双模型综合评价牛尾岭水库水质

陈 景，孙 艳

（北海市供水有限责任公司，广西 北海 536000）

牛尾岭水库是北海市集中式饮用水水源地之一，位于距北海市中心区12km高德镇三合口江，属中型水库，正常蓄水位29.2m，总库容2550万m3，有效库容1755万m3，按合浦水库群联合供水调度，牛尾岭水库供水规模可达4m3/s。目前，关于牛尾岭水库水质评价的研究鲜有报道。本文采用综合水质标识指数法[1]和综合营养状态指数法[2]全面而系统地对牛尾岭水库水质进行评价，为水库的环境保护和发展利用提供科学的依据，对制定有针对性的水环境治理规划和方案具有决策影响作用。

1 综合水质标识指数法的评定机理

1.1 单因子水质标识指数

单因子标识指数P表示为

式中x1为第i项水质项目的水质类别；x2为检测结果在x1类水质类别中所处的位置，由公式计算确定；x3为表示评价指标的污染程度，由水质类别和功能区设定类别相比较所得，用一位或者两位有效数字表示。

1.1.1x1和x2的确定

1.1.1.1 当水质在Ⅰ类水和Ⅴ类水之间时

（1）x1的含义。 当检测结果为Ⅰ类水时，x1=1；当检测结果为Ⅱ类水时，x1=2；以此类推。

（2）由于除水温和pH值外的其他21项指标浓度随水质类别数的增大而增加，溶解氧浓度随水质类别数的增大而减少，因此水质标识指数Pi按非溶解氧指标和溶解氧指标分别计算。

非溶解氧指标：

式中ci为第i项指标的实测浓度，cik下≤ci≤cik上；cik下为第i项指标第k类水区间浓度的下限值，k=x1；cik上为第i项指标第k类水区间浓度的上限值，k=x1。

溶解氧指标：

式中ci为溶解氧的实测浓度；cik上为第k类水中溶解氧浓度高的区间边界值，k=x1；cik下为第k类水中溶解氧质量浓度低的区间边界值，k=x1。

1.1.1.2 当水质等于或超出V类水上限值时

非溶解氧指标：

式中ci5上为第i类指标V类水上限值，保留一位有效数字。

溶解氧指标：

式中ci5下为溶解氧V类水下限值；m为修正系数，研究中取m=4。

1.1.3x3的确定

x3是用来判定该单项水质类别是否劣于水环境功能区类别，通过判断可得出：当水质类别达到功能区类别时，则x3=0；当水质类别劣功能区类别且x2不为零，则有x3=x1-fi；如果水质类别劣于功能区类别且x2为零时，则x3=x1-fi-1。

其中fi为水环境功能区类别。当x3=1时，表明水质类别劣于功能区1个类别；当x3=2，表明水质劣于功能区2个类别；依此类推。应注意的是，若水质指标污染特别严重，此时水质类别与水环境功能区目标的差值可能大于10，则相应x3由两位有效数字组成。

1.2 综合水质标识指数

综合水质标识指数WQI表示为：

式中X1为水库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的位置；X3为参与评价的指标中差于水环境功能区目标的单项指标个数；X4为污染程度，为综合水质类别与水体功能类别相比较的结果，为一位或两位有效数字。

1.2.1X1·X2的确定

式中P1，P2，……，Pm分别为第1，2，……，m个水质指标的单因子标识指数，计算结果保留一位小数。

1.2.2X3的确定

X3是根据单项水质指标值与地表水环境质量标准比较得出，当X3=0，表明参与评价的指标均达到水环境功能区目标；当X3=1，表明参与评价的指标有一个指标达不到到水环境功能区目标；以此类推。

1.2.3X4的确定

X4用来判别综合水质类别是否差于于水环境功能区类别。若综合水质类别达到水环境功能区类别，那么X4=0；若水质类别差于水环境功能区类别且X2不等于0，那么X4=X1-F；若水质类别差于水环境功能区类别且X2等于0，那么X4=X1-F-1；其中F为水环境功能区类别。特别注意：对于综合水质为劣Ⅴ类的情况时，如果水质污染特别严重，则X4可能大于10，此时X4为2位有效数字。

1.2.4 水质级别的判定

通过综合水质标识指数X1·X2的值可判定水质级别，判定依据为：当水质标识指数为1.0≤X1·X2≤2.0时，综合水质级别为Ⅰ类水；当水质标识指数为2.0＜X1·X2≤3.0，综合水质级别为Ⅱ类水；当水质标识指数为3.0＜X1·X2≤4.0，综合水质级别为Ⅲ类水；当水质标识指数为4.0＜X1·X2≤5.0，综合水质级别为Ⅳ类水；当水质标识指数为5.0＜X1·X2≤6.0，综合水质级别为Ⅴ类水；当水质标识指数为X1·X2＞6.0，综合水质级别为劣Ⅴ类水。

1.3 综合水质标识指数法在牛尾岭水库水质评价中的应用

1.3.1 水库水质评价指标的确定

根据GB3838—2002《地表水环境质量标准》湖、库水质评价方法及相关研究文献[3-4]，结合牛尾岭水库水体现实情况，选取了总磷（TP）、总氮（TN）、汞（Hg）、五日生化需氧量（BOD5）、高锰酸盐指数（CODMn）、溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、硝酸盐氮（-N）8项指标作为参评因子，2015年全年对牛尾岭水库不间断监测，监测结果如表1。

表1 牛尾岭水库水质检测结果 单位：mg/L

续表1

根据表1的检测数据平均值，结合GB3838—2002《地表水环境质量标准》可确定X1，再按照X2的计算公式得出X2，最后判断X3即可确定单因子标识指数，如表2。

表2 单因子标识指数评价

由表2可以看出，总磷、总氮、五日生化需氧量的单因子标识指数较大，水库呈现出一定的富营养状态。在单因子水质标识指数结果的基础上，进一步计算综合水质标识指数，结果如表3。

表3 2015年牛尾岭水库综合水质标识指数评价结果

从表3可以看出，牛尾岭水库2015年全年综合水质标识指数为2.840，小于3，表明牛尾岭水库水质总体达到Ⅱ类水标准，但是其位于Ⅱ标准范围中离下限80%的位置，有4个指标超出Ⅱ类水体功能区目标，水体不稳定，有变化为Ⅲ类水的趋势。

2 综合营养状态指数法的评定机理

2.1 综合营养状态指数

综合营养状态指数计算公式：

式中 TLI（∑）为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI（j）代表第j种参数的营养状态指数。

以叶绿素a（Chla）作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式如下：式中 rij为第j种参数与基准参数的相关系数；m为评价参数的个数。中国湖泊（水库）的Chla与其他参数之间的相关系数rij及r2ij如表4。

表4 中国湖泊（水库）的Chla与其他参数之间的相关关系

2.2 营养状态指数

营养状态指数计算：

TLI（Chla）=10×（2.5+1.086InChla）

TLI（TP）=10×（9.436+1.624InTP）

TLI（TN）=10×（5.453+1.694InTN）

TLI（CODMn）=10×（0.109+2.661InCODMn）

2.3 分级标准

为了说明水库富营养状态，采用0～100的一系列连续数字进行分级：

表5 营养状态分级标准

2.4 综合营养状态指数法在牛尾岭水库水质评价中的应用

2.4.1 评价指标的确定

根据中国环境监测总站《湖库（水库）富营养化评价方法及分集技术规定》相关规定，相关研究文献[5]及结合牛尾岭水库监测情况，选取了叶绿素a（Chla）、 总磷 （TP）、总氮 （TN）、 高锰酸盐指数（CODMn）4项指标作为评价因子。 以2016年4～11月牛尾岭水库的监测结果为数据进行统计分析，监测结果如表6。

表6 牛尾岭水库检测结果

续表6

2.4.2 综合富营养状态指数评价结果

根据公式（10～13）计算各个评价因子的营养状态指数，再结合公式（10～11）计算综合富营养状态指数，统计结果如表7。

表7 牛尾岭水库综合营养状态指数

从表7可知，牛尾岭水库水质总体处于轻度富营养状态，丰水期（8～11月）比枯水期（4～7月）富营养化明显。通常，鱼虾以水中的藻类等浮游生物为食物，供其繁殖，当冬季来临时，水温下降，水中的浮游生物大量死亡，尸体沉在水底。当春季到来，水温回升，表层和底层水发生对流，水底的沉积物会上浮，其中死亡的浮游生物又将作为新生浮游生物食物源，供其生长。加上夏季强降雨的冲刷作用，携带土壤中的氮磷营养元素进入水体，导致氮磷营养元素的增加，从而加重水库的富营养状态。

3 水库污染原因

牛尾岭水库受到周边家禽养殖、生活污水，农业化肥、农药使用的影响，导致大量氮、磷元素进入水库，造成水库水质受到污染，牛尾岭水库现处于轻度富营养化状态，若不及时采取有效措施来治理，将会导致富营养化范围扩大、程度加重，从而导致水库不可利用。

4 治理措施

4.1 水库周边面污染源治理

通过在水库周围修建截流沟、坑、塘、池等，可阻拦污染物随地表径流等形式进入水库。

4.2 控制农村污染源

建议对水库上游较大村、镇生活污水及人畜粪便进行集中处理，减少水水库水质的污染。

4.3 减少化肥、农药的施用量

在水库上游地区限制氮、磷化肥的施用量，讲求施肥技术、改善施肥结构。同时采取相应措施确保水库周边2km内限制化肥和农药的施用量，以减轻施肥对水环境的污染。

4.4 加强管理

饮用水水源保护区划分和管理，建设保护长廊，规范养殖用地。

5 结语

（1）牛尾岭水库作为北海市的一处集中式生活饮用水地表水源供水区，综合水质标识指数为2.840，水质总体达到Ⅱ类水标准，但是其位于Ⅱ标准范围中离下限80%的位置，有4个指标超出Ⅱ类水体功能区目标，水体不稳定，向Ⅲ类水变化的趋势。

（2）富营养化问题突出，在丰水期较为明显，处于轻度富营养状态。因此，各部门相互配合、通力合作，采取行之有效的治理措施，减轻牛尾岭水库富营养化现象。