基于单因子评价法和综合污染指数法解析龙凤河水质状况_赵恰.pdf

第 6 期2023 年 2 月江苏科技信息Jiangsu Science and Technology InformationNo.6February，2023作者简介:赵恰(1988)，女，河北石家庄人，工程师，硕士;研究方向:水污染控制研究。*通信作者:郭清(1989)，女，河北沧州人，工程师，硕士;研究方向:水污染控制研究。基于单因子评价法和综合污染指数法解析龙凤河水质状况赵恰1，赵明杰1，郭清2*，汪佳慧2，刘晓晓1，和娴娴2(1秦皇岛天大环保研究院有限公司，河北省河道水质净化及生态修复重点实验室，河北 秦皇岛 066000;2河道水处理和生态修复河北省工程研究中心，河北 秦皇岛 066000)摘要:以 20192020 年龙凤河 5 个监测断面的监测数据为基础，文章选取 5 个水质指标进行因子特征分析，并采用单因子评价法和综合污染指数法对龙凤河水质进行综合评价。单因子评价法结果表明，龙凤河水质类别为类，主要限制因子为化学需氧量(COD)和氨氮(NH3N);综合污染指数法结果表明，龙凤河水质为中污染，丰水期水质优于平水期和枯水期，主要污染因子为 COD、NH3N 和总磷(TP)。关键词:龙凤河;单因子评价法;综合污染指数法;污染分担率;水质评价中图分类号:X824文献标志码:A0引言龙凤河发源于河北省秦皇岛市卢龙县杨家坨上游，流向主要沿着津秦公路，于九龙山南附近流入邻县后汇入贾河，最终注入渤海。多年来，由于龙凤河流域主要以甘薯加工产业带动经济发展，沿河多个污水处理厂排水及加工企业污水形成主要地表径流，农业面源污染未得到有效控制，加之众多企业不能严格保证达标排放，甚至大量高浓度有机废水排入河道，氮、磷等营养物质不断富集超出水体的自净能力，不仅给龙凤河生态环境造成严重威胁，也影响了沿河景观。因此，通过对龙凤河进行水质调查，并对水质现状进行科学评价具有十分重要的意义。针对河流水质评价的方法通常采用单因子评价法1、模糊综合评判法2、综合污染指数法3、主成分分析法45 以及灰色关联分析法6 等，但相关研究结果表明，诸多评价方法均存在自身局限性，包括评价结果单一、计算过程复杂、无法确定主要污染指标等。因此，通过将多种评价方法有机结合，满足定性分析和定量分析的基本需求，可以更加全面合理地反映河流水质情况。本文研究对象为龙凤河流域 5 个河流监测断面，对表层水样进行采集与分析，统计分析各断面水质因子特征，再分别采用单因子评价法和综合污染指数法对流域水质进行评价，综合分析评价结果，确定主要污染因子，以期为龙凤河水质管理及综合整治提供决策依据。1材料与方法1.1样品采集根据龙凤河流域环境及水文特点，水样采集于2019 年 4 月2020 年 3 月，每月中上旬完成，目标河段全长约13.5 km，流域面积85 km2，共设置5 个断面进行水质监测，包括杨家坨村东桥(Q1)、郝佃子村桥(Q2)、朱家桥村南桥(Q3)、大顾佃子村桥(Q4)和龙凤河污水处理厂出水口(Q5)。各监测断面设 3 条垂线(左、中、右)，均在水面下 0.5 m 处采集表层水样。1.2测定方法本研究选定龙凤河 5 个监测断面共 180 个水样的 5 项水质指标作为分析对象，其中，pH 采用玻璃电极法(GB/T 69201986)测定;溶解氧(DO)采用碘量法(GB 74891987)测定;化学需氧量(CODCr)采用重铬酸钾法(GB 119141989)测定;氨氮(NH3N)采用纳氏试剂分光光度法(HJ 5352009);总磷(TP)采用钼酸铵分光光度法(GB 118931989)。具体相关水质指标测定采用 GB 38382002地表水环境质量标准 及 HJ/T 912002地表水和污水监测技术规范 规定的方法进行监测分析5。1.3数据处理与评价方法采用 Excel 2010 软件对数据进行统计分析。为体现评价方法的一致性，本研究中单因子评价法和综27第 6 期2023 年 2 月江苏科技信息科学与社会No.6February，2023合污染指数法均采用 5 个评价指标进行分析，评价标准为 GB 38382002 中类水质标准。从龙凤河水文规律来看:69 月为丰水期;45 月和 1011 月为平水期;12 月至翌年 3 月为枯水期。1.3.1单因子评价法单因子评价法的基本思路是一票否决原则，即在所有被评估的水质指标中，如果有某一单项水质指标超标，则所属水域的使用功能便丧失或得不到满足 7。Q=max(Qi)(1)式中:Q 为单因子评价水质综合级别;Qi为评价参数 i 的水质级别;max 是指在 i 个水质指标中最差的一个。1.3.2综合污染指数法采用各水质指标的实测值与其评价标准之比作为污染指数，然后通过等权重平均得到综合污染指数8。按照年度污染分担率从高到低顺序列出前 3位，作为主要污染物。(1)一般指标的单项污染指数(随浓度增加而水质变差的指标)1，9:Pi=Ci/Si(2)式中:Pi为第 i 项因子的相对污染值;Ci为第 i 项因子的实测浓度值;Si为第 i 项因子的类水域标准值。(2)平均综合污染指数:P=1/nni=1Pi(3)式中，n 为参与评价的污染物项数。综合污染指数对应的水质分级如下:当 P0.25 时，表示水体清洁;当 025P0.40 时，表示水体较清洁;当 040P0.99 时，表示水体处于中污染状态;当 P1 时，表示水体处于重污染状态。(3)污染分担率:Ki=Pi/ni=1Pi 100%(4)式中:Ki为 i 项污染物在该断面中的污染分担率。2结果与讨论2.1水质因子特征为了更好地反映龙凤河各采样断面的水质状况，取各采样断面丰、平、枯水期水质指标结果的平均值，结果如图 1 所示。图 1龙凤河各监测断面水质指标年平均值37第 6 期2023 年 2 月江苏科技信息科学与社会No.6February，2023由图 1 可知，龙凤河各采样断面 pH 范围为7.157.34，整体呈弱碱性。各采样断面 DO 的平均值在 6.436.86 mg/L，均超过了 5.0 mg/L(类水质标准限值)。COD 的平均值在 22.6030.02 mg/L，均超过了 20 mg/L(类水质标准限值)，Q2断面 COD 的平均值最高，为 30.02 mg/L，超过了类水质标准限值 30 mg/L。NH3N 值为 1.021.30 mg/L，均超过了 1.0 mg/L(类水质标准限值)，总体上呈现出枯水期 平水期 丰水期的特征。TP 的平均值为0.1890.231 mg/L，均超过了 类水质标准限值0.1 mg/L，并且各断面枯水期 TP 值均高于其他水期。2.2单因子评价结果基于单因子评价法对各断面的水质类别进行评价，从 3 个不同水期的水质评价结果来看:丰水期水质最好，类水质和类水质断面比例分别为 55%和45%;平水期次之，类水质和类水质断面比例分别为 85%和 15%;枯水期水质较差，类和类水质断面比例分别为 30%和 70%。所有断面类、类和类水质断面比例分别为 19%，53%和 28%。由表 1 可知，Q2和 Q5断面为类，定类项目均为 COD;Q1，Q3和 Q4断面为类，定类项目均为 COD和 NH3N。由此可见，COD 和 NH3N 是龙凤河水质的限制性因子。表 1基于单因子评价法的龙凤河综合水质评价采样点单项指标评价结果DOCODNH3NTP综合水质评价结果Q1Q2Q3Q4Q52.3综合污染指数评价结果基于综合污染指数法对各断面全年及 3 个不同水期综合污染指数进行计算，结果如表 2 所示。从表2 可以看出，全年的综合污染指数在 0.7980.959，5个断面水质级别均为中污染，Q2断面的综合污染指数最 高(0.959)，Q1断 面 的 综 合 污 染 指 数 最 低(0.798)。从不同水期来看，平、丰和枯水期的综合污染指数范围分别为 0.758 0.932，0.701 0.817 和0.928 1.148，丰水期水质整体优于平水期和枯水期。Q2和 Q5断面在枯水期水质为重污染，其余断面在此水期为中污染，此时期水质最差的原因可能是水量小，以及周围村民加工甘薯粉及家畜养殖造成的非点源污染，水体自洁能力弱，更新缓慢，点源污染物无法被及时冲淡，水质较差10。龙凤河 5 个采样断面中，Q2和 Q5断面综合污染指数水期之间差异明显(标准偏差13%)。表 2基于综合污染指数法的龙凤河综合水质评价断面全年平水期丰水期枯水期Q10.7980.7580.7010.933Q20.9590.9130.8171.148Q30.8490.7900.7630.993Q40.8180.7760.7510.928Q50.9470.9320.7851.124选取的 5 项指标污染分担率如图 2 所示。龙凤河流域内的全年 COD 单项污染指数范围为 0.7561.996，污染分担率超过 28%。全年 NH3N 单项污染指数范围为 0.4971.979，污染分担率在 24.47%26.50%。其次是 TP 和溶解氧，污染分担率分别在23.18%24.04%和 16.38%19.73%。pH 污染分担率比例很低，在 5%以下。各断面 COD，NH3N 和 TP的污染分担率之和在 80%左右，因此治理的关键在于降低水体中有机污染物和氮磷的浓度。图 2龙凤河各采样断面污染分担率3结论基于单因子评价法，龙凤河的水质类别为类，限制因子为 COD 和 NH3N;从不同水期的水质评价结果看，丰水期水质最好，平水期次之，枯水期较差。龙凤河 5 个断面的全年平均综合污染指数为0.798 0.959，水体处于中污染状态，郝佃子村桥(Q2)断面污染最严重，杨家坨村东桥(Q1)断面污染最轻。丰水期水质好于平水期和枯水期水质。COD，NH3N 和 TP 的污染分担率之和占 80%左右，此 3 项指标对龙凤河水质影响较大，应引起重视。综合单因子评价法和污染指数法评价结果，郝佃47第 6 期2023 年 2 月江苏科技信息科学与社会No.6February，2023子村桥(Q2)和龙凤河污水处理厂出水口(Q5)断面的COD 和 NH3N 为重点管控指标。4建议北方河流水质较差，水体 COD、氮磷超标，是造成河流水质恶化的重要原因。一方面，要在源头上控制农业、畜牧业等污染，改变畜禽养殖模式，完善城镇污水处理设备和技术，提高污水处理量。而目前城镇污水排放标准中的 COD、氮磷等指标远远超过了地表水环境规定的标准限值;氮、磷污染物在河道淤积过程中易积累，环境变化时，氮、磷等污染物又会被释放到水体中，引起二次污染。另一方面，采取人工湿地等水处理方法，强化污水的净化，或采取河道分流等方法，以进一步降低污染物在河道中的积累。参考文献 1 屈佳欣，罗伟基于单因子评价法和比值法解析驴溪河水质状况 J 四川环境，2018(5):8286 2 杨浩，张国珍，杨晓妮，等基于模糊综合评判法的洮河水环境质量评价J 环境科学与技术，2016(S1):380386 3 何鑫，陈晓飞，郑志杰，等水污染综合指数评价及主导因子分析 基于湖北某水库的水环境空间分布特征 J 环境保护科学，2021(6):127133 4 解文静，王松，娄山崇，等山东南四湖上级湖水质变化评价(20082014 年)及成因分析J 湖泊科学，2016(3):513519 5 薛伟锋，褚莹倩，吕莹，等基于主成分分析和模糊综合评价的地下水水质评价 以大连市为例 J 环境保护科学，2020(5):8792 6 李璐汐，孟玉川，谢姝，等基于不同评价方法的猴子岩水电站水质研究J 环境科学与技术，2021(S2):299307 7 杜军凯，傅尧，李晓星模糊主成分分析综合评价法在地下水水质评价中的应用 J 中国环境监测，2015(4):7581 8 高云亮牡丹江水质现状及污染特征研究 D 哈尔滨:东北农业大学，2017 9 杨旭，曾祥亮基于单因子评价法和污染指数法的郑州大学眉湖水质评价 J 江苏科技信息，2014(5):5153 10 常越亚，谢圆绵竹市典型河流水污染特征及水质