印度尼西亞布蘭塔斯河的水質評價系統

[印尼] M.A.福拉扎基

毛紅梅 摘譯自荷刊《水資源管理》2009年第6期

水資源管理旨在開發利用水資源時水質水量均能得到保障。水質惡化會降低下游水資源利用能力。根據水資源改革框架,2001年,印度尼西亞政府頒布了關于水質管理與水污染控制第82號政府條例(PP NO.8/2001)。該條例是國家級、省級、流域級相關機構管理者、執行者在水質管理中應遵循的全國性指南。目前河流污染的問題,是根據國家政策法規進行處理的。然而,由于全國范圍的河流存在地域條件的差異,國家政策法規確立的目標并不完全適合。因此,盡管該條例和其他相關法律法規以及國家水質標準等級劃分等技術要求在水質管理中都發揮作用,但在應用于特定流域水質管理時,其可操作性不強。因此,有必要根據各個流域的自身特點,制定適宜的操作指南。

河流水質評價方法有很多,水質指數(WQI)是對地表水分類的標準方法,它所使用的是標準的水體特征參數。由于政策的目的性與方法不同,不同國家常常采用不同的技術手段。但是要將數據轉化為反映河流實際情況的信息,必須采用最合適的技術手段對所有觀測參數進行分析。

水質評價系統(WQES)是響應市場對水質級別的需要而建立的,賦予了與河流實際水質一致的水質級別及水適宜性級別。該方法考慮了水質的時空變化。WQES用來評估河流水質狀況,識別某個級別的水所適宜的用途及生態系統,它是水質綜合評價的模型方法。前人研究表明,模型方法可以用來預測流域水質管理規劃的效果,模型也能為水質改善提出不同程度的處理建議。應用樣本集合方法,WQES通過對不同指標進行分類,可以確定水質狀況及不同用水的潛能。每個指標都有閾值,表征水質受影響的臨界值。解讀這些指標,首先需通過選擇水質變化最差的參數來表示水質的狀況和水質潛能,然后以最差的變化表示監測站水質的實際情況。確定水質狀況時,必須考慮所有的觀測參數,但分析水質潛能時,則只需關注相關參數。WQES的評價結果需要考慮水質標準和指標,其測定的首選方法是基于當地特定條件而制定的。系統科學地分析水質數據并解讀真實信息,即為決策支持系統(DSS)。獲得準確的信息有利于決策者制定適合地方的水質評價及管理政策和指南,并告誡用水者明智地分配水權。

本研究的目的在于:

(1)評價布蘭塔斯河水質狀況,并向當地管理部門提出優先采取措施的建議;

(2)識別不同目的用水及河流生態系統的適宜性,以對供水發出預警并向當地相關政府部門提出改善水質的建議。

1 運用 WQES評價河流水質

WQES是水質監測數據處理過程中的一個環節,目的在于將數據轉為信息。由于水質數據可能因專家的經歷與學識不同而有不同的解釋,因此使水質數據的解釋變成可疑而不確定的信息。交互式模糊多目標線性規劃模型(IFMOLP)被用來模擬污染負荷效能的分配,在模擬用更富有彈性的政策來管理更為復雜流域時,結果令人滿意。WQES是面向將數據轉為信息的操作程序標準(OPS)。WQES能提供兩類信息:水質狀況和不同目的用水及生態系統的水適宜性。

WQES的意義,首先是用來評價河流水質的惡化狀況,從而給當地政府提供水質管理技術支撐。水質狀況常用 WQI表示。盡管其內涵有所不同,WQI曾被用來評估墨西哥里奧萊爾馬(Lerma)河流域 25 a水質的時空變化。其次,是用來識別不同目的用水以及生態系統的適宜性,即水質潛能(WQA)。此信息對合理配置水資源,滿足農業、漁業、牲畜飲水等要求,以及地方政府應急處置水問題,優先采取適宜的措施等非常有用。

1.1 WQES評價步驟

按以下步驟,運用 WQES評價河流水質。

(1)將水質參數分成 15類,分類原則是參數相似特性及其對環境的影響。

(2)對每個水質參數定義并分成 5級臨界值,即藍、綠、黃、橙、紅色,分別表示水質非常好、好 、一般、差和嚴重污染(完全不能利用)。

(3)根據水質惡化程度,對應相應的水質指數WQI及其級別,5級的指數值范圍為 0～20,大于 4級的指數值范圍為 20～40,3級指數為 40～60,2級指數為 60～80,1級指數為 80～100;相應形成不同目的用水及其水生態系統的水質潛能,即水質潛能從最適合到不適合利用之間。

(4)對每個參數值進行評估,并將水質狀態分成 WQI相應的級別,或者將不同目的的用水及其生態系統的適宜性分成相應級別的 WQA。

(5)驗證參數中水質最差的級別,即代表該類水質。

(6)識別水質最差的級別,并代表水質狀態WQI或者不同目的用水及其生態系統(水生生物)的水適宜性的水質潛能。

為進行 WQI和 WQA級別的評價,將 151個水質參數分成 15類,分類依據是其相似特性和對環境的影響。這 15類分別是:有機氧化物、氮化物、氨氮 、磷化物 、懸浮物 、色度 、水溫 、礦化度 、酸度 、微生物、浮游植物、原水中礦化微量污染物、苔蘚植物中的金屬含量、污水中殺蟲劑、污水中非殺蟲劑類的有機微污染物。研究了評估 WQI的有機氧化物的相關參數,并評估了飲用水 WQA的懸浮物的相關參數。

WQI分為 5個連續的級別,分別用指數 1、指數2、指數 3、指數 4、指數 5表示。

(1)指數 1表示水體未受到污染,水質非常好;

(2)指數 2表示河水水質好;

(3)指數 3表示河水水質一般;

(4)指數 4表示河水水質差;

(5)指數 5表示水體污染很嚴重,不能被利用。

WQA被確定為評估不同目的用水的適宜性以及水污染對生物多樣性的影響。生物體功能具有潛在的適應性,當棲息地的水文和地形條件較好時,水生生物能適宜其生境。金屬、有機物等污染物會對生物多樣性及底泥產生影響。例如,盡管水生植物根部的金屬濃度高,但由于根部的生物量僅占底泥總生物量的一小部分,因此濕生土壤中大部分金屬含量是與底泥相關的。定義了 5種適宜性級別,表示包括對污染最敏感的物種消失至生物群落結構逐步改善的過程。

確定飲用水的適宜性級別依賴于:

(1)相關法規,首要任務是明確適宜用水的級別閾值,不適合作為飲用水水源的級別閾值。

(2)生產者和供應者確定對污水是采取簡單處理還是復雜處理的意見?？蓪⑦m宜性級別分為 5級。

休閑及水上運動用水主要是在人類可直接接觸的水域,相關法律規定的閾值也主要與水的濁度和微生物有關。對娛樂和水上運動用水,定義了 3個適宜性級別。

定義灌溉用水的適宜性的主要因素是:土壤結構、灌溉作物、灌溉頻率和持續時間。按作物的敏感性,可分為 4類,即從非常敏感到完全不敏感。作物分類常常因參數不同而有所不同,也就是說每種作物的類型不同,其組成也是不同的。例如,土壤和植物中的砷含量受到灌溉水中的含砷量大小的影響。同時還要考慮土壤的類型,可將其分為 2個有所重疊的類別:

(1)包含敏感性極強的所有土壤;

(2)中性或堿性土壤。

牲畜飲水為適宜養殖動物飲用的水。其類型劃分因素為 3個年齡級別和敏感性,即:

(1)小雞、豬崽、牛仔等年幼動物,由于生長快,對所有污染物都很敏感;

(2)生長較慢不太敏感的成年動物;

(3)孕期動物,這些動物在懷孕及哺乳期對水質的要求較高。

對于牲畜飲水,水必須是可以使用且對養殖戶來說必須是能立即使用的,如果水是不能使用的,他們會轉向供水公司。確定了 3個可供牲畜飲水的適宜性級別。

河流水產養殖適宜性主要是針對魚類養殖而言。進行高密度的魚類養殖時,水質是影響產量的主要因素,特別是三文魚養殖。通過物理化學變化,水攜帶氧氣,可以降解污染物,調節產量。確定了 3個水產養殖的適宜性級別。

1.2 WQI和 WQA確定方法

WQES首先是對某一時期的原始監測數據進行整理。但由于原始數據的時空變化會影響對其解讀,因此有必要對原始數據進行篩查,以便從多次測量數據中獲得有效數據?？梢允褂眉戏椒?隨機選擇所有樣本進行水污染程度的評價。樣本集合方法的目的在于產生對緊急情況下水質或適宜性的評價,但并不考慮例外情況。因此要保留會產生最壞適宜性或最差水質的樣本,而這種樣本在觀察結果中至少占近 10%的比重,這就是所謂的 90%法則。該法則規定將每類保留觀測期內 90%的數據,用來作為描述適宜性的級別、水質級別和水質指數。該法則適用于除懸浮物外的所有參數。

每個參數的 WQI和 WQA的每個級別都有閾值。水質評價時,應選擇每類中水質最差的參數,以表示其相關類的 WQI和 WQA。由于綜合分析方法要涵蓋所有測量參數,因而可作為普遍適用的操作程序標準(OPS),為全國和當地政策的實施以及水質管理目標的實現提供支持。一旦理解水質狀態和對不同用水的水適宜性,就可以提出改善水質并警示用水者的相關建議。

2 運用 WQES評價布蘭塔斯河的水質

本文對布蘭塔斯河沿岸 5個站 2005年監測的1136個數據進行分析。該數據來源于杰薩蒂爾塔第一公共服務公司(PJT1)的年報。由于該資料未包含所有參數,只能按 11個類別對布蘭塔斯河的水質進行初步評價。將數據轉為信息,要考慮更多的參數,從而才可以得到更細致的解讀。根據 90%法則篩查完數據后,運用 WQES評價布蘭塔斯河河水的 WQI和 WQA級別,計算公式如下:

式中 i是需用于分析的數據個數;N是數據總數;F是0.9(百分比)或能用于評估的數據總數的 90%。

例如,按 90%法則或 F=0.9,第0160站克東皮達林安(Kedung Pedaringan)2005年進行的9次觀測中收集的化學需氧量(COD)數據總數是 9。按上述公式計算出 i值為8.6,接近數據總數 9,因此需保留所有的COD數據。COD值在指數 4的閾值范圍,證實了有機氧化物 WQI值為 4,是由于其類別中的 7個監測數據表示水質最差。由于該站的懸浮物和礦化微污染物的最差 WQI是位于指數 5的閾值內,表明該斷面 WQI是 5級。

評價懸浮物類別時采用 50%保留法則,可避免降雨事件剛發生后的水質定性。降雨事件這種情況是很常見的,發生率高于 10%。公式如下:

由于布蘭塔斯河水質監測數據量巨大,故需要采用這些法則。1987年以來,PJT1負責布蘭塔斯河流域的水質監測,監測站點共有 51個。

布蘭塔斯河流域 5個監測站的評價水質狀態的參數個數分別為 28、22、25、26、25,評價水質潛能的參數個數分別為 26、20、23、24、23。由于缺少色度、微生物、污水中殺蟲劑、污水中非殺蟲劑類的有機微污染物等 4類監測數據,本文未能對其進行評價。

2.1 布蘭塔斯河研究站的 WQI

根據 2005年水質監測數據,表明所有研究站均受到高程度的懸浮物及礦化物的污染。河流中懸浮物濃度高是因為水土流失造成的,尤其是流域上游,說明耕地和森林的退化。導致這種狀況的原因是1998年以來,一些合法和不合法的伐木以及改變土地利用的情況一直在持續增加。河水中銅和汞的高濃度可能是由于工業廢水或火山爆發所引起的。水生態系統中沉積的汞很難被生物體吸收。水體中汞的含量不是固定不變的,它受流域匯入水的影響,可能會隨時間的變化而發生劇烈變化。然而,與金屬高濃度有關的高風險區域主要是耕地、園地、改良的草地及居民區,這些區域的土壤中金屬含量增加更快。金屬的分布及污染源與土壤特性之間的平衡引起的風險具有性命攸關的影響。結合金屬對環境影響的已有研究成果,本文建議有必要對其進行深入研究,以識別布蘭塔斯河的污染源及其對生態系統的影響。

5個監測站中有 3個監測站發現磷的含量較高。布蘭塔斯河下游水中的有機物含量有上升的趨勢。在工業相對集中的佩爾寧(Perning)監測站,發現氨氮含量高。顯然,要提高布蘭塔斯河的水質,需優先改善懸浮物和無機微污染物兩項指標。也就是說,首先必須解決森林和土地退化以及工業廢水的排放問題。在水質得到改善以后,再著手降低生活污水的污染負荷。

2.2 布蘭塔斯河研究站的 WQA

(1)水生態系統的適宜性。因污染負荷高,流域面臨物種多樣性降低的問題,已有研究表明,需結合生態功能評估河流的生態完整性。上述分析研究表明,布蘭塔斯河下游 5個水質監測站中有 2個站的水質 WQA屬于水體污染很嚴重而不能利用的級別,表明其水質已不能支撐水生態系統的可持續性。也就是說,敏感物種的數量會急劇減少,甚至滅絕,物種多樣性低。另外的 3個水質監測站的水質屬于水質差的級別,說明敏感物種的數量以及物種的多樣性會減少。

(2)飲用水的適宜性。目前,泗水(Surabaya)市政府在恩加格爾(Ngagel)出資建設的供水公司還在運行,但根據分析研究結果,其 WQA為水體污染很嚴重,屬不能利用的級別,表明已不適于作為飲用水水源。有 1個監測站即普洛索(Ploso)站的 WQA為河水水質差,但其上游水作為飲用水水源是可行的。建議在飲用水生產時要采用先進的凈水技術。

(3)休閑運動用水的適宜性。本次研究雖未對布蘭塔斯河流域所有 51個監測站的資料進行分析,但是從 5個研究站點的水質評價來看,WQA都屬于水體污染很嚴重而不能利用的級別,表明河水不能用于休閑和運動。

(4)灌溉用水的適宜性。從以上數據分析來看,5個水體監測站的 WQA都屬于水體未受到污染,水質非常好的級別。說明布蘭塔斯河的河水適合作為灌溉用水水源,特別是適合該地區占主導產品地位的稻田的灌溉。不幸的是,灌溉后的回水通常會回流到河流中。如法國的伊勒卡馬格(Ile de Camague)的稻田回排水,攜帶有大量溶解性的殺蟲劑,流進了包括河流在內的濕地中。

(5)牲畜飲水適宜性。根據前述,WQA屬于河水水質一般級別,說明布蘭塔斯河河水作為牛羊等成年牲畜飲用水水源時,需要對用水水質進行嚴格控制。

(6)水產養殖的適宜性。根據上述對水質的分析評價結果,布蘭塔斯河流域下游地區 WQA屬于水體污染很嚴重而不能被利用的級別,說明已不適合直接用于水產養殖,但是普洛索監測站的上游地區的水目前還能適宜于對污染不敏感的成年魚類的養殖。

3 結 語

將 WQES用來評價布蘭塔斯河水質現狀以及對不同用戶及河流生態系統的適宜性。用 WQI表示水質惡化的總體水平,發現處于非常差的級別。為了解決水體污染問題,本文建議當地政府及相關部門應優先處理以下 2個問題:

(1)在布蘭塔斯河流域,特別是其上游地區,實施森林植被恢復和土地修復工程;

(2)采取持續措施減少工業廢水和生活污水負荷。

采用 WQA評價水的適宜情況:謹慎作為休閑運動用水,建議在普洛索水體監測站的上游采取先進的水處理技術,下游的水不要作為飲用水源,應嚴格限制牲畜飲水和水產養殖的水質。布蘭塔斯河的水質將導致流域,特別是下游地區的生物多樣性下降。應強化公眾參與地表水的管理,從而實現全局性與可持續性的水管理決策過程。當地政府以及其他相關利益各方應該一起參與改善布蘭塔斯河水質的行動。