(jí)別及水適宜性級(jí)別。該方法考慮了水質(zhì)的時(shí)空變化。WQES用來評(píng)估河流水質(zhì)狀況,識(shí)別某個(gè)級(jí)別的水所適宜的用途及生態(tài)系統(tǒng),它是水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的模型方法。前人研究表明,模型方法可以用來預(yù)測(cè)流域水質(zhì)管理規(guī)劃的效果,模型也能為水質(zhì)改善提出不同程度的處理建議。應(yīng)用樣本集合方法,WQES通過對(duì)不同指標(biāo)進(jìn)行分類,可以確定水質(zhì)狀況及不同用水的潛能。每個(gè)指標(biāo)都有閾值,表征水質(zhì)受影響的臨界值。解讀這些指標(biāo),首先需通過選擇水質(zhì)變化最差的參數(shù)來表示水質(zhì)的狀況和水質(zhì)潛能,然后以最差的變化表示監(jiān)測(cè)站水質(zhì)的實(shí)際情況。確定水質(zhì)狀況時(shí),必須考慮所有的觀測(cè)參數(shù),但分析水質(zhì)潛能時(shí),則只需關(guān)注相關(guān)參數(shù)。WQES的評(píng)價(jià)結(jié)果需要考慮水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo),其測(cè)定的首選方法是基于當(dāng)?shù)靥囟l件而制定的。系統(tǒng)科學(xué)地分析水質(zhì)數(shù)據(jù)并解讀真實(shí)信息,即為決策支持系統(tǒng)(DSS)。獲得準(zhǔn)確的信息有利于決策者制定適合地方的水質(zhì)評(píng)價(jià)及管理政策和指南,并告誡用水者明智地分配水權(quán)。

本研究的目的在于:

(1)評(píng)價(jià)布蘭塔斯河水質(zhì)狀況,并向當(dāng)?shù)毓芾聿块T提出優(yōu)先采取措施的建議;

(2)識(shí)別不同目的用水及河流生態(tài)系統(tǒng)的適宜性,以對(duì)供水發(fā)出預(yù)警并向當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)政府部門提出改善水質(zhì)的建議。

1 運(yùn)用 WQES評(píng)價(jià)河流水質(zhì)

WQES是水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理過程中的一個(gè)環(huán)節(jié),目的在于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為信息。由于水質(zhì)數(shù)據(jù)可能因?qū)＜业慕?jīng)歷與學(xué)識(shí)不同而有不同的解釋,因此使水質(zhì)數(shù)據(jù)的解釋變成可疑而不確定的信息。交互式模糊多目標(biāo)線性規(guī)劃模型(IFMOLP)被用來模擬污染負(fù)荷效能的分配,在模擬用更富有彈性的政策來管理更為復(fù)雜流域時(shí),結(jié)果令人滿意。WQES是面向?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)為信息的操作程序標(biāo)準(zhǔn)(OPS)。WQES能提供兩類信息:水質(zhì)狀況和不同目的用水及生態(tài)系統(tǒng)的水適宜性。

WQES的意義,首先是用來評(píng)價(jià)河流水質(zhì)的惡化狀況,從而給當(dāng)?shù)卣峁┧|(zhì)管理技術(shù)支撐。水質(zhì)狀況常用 WQI表示。盡管其內(nèi)涵有所不同,WQI曾被用來評(píng)估墨西哥里奧萊爾馬(Lerma)河流域 25 a水質(zhì)的時(shí)空變化。其次,是用來識(shí)別不同目的用水以及生態(tài)系統(tǒng)的適宜性,即水質(zhì)潛能(WQA)。此信息對(duì)合理配置水資源,滿足農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、牲畜飲水等要求,以及地方政府應(yīng)急處置水問題,優(yōu)先采取適宜的措施等非常有用。

1.1 WQES評(píng)價(jià)步驟

按以下步驟,運(yùn)用 WQES評(píng)價(jià)河流水質(zhì)。

(1)將水質(zhì)參數(shù)分成 15類,分類原則是參數(shù)相似特性及其對(duì)環(huán)境的影響。

(2)對(duì)每個(gè)水質(zhì)參數(shù)定義并分成 5級(jí)臨界值,即藍(lán)、綠、黃、橙、紅色,分別表示水質(zhì)非常好、好 、一般、差和嚴(yán)重污染(完全不能利用)。

(3)根據(jù)水質(zhì)惡化程度,對(duì)應(yīng)相應(yīng)的水質(zhì)指數(shù)WQI及其級(jí)別,5級(jí)的指數(shù)值范圍為 0～20,大于 4級(jí)的指數(shù)值范圍為 20～40,3級(jí)指數(shù)為 40～60,2級(jí)指數(shù)為 60～80,1級(jí)指數(shù)為 80～100;相應(yīng)形成不同目的用水及其水生態(tài)系統(tǒng)的水質(zhì)潛能,即水質(zhì)潛能從最適合到不適合利用之間。

(4)對(duì)每個(gè)參數(shù)值進(jìn)行評(píng)估,并將水質(zhì)狀態(tài)分成 WQI相應(yīng)的級(jí)別,或者將不同目的的用水及其生態(tài)系統(tǒng)的適宜性分成相應(yīng)級(jí)別的 WQA。

(5)驗(yàn)證參數(shù)中水質(zhì)最差的級(jí)別,即代表該類水質(zhì)。

(6)識(shí)別水質(zhì)最差的級(jí)別,并代表水質(zhì)狀態(tài)WQI或者不同目的用水及其生態(tài)系統(tǒng)(水生生物)的水適宜性的水質(zhì)潛能。

為進(jìn)行 WQI和 WQA級(jí)別的評(píng)價(jià),將 151個(gè)水質(zhì)參數(shù)分成 15類,分類依據(jù)是其相似特性和對(duì)環(huán)境的影響。這 15類分別是:有機(jī)氧化物、氮化物、氨氮 、磷化物 、懸浮物 、色度 、水溫 、礦化度 、酸度 、微生物、浮游植物、原水中礦化微量污染物、苔蘚植物中的金屬含量、污水中殺蟲劑、污水中非殺蟲劑類的有機(jī)微污染物。研究了評(píng)估 WQI的有機(jī)氧化物的相關(guān)參數(shù),并評(píng)估了飲用水 WQA的懸浮物的相關(guān)參數(shù)。

WQI分為 5個(gè)連續(xù)的級(jí)別,分別用指數(shù) 1、指數(shù)2、指數(shù) 3、指數(shù) 4、指數(shù) 5表示。

(1)指數(shù) 1表示水體未受到污染,水質(zhì)非常好;

(2)指數(shù) 2表示河水水質(zhì)好;

(3)指數(shù) 3表示河水水質(zhì)一般;

(4)指數(shù) 4表示河水水質(zhì)差;

(5)指數(shù) 5表示水體污染很嚴(yán)重,不能被利用。

WQA被確定為評(píng)估不同目的用水的適宜性以及水污染對(duì)生物多樣性的影響。生物體功能具有潛在的適應(yīng)性,當(dāng)棲息地的水文和地形條件較好時(shí),水生生物能適宜其生境。金屬、有機(jī)物等污染物會(huì)對(duì)生物多樣性及底泥產(chǎn)生影響。例如,盡管水生植物根部的金屬濃度高,但由于根部的生物量?jī)H占底泥總生物量的一小部分,因此濕生土壤中大部分金屬含量是與底泥相關(guān)的。定義了 5種適宜性級(jí)別,表示包括對(duì)污染最敏感的物種消失至生物群落結(jié)構(gòu)逐步改善的過程。

確定飲用水的適宜性級(jí)別依賴于:

(1)相關(guān)法規(guī),首要任務(wù)是明確適宜用水的級(jí)別閾值,不適合作為飲用水水源的級(jí)別閾值。

(2)生產(chǎn)者和供應(yīng)者確定對(duì)污水是采取簡(jiǎn)單處理還是復(fù)雜處理的意見。可將適宜性級(jí)別分為 5級(jí)。

休閑及水上運(yùn)動(dòng)用水主要是在人類可直接接觸的水域,相關(guān)法律規(guī)定的閾值也主要與水的濁度和微生物有關(guān)。對(duì)娛樂和水上運(yùn)動(dòng)用水,定義了 3個(gè)適宜性級(jí)別。

定義灌溉用水的適宜性的主要因素是:土壤結(jié)構(gòu)、灌溉作物、灌溉頻率和持續(xù)時(shí)間。按作物的敏感性,可分為 4類,即從非常敏感到完全不敏感。作物分類常常因參數(shù)不同而有所不同,也就是說每種作物的類型不同,其組成也是不同的。例如,土壤和植物中的砷含量受到灌溉水中的含砷量大小的影響。同時(shí)還要考慮土壤的類型,可將其分為 2個(gè)有所重疊的類別:

(1)包含敏感性極強(qiáng)的所有土壤;

(2)中性或堿性土壤。

牲畜飲水為適宜養(yǎng)殖動(dòng)物飲用的水。其類型劃分因素為 3個(gè)年齡級(jí)別和敏感性,即:

(1)小雞、豬崽、牛仔等年幼動(dòng)物,由于生長(zhǎng)快,對(duì)所有污染物都很敏感;

(2)生長(zhǎng)較慢不太敏感的成年動(dòng)物;

(3)孕期動(dòng)物,這些動(dòng)物在懷孕及哺乳期對(duì)水質(zhì)的要求較高。

對(duì)于牲畜飲水,水必須是可以使用且對(duì)養(yǎng)殖戶來說必須是能立即使用的,如果水是不能使用的,他們會(huì)轉(zhuǎn)向供水公司。確定了 3個(gè)可供牲畜飲水的適宜性級(jí)別。

河流水產(chǎn)養(yǎng)殖適宜性主要是針對(duì)魚類養(yǎng)殖而言。進(jìn)行高密度的魚類養(yǎng)殖時(shí),水質(zhì)是影響產(chǎn)量的主要因素,特別是三文魚養(yǎng)殖。通過物理化學(xué)變化,水?dāng)y帶氧氣,可以降解污染物,調(diào)節(jié)產(chǎn)量。確定了 3個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖的適宜性級(jí)別。

1.2 WQI和 WQA確定方法

WQES首先是對(duì)某一時(shí)期的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。但由于原始數(shù)據(jù)的時(shí)空變化會(huì)影響對(duì)其解讀,因此有必要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查,以便從多次測(cè)量數(shù)據(jù)中獲得有效數(shù)據(jù)。可以使用集合方法,隨機(jī)選擇所有樣本進(jìn)行水污染程度的評(píng)價(jià)。樣本集合方法的目的在于產(chǎn)生對(duì)緊急情況下水質(zhì)或適宜性的評(píng)價(jià),但并不考慮例外情況。因此要保留會(huì)產(chǎn)生最壞適宜性或最差水質(zhì)的樣本,而這種樣本在觀察結(jié)果中至少占近 10%的比重,這就是所謂的 90%法則。該法則規(guī)定將每類保留觀測(cè)期內(nèi) 90%的數(shù)據(jù),用來作為描述適宜性的級(jí)別、水質(zhì)級(jí)別和水質(zhì)指數(shù)。該法則適用于除懸浮物外的所有參數(shù)。

每個(gè)參數(shù)的 WQI和 WQA的每個(gè)級(jí)別都有閾值。水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí),應(yīng)選擇每類中水質(zhì)最差的參數(shù),以表示其相關(guān)類的 WQI和 WQA。由于綜合分析方法要涵蓋所有測(cè)量參數(shù),因而可作為普遍適用的操作程序標(biāo)準(zhǔn)(OPS),為全國(guó)和當(dāng)?shù)卣叩膶?shí)施以及水質(zhì)管理目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供支持。一旦理解水質(zhì)狀態(tài)和對(duì)不同用水的水適宜性,就可以提出改善水質(zhì)并警示用水者的相關(guān)建議。

2 運(yùn)用 WQES評(píng)價(jià)布蘭塔斯河的水質(zhì)

本文對(duì)布蘭塔斯河沿岸 5個(gè)站 2005年監(jiān)測(cè)的1136個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該數(shù)據(jù)來源于杰薩蒂爾塔第一公共服務(wù)公司(PJT1)的年報(bào)。由于該資料未包含所有參數(shù),只能按 11個(gè)類別對(duì)布蘭塔斯河的水質(zhì)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為信息,要考慮更多的參數(shù),從而才可以得到更細(xì)致的解讀。根據(jù) 90%法則篩查完數(shù)據(jù)后,運(yùn)用 WQES評(píng)價(jià)布蘭塔斯河河水的 WQI和 WQA級(jí)別,計(jì)算公式如下:

式中 i是需用于分析的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);N是數(shù)據(jù)總數(shù);F是0.9(百分比)或能用于評(píng)估的數(shù)據(jù)總數(shù)的 90%。

例如,按 90%法則或 F=0.9,第0160站克東皮達(dá)林安(Kedung Pedaringan)2005年進(jìn)行的9次觀測(cè)中收集的化學(xué)需氧量(COD)數(shù)據(jù)總數(shù)是 9。按上述公式計(jì)算出 i值為8.6,接近數(shù)據(jù)總數(shù) 9,因此需保留所有的COD數(shù)據(jù)。COD值在指數(shù) 4的閾值范圍,證實(shí)了有機(jī)氧化物 WQI值為 4,是由于其類別中的 7個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表示水質(zhì)最差。由于該站的懸浮物和礦化微污染物的最差 WQI是位于指數(shù) 5的閾值內(nèi),表明該斷面 WQI是 5級(jí)。

評(píng)價(jià)懸浮物類別時(shí)采用 50%保留法則,可避免降雨事件剛發(fā)生后的水質(zhì)定性。降雨事件這種情況是很常見的,發(fā)生率高于 10%。公式如下:

由于布蘭塔斯河水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量巨大,故需要采用這些法則。1987年以來,PJT1負(fù)責(zé)布蘭塔斯河流域的水質(zhì)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)站點(diǎn)共有 51個(gè)。

布蘭塔斯河流域 5個(gè)監(jiān)測(cè)站的評(píng)價(jià)水質(zhì)狀態(tài)的參數(shù)個(gè)數(shù)分別為 28、22、25、26、25,評(píng)價(jià)水質(zhì)潛能的參數(shù)個(gè)數(shù)分別為 26、20、23、24、23。由于缺少色度、微生物、污水中殺蟲劑、污水中非殺蟲劑類的有機(jī)微污染物等 4類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),本文未能對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 布蘭塔斯河研究站的 WQI

根據(jù) 2005年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),表明所有研究站均受到高程度的懸浮物及礦化物的污染。河流中懸浮物濃度高是因?yàn)樗亮魇г斐傻?尤其是流域上游,說明耕地和森林的退化。導(dǎo)致這種狀況的原因是1998年以來,一些合法和不合法的伐木以及改變土地利用的情況一直在持續(xù)增加。河水中銅和汞的高濃度可能是由于工業(yè)廢水或火山爆發(fā)所引起的。水生態(tài)系統(tǒng)中沉積的汞很難被生物體吸收。水體中汞的含量不是固定不變的,它受流域匯入水的影響,可能會(huì)隨時(shí)間的變化而發(fā)生劇烈變化。然而,與金屬高濃度有關(guān)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要是耕地、園地、改良的草地及居民區(qū),這些區(qū)域的土壤中金屬含量增加更快。金屬的分布及污染源與土壤特性之間的平衡引起的風(fēng)險(xiǎn)具有性命攸關(guān)的影響。結(jié)合金屬對(duì)環(huán)境影響的已有研究成果,本文建議有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究,以識(shí)別布蘭塔斯河的污染源及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。

5個(gè)監(jiān)測(cè)站中有 3個(gè)監(jiān)測(cè)站發(fā)現(xiàn)磷的含量較高。布蘭塔斯河下游水中的有機(jī)物含量有上升的趨勢(shì)。在工業(yè)相對(duì)集中的佩爾寧(Perning)監(jiān)測(cè)站,發(fā)現(xiàn)氨氮含量高。顯然,要提高布蘭塔斯河的水質(zhì),需優(yōu)先改善懸浮物和無機(jī)微污染物兩項(xiàng)指標(biāo)。也就是說,首先必須解決森林和土地退化以及工業(yè)廢水的排放問題。在水質(zhì)得到改善以后,再著手降低生活污水的污染負(fù)荷。

2.2 布蘭塔斯河研究站的 WQA

(1)水生態(tài)系統(tǒng)的適宜性。因污染負(fù)荷高,流域面臨物種多樣性降低的問題,已有研究表明,需結(jié)合生態(tài)功能評(píng)估河流的生態(tài)完整性。上述分析研究表明,布蘭塔斯河下游 5個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站中有 2個(gè)站的水質(zhì) WQA屬于水體污染很嚴(yán)重而不能利用的級(jí)別,表明其水質(zhì)已不能支撐水生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。也就是說,敏感物種的數(shù)量會(huì)急劇減少,甚至滅絕,物種多樣性低。另外的 3個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的水質(zhì)屬于水質(zhì)差的級(jí)別,說明敏感物種的數(shù)量以及物種的多樣性會(huì)減少。

(2)飲用水的適宜性。目前,泗水(Surabaya)市政府在恩加格爾(Ngagel)出資建設(shè)的供水公司還在運(yùn)行,但根據(jù)分析研究結(jié)果,其 WQA為水體污染很嚴(yán)重,屬不能利用的級(jí)別,表明已不適于作為飲用水水源。有 1個(gè)監(jiān)測(cè)站即普洛索(Ploso)站的 WQA為河水水質(zhì)差,但其上游水作為飲用水水源是可行的。建議在飲用水生產(chǎn)時(shí)要采用先進(jìn)的凈水技術(shù)。

(3)休閑運(yùn)動(dòng)用水的適宜性。本次研究雖未對(duì)布蘭塔斯河流域所有 51個(gè)監(jiān)測(cè)站的資料進(jìn)行分析,但是從 5個(gè)研究站點(diǎn)的水質(zhì)評(píng)價(jià)來看,WQA都屬于水體污染很嚴(yán)重而不能利用的級(jí)別,表明河水不能用于休閑和運(yùn)動(dòng)。

(4)灌溉用水的適宜性。從以上數(shù)據(jù)分析來看,5個(gè)水體監(jiān)測(cè)站的 WQA都屬于水體未受到污染,水質(zhì)非常好的級(jí)別。說明布蘭塔斯河的河水適合作為灌溉用水水源,特別是適合該地區(qū)占主導(dǎo)產(chǎn)品地位的稻田的灌溉。不幸的是,灌溉后的回水通常會(huì)回流到河流中。如法國(guó)的伊勒卡馬格(Ile de Camague)的稻田回排水,攜帶有大量溶解性的殺蟲劑,流進(jìn)了包括河流在內(nèi)的濕地中。

(5)牲畜飲水適宜性。根據(jù)前述,WQA屬于河水水質(zhì)一般級(jí)別,說明布蘭塔斯河河水作為牛羊等成年牲畜飲用水水源時(shí),需要對(duì)用水水質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

(6)水產(chǎn)養(yǎng)殖的適宜性。根據(jù)上述對(duì)水質(zhì)的分析評(píng)價(jià)結(jié)果,布蘭塔斯河流域下游地區(qū) WQA屬于水體污染很嚴(yán)重而不能被利用的級(jí)別,說明已不適合直接用于水產(chǎn)養(yǎng)殖,但是普洛索監(jiān)測(cè)站的上游地區(qū)的水目前還能適宜于對(duì)污染不敏感的成年魚類的養(yǎng)殖。

3 結(jié) 語(yǔ)

將 WQES用來評(píng)價(jià)布蘭塔斯河水質(zhì)現(xiàn)狀以及對(duì)不同用戶及河流生態(tài)系統(tǒng)的適宜性。用 WQI表示水質(zhì)惡化的總體水平,發(fā)現(xiàn)處于非常差的級(jí)別。為了解決水體污染問題,本文建議當(dāng)?shù)卣跋嚓P(guān)部門應(yīng)優(yōu)先處理以下 2個(gè)問題:

(1)在布蘭塔斯河流域,特別是其上游地區(qū),實(shí)施森林植被恢復(fù)和土地修復(fù)工程;

(2)采取持續(xù)措施減少工業(yè)廢水和生活污水負(fù)荷。

采用 WQA評(píng)價(jià)水的適宜情況:謹(jǐn)慎作為休閑運(yùn)動(dòng)用水,建議在普洛索水體監(jiān)測(cè)站的上游采取先進(jìn)的水處理技術(shù),下游的水不要作為飲用水源,應(yīng)嚴(yán)格限制牲畜飲水和水產(chǎn)養(yǎng)殖的水質(zhì)。布蘭塔斯河的水質(zhì)將導(dǎo)致流域,特別是下游地區(qū)的生物多樣性下降。應(yīng)強(qiáng)化公眾參與地表水的管理,從而實(shí)現(xiàn)全局性與可持續(xù)性的水管理決策過程。當(dāng)?shù)卣约捌渌嚓P(guān)利益各方應(yīng)該一起參與改善布蘭塔斯河水質(zhì)的行動(dòng)。