水质评价及纳污能力计算方法—基于水功能区的研究应用

1.水质评价简介

(1)水质评价概念与目的。水质评价是水环境质量评价的简称,按一定的原则和方法,将水质调查、监测资料与相应的水体质量标准进行比较,进而对水体质量进行定性和定量评定的过程。水质评价建立在污染源现状调查评价及水质监测的基础上,是环境污染调查、监测的总结部分,按照一定的目的和要求,总结水环境质量或污染的实际情况,分析其内部规律,并加以评价分类。水质评价的目的在于准确地反映水体环境质量或污染情况的现状,指出将来发展的趋势,为规划和管理水体环境、保护水体、防治污染提供依据。因此,水质评价是水资源保护工作中的一项重要内容。

(2)水质评价分类。

1)按评价阶段分类。

a.回顾评价。根据水域历年积累的水质资料进行评价,以揭示该水域水环境质量发展变化过程。

b.现状评价。根据近期水质监测资料,对水体水质的现状进行评价。现状评价确定水环境质量的实际情况,为水污染防治提供基础。

c.预测评价。预测评价是对将来可能形成或进一步发展的水环境质量变化预先作出评估,是水质规划和工程设计的依据。

2)按评价因子分类。

a.单因子评价。针对单一评价参数的水质评价。

b.多因子评价。综合考虑多个评价参数的水质综合评价。

3)按评价水体类型分类。

a.河流水质评价。

b.湖泊(水库)水质评价。

c.河口水质评价。

d.海洋水质评价等。

4)按评价水体用途分类。

a.生活饮用水质量评价。

b.工业用水质量评价。

c.渔业用水质量评价。

d.灌溉水体质量评价。

e.景观水体质量评价。

(3)水质评价程序。

1)确定水质评价范围与时段。明确需开展水质评价的江河湖泊水域范围与时段,据此确定污染源调查评价和水质监测的水期、重点水域及对应陆域范围。

2)水体污染物背景值的调查。在未受人为污染影响状况下,调查水体在自然发展过程中原有的化学组成状况。目前难以找到绝对不受污染影响的水体,所以监测得到的水环境背景值实际上是一个相对值,可以作为判别水体受污染影响程度的参考比较指标。调查某一河段污染物背景浓度情况时,可将河流源头水质断面的监测值作为背景值。

3)污染源调查与评价。污染源是影响水质的重要因素,通过污染源调查与评价可以确定水体的主要污染物种类及数量,从而确定水质监测项目和水质评价因子。

4)水质监测。根据水质背景调查和污染源评价结论,结合水质评价目的、评价水体的特点和影响水体水质的重要污染物质,制定水质监测方案,进行取样分析与测定,获取开展水质评价所需要的水质监测数据。

5)确定评价标准。水质标准是水质评价的准则和依据。对同一水体,采用不同的标准,会得出不同的评价结果,甚至对水质是否污染结论也不同。因此,应根据评价水体的用途和评价目的选择相应的评价标准。

6)选取合适的数学模型进行评价。

7)评价结论。根据计算结果进行水质优劣分级,提出评价结论。为了更直观地反映水质状况,可绘制水质图。基本的水质图一般包括流域位置图、水文地质状况图、污染源分布图、监测断面分布图、污染物含量等值线图及水体综合评价图等。

2.水功能区水质评价

水功能区水质评价是在水功能区划的基础上,按照一定的评价参数、评价标准和评价方法对水功能区水质定性和定量评定的过程。水功能区水质评价建立在水功能区水质监测的基础上,以既定的水质目标为判别依据,评价的基本要求、方法等参见《地表水资源质量评价技术规程》(SL 395—2007),评价流程如图2.2所示。

(1)水功能区水质评价范围与时段。

1)评价范围。区域(流域)内所有进行了水功能区划的江河湖库水域,均应开展水功能区水质评价。包括:水功能一级区中的保护区、保留区、缓冲区;水功能二级区中的饮用水源区、工业用水区、农业用水区、渔业用水区、景观娱乐用水区、过渡区和有水质管理目标的排污控制区。

图2.2　水功能区水质评价流程示意图

2)评价时段。饮用水源区宜按月或按旬评价,评价期内监测次数不应少于1次;缓冲区应按月评价,评价期内监测次数不应少于1次;保护区、保留区应按水期评价,评价期内监测次数不应少于3次;其他水功能区的评价周期可根据监测频次设置。

区域(流域)内水功能区水质的达标评价,分全年、汛期和非汛期进行,按水资源分区和行政分区两种口径分别进行评价。

(2)水功能区水质评价项目。河流水功能区水质现状评价项目为p H值、硫酸根、氯离子、溶解性铁、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氟化物、挥发酚、氰化物、砷、汞、铜、铅、锌、镉、六价铬、总磷、石油类、水温、总硬度等24项。统一必评项目为高锰酸盐指数、氨氮。

湖(库)水功能区水质现状污染评价项目要求同河流水质现状评价。湖(库)富营养化评价项目增加总磷、总氮、叶绿素α、透明度和高锰酸盐指数5项。

具有饮用水功能的水功能区评价项目应包括GB 3838—2002中的地表水环境质量标准基本项目和集中式生活饮用水地表水源地补充项目,有条件的地区宜增加有毒有机物评价项目。

(3)水功能区水质评价标准。依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)进行评价。单一功能水域,以相应功能的水质标准作为评价标准;多功能水域,以水功能区主导功能的水质标准作为评价标准,或按就高不就低的原则重新组合标准(例如,某水功能区要求达到饮用水源标准,铜含量的标准值不大于1.0mg/L;如需同时满足鱼类的生存,要求铜含量的标准值不大于0.01mg/L,综合考虑该水功能区铜含量评价标准值应选用0.01mg/L)。

(4)水功能区水质评价代表值确定原则。水功能区水质监测代表值确定方法,需按照以下几种情况确定。

1)具有一个代表断面的水功能区,以该断面的水质监测数据作为该水功能区的水质评价代表值。

2)具有两个或两个以上代表断面的水功能区,采用各代表断面水质评价值的算术平均值作为该水功能区水质评价代表值。

3)缓冲区有多个水质监测代表断面时,采用该区省界控制断面监测数据作为水质评价代表值。

4)饮用水源区采用水质最差的断面监测数据作为该功能区的水质评价代表值。

5)对于左右岸水功能区不同、而有全断面监测资料时,分别以左、右测点监测结果代表不同水功能区水质,分别进行统计。

(5)水功能区水质评价方法。

1)单因子评价方法。水功能区水质单因子评价方法又称一票否决法,通过给最差的项目赋全权,确定地表水水质类别。单项水质评价因子i在第j点的标准指数为

式中 Ci,j——水质评价因子i在第j点取样点的浓度,mg/L;

Csi——i因子的平均标准,mg/L。

p H值的标准指数为

式中 p Hj——j取样点p H值;(www.xing528.com)

p Hsd——评价标准下限值;

p Hsu——评价标准上限值。

DO的标准指数为

式中 DOf——饱和溶解氧浓度,mg/L;

DOs——溶解氧的平均标准,mg/L;

DOj——j取样点溶解氧浓度,mg/L;

T——水温,℃。

2)多因子评价方法。水功能区多因子评价法可以用来评价多项污染物对水环境产生的综合影响的程度,其评价结果往往以综合指数表示,通过各种数学关系式综合求得。

a.数量统计法。数量统计法以概率表征水质指数,在取得一定数量的监测值后(样本个数在30个以上),采用概率统计的方法推求出各种水质状况出现的频率以及各种极端值出现的概率。

b.叠加指数法。根据叠加时的算法不同,又分为算术平均法、加权平均法、均值和最大值的平方和均方根法及几何均值法等。

ⅰ.算术评价法。该方法最简便,但计算结果容易掩盖单项高浓度污染物的影响,计算公式为

式中 S——综合水质指数;

Ci——水质评价因子i的监测值浓度,mg/L;

Csi——i因子的评价标准,mg/L;

n——评价参数项。

ⅱ.加权平均法。将某污染物标准指数乘以权系数后再求平均值,其计算式为

式中 Wi——权重系数,可根据污染物的危害程度或群众及专家意见来确定;

Ii——i因子的标准指数。

ⅲ.几何平均法。其计算公式为

式中 Imax——评价参数中的最大标准指数。

ⅳ.平方根法。其计算公式为

ⅴ.均方根法。其计算公式为

ⅵ.内梅罗法。内梅罗法采用了均值和最大值平方和的均方根型。该方法考虑了最大标准指数的影响,使用较广泛,但最大标准指数对水质的影响较大。其计算式为

由于各种叠加指数方法各有优、缺点,评价结果不仅取决于选用的水质指数计算公式,还取决于监测数据的代表性、准确性,监测数据的处理,以及水质评价标准等因素。因此,各种数学模型只是在一定条件下,提供了对监测数据进行归纳统计的手段,比较直观地说明水质的状况,但也都存在着某些局限和不足。

c.综合污染指数法。综合污染指数表示水体中各种污染物质的综合污染程度,以K表示。它的计算公式为

式中 Ck——根据具体条件规定的地表水中各污染物的统一标准;

Coi——各种污染物在地表水中的最高允许标准;

Ci——地面水中各种污染物的浓度;

Ck/Coi——等标系数;

(Ck/Coi)Ci——等标污染指数。

用此关系可将各污染物的污染指数转化成统一标准,然后相加,即可得出各种污染物的总体对水质的综合污染程度。

Ck值的大小根据具体条件来确定,一般取Ck=0.1。当Ck＜0.1时,计算得到的K＜0.1时,表征为一般水体或未受污染水体,此时水中各种污染物物质浓度的总和不超过统一的地表水最高允许标准;当计算得到K＞0.1时,表明水中各种污染物的总和已超过地面水的统一最高标准,定为污染水体。

d.有机污染综合评价法。采用有机污染综合评价值作为评价水质的指数,可综合说明水质受有机污染的情况,适用于受有机物污染较严重的水体。

有机污染综合评价值A按下式计算,即

式中 BODi、CODi、NH3-Ni、DOi——监测浓度值,mg/L;

BODo、CODo、NH3-No、DOo——规定标准浓度值,mg/L。

3)湖(库)营养状态评价方法。湖(库)水功能区营养状态评价项目共5项,包括总磷、总氮、叶绿素α、高锰酸盐指数和透明度(SD)。如果评价项目不足5项,则评价项目中必须至少包括总磷及叶绿素α,透明度可根据当地实际情况灵活掌握。营养状态一般分为贫营养、中营养和富营养三级(表2.16)。

表2.16　湖泊(水库)营养状态评价标准　单位:mg/L

首先根据评价标准表将参数浓度值转换为评分值,监测值处于表列值两者中间者可采用相邻点内插,得到评价项目的分值。然后根据各评价项目评分值采用下式计算营养状态指数。最后,由平均评分值确定营养状态等级。

式中 En——各评价项目赋分值;

EI——营养状态指数;

N——评价项目个数。

(6)水功能区水质达标评价。按照《地表水资源质量评价技术规程》(SL 395—2007),在水质(或营养状态)评价的基础上,对水功能区进行达标评价。水功能区达标评价参照水功能区管理目标(水质目标或营养状态目标)进行,水质类别(或营养状态)符合或优于该目标的为达标,劣于该目标的为不达标,排污控制区达标情况根据下游相邻水功能区达标情况确定。水功能区水质达标率分别按照水功能区的长度和个数进行评价。对于缺少监测数据的水功能区,应进行补充监测;确实无法按规程规定的频次要求开展评价工作的,应结合上、下游水质资料收集以及现场调研工作,经综合分析后确定水功能区的达标率。