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陕西澽水河水质现状评价与分析

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陕西澽水河水质现状评价与分析

第15卷 第2期 湿 地 科 学 与 管 理 Vol.15 No.2 2019年6月 WETLAND SCIENCE Entropy ; Single factor index ; Water quality uation 收稿日期2018-10-12 基金项目渭南师范学院省级大学生创新创业训练计划项目澽水河国家湿地公园水质评价分析(201829036);陕西省自然科学基础研 究计划2017JQ6080 作者简介方玉升(1997),男,陕西安康人,渭南师范学院化学与材料学院资源环境系本科生。Email *通讯作者王晓艳1984,女,山东临沂人,博士,讲师,研究方向区域环境评价。Email wangxiaoyan_ 近年来,我国对水环境的保护与治理工作越来 越重视,自上世纪80年代以来,全国范围内的水质 评价工作已经开展(尹海龙等, 2008; 李文攀等, 2015; 梁德华等, 2002)。熵值法是水质评价较为 常用的一种方法(姜北等, 2018)。郑志宏等(2013) 通过对熵值法进行改进,应用于水质评价,取得了 较好的评价结果。王晴晴等(2015)将主成分分析 法与熵值法结合应用于水质评价中,简化了指标体 系,减少了主观影响,评价结果更为完善科学。单 因子指数评价法、综合污染指数法、模糊综合评判 法和灰色关联分析法4种水质评价方法是目前的主 要方法,单因子指数评价法将实测值与水质类别目 标值进行对比取得结果,方法简单易行(郑琨等, 2018)。为弥补单因子指数评价法的局限性,提出 了一种改进的水污染指标,便于给出综合等级,又 能定量描述水质状况(Ranran et al, 2016)。 陕西澽水河水质尚未开展系统的评价工作,澽 水河是黄河在晋陕峡谷下游的支流,贯穿韩城市境 内,是韩城市重要的工农业生活水源,澽水河水质 评价为韩城人民的饮水安全和流域规划发展提供了 55 第2期 保障。 1 研究区概况 陕西澽水河流域位 于35 28 ′~35 65 ′N、 11002′ ~11040′E,属于典型 的暖温带大陆性季风气候,全年 降水量的80集中在6、7、8月, 多有暴雨出现,容易产生洪涝灾 害。澽水河全长86 km,发源于 陕西省黄龙县大岭南麓,发源地 河床海拔1 360 m,与黄河交汇处 海拔363 m,流速较为平缓,多 年平均流量为2.29 m 3 /s,年均径 流总量7 219万m 3 。赵廉坟以上 河段为澽水河上游河段,该河段 大体位于黄龙山区,河道窄,水 流小,坡度较大,流速快,植被覆盖率较高,泥沙 含量低;赵廉坟至土门口段为澽水河中游,该段内 以丘陵沟壑为主,流速放缓,由于柏峪川支流的汇入, 河水流量大幅度提升,河道变宽且多有乱石散布; 土门口至澽水河与黄河交汇处,该段为河流下游, 河段主体为黄土台原前的河流堆积平原,河流流速 缓慢,泥沙堆积严重,植被稀疏且地表破碎,河水 泥沙含量较大,河道较宽。 2 材料与方法 2.1 样品采集 采样点主要布设于陕西渭南韩城市薛峰水库至 澽水与黄河交汇处河段,共设5个采样点。依据地 表水和污水监测技术规范HJ/T91-2002采集地 表水样品(齐文启, 2006)。采样时间为2018年7月, 采样位置均处于澽水河中下游,采样点①位于薛峰 水库,为澽水河最大的集水区域,是韩城市工农业 及生活用水的储备地;采样点②位于板桥镇,是澽 水河汇流后流经的第一个城镇;采样点③位于土门 口,是澽水河流入韩城市区前最后一个区域;采样 点④位于澽水国家湿地公园,处于韩城市区中部, 且正在建设施工;采样点⑤位于澽水与黄河交汇处, 所有采样点的选取均具有代表性(图1)。 2.2 样品测试及分析方法 现场采集水样,在实验室测定COD、总氮、总磷。 pH值使用便携式pH测试笔(pH280)测定;浊度 使用便携式浊度仪(悦丰 SGZ-200IT)测定;电导 率使用便携式电导率仪(DDB-303A型)测定;总硬 度使用水质硬度试剂盒LR测定;COD采用快速消解 分光光度法测定,总氮(TN)采用气相分子吸收光 谱法测定,总磷(TP)在实验室内采用钼酸铵分光 光度法,将水样置于100 ml玻璃瓶中,滴入硫酸, 使水样酸化至pH值<2,放于4℃的密封不透明环 境中,24 h内进行检测。 2.3 熵值法确定权重 熵值法是客观赋权法的方法之一,是判断某一 指标离散程度的数学方法,通过对指标离散变异程 度的分析,确定各指标权重。 计算步骤如下(邱宛华,2002) (1)计算第j项指标下第i个地区占该指标的 比重 P ij , (0≤P ij ≤j) 式中X ij 为各指标异质同质化处理结果,对于 指标数值高的正向指标和指标数值低的负向指标分 别采取正向、负向标准化处理。 (2)计算各项指标熵值,第j项指标熵值为 e j 式中k为常数,k的大小与地区数n有关, ,且e j ≥0。 (3)计算指标权重 方玉升等陕西澽水河水质现状评价与分析 图1 采样点分布图 Fig. 1 Distribution map of sampling points 56 湿 地 科 学 与 管 理 第15卷 式中W j 为第j项指标的权重。 2.4 单因子指数评价法 单因子指数评价法是最为便捷、常用的水质评 价方法之一。其实行“一票否决”的评价原则,即 对单个水质指标进行分析,以最差项水质指标作为 水质类别的评价依据(毛文剑等, 2014)。由于单 因子指数评价法过于强调单个水质指标,评价结果 存在一定的局限性,难以客观公正地反映水环境质 量。参考美国功能可达性评价方法,对我国单因子 指数评价法提出改进意见,加入了评价因子影响程 度的分析,将评价因子分为关键影响指标、中度影 响指标、轻度影响指标。关键影响指标是导致水体 使用功能完全受损的主要影响指标,或对水体完全 受损的影响远高于其他指标;中度影响指标是导致 水体使用功能部分受损的主要影响指标,或者对水 体使用功能部分受损的影响远高于其它指标,再或 者是水体使用功能完全受损的多个水质指标之一; 轻度影响指标是对水体使用功能完全受损或部分受 损有较小影响的指标(尹海龙等,2008)。 水质单因子指数评价法计算公式 P i C i /S i 式中P i 为第i评价指标污染指数;C i 为第i 评价指标实测浓度值,单位mg/L;S i 为第i评价 指标最高评价标准值,单位mg/L。 3 结果与分析 3.1 污染指数分析 根据熵值法可计算出采样点各指标的权重表1。 从表1可知,总磷、浊度、总氮的权重分别为 0.53、0.18、0.17,占整个评价体系的比重为53、 18、17,可视为关键影响指标,是造成水质评价 结果的主要因素,也决定了水体的使用功能。电导 率、COD的权重分别为0.075、0.037,占整个评价 体系的比重为7.5、3.7,视为中度影响指标,是 影响水质评价结果的次要因子。pH值、总硬度权重 分别为0.000 2、0.003 4,占整个评价体系的比重 为0.02、0.34,视为轻度影响指标,对水质评价 结果产生微弱的影响。 通过权重计算将本次项目所测指标划分为3类 关键影响指标、中度影响指标、轻度影响指标,使 用单因子指数评价法对关键影响指标和中度影响指 标进行评价,依据GB 3838-2002地表水环境质量 标准中III类水质标准分析其水质状况。单因子 评价结果如表2,因浊度、电导率没有明确的水质 标准划分,故无法通过单因子指数法进行计算。 根据表2结果,使用算数评价法对采样区域进 行评价,计算公式如下 式中 为某一采样点的平均污染指数; n为评 价指标个数。 当 >2.0,该水体属于严重污染;1.0< <2.0,该水体属于重度污染;0.7< <1.0,该 水体属中度污染;0.4< <0.7,该水体属于轻度 污染;0.2< <0.4,该水体尚属清洁; <0.2, 该水体属于清洁。由公式得出各采样点平均污染指 数,结果见表3。 通过平均污染指数分析可得出以下结果 (1)薛峰水库受污染较轻,属于轻度污染。总 磷(TP)、总氮(TN)没有达到Ⅰ类水质标准,属 于Ⅱ类水,COD满足Ⅰ类水质标准,水体轻微富营 养化,总磷(TP)、总氮(TN)为主要污染物,这 与左云霞等(2012)对四川升钟水库的研究结果相 一致,水库主要污染物为氮和磷。 (2)澽水河板桥镇段水质尚属清洁,污染程度 极小。总氮(TN)、COD均符合Ⅰ类水质标准,总 磷指标数值符合Ⅱ类水质标准,略高于Ⅰ类水质标准。 (3)澽水河土门口段处于中度污染。COD满足 Ⅰ类水质标准,总磷(TP)、总氮(TN)分别符合 Ⅱ类水质标准、Ⅳ类水质标准。 (4)澽水国家湿地公园水质严重污染。总磷(TP) 表1 各指标权重值 Table 1 Weight of indexs 指标 pH值 浊度 电导率 COD 总氮 总磷 总硬度 权重 0.000 2 0.182 3 0.074 8 0.037 3 0.172 4 0.529 6 0.003 4 表2 各采样点指标单因子指数 Table 2 Single factor index for sampling points 采样点 单因子指数 总磷 总氮 COD 薛峰水库 0.1 0.52 0.669 5 板桥镇 0.2 0.15 0.526 9 土门口 0.4 1.59 0.388 5 澽水国家湿地公园 6.05 1.26 0.721 1 澽水与黄河交汇处 0.75 2.87 1.128 2 表3 各采样点平均污染指数表 Table 3 Average pollution index tables for sampling points 采样点 平均污染指数 污染程度 薛峰水库 0.429 8 轻度污染 板桥镇 0.292 3 尚属清洁 土门口 0.792 8 中度污染 澽水国家湿地公园 2.677 0 严重污染 澽水与黄河交汇处 1.582 7 重度污染 57 第2期 方玉升等陕西澽水河水质现状评价与分析 超出V类水质标准,总氮(TN)符合Ⅳ类水质标准, 水体富营养化严重,COD满足水质Ⅱ类标准。 (5)澽水与黄河交汇处水质重度污染。总磷(TP) 满足III类水质标准,总氮(TN)超出V类水质标准, COD符合水质Ⅳ类标准。 3.2 水质区域性变化特征 由图2可知,总磷(TP)含量为0.02~1.21 mg/L,从土门口至澽水国家湿地公园段显著增高, 主要为周边生活污水、化肥、有机磷农药、施工所 造成的污染。总氮(TN)含量为0.15~2.87 mg/L, 总体上呈波动上升趋势,在板桥镇至土门口段和澽 水国家湿地公园至澽水与黄河交汇处阶段性上升。 从图3可知,COD含量为7.769~22.564 mg/L, COD含量最低值在土门口处,最高值在澽水与黄河 交汇处,可能为河流流速平缓,各类污水的堆积所致。 浊度、电导率分别为关键影响指标、中度影响 指标。由图4可以看出,浊度与电导率总体上呈波 动起伏变化,薛峰水库至澽水国家湿地公园段浊度 持续上升,澽水湿地公园浊度达到最大值,澽水河 与黄河交汇处浊度有所下降,其中土门口至澽水湿 地公园上升幅度最大,上升25.5 NTU,水体极为浑 浊,可能为公园附近工地施工,导致大量泥土、碎屑、 废渣等悬浮物和胶体进入水体。薛峰水库水浊度满 足生活饮用水卫生标准(GB5749-2006),其余 各采样点水浊度均不符合标准,需经处理后方可利 用。电导率在薛峰水库至板桥镇段大幅上升,水中 钙镁离子、杂质的增多,是造成电导率急剧上升的 主要原因,水的纯净度在该处明显下降。 pH值、总硬度均为轻度影响指标。由图5可以 看出,澽水河pH值、总硬度在空间上总体呈上升趋 势。pH值7.64~8.29,呈弱碱性,符合地表水 环境质量标准(GB 3838-2002)Ⅰ类水质标准, 澽水与黄河交汇处pH值明显上升,可能为韩城市大 量的污水汇入,以及附近农田施肥大量的硝酸铵所 致。澽水河总硬度207.6~286.5 mg/L,为中硬水, 符合生活饮用水卫生标准(GB5749-2006),总 图3 COD空间变化趋势 Fig. 3 COD spatial change trend 图4 浊度、电导率空间变化趋势 Fig.4 Spatial trend of turbidity and conductivity 图5 pH值、总硬度空间变化趋势 Fig.5 Spatial trend of pH and total hardness 图2 总磷、总氮空间变化趋势 Fig. 2 Spatial variation trend of total phosphorus and total nitrogen 58 湿 地 科 学 与 管 理 第15卷 硬度总体变化幅度不大,在薛峰水库至板桥镇段大 幅上升,可能由钙、镁离子增多造成。 4 讨论 河流水质的变化是由多种因素共同作用的结果, 区域自然环境、社会环境的改变都会影响河流水质 状况(张欢等, 2012; 黎育红等, 2014)。通过对 澽水河主要河段的分段采样分析,运用单因子指数 评价法对关键影响指标、中度影响指标进行了评价, 澽水河水质呈区域性波动变化,且澽水河总氮、总 磷超标,河流富营养化严重。 (1)造成河流水质空间变化的原因可能与河 流受人类影响的程度有关,韩城市政府将薛峰水 库划分为水源地保护区,建立了长效机制保护水 库水环境,采取一系列措施恢复地区生态(梁元, 2010),薛峰水库极少受到人为因素的干扰。从浊度、 电导率指标数值可以看出,薛峰水库水体极为洁净, 含杂质较少,水体轻微富营养化,随着生态的恢复, 水体轻微富营养化也将改善。总的来说,薛峰水库 水质较好。 (2)薛峰水库至板桥镇段处于黄龙山区,地形 崎岖,人迹罕至,人类对河流的影响极小,水体几 乎保持原始状态,采样过程中可以观察到水体中有 河虾、鱼苗、菹草等动植物。 (3)板桥镇至土门口段,人类活动逐渐增多, 河流附近出现了大面积的农田,乡间公路、高速 公路线路与河流的密切交织,当地居民对河流引 用水的增加,造成了河流径流量的减少(李艳等, 2006)。该处河段河道变窄,河底沉积大量煤灰, 河流受到了一定程度的污染。 (4)土门口至澽水湿地公园段,河水浊度、 COD、总氮(TN)、总磷(TP)均明显上升,可能为 河流沿岸大量生活污水的汇入,以及建筑施工造成 的灰尘、废油、废渣等物质进入水体(刘海猛等, 2013),该处河段污染严重。 (5)澽水国家湿地公园至澽水汇入黄河口段, 总磷显著下降,可能为该河段河流流速缓慢,泥沙 沉降对有机磷、无机磷吸附(瞿红等, 2013)。pH 值、浊度、电导率、COD、总氮的升高是由于上游生 活污水、工业污水的堆积,以及附近农田化肥的流 入,水体中杂质增多,硝酸钾、硝酸铵等浓度增高, 导致水体重度污染。 针对澽水河污染状况,可采取建立隔离带,将 农田与河流隔离,避免污水、化肥流入,或废水经 处理达标后再排放,对已污染区域可采取工程措施、 化学方法、生物措施相结合的方法改善污染状况。 参考文献 姜北, 孙美, 纪玉琨, 等. 2016. 基于熵值法的地表水水质 模糊综合评价[J/OL].灌溉排水学报1-4[2018-12-29]. https//doi.org/10.13522/ki.ggps.2016.0274. 黎育红,贺石磊. 2014. 基于粗糙-信息熵的水质综合评价方法 [J].长江流域资源与环境,231109-116 李文攀, 朱擎, 李东一, 等. 2015. 集中式饮用水水源地水质 评价方法研究[J].中国环境监测,31124-27 李艳, 陈晓宏, 王兆礼. 2006. 人类活动对北江流域径流系列 变化的影响初探[J]. 自然资源学报6910-915 梁德华, 蒋火华. 2002. 河流水质综合评价方法的统一和改进 [J].中国环境监测263-66 梁元. 2010. 让“生命之水”更洁净[N]. 渭南日报,2010-12- 15002 刘海猛, 石培基, 周俊菊, 等. 2013. 石羊河中游径流损耗特 征及其影响因素[J]. 地理科学进展,32187-94 毛飞剑, 何义亮, 徐智敏, 等. 2014. 基于单因子水质 标识指数法的东江河源段水质评价[J].安全与环境学 报,145327-331 齐文启, 连军, 孙宗光. 2006. 地表水和污水监测技术规范 HJ/T91-2002的相关技术说明[J]. 中国环境监测154- 57 邱宛华.2002. 管理决策和应用熵学[M].北京机械工程出 版社 瞿红,杨茂华,胡尧. 2013. 浅析影响水样中总磷测定值的因素 及其控制[J]. 科技视界33330-333 王晴晴, 陈星, 常进. 2015. 主成分分析法与熵值法结合在水 质评价中的应用[J]. 人民长江,46810-13,18 尹海龙, 徐祖信. 2008. 河流综合水质评价方法比较研究[J]. 长江流域资源与环境5729-733 尹海龙, 徐祖信. 2008. 我国单因子水质评价方法改进探讨 [J]. 净水技术21-3 张欢, 纪桂霞. 2012. 综合水质标识指数法在公园湖泊水质评 价中的应用[J].水资源与水工程学报,232146-150 郑琨,张蕾,薛晨亮.2018.单因子指数法在水质评价中的应用 研究[J].地下水,40579-80 郑志宏, 魏明华. 2013. 基于熵值法的改进集对分析水质模糊 评价[J]. 河海大学学报自然科学版,412136-139 左云霞, 李铁松, 李成明. 2012. 四川升钟水库水质评价及污 染负荷分析[J].四川环境,31554-59 Ranran Li, Zhihong Zou, Yan An. 2016. 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