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2020 Volume 42 Issue 12
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NING Yang-ming, YIN Fa-neng, LI Xiang-bo. Application of Several Evaluation Methods for River Water Quality in the Yangtze River Mainstream[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2020, 42(12): 126-133. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2020.12.016
Citation: NING Yang-ming, YIN Fa-neng, LI Xiang-bo. Application of Several Evaluation Methods for River Water Quality in the Yangtze River Mainstream[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2020, 42(12): 126-133. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2020.12.016
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Application of Several Evaluation Methods for River Water Quality in the Yangtze River Mainstream

  • College of Urban and Environmental Sciences, Hubei Normal University, Huangshi Hubei 435002, China

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  • Corresponding author: YIN Fa-neng ; 
  • Received Date: 01/09/2019
    Available Online: 20/12/2020

  • MSC: X131.2; X52

  • In order to provide ascientific basis for water environment governance in Huangshi section of the Yangtze River, the monitoring data of water quality from the Three-Gorge section and the section of Port of Fengbo in Huangshi section of the Yangtze Riverfrom 2014 to 2018 were evaluated with the single factor evaluation method, the integrated pollution index method, the single factor water quality identification index method, the integrated water quality identification index method and the Nemero pollution index method. The results showed that the single factor evaluation method could judge the status quo of water quality and safety; the integrated pollution index method could determine the pollution degree of the water quality; the water quality identification index method could qualitatively and quantitatively evaluate the comprehensive information of water quality; the Nemero pollution index method could highlight the influence of the maximum pollution factor on the water body. Of the five methods, the integrated water quality identification index method gave the bestevaluation results.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Application of Several Evaluation Methods for River Water Quality in the Yangtze River Mainstream

    Corresponding author: YIN Fa-neng ; 
  • Received Date: 01/09/2019
  • Available Online: 20/12/2020

Abstract: In order to provide ascientific basis for water environment governance in Huangshi section of the Yangtze River, the monitoring data of water quality from the Three-Gorge section and the section of Port of Fengbo in Huangshi section of the Yangtze Riverfrom 2014 to 2018 were evaluated with the single factor evaluation method, the integrated pollution index method, the single factor water quality identification index method, the integrated water quality identification index method and the Nemero pollution index method. The results showed that the single factor evaluation method could judge the status quo of water quality and safety; the integrated pollution index method could determine the pollution degree of the water quality; the water quality identification index method could qualitatively and quantitatively evaluate the comprehensive information of water quality; the Nemero pollution index method could highlight the influence of the maximum pollution factor on the water body. Of the five methods, the integrated water quality identification index method gave the bestevaluation results.

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  • 长江大保护是一项惠及民生的重大国策，长江水环境保护亦是长江大保护的重要内容，而水质评价是水环境管理与保护的重要基础.目前，水质评价方法主要有单因子评价法[1-2]、综合污染指数法[3]、模糊综合评价法[4]、灰色系统评价法[5-6]、内梅罗污染指数法[7-8]和水质标识指数法[9-10]等.本研究运用单因子评价法、综合污染指数法、单因子水质标识指数法、综合水质标识指数法和内梅罗污染指数法对2014-2018年长江黄石段三峡断面和风波港断面的水质进行评价，分析该流域近5年水质状况，以期为长江黄石段水环境治理提供科学依据.

1.   研究区域和数据来源

    1.1.   研究区域概况

  • 长江黄石段地处长江中游地区，上接戴家洲河段，下与湋源口河段相连[11]，全长29.8 km，市区18.4 km，整个江段为单式河槽，平面状态呈长镰状，江面宽750~2 000 m.黄石江段分三峡断面、西塞山断面、风波港断面、凉亭山水厂断面和胜阳港剖面以及袁家港剖面共6个断面[12].其中，三峡断面为鄂州市和黄石市交界处的对照断面，风波港断面为西塞山区河口镇的削减断面.研究三峡断面和风波港断面能够较好地反映长江黄石段水质的整体情况，为该流域水资源利用和保护提供科学依据.

    • 1.2.   数据来源与处理

  • 利用黄石市生态环境局网站(http://sthjj.huangshi.gov.cn/)2014-2018年长江黄石段三峡断面和风波港断面水质监测数据的年平均值(表 1)，包括总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、五日生化需氧量(BOD5)、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(COD)、溶解量(DO)等水质监测指标.依据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，分析长江黄石段近5年水质情况.

2.   评价方法概述

  • 采用5种评价方法研究长江黄石段河流水质各有其特点，其评价原理和评价模型不同，评价的侧重点也不尽相同，方法对比见表 2.其中，综合水质标识指数和内梅罗污染指数评价标准见表 3和表 4.

3.   评价结果与分析

    3.1.   污染指数法评价

    3.1.1.   单因子评价法

  • 单因子评价法是将某种污染指标实测浓度与该种污染指标的评价标准进行比较，并用水质最差的单项指标所属类别来确定水体综合水质类别[21].由表 1可知，三峡断面和风波港断面TN在2014-2018年均超标，且2014年2个断面TN大于2.0，超出Ⅴ类标准，总体显示出波动递减趋势；TP和BOD5近5年分别属于Ⅲ类标准和Ⅰ类标准；NH3-H在5年内均达标，且除2016年、2017年三峡断面和2017年风波港断面有所升高外，2个断面其余年份均表现为逐年降低趋势；同时，除2018年三峡断面CODMn上升之外，2个断面近5年CODMn均显现出逐年降低趋势；COD近5年总体属于Ⅰ类标准，2015年偏高，分别为12.1，12.8；风波港断面2014年、2015年、2016年DO分别为6.68，6.68，7.44，三峡断面2014年、2016年DO分别为7.00，7.45，此时这2个断面DO属于Ⅱ类标准，其余年份均属于Ⅰ类标准.综上可知，2014-2018年2个断面水质总体显现好转趋势，其中2018年水质最好. TN是影响2个断面水质的主要污染因子.

    由表 5可知，2个断面2014年TN的Pi值均大于1，分别是1.105，1.140，说明这2个断面在2014年TN超出Ⅴ类标准，而2015-2018年Pi值均大0.9，属于Ⅴ类标准，已超出该流域Ⅲ类水质要求，污染程度较为严重.黄石市工农业发达、人口众多、河网密集，大量的工农业废水、生活污水和渔业养殖带来的有机污染物，导致该流域水体TN超标.同时，除DO外，其它监测指标的Pi值均小于1，说明这些监测指标在相应的水质标准范围内，且由表 3的监测数据可知，均符合或优于Ⅲ类标准.由于DO质量浓度随水质类别数的增加而减小，因此，虽然该指标的Pi值都大于1，但从表 3的监测数据可知，2个断面的DO均属于Ⅰ~Ⅱ类标准，符合长江黄石段功能区水质要求.

    • 3.1.2.   综合污染指数法

  • 综合污染指数法是将单项污染指数相加计算其算术平均值的一种水质评价方法.该方法不仅可以判断河流的水质污染状况，而且能够分析其水质变化趋势.

    由表 5可知，三峡断面2015年属于轻度污染，其综合污染指数为0.679，2014年和2016-2018年均属于中度污染，其中综合污染指数较大值出现在2014年，为0.758，较小值出现在2017年，为0.715.风波港断面2017年属于轻度污染，其综合污染指数为0.691，2014-2016年和2018年均属于中度污染，其中综合污染指数较大值出现在2016年，为0.838；较小值出现在2015年，为0.721.以上研究结果表明，2个断面在2014-2018年水质污染较轻，且水质变化幅度小，基本保持稳定状态.

    • 3.2.   水质标识指数法评价

    3.2.1.   单因子水质标识指数法

  • 单因子水质标识指数法不仅可以判断水质类别，还能够比较水质的污染程度，Pi值越大，水质越差，污染越严重.如风波港断面2014年TP的Pi值为3.40，即X1=3，X2=4，X3=0，表明该断面的TP符合功能区Ⅲ类水质标准(X1=3)，TP监测数据位于Ⅲ类水质下限40%的位置(X2=4)，该指标符合该断面的水环境功能区标准(X3=0)，如图 1所示.

    三峡断面2015年TN的Pi值为5.82，即X1=5，X2=8，X3=2，表明该断面的TN超出了功能区Ⅲ类水质标准(X1=5)，为Ⅴ类水质，TN监测数据位于Ⅴ类水质下限80%的位置(X2=8)，超出了该断面的水环境功能区目标值2个类别(X3=2)，如图 2所示.

    由表 6可知，2014年2个断面TN的Pi值最高，均为6.13，水质为劣Ⅴ类，而2015-2018年TN的Pi值均大5.0，水质为Ⅴ类，说明近5年TN含量高，是影响该河段的重要污染物. 2个断面近5年TP指数达到Ⅲ类标准，但TP指标Pi值中X2不同，说明2个断面不同时期TP监测数据位于Ⅲ类标准下限的位置不同，水质存在着差异. 2个断面BOD5指数和COD指数均属于Ⅰ类标准，从两者的水质标识指数看，2017年风波港断面和2018三峡断面的水质最好. 2个断面NH3-H指数除2016年和2018年属于Ⅰ类标准之外，其余年份均属于Ⅱ类标准. 2017年和2018年风波港断面CODMn指数为Ⅰ类标准，其余年份2个断面均属于Ⅱ类标准，三峡断面2014年和风波港断面2014年、2015年的DO指数为Ⅱ类标准，其余年份2个断面均属于Ⅰ类标准.这些监测指标中TN的Pi值中X3≥2，说明监测断面TN劣于该断面的水环境功能区类别.其它监测指数Pi值中X3=0，表明这些指标在2014-2018年均符合该流域水环境功能区标准.

    • 3.2.2.   综合水质标识指数法

  • 综合水质标识指数法是建立在单因子水质标识指数法的基础上，经过统计分析，能够反映河流的综合水质状况.

    由表 6可知，三峡断面2014-2018年水质保持Ⅱ类标准，但不同时期水质存在差异，其中2017-2018年水质最好.近5年水质情况：2015年较2014年水质改善11.23%，为轻微改善；2016年较2015年水质恶化3.42%，为轻微恶化；2017年较2016年水质改善4.97%，为轻微改善；2018年较2017年水质改善2.33%，为轻微改善.从总体情况看，综合水质改善15.11%，为轻微改善.

    风波港断面2014-2018年水质保持Ⅱ类标准，水质总体表现出好转趋势，其中2017-2018年水质最好.近5年水质情况：2015年较2014年水质改善2.58%，为轻微改善；2016年较2015年水质改善5.69%，为轻微改善；2017年较2016年水质改善7.15%，为轻微改善；2018年较2017年水质改善2.36%，为轻微改善.从总体情况看，综合水质改善17.78%，为轻微改善.水质总体改善可能得益于以下原因：一是黄石市正处于工业转型和升级时期，关闭重污染企业，升级主导产业，发展新兴产业，从而减少了工业污染源；二是响应“绿水青山就是金山银山”和“长江大保护”的国家政策，对河流水质进行监测和管理，禁止违规码头和沿江“散乱污”企业建设；三是将工业生产废水和居民生活污水接入集中式污水处理设施集中处理，实现控源截污.

    • 3.3.   水质评价结果对比分析

  • 从单因子评价法评价结果看，2014-2018年2个断面水质类别均超标.如表 7所示，三峡断面近5年TN超标，分别超出5.13倍、4.82倍、4.92倍、4.62倍、4.62倍；风波港断面近5年TN超标，分别超出5.13倍、4.92倍、4.82倍、4.72倍、4.72倍.单因子评价法可以确保水体的安全情况，但由于采取“一票否决”，不能客观反映河流的综合水质情况.

    从综合污染指数法评价结果看，除2015年三峡断面和2017年风波港断面的综合水质属于轻度污染外，其余年份2个断面均属于中度污染，且综合污染指数变化幅度较小.该评价方法的评价结果较单因子评价法和单因子水质标识指数法的评价结果乐观.综合污染指数法能对整体水质作定量评价，客观地反映水体综合污染程度，但不能确定其功能的具体类别.

    从单因子水质标识指数法评价结果看，2014年、2016年三峡断面和2014年风波港断面为劣Ⅴ类，其余年份均为Ⅴ类.单因子水质标识指数最高值在2014年，均为6.13.该方法的评价结果和单因子污染指数法的评价结果基本一致，但单因子水质标识指数法考虑了各评价指标在所对应标准上、下限的位置和关系，结合了单因子评价法的评价特点，能够比较同类水质类别的污染程度，从评价过程与结果中可以看出总体水质类别与首要污染因子[15].

    从综合水质标识指数法评价结果看，2014-2018年2个断面水质类别均属于Ⅱ类，且综合水质标识指数总体呈现递减趋势，说明近5年相应的水质趋于好转.与其它4种方法相比，综合水质标识指数法的评价结果最好.该方法具备定性和定量评价的特点，能够科学判断河流综合水质类别、定量污染程度、水环境功能区达标等综合水质信息[22].

    从内梅罗污染指数法评价结果看，三峡断面2016年为Ⅳ类，内梅罗污染指数为1.03，风波港断面2016年和2018年均为Ⅳ类，内梅罗污染指数分别为1.06、1.00，其余年份两者的内梅罗污染指数均小于1.00，属于Ⅲ类.该方法的评价结果优于单因子评价法和单因子水质标识指数法的评价结果，而劣于综合水质标识指数法的评价结果.内梅罗污染指数法在一定程度兼顾了其他水质较好的参评因子对总体结果的贡献，但由于过分突出最大污染因子对水质污染的影响和未考虑权重因素，从而导致其综合评价分值出现偏高现象[23-25].

4.   结论

  • 单因子评价法是根据水质最差的单项指标所属类别来确定整个评价水域的综合水质类别[26]，该方法检测出近5年三峡断面和风波港断面TN均超标，属于或超出Ⅴ类标准，其它监测指数均在Ⅲ类标准范围内，表明TN是长江黄石段水质的重要污染指标.

    运用综合污染指数法对三峡断面和风波港断面的水质进行定量分析，发现除2015年三峡断面和2017年风波港断面的综合水质属于轻度污染外，其余年份2个断面均属于中度污染，且综合污染指数变化幅度较小，反映了2个河流断面不同时期的水质变化情况，但不能判断长江黄石段的水质类别，也难以确定该流域水质是否达到水功能区划目标.

    单因子水质标识指数法和综合水质标识指数法既能够对三峡断面和风波港断面的水质进行定性和定量评价，同时可以判断该水体的水质类别.单因子水质标识指数法表明2个断面均属于Ⅴ类或劣Ⅴ类水质，而综合水质标识指数法表明2个断面均属于Ⅱ类水质，从水质标识指数值看近5年2个断面水质总体显示好转趋势.

    综合水质标识指数法是建立在单因子水质标识指数法的基础上，通过综合考虑各个水质指标，避免因个别水质指标较差就否定综合水质.水质标识指数法能判断长江黄石段的水质类别、水质情况、与水环境功能区类别等相关信息.

    利用内梅罗污染指数法判断出2016年三峡断面和2016年、2018年风波港断面属于Ⅳ类水质，其余时期2个断面均属于Ⅲ类水质，同时表明TN是影响2个断面水质的最大污染因子.

Figure (2)  Table (7) Reference (26)

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