城市河流水质常规评价技术研究

城市河流水质常规评价技术研究

徐祖信

尹海龙

(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092)

　　摘要运用综合水质标识指数法,对我国河流水质评价面临的关键技术问题,包括水质评价方法、水质评价项目、水质级别评

价、水环境功能区达标评价、水质定性评价、河流及水系整体水质比较、水质随时间和空间变化等作了明确界定,并介绍了在上海河流水质评价中的应用。

　　关键词水质评价技术规范水质标识指数河流

Usesofconventionalwaterqualityassessmenttechniquesonurbanriverssystem　XuZuxin,YinHailong.(StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,TongjiUniversity,Shanghai200092)

Abstract:　Basedonthenewlydevelopedwaterqualityassessmentmethod2comprehensivewaterqualityidentificationindex,thekeyconventionalwaterqualityassessmenttechniqueswhicharelefttobedevelopedinChina,includingcompre2hensivewaterqualityassessmentmethod,waterqualityassessmentitems,waterqualityclassificationassessment,comparisonbetweenwaterqualityandwaterenvironmentfunctionzonetarget,qualitativewaterqualityassessment,awholeriverorwa2tershedwaterqualitycomparison,waterqualityvariationwithtimeandspacearepresented.Finally,theapplicationofdevel2opedtechniquesinwaterqualityassessmentofShanghaiurbanriversisintroduced.Keywords:　Waterqualityassessment　Technicalspecifications　Waterqualityidentificationindex　River　　我国于1983年首次发布《地面水环境质量标(GB3838—准》83),此后历经三次修订,2002年(GB3838—发布了最新的《地表水环境质量标准》2002)。自颁布地表(地面)水质标准至今虽对水质评价的一些技术问题作出暂行规定,但一直没有颁布专门的水环境质量评价技术规范。其主要原因在于:(1)没有解决水体综合水质的科学合理性评价问题;(2)没有提出科学合理的河流、水系综合水质的比较方法;(3)没有明确界定水质级别评价(包括黑臭评价)、水环境功能区达标评价、水质定性评价、水质随时间变化评价和水质随空间变化评价等的方法。　　本文在对目前国内外综合水质评价方法进行全面分析的基础上,提出了科学合理的综合水质评价方法应具备的特征;开发了全新的综合水质评价方法———水质标识指数法[1,2]。以水质标识指数法为基础,结合上海市水环境治理的实践,对河流及水系水质评价方法、水质评价项目、水质级别评价(包括黑臭评价)、水环境功能区达标评价、水质定性评价、水质随时间变化评价和水质随空间变化评价等作了明确说明。1

评价方法密切相关。本技术规范采用了全新的综合水质评价方法———综合水质标识指数。综合水质标识指数表示为

(1)WQI=X1.X2X3X4式中:X1为总体的综合水质类别;X2为综合水质在

X1类水质变化区间内所处位置(见图1),从而实现在同类水中进行水质优劣比较;X3为参与综合水质评价指标中,劣于水环境功能区标准的水质指标个数;X4为综合水质类别与功能区类别的比较结果,视综合水质的污染程度,X4为一位或两位有效数字。

图1　X2符号意义示意图

　　综合水质标识指数中,X1.X2为综合水质指数,用于水质级别判定、污染程度定量比较;X3、X4为标识码,用于水环境功能区达标考核。　　综合水质指数的计算方法及意义详见文献[1]和[2]。2

参与综合水质评价项目

综合水质评价方法

　　对综合水质评价而言,评价结论的合理性与其

　　笔者对上海市黄浦江、苏州河及中小河道典型

监测断面1994—2003年的水质监测数据进行了详

第一作者:徐祖信,女,1956年生,博导,教授,从事城市河流水环境综合整治方面的研究。

・515・

　环境污染与防治　第27卷　第7期　2005年10月

细分析。分析数据包括DO、CODMn、BOD5、NH32

)、N、TP、Cu、Zn、As、Hg、Cd、Cr(ⅥPb、氰化物、挥

发性酚、石油类等15项指标;监测断面包括水源保护区和非水源保护区、水质较好的河流和水体黑臭的河流,反映了城市河流不同的污染程度。分析结果显示,影响当前城市河流水质的主要污染指标为:有机污染指标,包括DO、NH32N、CODMn、BOD5;富营养化指标,主要是TP基本超标,其结果与现阶段河流水质状况基本一致。基于以上分析,技术规范规定“:考虑现阶段上海市内陆河流有机污染严重的特点,必须参与综合水质评价的项目包括DO、CODMn、BOD5、NH32N4项;开展TP监测以后,TP的监测数据必须参与综合评价。”33.1

标准(见表1)。

表1　综合水质级别评价标准

判断依据

1.0≤X1.X2≤2.0

2.0X1.X2>7.0

综合水质级别

Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类Ⅳ类Ⅴ类劣Ⅴ类但不黑臭劣Ⅴ类并黑臭

　　注:X1.X2为综合水质指数。

综合水质评价分类

综合水质级别评价

　　主要依据国家地表水环境质量标准的分类,对水质进行级别界定称为水质级别评价。综合水质分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类、劣Ⅴ类但不黑臭、劣Ⅴ类并黑臭7个级别进行评价。3.2　水环境功能区达标评价　　对水质是否达到水环境功能区目标值进行的评价称为水环境功能区达标评价,用达标率衡量。3.3　水质定性评价　　对照水体功能区类别,对水体清洁或污染程度进行评价称为水质定性评价,分为5级:优、良好、轻度污染、中度污染、重度污染。3.4　水质随时间(空间)变化评价　　对河流(水系)断面在一定时间或空间间隔内水质变化进行评价称为水质随时间或空间变化评价,分为3类:基本不变、轻微变化、显著变化。4

　　对流域、区域水环境综合治理而言,河流、水系

整体的水质状况如河流(水系)整体水质级别是水质评价关注的问题。在断面水质级别评价的基础上,技术规范对河流(水系)整体的综合水质级别评价方法作了规定:首先计算河流或水系各监测断面综合指数的算术平均值(见式(2)),然后根据表1评价河流及水系的综合水质级别。

1n

(2)X1.X2=ρ(X1.X2)i

ni=1

式中:X1.X2为河流或水系的综合水质指数;i为河

流或水系水质监测断面编号;n为河流或水系水质监测断面总数;(X1.X2)i为河流或水系第i个监测断面上的综合水质指数。

　　从式(2)可以看出:基于综合水质指数的河流(水系)整体的综合水质评价,无论是对相同的水环境功能区还是不同的水环境功能区,都能够进行河流(水系)水质的优劣比较,从而解决了河流(水系)综合水质的比较问题。55.1

水环境功能区达标评价

综合水质级别评价

4.1　水体黑臭判断

　　笔者将综合水质标识指数用于评价上海一些典型河流断面1994—2003年10年间总体水质变化过程,将评价结果与实际情况进行对照,从而确定了通过综合水质标识指数判别河流水体黑臭的临界点。结论是,可以通过综合水质标识指数判断河流是否黑臭,判断标准为:　　6.07.0水质劣于Ⅴ类,且水体黑臭4.2　综合水质级别评价　　确定了黑臭判断标准后,技术规范延伸了综合水质的评价级别,确定了相应综合水质级别的判断・516・

断面水环境功能区达标评价　　水质达标评价采用达标率衡量,基本思想是:评价时段内河流(水系)断面参与评价的单项水质指标或综合水质评价数据达到水环境功能区目标的个数占评价数据总数的百分比。对综合水质达标评价,首先计算断面的综合水质标识指数,如果综合水质标识指数中的X4为0,则断面综合水质达到水环境功能区目标;如果综合水质标识指数中的X4大于0,则断面综合水质达不到水环境功能区目标。断面综合水质达标率的计算方法见式(3):

qi=

biti

(3)

式中:qi为第i个监测断面综合水质达标率;bi为评价时间内达到水环境功能区目标的综合水质标识指数个数;ti为评价时间内综合水质标识指数的总个数。5.2河流(水系)水环境功能区达标评价　　河流、水系整体的水环境功能区达标情况也是

徐祖信等　城市河流水质常规评价技术研究

流域、区域水环境管理关注的问题。在断面水质达

标评价的基础上,评价公式如下

m=

i=1ρqi

n

n

(4)

式中:m为河流或水系综合水质达标率;i为河流或水系监测断面的编号;qi为监测断面综合水质达标率;n为河流或水系水质监测断面总数。6

　　技术规范中将水质随时间(空间)的变化表达为:基本不变、轻微变化、显著变化。通过对大量评估数据的分析,确定对应的定量评价标准。7.1综合水质随时间变化评价

　　(1)基本不变。在比较分析的时间间隔内,综合水质没有发生改善(恶化)或略有改善(恶化):

|(X1.X2)t1-(X1.X2)t2|

(5)≤10%

(X1.X2)t1式中:(X1.X2)t1为比较分析时间间隔内起始时刻的综合水质指数;(X1.X2)t2为比较分析时间间隔内终止时刻的综合水质指数。

　　(2)轻微变化。在比较分析的时间间隔内,综合水质没有发生显著的改善(恶化):

|(X1.X2)t1-(X1.X2)t2|

10%<≤20%(6)

(X1.X2)t1)

　　(3)显著变化。在比较分析的时间间隔内,综合水质发生了显著的改善(恶化):

|(X1.X2)t1-(X1.X2)t2|>20%

(X1.X2)t1)

7.2

(7)

综合水质定性评价

　　有关地表水环境质量评价暂行技术规定中的方法是:以某一类水质(通常为Ⅲ类水质)为基准,通过比较水体水质类别与基准水质类别的优劣,给出水质定性评价结论:优、良好、轻度污染、中度污染、重度污染。不同的水体具有不同的使用功能,对水质的要求是不一样的:对国家自然保护区,需达到Ⅰ类水质;而对景观水域,达到Ⅴ类水质即满足要求。GB3838—2002中也提出地表水环境质量评价应根据应实现的水域功能类别进行评价,但是该定性评价方法基于所有水体的水质目标是Ⅲ类水质而不是应实现的水域功能类别,这不但偏离了按水体功能类别治理水环境的基本思想,而且在各地的水环境治理实践中也不可能做到。基于按水体功能类别进行水质定性评价的思想,笔者提出水质定性评价方法为:以水环境功能区类别为基准,通过比较水体水质类别与功能区类别的优劣,给出水质定性评价结论。表2　水质定性评价依据

判断标准

X2不为0f-X1≥1

f-X1=fX1-f=1X1-f=2X1-f≥3

X2为0X1-1≥1X1-1=fX1-f-1=1X1-f-1=2X1-f-1≥3

综合水质随空间变化评价　　(1)基本不变。在比较分析的空间间隔内,综合水质没有发生改善(恶化)或略有改善(恶化):

|(X1.X2)S1-(X1.X2)S2|

(8)≤10%

(X1.X2)S1)式中:(X1.X2)S1为比较分析空间间隔内起始时刻的综合水质指数;(X1.X2)S2为比较分析空间间隔内终止时刻的综合水质指数。

　　(2)轻微变化。在比较分析的空间间隔内,综合水质没有发生显著的改善(恶化):

|(X1.X2)S1-(X1.X2)S2|

10%<≤20%(9)

(X1.X2)S1)

　　(3)显著变化。在比较分析的空间间隔内,综合水质发生了显著的改善(恶化):

|(X1.X2)t1-(X1.X2)t2|

>20%

(X1.X2)t1)

88.1

(10)

定性评价结论优良好轻度污染中度污染重度污染

　　注:X1为综合水质标识指数的整数位;X2为综合水质标识指数的小数点后第一位;f为水体功能区类别。

　　基于综合水质类别与水环境功能区类别的比较,技术规范确定了综合水质定性评价的判断标准(见表2),表中X1或X1-1为综合水质类别,详见文献[2]。7

综合水质评价方法在上海河流水质评价中的应用

综合水质随时间和空间变化评价

　　水质随时间和空间变化,不仅体现在水质类别的定性变化,更体现为同一水质类别和不同水质类别间水质的连续定量变化,而连续的定量变化程度则会反映水质类别的定性变化。基于此分析,通过描述综合水质指数(X1.X2)的定量变化幅度,对综合水质随时间和空间变化作出评价。

综合水质标识指数　　参与综合水质评价的项目包括:CODMn、BOD5、NH32N、TO、DO。根据5项指标的单因子水质指数,计算得出综合水质标识指数。1994—2003年苏州河典型断面年度综合水质标识指数见表3。8.2　综合水质级别评价　　根据表3中的综合水质标识指数,各断面综合水质级别评价结论见表4。

・517・

　环境污染与防治　第27卷　第7期　2005年10月

表3　1994—2003年苏州河典型断面年度综合水质标识指数

监测断面

白鹤黄渡华槽北新泾桥武宁路桥浙江路桥

19944.5104.7105.9108.7539.2548.052

19955.2115.5106.6218.3538.4537.452

19965.1215.2107.2327.8427.9427.742

19974.9105.0106.2218.2537.3326.841

19985.0205.2106.2217.7428.1537.142

19995.1215.0105.8206.8416.9416.631

20005.0104.8105.5206.4316.4216.1

20014.8104.8105.2105.4205.4205.520

20025.2315.2105.7205.7206.0205.820

20035.4215.4205.6205.9206.0306.030

表4　1994—2003年苏州河年度综合水质级别

监测断面

白鹤黄渡华槽北新泾桥武宁路桥浙江路桥

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

ⅣⅣⅤ劣Ⅴ类不黑臭劣Ⅴ类且黑臭劣Ⅴ类且黑臭劣Ⅴ类且黑臭

ⅤⅤ劣Ⅴ类不黑臭劣Ⅴ类且黑臭劣Ⅴ类且黑臭劣Ⅴ类且黑臭

ⅤⅤ劣Ⅴ类不黑臭劣Ⅴ类且黑臭劣Ⅴ类且黑臭劣Ⅴ类且黑臭

ⅣⅣ劣Ⅴ类不黑臭劣Ⅴ类且黑臭劣Ⅴ类且黑臭劣Ⅴ类且黑臭

ⅣⅤⅤ劣Ⅴ类且黑臭劣Ⅴ类且黑臭劣Ⅴ类且黑臭

ⅤⅣⅤ劣Ⅴ类不黑臭劣Ⅴ类不黑臭劣Ⅴ类不黑臭

ⅣⅣⅤⅤ劣Ⅴ类不黑臭劣Ⅴ类不黑臭劣Ⅴ类不黑臭

ⅣⅣⅤⅤⅤⅤ

ⅤⅤⅤⅤ

ⅤⅤⅤ

ⅤⅤⅤ

8.3　水环境功能区达标评价

　　根据各断面的水体功能类别及表3,1994—2003年的年度水环境功能区达标评价结论见表5。

表5　1994—2003年苏州河年度水环境功能区达标评价

监测断面水体功能类别达标次数白鹤Ⅳ5黄渡Ⅴ10华槽Ⅴ6北新泾桥Ⅴ3武宁路桥Ⅴ3浙江路桥Ⅴ3

不达标次数

504777

达标率/%5010060303030

个时间段进行评价:(1)1994—1999年,1999年较水

质最差的1994年综合水质改善25%,为显著改善;(2)1999—2001年水质变化,2001年较1999年综合水质改善22%,为显著改善;(3)2001—2003年水质变化,2002年较2001年水质恶化11%,为轻微恶化,2003年较2002年水质基本不变。

8.4　综合水质定性评价

　　根据各断面的水体功能类别及表3,对2001年苏州河综合水质水质定性评价如表6所示。

表6　2001年苏州河综合水质定性评价

监测断面白鹤黄渡华槽北新泾武宁路桥浙江路桥

水体功能区

ⅣⅤⅤⅤⅤⅤ

类别综合水质

4.84.85.25.45.45.5

图21994—2003年苏州河武宁路桥断面综合水质

8.6　综合水质随空间变化评价

指数综合水质

定性评价

良优良良良良

8.5　综合水质随时间变化评价

　　对1994—2003年苏州河武宁路桥断面综合水质随时间变化进行评价。综合水质随时间变化如图2所示。　　10年间,1994—1998年武宁路桥断面水质级别为劣Ⅴ类且黑臭;1999年水体黑臭消除,水质级别改善为劣Ⅴ类但不黑臭;2001年水质级别进一步改善为Ⅴ类,2001—2003年水质维持为Ⅴ类。因此,选择3・518・

　　选择1994、2001年两个年份进行综合水质随空

间变化评价。

　　(1)1994年。白鹤%黄渡段水质基本不变;黄渡%华槽段水质恶化25%,显著恶化;华槽%北新泾桥段水质恶化47%,显著恶化;北新泾桥%武宁路桥段水质基本不变;武宁路桥%浙江路桥段水质改善13%,轻微改善。水质最差的断面武宁路桥同水质最好的断面白鹤相比,水质恶化104%,显著恶化。　　(2)2001年。白鹤%黄渡段水质基本不变;黄渡%华槽段水质基本不变;华槽%北新泾桥段水质基本不变;北新泾桥%武宁路桥段水质基本不变;武宁路桥%浙江路桥段水质基本不变。水质最差的断面武宁路桥同水质最好的断面白鹤相比,水质恶化13%,轻微恶化。

(下转第534页)

　环境污染与防治　第27卷　第7期　2005年10月

速率等条件的影响[5]。水动力模型研究表明,各补水方案对河口潮位的影响可以忽略;与现状相比,各补水方案造成河口流量变化<5%,由此估计小规模补水引起的河口流速和泥沙淤积速率变化较小,对生态系统的影响也较小。5　结　论

到90%以上,采取污水资源化补水方案对深圳河及

河口生态系统的影响最小,是改善深圳河水质的较优方案。参考文献

1　许世远,陈振楼,俞立中,等.苏州河底泥污染与整治.北京:科学出版社,2003.139～1402　薛朝霞,汪　翙,阮晓红,等.引水冲污治理苏州的水环境.中国给水排水,2002,18(10):33～353　王　超,王沛芳.城市水生态系统建设与管理.北京:科学出版社,

2004.145～1484　裴源生,王建华,罗　琳.南水北调对海河流域水生态环境影响分析.生态学报,2004,10:2115～2123

5　PekingU.AxisEnvironmentalConsultantsLtd.,andConsult2antsinEnvironmentalSciences(Asia)Ltd.EnvironmentalIm2pactAssessmentStudyonShenzhenRiverRegulationProject2StudyReportforStage1Works.No.EIA2079/BC.HongKong:HongKongEnvironmentalProtectionDepartment,19956　深圳市规划国土资源局,深圳市市政工程设计院.深圳市污水系统布局规划(2002-2020).编号02023.深圳:深圳市规划国土资源局,2003.35～377　徐祖信.河流污染治理规划理论与实践.北京:中国环境科学出版社,2003.316～3178　胡国臣,王　忠,常晓青.预防水体黑臭的水质指标研究.上海环境科学,1999,11:523～5259　PearsonTH,RosenburgR.Macrobenthicsuccessioninrelation

toorganicenrichmentandpollutionofthemarineenvironment.Oceanogr.Mar.Biol.Ann.Rev.,1978,16:229～33110　林　鹏,李振基,郑文教,等.深圳福田红树林群落特征研究.中

国湿地研究与保护.上海:华东师范大学出版社,1998.20～27

为了实现深圳河不黑臭目标,应当采取截污与补水相结合的方式。2010年若污水处理率能达到90%以上,可行的补水方案有污水资源化、引珠江口海水和引大鹏湾海水;若处理率只能达到85%或以下,污水资源化将无法提供足够的补水量,必须依靠引海水。

各补水方案下,深圳河水质的改善将有利于生态系统的发展;河口的潮位、流量、流速和泥沙淤积速率变化不大,对河口生态系统的影响较小。引珠江口海水方案下,中游与河口盐度的增加值在近20年来深圳河水体盐度变化幅度范围内,盐度变化对中游与河口生态系统的影响较小,但将造成上游淡水生态系统崩溃;引大鹏湾海水方案下,深圳河水体盐度大幅度上升,对生态系统的影响不可接受;污水资源化方案下,补水导致的盐度变化幅度较小,对生态系统的影响可以接受。因此,2010年将深圳河水系内污水处理率提高责任编辑:闵　怀　(修改稿收到日期:2005205213)

(上接第518页)9

总结

　　(1)采用了全新的综合水质评价方法———综合水质标识指数法。综合水质标识指数科学合理地涵盖了综合水质类别、定量污染程度、水环境功能区达标等水环境管理信息,其特点是既能定性评价、也能定量评价;既不会因个别水质指标较差就否定综合水质,又能对综合水质做出合理的评价;既可以用于一条河流不同断面水质的客观比较,又可以用于不同河流水质的评价分析;既可以在Ⅰ～Ⅴ类中比较水质的优劣,也可以对劣Ⅴ类水比较污染的严重程度。这些特点正是现行评价方法存在的种种不足之处,与其相比,综合水质标识指数对综合水质的评价结果更合理、更科学、更直观。

　　(2)确定了城市河流水体黑臭的判断标准,对综合水质级别作出更为全面的评价。

　　(3)以水环境功能区类别为基准,通过比较水体水质类别与功能区类别的优劣,确定了综合水质・534・

定性评价的判断标准(优、良好、轻度污染、中度污染、重度污染)。

　　(4)基于达标率的概念确定了水环境功能区达标评价方法。

　　(5)在各断面的综合水质指数的基础上,确定河流(水系)整体的综合水质指数,并进一步确定河流(水系)整体的综合水质级别和水环境功能区达标情况。这样无论是对相同的水环境功能区还是不同的水环境功能区,都能够进行河流(水系)水质的优劣比较,从而解决了河流(水系)综合水质的比较问题。　　(6)确定了水质随时间及空间变化的定量计算方法及对应的描述方法(基本不变、轻微变化、显著变化),从而提供了考核水环境质量变化的有效方法。参考文献

1　徐祖信.我国河流单因子水质标识指数评价方法研究.同济大学学报,2005,33(3):321～3252　徐祖信.我国河流综合水质标识指数评价方法研究.同济大学学报,2005,33(4):482～488

责任编辑:闵　怀　(修改稿收到日期:2005208218)