基于綜合水質標識指數法的石佛寺水庫水質評價與分析

單志朋

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽110003)

水體的水質狀況往往受諸多因素影響，所以有必要對水體受污染程度及影響水質級別的污染物質進行綜合評價分析。國內對于水質評價的研究方法頗多，具有代表性的方法如可確定性的單因子指數法、污染指數法，不可確定性的層次分析法、灰色評價法[1]。本文選擇的評價方法是基于單因子指數法優(yōu)化而建立的綜合水質標識指數法，本方法是由Brownd[2]提出的通過計算水質標識指數的水質質量指數法(WQI)[3]，避免了因個別水質污染指標較差而否定了綜合水質質量，科學涵蓋了水體的綜合水質類別、水體污染程度和水質變化趨勢分析，即可作定性分析，又可作定量評價，且評價結果直觀合理，具有可參考性[4]，在中國針對河流的水質評價中應用較廣泛。

本文主要以石佛寺水庫為研究對象，通過搜集濕地進、出口的水質監(jiān)測數據，利用綜合水質標識指數法進行水質評價，明確當前水環(huán)境存在的問題，為接下來石佛寺水庫的濕地建設管理提供可行性的參考與建議。

1 研究區(qū)概況與監(jiān)測點布設

1.1 研究區(qū)概況

石佛寺水庫亦稱石佛寺人工濕地。水庫建設在遼寧省沈陽市沈北新區(qū)黃家鄉(xiāng)與法庫縣依牛堡鄉(xiāng)之間[5]，距離沈陽市區(qū)約47 km，為典型的河道型平原水庫，屬于遼河干流上唯一的一座大型控制性綜合水利工程[6]。壩址以上流域面積164 786 km2，其中遼寧省內流域面積16 161 km2。庫區(qū)淹沒范圍為50.41 km2，回水長度21.17 km。

石佛寺人工濕地于2009年在石佛寺水庫的基礎上建設而成，自2009年實施生態(tài)建設工程起，有效改善了遼河中下游地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量。經過調查，除已栽植的3種水生植物外(荷花、蘆葦和蒲草)，又生長了許多濕地植物種類，包括挺水植物、沉水植物、浮葉植物和漂浮植物[7]，良好的濕地生態(tài)環(huán)境使得許多水鳥與珍稀野生動物在此生長繁衍，已構成以“人與自然和諧相處”為理念的濕地生態(tài)系統(tǒng)。

石佛寺水庫庫區(qū)整體可作為一個大型人工濕地考慮。它是遼河自然保護區(qū)的重要濕地，作為東北地區(qū)大型表面流人工濕地[8]，它與盤錦雙臺子河口濕地、鐵嶺蓮花湖濕地一起構成了保護區(qū)內的重要濕地系統(tǒng)，在改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著不可替代的作用，而且作為水利風景區(qū)有著獨特的濕地景觀。

1.2 監(jiān)測點布設

為了更客觀地評價濕地整體水質狀況，本次監(jiān)測點的布設選在濕地進口和出口處，這樣便于分析水體在通過濕地后水質是否得到凈化改善。監(jiān)測點布設見圖1，其中測點1為濕地進口，水流在通過濕地蘆葦區(qū)、荷花區(qū)等區(qū)域后到達濕地出口，即測點2。為減小誤差，使數據更準確，對每個監(jiān)測點同時取3個水樣，通過求平均值的方式作為最終獲得水質評價的基礎數據。數據的處理：將2009—2015年測點1和測點2各年的逐月水質監(jiān)測數據劃分為汛期(6—9月份)和非汛期(1—5月、10—12月)2個時間段，這樣可以對比分析水質與天然徑流、植物枯萎等因素的關系。監(jiān)測指標有溶解氧(DO)、化學需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(CODMn)、總磷(TP)、總氮(TN)。

2 綜合水質標識指數法

2.1 確定評價指標標準

本文所利用的綜合水質標識指數法中參考的標準均來自于國家規(guī)定的GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》，標準中將各污染指標的參數值作為評判水質優(yōu)劣的5個等級。各評價指標標準值見表1。

表1 各評價指標標準值 mg/L

2.2 確定單因子水質標識指數

單因子水質標識指數[9]Pi是由一位整數和小數點后兩位有效數字構成，可表示為式(1)：

Pi=X1·X2X3

(1)

式中X1——第i項水質監(jiān)測指標對應的水質類別；X2——水質監(jiān)測數據在X1類水質變化區(qū)間中所代表的位置，具體符號意義見圖2；X3——該水質類別是否劣于水環(huán)境功能區(qū)標準類別的判定結果[10]。

式(1)中X2的取值由所處水質級別同《地表水環(huán)境質量標準》中Ⅴ類水質標準相比較來確定。

a) 當水質優(yōu)于Ⅴ類水上限值時，非溶解氧指標用式(2)表示：

(2)

式中ρi——第i項指標的實測濃度值；ρik上、ρik下——第i項水質指標的第k類水區(qū)間質量濃度上限值與下限值，其中，k=X1。

由于DO的質量濃度隨水質類別數的增加而減少，因此在計算方法上與其他指標有所差異。具體見式(3):

(3)

式中ρDO——DO的實測濃度值；ρDOk上、ρDOk下——DO在第k類水區(qū)間質量濃度的上限值與下限值，其中，k=X1。

b) 當水質劣于或等于Ⅴ類水上限值時，對于非溶解氧指標中X1·X2的確定表示為式(4)：

(4)

對于DO指標X1·X2可表示為式(5)：

(5)

式中m——修正系數，通常取m=4。

X3的取值標準可分為如下3種形式。

a) 當所處水質級別優(yōu)于規(guī)定的水功能區(qū)類別標準時，X3=0(石佛寺水庫水功能區(qū)類別為Ⅲ類水)。

b) 當所處水質級別劣于規(guī)定的水功能區(qū)類別標準，且X2不為0時，則有：

X3=X1-f

(6)

c) 當所處水質級別劣于規(guī)定的水功能區(qū)類別標準，且X2為0時，則有：

X3=X1-f-1

(7)

式中f——水功能區(qū)類別標準，由于石佛寺水庫水功能區(qū)類別為Ⅲ類水，所以f取3。

2.3 確定綜合水質標識指數WQI

綜合水質標識指數WQI是基于單因子水質標識指數而組成的，見式(8):

WQI=X1·X2X3X4

(8)

式中X1·X2——求得各監(jiān)測指標單因子水質標識指數總和的平均值，用式(9)表示；X3——參與水質評價的各監(jiān)測指標中，劣于水環(huán)境功能區(qū)目標標準的單項指標個數[11]，功能區(qū)目標標準值參照表2。

(9)

式中m——參評水質評價指標的個數；P1、P2——單因子水質標識指數。

式(8)中X4為監(jiān)測區(qū)綜合水質類別對水體功能區(qū)類別標準的比較結果[12]，綜合水質級別參照表2。

表2 綜合水質評價級別標準

X4的取值標準可分為如下3種形式。

a) 綜合水質級別優(yōu)于水體功能區(qū)標準類別標準時，則X4取0值。

b) 綜合水質級別劣于水體功能區(qū)標準類別標準時，且X2不為0時，則X4采用式(10)進行計算：

X4=X1-f

(10)

c) 綜合水質級別劣于水體功能區(qū)標準類別標準時，且X2為0時，則X4采用式(11)進行計算：

X4=X1-f-1

(11)

式中f——水功能區(qū)類別標準。

2.4 綜合水質定性評價

對照水體功能區(qū)類別標準，將水體中水質健康程度分為5級：優(yōu)、良好、輕度污染、中度污染、重度污染。依據水質定性評價標準表3，確定監(jiān)測區(qū)的綜合水質評價結果。

表3 水質定性評價依據

2.5 綜合水質類別隨時間變化評價

對石佛寺水庫各斷面在一定時間間隔內水質變化情況評價，可分為3類：基本不變、輕微變化、顯著變化。

a) 基本不變情況：

(12)

b) 輕微變化情況：

(13)

c) 顯著變化情況：

(14)

式中 (X1·X2)t1、(X1·X2)t2——該年內前后2個時間段的X1·X2值[13]。

3 評價結果與分析

由于石佛寺人工濕地建設于2009年，故評價數據選用2009—2015年濕地進口、出口處汛期與非汛期2個時段的監(jiān)測數據。依據中國GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》中水體污染因子類別，本文的參評指標選擇溶解氧(DO)、化學需氧量(CODCr)、五日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(CODMn)、總磷(TP)、總氮(TN)。

3.1 確定單因子水質標識指數

以石佛寺水庫2015年汛期濕地進口的氨氮為例進行計算，該項指標的實測值為0.24 mg/L，由于在標準中介于Ⅰ類水和Ⅱ類水之間，所以取X1=2，表示此項指標所代表的是Ⅱ類水；按式(2)計算得到X2=(0.24-0.15)×10/(0.5-0.15)=2.57 mg/L；由于氨氮所處的水質級別優(yōu)于規(guī)定的水功能區(qū)3類水質，所以X3=0；因此單因子水質標識指數Pi=X1·X2X2=2.3。以此類推，可算出其他監(jiān)測指標的單因子水質標識指數Pi，匯總得到表4。由單因子水質標識法的評價結果來看，水庫主要污染指標為TN和TP，其余各污染指標隨濕地的建設逐年得到降解。

表4 各監(jiān)測指標單因子水質標識指數匯總 mg/L

3.2 確定綜合水質標識指數WQI

以石佛寺水庫2015年汛期濕地進口為例進行計算，根據表5，各水質指標的單因子標識指數求得WQI，由式(9)可得：X1·X2=(1+3.9+3.8+2.8+2.3+6.22+2.9)/7=3.2；經與表2水環(huán)境標準值對比，監(jiān)測數據中有一項指標未達到水功能區(qū)Ⅲ類標準，所以X3=1；對照表3綜合水質評價級別標準可知，綜合水質級別達到標準要求，所以X4=0，故綜合水質標識指數WQI=3.210。以此類推，將2009—2015年各監(jiān)測斷面的綜合水質標識指數和綜合水質級別評價結果匯總得到表5。

表5 各斷面綜合水質標識指數、水質級別和定性評價結果

為了更清晰地體現各斷面在汛期與非汛期水質級別的變化趨勢情況，將表5中數據繪成圖。其中，黑色線范圍內表示水功能區(qū)所要求的3類水質級別，見圖3、4。

將表6中各綜合水質標識指數根據年份取對應平均值，可得到濕地整體水質隨時間變化趨勢情況，詳見圖5。

從表5可以看出，濕地汛期出口斷面水質級別總體維持在Ⅲ類水質標準，前兩年為Ⅱ類，由圖3可以看出，濕地在汛期時進口斷面的來水經過過濾、凈化的作用下，綜合水質標識指數大部分低于濕地進口，說明出口斷面的水質得到改善。但也有個別年份(2011、2012年)，出口的綜合水質標識指數卻不低于入口，分析原因是由于初期缺乏濕地管理經驗，未對死亡的蘆葦蒲草等加以收割管理，使污染物質反吸收加重凈化負荷。

由圖4可以看出，濕地在非汛期整體水質水平低于汛期，且基本都在Ⅲ類水質標準級別的邊緣，說明汛期濕地對水質的修復效果更好，原因如下：汛期時雨水量較充足，植物生長旺盛，微生物活躍，水體自凈能力強，在降雨徑流和植物凈化的雙重作用下也會提高水質的凈化能力；而非汛期由于得不到降水徑流的供給，冬季植物進入枯萎期凈化效果微弱。值得注意的是，2015年濕地汛期與非汛期2個時段的進、出口斷面水質雖都在標準水質級別范圍內，但2處斷面的水質情況基本保持不變，也就是說濕地對來水的過濾性與凈化性并未得到體現。

由圖5可以看出，濕地2009—2015年整體水質情況呈好轉趨勢，濕地對水質的凈化效果較好，且均符合Ⅲ類水質標準。雖然整體水質變化趨勢保持穩(wěn)定，但濕地現存的TN、TP含量超標的問題不得忽視。

3.3 綜合水質定性評價

以石佛寺水庫2015年汛期濕地進口為例進行計算，結合表3水質定性評價依據和表5中各時期的綜合水質標識指數可得：f取3，LWQ=3.210，其中X2=2不為0，這樣X1=f，定性評價結果為良好，以此類推，最終得出結論見表5。

3.4 綜合水質類別隨時間變化評價

從定性分析可以看出濕地自2009年的污染程度較高至2015年整體水質維持在良好水平，綜合水質呈逐漸變好趨勢。由圖3可看出，2009年的濕地汛期進口處為Ⅳ類水，經過濕地生態(tài)建設后2010—2015年水質均維持在Ⅲ類。結合式(12)—(14)，選擇3個時間段進行評價：2010年相較于2009年水質得到改善6.88%，為基本不變；2014年相較于2010年水質得到改善1.52%，為基本不變；2015年相較于2014年水質得到改善19.75%，為輕微變化。在2009—2010年的濕地汛期出口處為Ⅱ類水，2011—2015年水質保持在Ⅲ類，水質均符合要求。選擇2個時間段進行評價：2011年相較于2009年變化幅度為56.8%，為顯著變化，但仍維持在Ⅲ類標準水質；2014年相較于2011年水質得到改善3.06%，基本保持不變；2015年相較于2014年水質得到改善18.16%，為輕微變化。

由圖4可知在非汛期，2009年濕地進口處為劣Ⅴ類水，但不黑臭；2010年水質在Ⅴ類；2011—2013年水質基本維持在Ⅲ類；2014年水質稍有惡化達到Ⅳ類；2015年水質恢復為Ⅲ類。結合式(12)—(14)，選擇3個時間段進行評價：2011年相較于2009年水質得到改善36.23%，為顯著變化；2013年相較于2011年水質得到改善2.8%，處于基本不變；2015年相較于2013年得到改善2.62%，為基本不變。在濕地非汛期時期的出口處，在2009—2010年期間水質從Ⅴ類水變?yōu)棰箢愃粡?010—2012年期間水質變?yōu)棰纛悾粡?012—2015年水質級別從Ⅳ類變?yōu)棰箢悺＿x擇3個時間段進行評價：2010年相較于2009年水質得到改善33.7%，為顯著變化；2012年相較于2010年水質變化10.76%，為輕微變化；2015年相較于2012年水質得到改善12.05%，為輕微變化。

從圖5來看，水質從起初2009年的Ⅳ類水，經過不斷的恢復與處理，2015年較2009年水質改善26.18%，為顯著變化，可以明顯看出水質已經得到有效的改善，達到所要求的Ⅲ類水質級別標準。

3.5 水環(huán)境問題分析

從水質評價結果來看，目前石佛寺水庫所存在的水環(huán)境問題如下。

a) 從單因子水質標識指數結果來看，濕地從2009—2015年以來主要污染物為TN和TP，均超出評價指標標準值。原因是由于石佛寺水庫屬于以植物措施為主的表面流人工濕地，在水生植物腐解過程中，會向上覆水體釋放含氮[14]物質和含磷物質，而且磷在水生態(tài)循環(huán)中易進入底泥，成為水體富營養(yǎng)化[15]一個重要內源。因此需加強對水生植物的管理，對過度生長的水生植物進行適當的打撈或收割，以防止植物體過度生長腐解后釋放大量的TN和TP，對水體造成二次污染。

b) 2011年汛期和2012年非汛期濕地出口的水質狀況，也提示要加強水生植物死亡后的管理。水生植物具有凈化水質的作用[16]，但大量的水生植物死亡后腐爛分解會造成污染物質反吸收加重凈化負荷；因此要加強對水生植物的管理，死亡后要及時收割，移出濕地生態(tài)系統(tǒng)，避免二次污染[17]，保證濕地對水質的凈化能力。另外還需加強水生植物的資源化建設，使其產生經濟價值，以減少打撈、收割的成本。

c) 2015年綜合水質標識指數在進口與出口處幾乎沒有變化。出現這種結果的原因可能是由于當前濕地的污水凈化處理趨于飽和，以當前趨勢現狀來看，未來濕地的污水處理系統(tǒng)可能會達不到所需的要求，所以需要對當前濕地系統(tǒng)的植物措施凈化進行改善和處理，通過相關技術措施的布設與對水生植物的管護治理[18]，以滿足未來對上游來水的過濾凈化作用，提高濕地的整體利用效率。

4 結論

本文采用綜合水質標識指數法，對2009—2015年濕地進、出口的水質情況進行評價與分析，結果表明：濕地綜合水質呈良好態(tài)勢，基本維持在Ⅲ類水質標準，說明濕地凈化效果良好。但也存在相關問題：2011年汛期和2012年非汛期出現出口綜合水質標識指數值不低于入口的情況，是由于濕地建設初期缺少管理經驗，未對水生植物進行管理導致的；2015年出現進、出口綜合水質標識指數變化不大的情況，是由于濕地的污水凈化處理趨于飽和所致。濕地主要污染物為TN和TP，這是因為濕地以水生植物為主，進入秋冬季節(jié)，其腐解過程會釋放含氮物質和含磷物質，造成水質變差。以上均說明要加強對水生植物的管護與建設。