基于单因子水质标识指数法的东江河源段水质评价_毛飞剑

2 结果与讨论
根据上述 Pi 值的计算方法，分别计算东江河源段 7 个常 规监测断面 2001—2012 年 NH4+ -N、TN、TP 和 CODMn 监测浓 度年平均值的 Pi 值，并分断面作 Pi 值的年度变化折线图，分 析水质现状和污染风险。 2. 1 水质标识指数历年变化 2. 1. 1 库区断面的水质标识指数历年变化
个水质常规监测断面中的 5 个断面（ 分别为新丰江水库断面、枫树坝
水库断面、龙川城下断面、临江断面和江口断面） 在 2001—2012 年的 水质监测数据年平均值，选择氨氮（ NH4+ -N） 、总氮（ TN） 、总磷（ TP） 和高锰酸盐指数（ CODMn ） 4 个指标，参考单因子水质标识指数法分析 评价东江河源段的 水 质，并 讨 论 其 污 染 风 险。 结 果 表 明，2001 —2012
新丰江水库和枫树坝水库是东江流域 2 个最大的多年调 节型水库，是华南地区的重要水源地保护区。其中，新丰江水 库位于河源市源城区，枫树坝水库位于东江河源段上游。
1） 新丰江水库断面。 新丰江水库断面 4 个水质指标 2001—2012 年的 Pi 值见 图 2。可见，4 个水质指标的 Pi 值均处于 1. 30 ～ 2. 30 之间， 即 X1 值为 1 或 2，这表明 4 个水质指标满足国家 GB 3838— 2002《地表水环境质量标准》中Ⅰ、Ⅱ类水标准。4 个水质指 标 Pi 值的 12 年走势中，TP 基本无变化（ 2011 年和 2012 年未
1. 2. 1 单因子水质标识指数
单因子水质标识指数（ Pi ） 由 1 位整数、小数点后 2 位或 3 位有效数字组成，可表示为［10-11］
Pi = X1 ． X2 X3 式中 X1 为第 i 项水质指标的水质类别，且数值越大，表示监 测指标的水质污染越严重； X2 为监测数据在 X1 类水质变化 区间所处的位置，按四舍五入原则在 0 ～ 9 之间取值，且取值
图 2 新丰江水库的单因子水质标识指数 Fig． 2 Single factor water quality identification index of
Xinfengjiang Ｒeservoir
Fig． 3
图 3 枫树坝水库单因子水质标识指数 Single factor water quality identification index of Fengshuba Ｒeservoir
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检出） ，TN 呈波动性上升，CODMn 和 NH4+ -N 有下降趋势，其中 NH4+ -N下降较为明显。4 个指标的 X2 值在 3 ～ 9 之间取得， 就 TN 而言，虽然在 2001—2011 年均处于Ⅰ类水，但在 2004— 2007 年 X2 值为 9，被污染为Ⅱ类水的风险很大，在 2009—2011 年污染风险相对降低，然而在 2012 年被污染为Ⅱ类水； 与 TN 相 比，CODMn 和 NH4+ -N 在 2004—2012 年 X2 值较小，因此污染风 险较低； 而 TP 在 2001—2010 年的 Pi 值一直保持为 2. 00，这表 明 TP 浓度一直处于Ⅰ类水的上限值，被污染为Ⅱ类水的风险很 大，但在 2011 年和 2012 年未检出。4 个指标的 X3 值均为 0，这 表明 4 个指标的水质均达到水环境功能区目标。
* 收稿日期： 2013-05-03
作者简介： 毛飞剑，硕士研究生，从事水污染控制研究； 何义亮（ 通 信作者） ，教授，博士，从事水污染控制研究，ylhe@ sjtu． edu． cn。
基金项目： 国 家 水 体 污 染 控 制 与 治 理 科 技 重 大 专 项 （ 2014ZX07206001）
0引言
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广东省河源市地处东江上游，是东江最主要的产流区和 水源涵养区，其水质好坏对整个东江流域的水质保护具有举 足轻重的影响。因此，科学合理地分析评价东江河源段水质 对掌握其水质发展规律、控制水污染、维护东江流域的水质安 全有非常重要的意义。
水质评价方法主要包括单因子指数法、模糊综合评价法、 灰色关联评价法、物元分析法和人工神经网络评价法等［1-2］。 近年来国内外 在 水 质 评 价 理 论、方 法 等 方 面 均 有 较 大 进 展。 吴彬等［3］运用灰色 关 联 分 析 方 法 和 内 梅 罗 水 污 染 指 数 法 从 不同角度分析水体重金属的污染程度，综合评价了克钦湖的 水环境质量。吴锦涛［4］ 采用单因子指数法评价了东江流域 水质现状，结果表明，东江流域水质中氨氮、总氮和化学需氧 量呈现不同程度的污染。何静［5］ 采用熵值法评价了东江惠 州段的生态环境质量，认为惠州东江流域整体生态环境质量
2） 枫树坝水库断面。 枫树坝水库断面 4 个水质指标 2001—2012 年的 Pi 值见 图 3。可以看出，Pi 值较高的是 2012 年的 TN，为 3. 91，表明 已被污染为Ⅲ类水； 由于 X2 值为 9，因此进一步被污染为Ⅳ 类水的风险很大； 此外，X3 值为 1 表明水质已劣于水环境功 能区划 1 个标准。其他指标的 Pi 值均在 1. 30 ～ 2. 00 之间， 即 X1 值为 1 或 2，表明水质指标满足国家 GB 3838—2002《地 表水环境质量标准》中Ⅰ、Ⅱ类水标准。总体上，枫树坝水库 断面 Pi 值变化趋势与新丰江水库断面类似，TP 基本无变化 （ 2011 年 和 2012 年 未 检 出） ，TN 呈 波 动 性 上 升，CODMn 和 NH4+ -N均有下降，且 NH4+ -N 下降较为明显。4 个指标的 X2 值在 3 ～ 9 之间取得，其中 TN 在 2003—2007 年的 X2 值为 9， 被污染为Ⅱ类水的风险很大，在 2009—2011 年风险相对降 低，然而在 2012 年被污染为 Ⅲ 类水。2003—2011 年，CODMn 和 NH4+ -N 的 X2 值均没超过 6，被污染为Ⅱ类水的风险较 TN
Ⅴ类水浓度上限值； ρDO 表示溶解氧实测浓度； ρDO，5下 表示溶
解氧Ⅴ类水浓度下限值。
1. 2. 3 X3 的取值 X3 的主要意义是判别该单项水质类别是否劣于水环境
功能类别，其取值要通过判断得到。如果水质类别好于或达
到功能区类别，则 X3 = 0； 如果水质类别差于功能区类别且 X2 不为 0，则 X3 = X1 － fi ； 如果水质类别差于功能区类别且 X2 为 0，则 X3 = X1 － fi － 1 ，其中 fi 为水环境功能区类别。
本文采用单因子水质标识指数法，依据东江河源段 7 个 水质常规监测断面 2001—2012 年水质监测数据年平均值，进 行水质评价，并分析其污染风险，最后通过东江河源段主要污 染物通量分析，确定研究区域的污染特征和污染风险，在此基 础上提出对应的水质保护措施。
1 数据与方法
1. 1 研究数据 东江河源段有 7 个常规监测断面，即新丰江水库断面、枫
比较优良。Ip 等［6］运用灰关联方法评价了汉江的水环境质 量。Li 等［7］采用改进的综合污染指数法评价了浏阳河流域 的水质。Akkoyunlu 等［8］改进了现有的水质指数法，并利用改 进后的模型评估了土耳其 Sapanca 湖流域的污染状况。Lermontov 等［9］ 基 于 灰 色 逻 辑 开 发 了 一 个 新 的 水 质 指 数 方 法———模糊水质指数法，并运用此法评价了巴西 Ｒibeira do Iguape 河的水质，将研究结果与传统的水质评价方法结果进 行对比分析，发现该方法的评价结果合理。然而，运用现有的 水质评价方法虽然能得到较为合理的评价结果，但不能很好 地指示水污染程度 和 污 染 风 险。 徐 祖 信［10］ 提 出 了 一 个 简 单 的水质评价方法———单因子水质标识指数法，此法不仅可以 完整表示水质评价指标的类别、水质数据、功能区目标值等重 要信息，还可以指示污染风险。虽然此法建立的时间不长，但 已在水质评价工作中得到一定的应用［7，11］。
树坝水库断面、龙川铁路桥断面、龙川城下断面、东源仙塘断 面、临江断面和江口断面（ 图 1） 。根据《全国重要江河湖泊水 功能区划》和《广东省地表水环境功能区划》，7 个断面的水环 境功能区目标为Ⅱ类水，其中新丰江水库断面和枫树坝水库 断面属于水库库区断面，其他 5 个断面属于东江干流断面。 本文研究这 7 个监测断面中的 5 个断面（ 分别为新丰江水库断 面、枫树坝水库 断 面、龙 川 城 下 断 面、临 江 断 面 和 江 口 断 面 ） 在 2001—2012 年水质常规监测数据的年平均值，选择常规指
第 14 卷第 5 期 2014 年 10 月
安全与环境学报 Journal of Safety and Environment
Vol． 14 No． 5 Oct． ，2014
文章编号： 1009-6094（ 2014） 05-0327-05
基于单因子水质标识指数法的 东江河源段水质评价*
毛飞剑1 ，何义亮1 ，徐智敏2 ，冯小权3 ，陈金纯4
图 1 东江河源段水质监测断面分布 Fig． 1 Monitoring section distributions of Heyuan reach，Dongjiang Ｒiver
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Vol． 14 No． 5
安全与环境学报
第 14 卷第 5 期
标中 4 个 有 代 表 性 的 水 质 参 数 为 研 究 对 象，包 括 氨 氮 （ NH4+ -N） 、总氮（ TN） 、总磷（ TP） 和高锰酸盐指数（ CODMn ） 。 1. 2 水质评价方法
个指标的历年变化趋势可以看出，东江河源段水质存在较大的氮、磷
污染风险。氮、磷污染的空间格局和污染物通量分析进一步表明，下
游的污染风险大于上游。
关键词： 环境工程学； 水质评价； 单因子水质标识指数； 污染风险；
东江河源段
中图分类号： X824
文献标识码： A
DOI： 10. 13637 / j． issn． 1009-6094. 2014. 05. 071
果的小数点后 1 位，下同。
当水质劣于或等于 Ⅴ 类 水 上 限 值 时，对 非 溶 解 氧 指 标
（ pH 值、溶解氧、温度除外） ，X1. X2
= 6 + ρi － ρi，5上 ； 对溶解 ρi，5上
氧，X1. X2
= 6 + ρDO，5下 － ρDO ρDO，5下
× 4 。其中，ρi，5上 为第 i 项指标
年东江河源段水质总体良好，水库库区断面除枫树坝水库断面 TN 指
标在 2012 年处于Ⅲ类水之外，其他指标均控制在Ⅱ类水之内； 东江干
流断面除 TN 外其他 3 个指标均控制在Ⅱ类水之内，且江口断面 TN
在 2009 年和 2011 年被污染为Ⅲ类水，在 2010 年和 2012 年被污染为
Ⅳ类水，而龙川城下和临江断面 TN 在 2012 年被污染为Ⅲ类水。由 4
（ 1 上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240； 2 河源市环境保护局，广东河源 517001； 3 河源市环境监测站， 广东河源 517001； 4 河源市环境科学研究所，广东河源 517001）
摘 要： 为了解东江河源段水质现状并推测其水质发展规律，以 GB
3838—2002《地表水环境质量标准》为标准，依据东江河源段全部 7
X2
=
k
+
1
－
ρi － ρi，k下 ρi，k上 － ρi，k下
。其
中，k
=
1、2、3、4、5 时，分别表示该
项指标为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类水； ρi 为第 i 项指标的
实测浓度； ρi，k上 和 ρi，k下 分别为第 i 项水质指标在 k 类水质标
准区间的上限值和下限值； X1. X2 按四舍五入原则取计算结
2014 年 10 月
越大，表示在同一类别水质中检测指标的污染越严重； X3 为 水质类别与功能区划设定类别的比较结果。
1. 2. 2 X1. X2 的计算 当水质介于Ⅰ ～ Ⅴ类水之间时，对非溶解氧指标（ pH 值、
溶解氧、温度除外）
，X1 ．
X2
=
k
+
ρi － ρi，k下 ρi，k上 － ρi，k下
；
对溶解氧，X1 ．