雨水回用于人工湖的水質安全評價

張 肖，金星龍

(天津理工大學環境科學與安全工程學院，天津 300000)

水資源短缺、污染狀況日益嚴重，使得雨水作為一種利用潛力極大的水資源受到廣泛關注[1]。雨水的有效利用能夠在一定程度上緩解我國水資源短缺的問題[2]，雨水用于補充人工湖是一種雨水回用于景觀用水的具體應用。對以雨水為唯一水源的人工湖進行降雨前后水質評價研究，有利于我國獨立雨水資源化體系的建立，也是我國雨水資源化研究的新趨勢[3]。

模糊綜合評價法是一種應用廣泛的水質評價方法[4]。徐乒乓等提出以水質標準上下限中間值作為隸屬函數的界限值，來達到對劣Ⅴ類水質的評價[5]。楊靜采用組合賦權法進行權重賦值，通過相乘相加算子、加權平均原則對數據進行綜合評價[6]。葉章蕊等引入熵值賦權法、超標加權法和理想點法來實現多種賦權方法優勢的融合[7]。但現行的模糊綜合評價法仍受國標地表水分類標準的限制。

本文對3場降雨前后人工湖水質進行檢測，在常規指標的基礎上增加了生物毒性檢測[8]，使所得結果更加可靠[9]。同時，通過對傳統的模糊綜合評價法進行改進來建立一種水質常規檢測指標與生物毒性檢測指標相兼容的安全評價體系，并利用改進后的模糊綜合評價法對所得數據進行整體的定性定量分析，根據所得的評價結果對將雨水作為人工湖補充水源進行可行性分析，并提出相應的建議措施。

1 材料與方法

1.1 采樣地點

本文研究對象為天津市西青區某大學人工湖，該人工湖補充水源完全來自雨水，其表面積約為4.69 萬m2，平均水深6 m，體積大約為28.14 萬m3。校區建設初期，雨水通過管網收集排入內環路雨水干管后排至市政道路。后期為提高校園雨水利用率，將沉砂池及提升泵站設置于雨水管網的出口末端，雨水沉淀提升后由湖東側排水管排至人工湖。屋面雨水、路面雨水及綠地雨水為補充人工湖的主要來源。人工湖水源構成如圖1所示。

圖1 人工湖水源構成Fig.1 The source of artificial lake

根據相關規定[10]及實際情況在人工湖北側中點A、南側東西兩點B、C設置采樣點。因湖中養殖魚苗，故設有增氧機和投餌機。湖南側為下沉式階梯，將湖與圖書館連接，其余北東西三側周圍均為綠地，對雨水起到過濾與滲透作用。降雨前后湖水混合均勻后于湖周A、B、C三點采用體積為2 L的聚四氟乙烯瓶進行樣品采集。人工湖布局概況如圖2所示。

圖2 人工湖布局概況Fig.2 The layout of artificial lake

1.2 采樣時間

于2017年7-10月期間對人工湖進行了3場降雨前后的樣品收集。每采樣點樣品采集體積均為2 L，具體的采樣情況如表1所示。

1.3 檢測指標及方法

檢測指標分為兩大類：常規指標及生物毒性指標。常規指標分為pH、濁度、電導率、總磷、總氮、化學需氧量；生物毒性指標分為發光菌急性毒性指標、SOS/umu遺傳毒性指標。

表1 樣品采集概況Tab.1 The details of rain sampling

pH值和電導率分別通過pH計(DELTA 320)、電導率儀(DDSJ-308A)進行檢測。通過光電比色法測定濁度；鉬酸銨分光光度法測定總磷含量；堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定總氮含量；重鉻酸鹽法測定化學需氧量。生物急性毒性則通過發光菌發光強度進行測定；生物遺傳毒性則通過SOS/umu法進行測定。

2 結果分析與討論

2.1 湖體水質常規指標檢測結果及分析

樣品采集后自然沉降30 min，取上層非沉降部分進行pH、濁度、電導率、總磷、總氮、化學需氧量的檢測。以3個采樣點常規指標檢測結果的平均值來表征人工湖的整體水質，如表2所示。

表2 常規指標檢測結果Tab.2 The general indicator data

由表2可以看出:①湖體水質整體呈堿性，降雨前后人工湖水體pH值變化不大。雨后水體pH值略低于雨前水體，可能由于雨水偏酸性，中和了水體，使pH值降低。②湖體電導率整體維持在2.0 mS/cm左右，且降雨后數值略低，這是因為雨水起到了稀釋作用。③湖體濁度整體穩定在20.0 NTU以內，但雨后高于雨前。這是由徑流過程中雨水將車輛及行人留于道路上的雜質、積存于屋面的雜質帶入湖中所致。④湖體總磷范圍為0.10～0.33 mg/L，整體呈現雨后數值大于雨前的規律。磷是飼料中的一種營養素，是動物必需的常量礦物元素。人工湖中養殖大量魚苗，魚飼料的不定期的投放是造成湖體總磷含量不穩定的重要原因。⑤湖體總氮范圍2.03～6.20 mg/L，降雨前后增減情況不同。第一、二場降雨雨后總氮量略小于雨前，第三場降雨雨后總氮量高于雨前。第三場降雨時長為4 d且雨勢較大，雨水對地面不斷沖刷, 地表可溶性含氮污染物隨徑流量的增加而增強，從而使湖中各種含氮污染物的含量升高，導致總氮濃度值上升。⑥湖體化學需氧量范圍為76.89～167.22 mg/L，3場降雨COD數值整體呈現雨后小于雨前的規律。說明雨水對湖內污染存在一定的稀釋作用，減緩了湖中還原性物質污染的程度。第二場降雨前后COD值明顯高于其他兩場降雨，可能是由于七八月份氣溫相對較高，湖中微生物劇烈增長所致。

2.2 湖體水質生物毒性檢測結果及分析

水質常規指標只能檢測出各指標的含量，但各指標之間可能有拮抗、協同、相加、致敏等相互作用，單一的常規指標不能很好地說明水體整體毒性的大小。生物毒性檢測主要利用微生物在水體中的生態學變化來反應水體的毒性效應，得到有毒物質濃度與微生物生物效應之間的數學關系[12]。本實驗對人工湖水質進行生物毒性的檢測，主要包括發光菌急性毒性和SOS/umu遺傳毒性。進行生物檢測前需對樣品進行預處理，利用玻璃纖維濾膜(WhatmanGF/F47 mm)對水樣進行過濾，然后通過HLB柱活化、水樣過柱、洗脫、定容來對樣品進行富集濃縮后保存待用。

2.2.1 生物急性毒性

對水體進行發光菌急性毒性檢測用到的菌種為發光細菌中的明亮發光桿菌502(Photobacterium phosphoreum)[13]。發光菌發光抑制實驗按照GB/T15441-1995進行，以Zn2+為陽性參照物，設置濃度梯度擬合得到其對發光菌抑制率的標準曲線如圖3所示，設置樣品濃度梯度進行發光菌發光強度的檢測，得到樣品濃度與其對應的發光菌發光強度抑制率的擬合關系[14]，圖4為3場降雨前后樣品富集因子與發光菌抑制率的擬合圖。

圖3 Zn2+濃度-發光菌抑制率效應Fig.3 Toxicity of Zn2+ to photobacterium

圖4 降雨前后湖水對發光菌的光強抑制Fig.4 Toxicity of lake to photobacterium in the rainfall

根據以上計算得3場降雨前EQCZn2+分別為8.946、12.320、10.758 μg/L，降雨后EQCZn2+分別為6.348、7.538、8.269 μg/L。

2.2.2 生物遺傳毒性

本實驗所用的菌種為鼠傷寒沙門氏菌SalmonellatyphimuriumTA1535/pSK1002。利用高純水及DMSO對富集濃縮的樣品進行稀釋，按照文獻[15]進行實驗，所測數據利用以下公式進行計算。根據陽性參考物4-NQO和水樣的劑量-效應曲線線性擬合斜率的比值判斷水樣的遺傳毒性，以4-NQO當量濃度表示[16]。圖5為4-NQO劑量與誘導率擬合圖，圖6為3場降雨前后樣品劑量與誘導率的擬合圖。

(1)

(2)

式中：G為生長因子；IR為誘導率；A595T為待測樣品在595 nm處吸光度；A595B為空白對照在595 nm處吸光度；A595N為陰性對照在595 nm處吸光度；A415T為待測樣品在415 nm處吸光度。

圖5 4-NQO劑量-效應圖Fig.5 4-NQO dose-response curve

圖6 降雨前后遺傳毒性劑量-效應圖Fig.6 Genotoxicity dose-response curve of the rainfall

根據以上計算得3場降雨前的TEQ分別為2 540.54、3 405.41、3 351.35 μg/L，3場降雨后的TEQ分別為864.86、843.75、1 594.60 μg/L。

綜上可以看出，生物急性毒性和遺傳毒性所測得EQCZn2+、TEQ4-NQO均呈現出雨后數值低于雨前的規律，可以得出人工湖的生物毒性整體呈現雨后低于雨前的規律。

2.3 利用模糊綜合評價法進行水質評價分析

傳統的模糊綜合評價法利用屬于程度(隸屬度)來代替屬于或不屬于，通過模糊關系和權重來確定綜合評價結果。模糊評價中，矩陣R體現了每個污染因子對每級標準的隸屬程度。一般水質指標都是數值小者為優的成本型指標，將水質標準的上下限值代入“降半梯形”的隸屬函數，從而得到水質指標相對于每級標準的隸屬度[17]。但該方法存在不足之處。

首先，國標中水質分級共有五級，每一等級在一定程度上具有定性模糊特征。本文主要探究降雨前后人工湖水質的變化情況，當降雨前后水質屬同一等級時，不能很好地說明水質的變化情況。其次，國標中只對pH、COD、TP、TN、BOD5等部分常規指標進行了分級規定，對于其他可用于表征水質的指標如濁度、電導率、固體懸浮物等都沒有進行水質分級，故無法利用模糊綜合評價法對國標中未涉及的常規指標進行分級計算。最后，傳統方法并沒有將水質生物毒性納入到模糊綜合評價中。

綜上所述，為解決傳統模糊綜合評價法所存在的問題，現將每一因素集對評價集的檢測數值按照公式(5)整理為分值總和為1的集合，既可對各評價集的因素進行定量定位，又可避免個別因素測量值過高對整個系統模糊關系的影響，還能將生物毒性結果及國標中未涉及的常規指標包括在內，同時能明確的比較出整體水質的變化情況。

現按照以下步驟將實驗所測得的常規指標和生物指標數據進行改進后的模糊綜合評價。

(1)確定評價集(參與評價樣品的集合)。

(3)

式中：Y1、Y2分別為第一場降雨前后；Y3、Y4分別為第二場降雨前后；Y5、Y6分別為第三場降雨前后。

(2)確定評價對象的因素集(參與評價指標的集合) 。

(4)

(3)構造模糊關系。

(5)

式中：rij為第j個評價集在第i個因素集中的得分。

根據公式(5)所得模糊矩陣為：

(6)

(4)確定權數。按照熵值賦權法[7]對本實驗指標檢進行權重的確定，包括以下 3 個步驟。

第一步，原始數據矩陣的標準化。利用信息熵的概念確定權重，對于數值小者為優的指標而言選擇公式 (7)對原始數據矩陣進行標準化。

(7)

式中：max(xij)為評價對象i的j指標的最滿意值；max(xij)為評價對象i的j指標的最不滿意值；rij為評價對象i的j指標的歸一化值。

將本實驗數據按照以上公式進行歸一化法計算結果如下：

第二步，定義熵。對于有n個評價對象m個評價指標的評估問題，第i個指標的熵Hi計算如下。

(8)

(9)

(10)

當fij=0時，令fijlnfij=0。所得Hi值為：H1=0.827，H2=0.686，H3=0.882，H4=0.813，H5=0.809，H6=0.891，H7=0.653，H8=0.752。

第三步，定義熵權。根據公式(11)可得到第i個指標的熵權值。

(11)

得出熵權：W1=0.102，W2=0.186，W3=0.070，W4=0.111，W5=0.113，W6=0.065，W7=0.206，W8=0.147。

根據熵權賦值法可得到8個檢測指標的權數為：

(5)模糊(矩陣)運算。

[0.174,0.148,0.187,0.153,0.181,0.156]

利用改進后的模糊綜合評價法，3場降雨前后水質的得分分別為0.174， 0.148，0.187， 0.153， 0.181，0.156，得分越小，則水質越優。本實驗中雨水是人工湖的唯一補充水源，通過對降雨前后樣品進行常規指標和生物指標的檢測及模糊綜合評價法的評價，可以得出人工湖雨后水質優于雨前[18]。

3 結 語

該人工湖利用沉砂池對雨水進行了處理，將雨水所攜帶的部分雜質進行初步的過濾。 水體整體呈現雨后水質優于雨前的規律，說明將雨水回用于人工湖作為一種具體的雨水回用技術是可行的，雨水資源在得到利用的同時還能在一定程度上提升人工湖水質，實現經濟效益和生態效益雙贏。本文人工湖中僅做沉淀處理，今后雨水若想得到更高效率的利用，可在雨水回用于人工湖前增加其他物化處理技術和生物處理技術。

本文中所用的評價方法不僅能夠將國標中分級的常規指標包含在內，還可將國標中未能分級的常規指標及生物毒性指標整合到模糊綜合評價系統中。但該評價方法所得結果側重于比較分析水質變化趨勢，而按照國標進行水質分級存在一定困難。盡量突破現行地表水分類標準的限制，建立一種既可將常規及生物評價指標包含在內又可進行水質分級的水質評價系統，是今后研究發展的方向。