引用本文
代贞伟, 王磊, 贺小黑, 伏永朋, 潘伟, 章昱. 汉江流域硫铁矿区厚子河支流水质评价研究[J].中国地质调查, 2019,6(5): 83-88.
DAI Zhenwei, WANG Lei, HE Xiaohei, FU Yongpeng, PAN Wei, ZHANG Yu. Research on water quality evaluation of the Houzi River in the pyrite mining area of the Hanjiang River Basin[J].Geological Survey of China, 2019,6(5): 83-88.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2019.05.09
Permissions
Copyright@2019, 《中国地质调查》编辑部
《中国地质调查》编辑部 所有
汉江流域硫铁矿区厚子河支流水质评价研究
代贞伟1,2, 王磊1,2, 贺小黑3,4, 伏永朋1,2, 潘伟1,2, 章昱1,2
1.中国地质调查局武汉地质调查中心,武汉 430205
2.中南地质科技创新中心,武汉 430205
3.东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室,南昌 330013
4.东华理工大学 水资源与环境工程学院,南昌 330013
通信作者简介: 伏永朋(1971—),男,教授级高级工程师,主要从事工程地质与水文地质研究工作。Email: fuyongpeng123@163.com。

第一作者简介: 代贞伟(1986—),男,助理研究员,主要从事工程地质与水文地质研究工作。Email: daizhenwei@mail.cgs.gov.cn。

收稿日期: 2019-04-18
基金资助: 中国地质调查局“丹江口水库南阳—十堰市水源区1:5万环境地质调查(编号: DD20160256)”项目资助
摘要

为查明厚子河不同区域河水受硫铁矿污染的程度,在厚子河支流4个典型河流断面采集水样,开展水质全分析测试,并采用单因子评价法和综合水质标识指数法进行评价分析。研究结果表明: (1)运用单因子评价法对硫铁矿区厚子河水质评价的结果无差异,均为劣Ⅴ类水; 而运用综合水质标识指数法的评价结果显示,距离硫铁矿开采区由近及远的4个断面HZ001、HZ002、HZ003、HZ004的综合水质标识指数逐渐下降,水质类别分别为劣Ⅴ类且黑臭、劣Ⅴ类但不黑臭、Ⅳ类、Ⅲ类,符合现场调查的实际情况,能够反映距离污染源越远时河水水质趋好的总体态势; (2)综合水质标识指数法不仅可以客观反映同一河流各个断面所处的综合水质类别、同一水质类别中受污染的不同程度以及与水环境功能区类别的比较结果,而且能够实现对劣V类水质污染程度的精细划分,相较于单因子评价法更加客观、科学、全面,适用于矿山开采等重污染区域河流断面水质污染情况的研判。

关键词: 汉江流域; 厚子河; 硫铁矿; 综合水质标识指数法; 单因子评价法
中图分类号:P342;X143;X522 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2019)05-0083-06
Research on water quality evaluation of the Houzi River in the pyrite mining area of the Hanjiang River Basin
DAI Zhenwei1,2, WANG Lei1,2, HE Xiaohei3,4, FU Yongpeng1,2, PAN Wei1,2, ZHANG Yu1,2
1. Wuhan Geological Survey Center, China Geological Survey, Wuhan 430205, China
2. Central South China Innovation Center for Geosciences, Wuhan 430205, China
3. State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment, East China University of Technology, Nanchang 330013, China
4. School of Water Resources & Environmental Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China
Abstract

In order to find out the water pollution extent in different areas of Houzi River, water samples were collected from four typical river sections of the tributary, and water quality analysis was carried out. The single factor evaluation method and the comprehensive water quality index method were used for evaluation and analysis. The results show, (1) the results of water quality evaluation of Houzi River in the pyrite mine area based on the single factor evaluation method are all inferior V class water with no difference. Nevertheless, the comprehensive water quality index method is used to evaluate the water quality of Houzi River in the four sections HZ001, HZ002, HZ003 and HZ004, from near to far of the pyrite mining area, and the comprehensive water quality index is gradually decreasing. And the corresponding categories are inferior V with black odor, inferior V but without black odor, class IV, class III respectively. All these results are in line with the actual situation based on the site investigation, which can really reflect that the water quality is becoming better with the increasing distance from the source of pollution. (2) The comprehensive water quality index method can objectively reflect the comprehensive water quality category of each section in the same river, the different pollution levels in the same water quality category, and the comparison with the water environment functional area category. And this method can also achieve the fine division of the pollution degree of inferior V water quality, which is more objective, scientific and comprehensive than the single factor evaluation method. So, the comprehensive water quality index method is suitable for the study of water pollution of different river sections in heavily polluted areas such as mining areas.

Keyword: Hanjiang River Basin; Houzi River; pyrite mine; comprehensive water quality index method; single factor evaluation method
0 引言

全球淡水资源日益紧缺, 对于重点水源区水资源的保护越来越受到政府部门及人民群众的高度关注[1, 2]。为缓解华北地区水资源短缺问题, 2002年我国开始实施南水北调工程, 丹江口水库作为中国南水北调中线工程水源地和国家一级水源保护区, 也是亚洲最大的人工淡水湖, 主要由湖北境内汉江库区和河南省境内丹江库区两大库区组成, 水域横跨鄂、陕、豫三省, 素有“ 亚洲天池” 之美誉, 承担着保障调水水质安全的重要任务, 库区水资源污染情况是亟须关注的重要问题[3]。近年来, 相关研究表明: 库区上游流域每年接纳废水约0.61× 109 m3, 并呈逐年增长的趋势; 库区周边神定河、泗河、老灌河、浪河等支流存在较明显的污染迹象[4]。

厚子河位于陕西省白河县, 是汉江库区主河道南岸白石河的支流。厚子河上游有圣母山硫铁矿, 最早开采于1957年, 至1981年开采矿石量达到顶峰, 其收入占白河县财政收入的25%, 为白河县经济建设作出了一定贡献。2000年4月圣母山硫铁矿关闭, 遗留矿渣总量达550× 104 m3, 含硫、铁的废矿渣经氧化和雨水淋溶, 分解出的含酸性及大量铁离子的废水经厚子河汇入白石河, 造成了严重的流域性污染, 厚子河在色度、浑浊度、气味等方面发生了显著变化。因此, 对厚子河水质作出科学、全面、客观的评价, 对区域水环境生态功能的修复和提升具有十分重要的意义。

目前, 国内外关于河流水环境质量的评价方法有很多, 大致可分为指数评价法(单因子评价法[5, 6, 7]、内梅罗污染指数法[8]、综合污染指数法[9]、综合水质标识指数法[10])、模糊数学评价法[11]、灰色系统评价法[12]、人工神经网络评价法[13]及主成分分析法[14]等。不同的评价方法各有侧重: 单因子评价法能够确定某一断面的水质类别, 但不能对同一类别水质的断面进行细化评价; 单因子指数法能够对同一类别水质污染程度进行精细评价, 但不能明确水质类别; 综合污染指数法可对某断面污染程度进行评价, 但不能阐释清楚水质类别、功能区达标等情况。

为掌握厚子河不同区域河水受硫铁矿污染的程度差异, 尝试不同的水质评价方法在厚子河水质评价中的应用效果, 2018年10月笔者沿厚子河从上游硫铁矿矿区至下游卡子镇4个典型河流断面采集了多组水样, 在湖北省地质局第八地质大队实验测试中心开展了水质全分析测试, 采用单因子评价法和综合水质标识指数法[5, 10, 15]进行分析评价。

1 评价分析方法
1.1 采样点位置

采样点位置如图1所示, HZ001采样点位于硫铁矿采矿区下游约50 m处, HZ002采样点位于采矿区下游约4 km处, HZ003采样点距离采矿区下游约6 km, HZ004则距采矿区下游约10 km。

图1 厚子河流域采样点位置示意图Fig.1 Location of sampling points in Houzi River Basin

1.2 评价参数和评价标准

通过对距离硫铁矿采矿区由近及远的厚子河4个河流断面河水水质全分析数据进行详细分析, 确定了16个评价指标: 氨氮(NH3-N)、铁(Fe)、氯化物(Cl-)、硫酸盐(S O42-)、硝酸盐(N O3-)、氟化物(F-)、化学需氧量(COD)、铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、铬(Cr)、锰(Mn)、镉(Cd)、砷(As)、汞(Hg)、pH值。鉴于厚子河4个河流断面水环境功能区类别为Ⅱ 类, 各因子评价标准执行《地表水环境质量标准》(GB 3838— 2002)[16]中相应类别的标准限值。

1.3 评价方法

1.3.1 单因子评价法

单因子评价法, 即最差因子判别法, 利用样品水化学试验分析的实测数据, 与《地表水环境质量标准》(GB 3838— 2002)[16]中各项影响因子的标准限值进行比较分类, 依据参评指标类别最高的一项确定断面的水质类别, 即选取所有因子中水质最差的类别作为评价结果。该方法计算简单, 超标参数和超标倍数简单明了, 是目前水质环境质量监测中最常用的一种判别水质类别的方法。

1.3.2 综合水质标识指数法

单因子水质标识指数 P由1位整数及其小数点后2位或3位有效数字组成, 表示为:

Pi=X1.X2X3, (1)

式中: X1代表第 i项水质指标的水质类别; X2代表监测数据在 X1类水质变化区间中所处的位置; X3代表水质类别与水环境功能区划定类别的比较结果( X3为1位或2位有效数字)。

综合水质标识指数 WQI由整数位及其小数点后3位或4位有效数字组成, 表示为:

WQI=Y1.Y2Y3Y4, (2)

式中: Y1.Y2由单因子水质标识指数法的评价结果进行算术均值计算获取。 Y3为参与评价的劣于水环境功能区水质的单项污染指标个数。当 Y3=0时, 说明该断面所有水质参数指标均达到水环境功能区标准; 当 Y3=1时, 说明该断面水质参数指标有1项超标, 没有达到水环境功能区标准; 以此类推。 Y4为当前综合水质类别与水环境功能区划定类别的比较结果(Y4为1位或2位有效数字)。当 Y4=0时, 说明当前综合水质类别达到或优于水环境功能区类别; 当综合水质类别差于水环境功能区类别且 Y2不为0时, 则 Y4=Y1-f, 其中 f为水环境功能区类别; 当综合水质类别差于水环境功能区类别且 Y2为0时, 则 Y4=Y1-f-1; 当 Y4=1时, 说明综合水质类别劣于水环境功能区1个类别; 当 Y4=2, 说明综合水质类别劣于水环境功能区2个类别; 以此类推。

其中, Y1.Y2的计算公式如下:

Y1.Y2=1m∑(P1'+P2'+···+Pm')。 (3)

式中: m为参与综合水质评价的水质单项指标数目; P1', P2', Pm'分别为第1, 2, m个水质因子的单因子水质指数, 对应单因子水质标识指数中的整数位和小数点后1位, 即单因子水质标识指数中的 X1.X2。

1.3.3 综合水质分级标准

按照综合水质标识指数法可以将水质分成7个类型, 即Ⅰ 类、Ⅱ 类、Ⅲ 类、Ⅳ 类、Ⅴ 类、劣Ⅴ 类但不黑臭、劣Ⅴ 类且黑臭。

依据地表水水域环境功能和保护目标, 按功能高低, 前5类的划分标准同《地表水环境质量标准》(GB 3838— 2002)[16]。

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。

1.3.4 综合水质级别判定

本文所采用的综合水质级别判定方法主要依据综合水质标识指数值X1.X2区分河流断面综合水质级别, 同时对劣V类水质污染程度进行细分, 判断当前河水水体是否为黑臭状态(表1)。

表1 基于综合水质标识指数的综合水质级别判定[10] Tab.1 Comprehensive water quality classification based on the comprehensive water quality index[10]
2 评价结果与讨论
2.1 单因子评价法评价结果

根据水样水化学实验测试结果, 按照《地表水环境质量标准》(GBT 3838— 2002)[16]对厚子河流域水质开展单因子评价, 选取所有参评因子中水质最差的类别作为评价结果, 各水样评价结果见表2。

表2 基于单因子评价法厚子河水质评价结果 Tab.2 Evaluation results of Houzi River water quality based on single factor evaluation method

从表2单因子评价法评价结果来看, 4个采水样断面处的河水均为劣Ⅴ 类水, 判断不出水质类别的差异。而从现场实际调查得知, 距离硫铁矿采矿区较近的HZ001和HZ002点处, 河水呈十分明显的褐红色, 水体浑浊; 距离硫铁矿采矿区较远的HZ003处, 河水颜色变浅, 水体变清; 距离硫铁矿采矿区更远的HZ004点处, 褐红色完全消失, 河水呈无色清澈状态(图2— 图5)。这说明从HZ001至HZ004, 厚子河河水水质逐渐变好, 特别是HZ004点处的河水水质明显好转。因此, 仅根据某些指标达到劣Ⅴ 类便将其判定为劣Ⅴ 类水存在一定的不合理性, 有必要利用综合水质评价方法开展厚子河4个断面处水质变化情况的研究。

图2 HZ001采样点照片Fig.2 Sampling point photo of HZ001

图3 HZ002采样点照片Fig.3 Sampling point photo of HZ002

图4 HZ003采样点照片Fig.4 Sampling point photo of HZ003

图5 HZ004采样点照片Fig.5 Sampling point photo of HZ004

2.2 综合水质标识指数法评价结果

根据厚子河4个河流断面水样测试指标参数, 通过计算获得各个河流断面单因子水质标识指数, 在单因子水质标识指数的基础上, 本文对所有评价指标进行算术平均值计算, 得出其综合水质标识指数。厚子河单因子水质标识指数及综合水质标识指数见表3。

表3 厚子河单因子水质标识指数及综合水质标识指数 Tab.3 Single factor water quality index and comprehensive water quality index of Houzi River

根据表3计算所得的综合水质标识指数, 通过综合水质级别的判定依据开展水质综合评价, 评价结果见表4。

表4 综合水质标识指数评价结果 Tab.4 Evaluation results based on the comprehensive water quality index

从综合水质标识指数评价结果可以直观了解到厚子河各个河流断面的综合水质级别、综合水质标识指数及水环境功能区达标的相关情况。由表4分析可知, 厚子河距离硫铁矿采矿区由近及远的4个断面综合水质标识指数逐渐下降, 综合水质整体趋好, 符合现场实际调查的情况。

对于HZ001、HZ002两处采样点的水质综合评价结果, 其水质级别与单因子评价法的结果一致, 均为劣Ⅴ 类水。但通过综合水质标识指数法能够在劣Ⅴ 类水中细分出HZ001点处水体黑臭, HZ002点处水体不黑臭。对于HZ003、HZ004两处采样点的水质综合评价结果, 其水质级别高于单因子评价法的评价结果, 因为综合水质标识指数法采用了各指标评价结果的平均值作为其评价水质的依据, 避免单因子评价法“ 一票否决制” 的缺点。

3 结论

(1)基于单因子评价法, 硫铁矿区厚子河水质评价结果均为劣Ⅴ 类水, 无差异, 不能反映距离硫铁矿开采区越远时河水水质趋好的客观实际情况。

(2)综合水质标识指数法避免了“ 一票否决制” , 不仅可以客观反映同一河流各个断面所处的综合水质类别、同一水质类别中受污染的不同程度以及与水环境功能区类别的比较结果, 而且实现了对劣V类水质污染程度的精细划分, 相较于单因子评价法更加客观、科学、全面。

(3)综合水质标识指数法适用于硫铁矿开采等类似重污染区域河流不同断面的水质污染程度以及劣V类水体是否黑臭等问题的分析, 研究成果可为水环境相关管理人员研判水环境质量、进行水污染治理以及综合决策提供一定的科学参考依据。

参考文献
[1] 章光新, 邓伟, 何岩, 等. 中国东北松嫩平原地下水水化学特征与演变规律[J]. 水科学进展, 2006, 17(1): 20-28. [本文引用:1]
[2] 蓝楠, 陈燕, 彭泥泥. 地下水资源保护立法问题研究[M]. 武汉: 中国地质大学出版社, 2010: 1-5. [本文引用:1]
[3] 李思悦, 张全发. 对南水北调工程解决中国北方用水问题的分析[J]. 人民黄河, 2005, 27(8): 28-29, 43. [本文引用:1]
[4] 李思悦, 张全发. 运用水质指数法评价南水北调中线水源地丹江口水库水质[J]. 环境科学研究, 2008, 21(3): 61-68. [本文引用:1]
[5] 徐祖信. 我国河流单因子水质标识指数评价方法研究[J]. 同济大学学报: 自然科学版, 2005, 33(3): 321-325. [本文引用:2]
[6] 张辉, 杨雄. 单因子水质标识指数法在巢湖流域水质评价中的应用[J]. 安徽农学通报, 2018, 24(10): 116-119, 163. [本文引用:1]
[7] 张宇红, 胡成. 单因子标识指数法在浑河抚顺段水质评价中的应用[J]. 环境科学与技术, 2011, 34(6): 276-279. [本文引用:1]
[8] 王书锦, 刘云根, 侯磊. 基于内梅罗指数的阳宗海湖滨湿地水环境质量评价[J]. 环境污染与防治, 2016, 38(8): 6-9, 14. [本文引用:1]
[9] 袁政涛, 金少格, 张舒, 等. 青浦区镇村级河道水质综合污染指数评价[J]. 农业灾害研究, 2016, 6(2): 58-60. [本文引用:1]
[10] 徐祖信. 我国河流综合水质标识指数评价方法研究[J]. 同济大学学报: 自然科学版, 2005, 33(4): 482-488. [本文引用:2]
[11] 王博, 杨志强, 李慧颖, 等. 基于模糊数学和GIS的松花江流域水环境质量评价研究[J]. 环境科学研究, 2008, 21(6): 124-129. [本文引用:1]
[12] Ip W C, Hu B Q, Wong H, et al. Applications of grey relational method to river environment quality evaluation in China[J]. J Hydrol, 2009, 379(3/4): 284-290. [本文引用:1]
[13] 阮仕平, 党志良, 胡晓寒, 等. 人工神经网络在综合水质评价中的应用[J]. 水资源研究, 1997, 25(2): 21-23. [本文引用:1]
[14] Parinet B, Lhote A, Legube B. Principal component analysis: an appropriate tool for water quality evaluation and management-application to a tropical lake system[J]. Ecol Model, 2004, 178(3/4): 295-311. [本文引用:1]
[15] 尹海龙, 徐祖信. 我国单因子水质评价方法改进探讨[J]. 净化技术, 2008, 27(2): 1-3. [本文引用:1]
[16] 中国环境科学研究院. GB 3838—2002地表水环境质量标准[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2002. [本文引用:4]