不同水質(zhì)評(píng)價(jià)方法在金海水庫的應(yīng)用

魏樂　裴國霞　郭琦　李汗青

摘要：根據(jù)金海水庫監(jiān)測數(shù)據(jù)，參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）》3類標(biāo)準(zhǔn)，分別應(yīng)用單因子評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)水庫水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，單因子評(píng)價(jià)偏于保守，最好水質(zhì)類別為Ⅱ類，最差為Ⅴ類，且不達(dá)標(biāo)月份占25%。內(nèi)梅羅污染指數(shù)（Ip）反映月份水質(zhì)狀況變化趨勢(shì)，12月和次年1月Ip大于1，為不達(dá)標(biāo)月份，其余月份均達(dá)標(biāo)；季節(jié)Ip比較：冬季>夏季>秋季>春季。模糊綜合評(píng)價(jià)體現(xiàn)水質(zhì)好壞的模糊性，評(píng)價(jià)結(jié)果較好，最好水質(zhì)類別為Ⅰ類，最差為Ⅲ類，不存在超標(biāo)月份。總體來說，金海水庫水質(zhì)現(xiàn)狀較好，符合飲用水地表水源標(biāo)準(zhǔn)，但部分月份存在輕度污染，應(yīng)及時(shí)采取措施，確保用水安全。

關(guān)鍵詞：金海水庫；水質(zhì)評(píng)價(jià)；單因子評(píng)價(jià)；內(nèi)梅羅污染指數(shù)；模糊綜合評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：X824 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）08-1974-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.016

Abstract： According to Jinhai reservoir monitoring data， it applied single factor evaluation， Nemerow pollution index method and fuzzy comprehensive evaluation method to evaluate the status of water quality in the reservoir respectively referring to Surface Water Quality Standards （GB3838-2002）. The results showed that， the single factor evaluation was conservative，the best water quality category was classⅡ，the worst was class Ⅴ， and the months below the standard accounted for 25%. Nemerow pollution index（Ip） reflected changes in water quality trends in the month， the Ip was greater than 1 in December and January，which was not up to the standard， the rest of the month all reached the standard. Seasonal comparison of Ip：winter>summer>autumn>spring. Fuzzy comprehensive evaluation reflected the ambiguity of good and bad of water quality， the evaluation results was good， and the best water quality category was classⅠ， the worst was class Ⅲ， there was no excessive month. Generally speaking，the water quality situation of Jinhai reservoir was good， accorded with the standard of drinking surface water sources， but there was still light pollution in some months， therefore， measures should be promptly taken to ensure water security.

Key words： Jinhai reservoir； water quality assessment； single factor evaluation； Nemerow pollution index；fuzzy comprehensive evaluation

近年來，水質(zhì)污染等一系列問題已成為國內(nèi)急需面對(duì)的問題。水質(zhì)惡化、水資源供需失衡、用水安全得不到保障等矛盾日益突出，因此水質(zhì)評(píng)價(jià)越來越受到人們的重視。水質(zhì)評(píng)價(jià)是根據(jù)需要，按照評(píng)價(jià)目標(biāo)，選擇相應(yīng)的水質(zhì)參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法，對(duì)水體質(zhì)量作出評(píng)價(jià)[1]。常見的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法主要有單因子評(píng)價(jià)法、綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法等[2]。

金海水庫位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市南二環(huán)昭君路出口25 km處的二道凹村（圖1），是“引黃入呼”工程的重要水源地之一。近年來，市民反映冬季自來水存在異味，這與金海水庫水體污染有很大關(guān)系。本研究應(yīng)用3種不同評(píng)價(jià)方法對(duì)金海水庫進(jìn)行水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，以期為水庫水環(huán)境質(zhì)量管理、改善自來水水源質(zhì)量、保障飲用水環(huán)境安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣點(diǎn)設(shè)置和樣品采集

2012年6月至2013年5月，在金海水庫設(shè)置庫首、庫中和庫尾3個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，共計(jì)9個(gè)[3]。在每個(gè)采樣點(diǎn)水下0.5 m處用采樣器采集表層水樣（冬季采用冰刺破除湖面覆冰），每月采樣一次。采樣位置詳見圖1。

1.2 監(jiān)測指標(biāo)及其測定方法

樣品監(jiān)測指標(biāo)為溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）和高錳酸鉀指數(shù)（CODMn）。其中DO采用便攜式設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場測定，NH3-N、TP和CODMn按照文獻(xiàn)[4]進(jìn)行測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

金海水庫水面面積較小，樣品采樣點(diǎn)距離相對(duì)較近，不適宜進(jìn)行水質(zhì)空間分布規(guī)律的分析，故將水庫所監(jiān)測的9個(gè)采樣點(diǎn)指標(biāo)取其平均值，分析時(shí)間變化的規(guī)律。本研究應(yīng)用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

1.4 評(píng)價(jià)方法

因監(jiān)測條件限值和水庫主要污染因子分析，取DO、NH3-N、TP和CODMn 4個(gè)污染指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，應(yīng)用單因子評(píng)價(jià)法、內(nèi)梅羅污染指數(shù)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)金海水庫進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，分析比較得出適合水庫的評(píng)價(jià)方法。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，金海水庫為呼和浩特市集中式生活飲用水源地之一，按《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）》功能區(qū)劃分為Ⅲ類[5]，故評(píng)價(jià)中各項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)值采用相應(yīng)的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值。

1.4.1 單因子評(píng)價(jià)法 在眾多的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法中，單因子評(píng)價(jià)法因操作簡便、結(jié)果偏于安全而被廣泛采用，又稱一票否決法[6]。該方法首先要確定該水體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將各參數(shù)濃度與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相比，根據(jù)比值是否大于1來評(píng)價(jià)該水體是否達(dá)到了相應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，并判定評(píng)價(jià)指標(biāo)的水質(zhì)類別[7]。該方法是《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）》規(guī)定的評(píng)價(jià)方法，評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)說明水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況，超標(biāo)的應(yīng)說明超標(biāo)項(xiàng)目和超標(biāo)倍數(shù)。

1.4.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法 內(nèi)梅羅污染指數(shù)由美國敘拉古大學(xué)內(nèi)梅羅教授于1974年在其所著的《河流污染科學(xué)分析》一書中提出[8]，是一種兼顧極值或稱突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。該評(píng)價(jià)方法為《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14848-1993）》中的推薦方法，故在地下水評(píng)價(jià)中應(yīng)用較多，而在地表水評(píng)價(jià)中很少涉及。徐彬等[9]驗(yàn)證了內(nèi)梅羅污染指數(shù)法在太湖水質(zhì)評(píng)價(jià)中具有較好的適用性。計(jì)算公式為：

1.4.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法 水質(zhì)評(píng)價(jià)中常常會(huì)出現(xiàn)不能準(zhǔn)確判斷的模糊問題，如水質(zhì)的影響因素較多，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)具有模糊性等，這種情況下可以引用模糊綜合評(píng)價(jià)法來解決[10，11]。模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)原理分析和評(píng)價(jià)具有模糊性事物的系統(tǒng)分析方法，其是以模糊推理為主的定性和定量相結(jié)合、精確與非精確相統(tǒng)一的分析評(píng)價(jià)方法。首先選定模糊綜合評(píng)價(jià)的2個(gè)有限集合U和V，U={u1 u2 u3…un}為因子集，V={v1 v2 v3…vn}為評(píng)價(jià)集，選擇合適的隸屬函數(shù)，確定U和V之間的模糊矩陣R，然后確定各因素的權(quán)重分配矩陣A，最后，將A和R應(yīng)用模糊變換原理合成模糊子集B，最終得出綜合評(píng)價(jià)[12]。

1）隸屬函數(shù)的確定采用降半梯形和升半梯形隸屬函數(shù)求兩端等級(jí)的隸屬度，用對(duì)稱山型隸屬函數(shù)求中間等級(jí)隸屬度[13，14]。Ⅰ級(jí)水時(shí)，即j=1，隸屬函數(shù)為：

把各個(gè)評(píng)價(jià)因子的實(shí)測值代入相應(yīng)的隸屬函數(shù)中，計(jì)算出評(píng)價(jià)因子對(duì)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，得到U到V的一個(gè)模糊關(guān)系R，稱為模糊矩陣。

2）權(quán)重的確定采用污染物濃度超標(biāo)法來進(jìn)行計(jì)算，即按照各評(píng)價(jià)因子超標(biāo)情況進(jìn)行加權(quán)，超標(biāo)越多，權(quán)重值越大[15]。

計(jì)算出各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，組成一個(gè)1×n的權(quán)重矩陣A，即（a1 a2 a3…an）。

3）將權(quán)重矩陣A和模糊矩陣R帶入公式B=A×R，求出結(jié)果，然后進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 評(píng)價(jià)因子監(jiān)測結(jié)果

金海水庫水質(zhì)監(jiān)測值見表1。由表1可知，水體中DO最大值為8.64 mg/L，最小值為4.11 mg/L，含量在1年內(nèi)整體水平較好，全年變化不大，處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。TP含量相對(duì)較少，冬季達(dá)到最大值，為0.063 mg/L，最小值為0.015 mg/L。CODMn是反映水體中有機(jī)污染物含量的常用指標(biāo)，其含量月份變化幅度為1.52～3.25 mg/L，冬季含量相對(duì)較高，夏季含量相對(duì)較低。由于客觀原因，2012年6月和7月未能進(jìn)行NH3-N含量的監(jiān)測，其他月份變化較大，最大值為1.95 mg/L，最小值為0.09 mg/L，平均值為0.59 mg/L。

2.2 單因子評(píng)價(jià)法結(jié)果

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測資料以及應(yīng)實(shí)現(xiàn)的水域功能類別，金海水庫水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。由表2可知，水庫全年水質(zhì)狀況較好，基本達(dá)到水域功能類別標(biāo)準(zhǔn)，僅2012年7月、12月和2013年1月不達(dá)標(biāo)，不達(dá)標(biāo)率為25%。2012年6月和2013年4月、5月水質(zhì)類別最好，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。2013年1月水質(zhì)較差，為Ⅴ類水質(zhì)，超標(biāo)項(xiàng)目為NH3-N，超標(biāo)倍數(shù)為0.95。2012年7月、12月出現(xiàn)輕度污染，評(píng)價(jià)結(jié)果為Ⅳ類水，DO和TP為超標(biāo)項(xiàng)目。其余月份均為Ⅲ類水質(zhì)，符合國家集中式生活飲用水地表水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。總而言之，金海水庫單因子評(píng)價(jià)結(jié)果符合當(dāng)前水質(zhì)現(xiàn)狀，評(píng)價(jià)合理。

2.3 內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)所選評(píng)價(jià)因子監(jiān)測值及各污染指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)濃度，應(yīng)用內(nèi)梅羅污染指數(shù)的公式，計(jì)算每個(gè)月份的內(nèi)梅羅污染指數(shù)，并分析Ip的月份趨勢(shì)變化，見圖2。內(nèi)梅羅污染指數(shù)能夠直觀判斷綜合水質(zhì)是否達(dá)到功能區(qū)目標(biāo)，但不能判斷綜合水質(zhì)類別[17]。一般來說，Ip≤1，說明水環(huán)境質(zhì)量較好，水體較清潔；Ip>1，說明水環(huán)境質(zhì)量較差，未達(dá)到水域功能標(biāo)準(zhǔn)，水體受到了污染。

由圖2可知，2012年12月和2013年1月水質(zhì)較差，Ip大于1，為1.10和1.52，說明這2個(gè)月份未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，水體受到了污染。其余月份Ip均小于1，達(dá)到功能區(qū)目標(biāo)，水環(huán)境質(zhì)量較好。1年之內(nèi)的內(nèi)梅羅污染指數(shù)出現(xiàn)明顯的變化趨勢(shì)，且變化幅度較大。曲線中存在2個(gè)峰值，即2012年7月和2013年1月，Ip分別為0.98和1.52，表明這2個(gè)月是最容易出現(xiàn)水質(zhì)污染的月份，為水庫污染治理提供了有針對(duì)性的目標(biāo)。從季節(jié)的角度來分析，冬季的內(nèi)梅羅污染指數(shù)較高，夏季較冬季有明顯的下降趨勢(shì)，春季和秋季則為最低值。Ip季節(jié)比較：冬季>夏季>秋季>春季，這與呼和浩特市居民飲用水冬季出現(xiàn)異味的情況相吻合。

2.4 模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果

本研究選取4個(gè)污染指標(biāo)為評(píng)價(jià)因子，故因子集U={CODMn、TP、NH3-N、DO}，每個(gè)評(píng)價(jià)因子各個(gè)月份的實(shí)測濃度值見表1；根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838—2002）》，評(píng)價(jià)等級(jí)分為5個(gè)等級(jí)，故評(píng)價(jià)集V={Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ}。

2.4.1 隸屬函數(shù)的確定 以2012年9月為例，根據(jù)各個(gè)評(píng)價(jià)因子的實(shí)測值和隸屬函數(shù)，求出各個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)各級(jí)水的的隸屬度，組成模糊矩陣R1：

R1=1.00 0 0 0 0 0 0.44 0.56 0 00.74 0.26 0 0 00.04 0.96 0 0 0

2.4.2 權(quán)重的確定 2012年9月份各評(píng)價(jià)因子權(quán)重計(jì)算見表3。

2.4.3 模糊矩陣綜合評(píng)價(jià) 應(yīng)用公式可得B=A×R=（0.112 0.222 0.102 0.565）×

1.00 0 0 0 0 0 0.44 0.56 0 00.74 0.26 0 0 00.04 0.96 0 0 0

=（0.210 0.666 0.124 0 0）

由此可見，0.666為最大值，根據(jù)最大隸屬度原則，本月份的水質(zhì)為Ⅱ類水質(zhì)。按同樣的方法，對(duì)其他月份進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

由表4可知，每個(gè)月份均達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)以上，不存在污染月份，表明水庫水環(huán)境質(zhì)量常年處于較好的狀態(tài)。達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)的月份有6個(gè)，占50%；Ⅱ類水質(zhì)月份有4個(gè)，占33%；而其余2個(gè)月份為Ⅲ類水質(zhì)，即2012年7月和2012年12月。

2.5 三種評(píng)價(jià)方法的比較分析

對(duì)以上3種評(píng)價(jià)方法比較分析：單因子評(píng)價(jià)法以最差評(píng)價(jià)指標(biāo)的水質(zhì)類別作為綜合水質(zhì)類別，評(píng)價(jià)結(jié)果偏低，但明確的污染因子使運(yùn)行管理更有針對(duì)性，保守的評(píng)價(jià)使市民的飲用水安全更有保障；內(nèi)梅羅污染指數(shù)直接表明水質(zhì)是否達(dá)到區(qū)域功能目標(biāo)，且反映水質(zhì)的時(shí)間變化趨勢(shì)，但不能判定水質(zhì)類別；模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果符合水庫水質(zhì)現(xiàn)狀，其方法綜合考慮了水質(zhì)類別界限的模糊性和污染因素的權(quán)重，避免了片面性，能夠比較客觀地反映水體的水質(zhì)現(xiàn)狀。

3 結(jié)論

1）通過3種評(píng)價(jià)結(jié)果綜合分析，金海水庫水質(zhì)現(xiàn)狀較好，整體達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但部分月份存在不同程度的污染，需采取治理措施。

2）單因子評(píng)價(jià)結(jié)果偏于保守，全年最好水質(zhì)類別為Ⅱ類，最差水質(zhì)類別為Ⅴ類，不達(dá)標(biāo)月份占25%；內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)直觀反映出水質(zhì)是否達(dá)到功能區(qū)目標(biāo)，2012年12月和2013年1月水質(zhì)未能達(dá)標(biāo)，其余月份均達(dá)標(biāo)，Ip季節(jié)比較：冬季>夏季>秋季>春季；模糊綜合評(píng)價(jià)較好地體現(xiàn)了水質(zhì)好壞的模糊性，水庫水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果較好，每個(gè)月份均能達(dá)到區(qū)域功能目標(biāo)，不存在污染月份，最好水質(zhì)類別達(dá)到Ⅰ類，最差為Ⅲ類。

3）3種方法評(píng)價(jià)結(jié)果具有共同性，符合水庫水質(zhì)現(xiàn)狀。全年水質(zhì)較差月份出現(xiàn)在2個(gè)階段，即7月和12月或1月，其余月份水質(zhì)較好。從季節(jié)的角度來看，春季和秋季水質(zhì)較好，冬季和夏季水質(zhì)較差，這與水庫冬季存在冰封期致使水體污染，夏季浮游生物大量生長繁殖致使水體富營養(yǎng)化有關(guān)。

4 建議與展望

由于試驗(yàn)條件有限，水質(zhì)監(jiān)測周期較短，監(jiān)測數(shù)據(jù)存在誤差等因素都會(huì)影響水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，故水質(zhì)狀況還有待于進(jìn)一步深入研究；通過對(duì)金海水庫進(jìn)行客觀科學(xué)的水質(zhì)評(píng)價(jià)，分析水質(zhì)狀況，希望相關(guān)部門及時(shí)了解水質(zhì)污染情況并采取有針對(duì)性的治理方案，保護(hù)用水環(huán)境，確保市民的用水安全。

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