水资源质量评价-水文现代化与新技术

水资源的质量问题是研究、开发水资源的中心内容之一。水资源的质量评价应包括水质评价和水环境质量评价两个方面。

水的质量是指水体中所含物理成分、化学成分、生物成分的总和。而水环境质量则是从分析环境的基本概念和特征入手，由局部到整体，由内里到外表，对水环境系统的外部特征的定性或定量描述。水环境质量是环境系统客观存在的一种本质属性和环境系统所处的状态的描述。自然界水循环的周期性，决定了水资源的可更新性和变化的复杂性，它既表现在水的数量方面，也表现在水的质量方面。水质的动态变化与水量的动态变化在空间、时间上都有明显表现。天然水质是自然界水循环过程中各种自然因素综合作用的结果，而人类活动也是引起水质变化的重要影响因素。因此，水资源的质量具有区域性和动态性。

6.4.2.1　水质量指标

水质量指标是表示水中物质的种类、成分和数量的综合指标，是判断水质的具体衡量标准。水质量指标繁多，但可分为物理的、化学的和生物学的等几大类。

1.水的物理指标

一般包括颜色、嗅、味、透明度、水温等。

（1）颜色：水的颜色可分为有色和无色两类。无色的水可在感官上判断为清洁水，有色的水可判断为某种物质成分含量较高的水，水色随所含物质的不同而变化。

（2）嗅：清洁的水没有气味，根据人的嗅觉对水中气味的敏感程度水分为六个等级。

（3）味：清洁的淡水是没有味道的，水中溶解不同的物质则会产生不同的味道。

（4）透明度：透明度指水的清澈程度。水中悬浮物、胶体物质越多，透明度越小，也越浑浊。透明度可以用仪器或多种方法测定，也可根据肉眼观察结果直接判断。

2.水的化学指标

水的化学指标通常有酸碱度、硬度、矿化度以及各种常量离子的组合。

（1）酸碱度：水的酸碱度通常用p H值表示。根据水中的p H值和它的变化，可以大体了解水体酸碱状态。天然水的酸碱度可分为五类。

（2）硬度：水的硬度可以水中碳酸钙的含量或以德国度计，一个德国度相当于含10mg/L的氧化钙或7.2mg/L的氧化镁。

（3）矿化度：根据水的矿化度可将水划分为淡水、微咸水、咸水、盐水、卤水等五类。

3.水的环境化学指标

（1）化学需氧量（COD）：指水体中进行氧化过程所消耗的氧量，以mg/L表示。因水中各种有机物化学氧化的难易程度不同，用COD值来表示在规定条件下氧化所需氧量的总和，常以此作为水体有机污染的指标。

（2）生化需氧量（BOD）：指水体中微生物分解有机化合物过程中所消耗的溶解氧量。

因微生物分解有机物的速度和程度与温度、时间有关，为使测定的BOD值有可比性，通常采用在20℃下，培养5d后所测的BOD值，记为BOD5。

4.水的化学组分指标

天然水的化学组分与水的形成、赋存条件有着密切的关系。一方面，相似的自然条件下形成的水，其化学组分也相似；另一方面，水中各种阴、阳离子的含量组合，可以反映水流与岩石之间的相互作用、水流的动力学特征及水化学环境的差异。因此，水化学类型不仅有助于了解天然水的成因条件，而且水化学类型的递变格局也时常成为圈划地下水系统、地表水系统，以及研究两者之间水力联系的重要证据。

目前，水化学分类的方案有多种，最常见的是舒卡列夫分类、阿廖金分类、苏林分类等。例如，舒卡列夫分类是根据地下水中6种主要离子（K＋合并于Na＋中）及矿化度划分的，简明易懂，在我国广泛应用。

6.4.2.2　水质评价方法的分类

水质评价是按照评价目标，选择相应的水质参数、水质标准和计算方法，对水质的利用价值及水的处理要求做出的评定。

水质评价一般可分以下几类。

（1）按评价对象的分类：按评价对象可将水质评价分为大气降水水质评价、地表水质评价、地下水水质评价三类。由于地下水和地表水是开发利用的主要对象，所以，主要是从供水的角度针对地下水和地表水进行水质评价。

（2）按评价时段的分类：按评价时段的不同，可将水质评价分为回顾评价、现状评价和影响评价三类。回顾评价是利用积累的历史水质数据，揭示水质演化的过程；现状评价是根据近期水质监测数据，阐明水质当前的状况；影响评价又称预测评价，是针对拟建工程在运行后对水质的可能影响作出预测分析。

（3）按水用途的分类：按照水的用途可分为供水水质评价（包括生活、工业、农业用水等）、养殖业用水（渔业）水质评价、风景游览水体的水质评价及水环境质量评价等。

（4）按评价范围的分类：按评价的范围可划分为局域性水质评价和区域性水质评价两类。

实际工作中，分类往往是相互交叉的。例如，为供水服务的地下水水质评价，既应进行回顾评价，又应突出现状评价的内容，同时还应对水源地投产后水质的可能变化作出预测分析。

6.4.2.3　地表水环境质量评价

水环境质量评价方法有多种，可分为标准对比分析法、水质指数法、水质标准级别法、模糊数学法等几类。这里只介绍标准对比分析法。标准对比分析法主要是根据水环境质量标准与实际水质结果进行对比，对区域水环境进行分类分区，从而确定水环境质量分布概况的一种方法。

1.评价因子的选择

（1）地表水评价因子的种类。①感官性因子：包括颜色、味、嗅、透明度、浑浊度、悬浮物、总固体等。感官性因子是水质量的直观指标，是初步判断水质及污染程度的依据。②氧平衡因子：主要有溶解氧（DO）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、有机碳总量（UC）、氧总消耗量（TOD）。氧平衡因子是表征水体有机物污染的指标，它不仅指示水质状况，而且能预示水质可能变化的趋势。③营养盐类因子：主要指硝酸盐、氨盐、磷酸盐等。它们是判断水体污染及污染类型、水体氧化还原条件、水体富营养化程度的重要指标。④毒物因子：如酚、氰、汞、铬、砷、镉、铅、有机氯等。它们在水中的存在对人体危害和潜在危害极大。⑤微生物因子：主要指细菌、大肠杆菌等。它们是导致人体消化系统传染病发生的主要根源。

（2）根据污染物的化学性质对评价因子的分类。①无机物：硝酸盐氮、氨态氮、磷酸盐、氯化物、总固体等。②有机物：BOD、COD、酚、氰、碳氯仿提出物（CCE）、洗涤剂等。③重金属：汞、铬、砷、镉、铅等。

（3）一般水质评价应包括的因子。水质评价一般应包括水温、电导率、p H值、COD、BOD5、DO、悬浮物、酚、氰、汞、砷、铬、大肠杆菌等。

在实际评价工作中，根据各水域的实际情况和污染物的差别，评价因子可以增加或减少。

2.地表水环境质量的分类标准

为保护地表水环境，控制水污染，我国依据地表水水域、使用目的和保护目标将其划分为五类。

《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）自2002年6月1日起实施，代替原《地表水环境质量标准》（GB 3838—88，GHZBl—1999）。本标准规定了水域功能分类、水质要求、标准的实施等。它适用于中华人民共和国领域内江、河、湖泊水库等具有使用功能的地面水水域。

水域功能分类：该标准依据地面水水域使用目的和保护目标将其分为五类，同一水域兼有多类功能的，依最高功能划分类别。

Ⅰ类：主要适用于源头水、国家自然保护区。

Ⅱ类：主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等。

Ⅲ类：主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区。

Ⅳ类：主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区。

Ⅴ类：主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。

该标准既是水域环境保护的标准，也是某些水域现状功能划分和水质评价的依据。进行水环境质量评价时，不得用偶测值，而必须用包括丰水期、平水期、枯水期的多次监测值的平均值。标准值单项超标，即表明使用功能不能保证。

（1）单因子指数法。水质污染的单因子指数有两种计算方法：一种是计算污染指数，用以反映水体是否被某一污染组分污染；另一种是计算评价标准指数，用以表征某一污染组分污染的程度是否超过规定的标准及超标的倍数。这两种指数的计算公式形式上基本相同，但各项的含义不同。

单因子污染指数用下式计算：

式中：Pi为i因子的污染指数；Ci为水体中i因子的实际浓度值，mg/L；Si为i因子的天然背景值（或参考值），mg/L。

这种方法不考虑水的用途，即不考虑规定的水质标准，仅仅用于污染的定性判断，即当Pi≤1时，表明水体未受i因子的污染；Pi≥1时，水体受到i因子的污染。Pi值越大，说明污染越严重。

单因子评价标准指数的计算公式与式（6.129）相同，所不同的是式中只为因子的评价标准指数；Ci为水体中i因子的实际浓度值，mg/L；Si为根据水的用途所规定的i因子的最大允许值，mg/L。当Pi≤1时，说明i因子（组分）未超标，水质满足使用要求。对于水中DO（溶解氧）的标准指数计算，可采用下式计算：

式中：DOf为饱和溶解氧的浓度，mg/L；DOs为溶解氧的评价标准，mg/L；DO为水样溶解氧浓度，mg/L；T为水温，℃。

对因子p H值的标准指数计算，采用下式：(www.xing528.com)

式中：p Hj为j取样点水样p H值：p HsL为评价标准规定的下限值；p Hsh为评价标准规定的上限值。

（2）多因子指数法。在实际工作中，所遇到的污染组分可能是多种，为了进行综合评价，常采用多因子指数法，如水质质量系数法、综合指数法等。

1）水质质量系数法。水质质量系数的计算公式是单因子评价标准指数的求和形式：

式中：P为水质质量系数；Ci为i因子实测浓度，mg/L；Si为i因子的标准规定浓度，mg/L；i为第i种因子（组分）（i＝1，2，…，n）。

根据水质质量系数的大小，可对评价的水体进行质量的分级。例如，地面水可按水质质量系数划分七级，地面水质量划分等级如表6.1所列。

表6.1　地面水质量划分等级

2）水质指数法（WQI）。水质指数法的计算方法相当于水质质量系数的算术平均值，即：

式中：WQI为水质指数；其余符号意义同前。

这种评价方法只反映水体总的污染程度，而未考虑各种组分危害性的排序及具体含量，因此，在应用该方法评价水质时，应对含量最高的、危害程度最大的、污染最严重的那些组分做出具体说明。

按水质指数WQI与Pi的最大值，可将水质量分为六级，依WQI和Pimax的水质分级标准见表6.2。

表6.2　依WQI和Pimax的水质分级标准

3）综合指数法（Pim法）

应用该方法评价水质时，先将测定的因子分为以下三类：

无机类：溶解固体总量、悬浮物、硫酸盐、氯化物、硝酸态氮、亚硝酸态。

有机类：COD、BOD5、DO、TOC（最终需氧量）、油、苯、酚、氰化物与多环芳烃、洗涤剂等。

重金属类：铁、锰、汞、镉、铬、铅、砷、铜、锌等。

水质评价指数也分为三类，即分指数、类指数和综合指数，它们分别采用相应的公式来计算。

分指数Pij为个单因子评价标准指数，按单因子评价标准指数公式来计算；

类指数Pi（i＝1，2，…，n），采用下式计算：

式中：Pi为第i类的指数；Pimax为i类中各分指数中最大者；为i类中各分指数的平均值。

综合指数Pim，采用下式计算：

式中：Wi为i类指数Pi的权重值，有；K为常数。

K的取值视类指数i的多少而定，为了采用百分数评判，在类指数为三类时（i＝1、2、3），K值取19.9。这样，当各类污染物实测浓度接近标准浓度时，计算出的综合指数接近60分，表示水质基本合格。综合指数分数越高，说明水质越好。

4）内梅罗（N.L.Nemerow）指数法（PI）

内梅罗指数计算选用的水质指标14种，即水温、水色、透明度、p H值、大肠杆菌数、总溶解固体、悬浮物、总氮、碱度、氯化物、铁、锰、硫酸盐、溶解氧等。

把水的用途划分为三类，即人类接触使用的，如饮用水；间接接触使用的，如灌溉；人不接触使用的，如航运等。

应当指出，所列的14个水质指标在计算时不一定全用上，因为有的指标尚无最高允许的标准值。内梅罗指数计算方法与上述综合指数法大体相同。先采用式（6.137）计算三类用途的污染指数Pij，后用下式计算总污染指数PI：

式中：n为项数；其他符号意义同前。

各种用途水的权重值可根据使用量确定，例如某湖40%的水用于生活用水；40%的水用于灌溉；20%的水用于航运（水上运动），各自的权重则分别为W1＝0.4，W2＝0.4，W3＝0.2。

除上面介绍的方法外，还有S.L.罗斯水质指数、水域质量综合指数、生物指数、模糊综合评判等多因子指数评价方法。它们的计算原理基本相同，方法大同小异，不再详述。

6.4.2.4　地下水环境质量评价

依据我国地下水水质现状、人体健康基准值及地下水质量保护目标，并参照生活饮用水、工业、农业用水水质要求，地下水环境质量评价将地下水质量划分为五类。

地下水环境质量评价以地下水水质调查分析资料或水质监测资料为基础，可分为单项组分评价和综合评价。

单项组分评价按地下水环境质量标准分类指标进行评价。不同类别标准值相同时，从优不从劣，如挥发性酚类Ⅰ、Ⅱ标准值均为0.001mg/L若水质分析结果为0.001mg/L时，应定为Ⅰ类，而不定为Ⅱ类。

地下水环境质量综合评价，采用加附注的评分法。具体要求与步骤如下。

（1）参加评分的项目，应不少于标准GB/T 14848—93所规定的监测项目，即p H值、氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐、氰化物、砷、汞、铬（六价）、总硬度、铅、氟、铜、铁、锰、溶解性固体、高锰酸盐指数、硫酸盐、氯化物、大肠杆菌群以及反应本地区主要水质问题的其他项目。评分项目不包括监测项目中的细菌学指标。

（2）首先进行单项组分评价，划分组分所属质量类型。

（3）对各类别按表6.3单项组分评价分值，分别确定单项组分评价分值Fi。

表6.3　单项组分评价分值

（4）按式（6.139）和式（6.140）计算综合评价分值Fi：

式中：F平均为各单项组分评分值几的平均值；F最大为各单项组分评分值Fi中的最大值。

（5）根据F值，按表6.4地下水质量级别划分，再将细菌学指标评价类别注在级别定名之后。

表6.4　地下水质量级别划分

地下水环境质量评价可使用两次以上的水质检测分析资料进行，也可根据具体情况，使用全年平均值和多年平均值或分别使用多年的枯水期、丰水期平均值进行评价。