居民小區飲用水水質評價指數構建與應用

朱 斌

(上海城投水務<集團>有限公司，上海 200002)

為了保障居民的飲水安全，在水廠處理、管網輸配和二次供水過程中對飲用水水質進行評價非常必要。以往的研究多以出廠水和管網水為研究對象[1-4]，結合數理統計方法，得出了一系列特征鮮明的水質評價方法。由于檢測條件和供水環境的限制，多數供水企業注重于控制出廠水水質達標，對于二次供水水質的評價涉及不多。

《上海市城市總體規劃(2017—2035年)》提出，到2035年全市供水水質將達到國際先進標準，滿足直飲需求。上海市開展了高品質飲用水示范區建設，以水質終端化為目標，制定了示范區水質標準，實施了小區智能泵房改造，安裝了在線水質儀表，對小區水質進行連續跟蹤監測，確保居民用水安全。

飲用水水質從出廠到居民小區這段供水距離不可避免會發生變化，主要體現在渾濁度、余氯、pH和耗氧量(CODMn)指標的波動。此外，隨著水齡的增加，二次供水水質也會產生波動。上海市現行的《生活飲用水水質標準》(DB31/T 1091—2018)(以下簡稱地標)[5]針對二次供水水質明確提出了檢驗頻率和考核要求。因此，針對上海市居民小區飲用水，建立一個科學合理的評價方法顯得尤為重要，也是進一步開展生活飲用水信息化建設的重要前提。

關于水質評價的研究多采用五色分級法反映水質信息[3,6]，以WQI(水質評價指數)是否低于1.00作為是否合格的標準，對水質狀況進行分級評價。評價范圍的界定對于五色分級法最為重要。在“十三五水專項”的研究中，以上海市飲用水地方標準為基礎、按照指標檢測頻率的不同，建立上海市的飲用水水質評價指數：日評指數(WQI日)、月評指數(WQI月)和年評指數(WQI年)，對上海市的水質精細化管理有重要的應用價值[7]。隨著高品質飲用水示范區的建設推進，有必要對評價分級的標準進行重新界定。居民小區飲用水指數在WQI日的基礎上，通過指標的優化選取和賦權，對小區飲用水水質進行更科學的評價。

1 材料與方法

1.1 評價指標的選取

在評價居民小區水質時，考慮到對二次供水水質指標的行業檢測要求，擬選取地標針對二次供水提出的8項指標(渾濁度、色度、余氯、pH、臭和味、肉眼可見物、菌落總數與總大腸菌群)、亞硝酸鹽、耗氧量(CODMn)和水齡共計11項指標參與計算，水質指標選取依據、數據來源及計算頻率如表1所示。

表1 二次供水系統水質評價指數參數Tab.1 Water Quality Evaluation Index Parameters of Secondary Water Supply System

1.2 水質指數的計算

1.2.1 分指數(Ii)的計算[2]

分指數計算如式(1)。

Ii=Ci/Si

(1)

其中：Ii——指標i分指數；

Ci——指標i檢測結果；

Si——指標i的地標限值。

當Ci小于Si的1/10或低于檢測限時，Ii取0.10。對于肉眼可見物，無檢出，Ii取0.10；若有檢出，則統一規定Ii為1.50。臭和味若合格，則Ii為0.10，否則統一Ii為1.50。對于總大腸菌群，無檢出，Ii取0.10；若檢出，則計算方法為Ii=1.00+0.50(n-1)，n為100 mL水中檢出的菌落數。

按照上海市實際水質特征，設置了一氯胺(總氯)和pH的評價類別，分別是最佳、可接受和不合格，各控制范圍如表2所示。二次供水一氯胺(總氯)和pH處于不同控制范圍時，按照不同的計算方法進行評價[7]。

表2 一氯胺(總氯)和pH控制范圍Tab.2 Control Range of Monochloramine (Total Chlorine) and pH Value

一氯胺(總氯)和pH值的分指數計算如下。

1)當一氯胺(總氯)和pH處于最適范圍時，Ii為0。

2)當一氯胺(總氯)和pH處于可接受范圍時，按式(2)計算。

Ii=|Ci-Si|/(Simax-Simin)

(2)

其中：Simax——指標i可接受范圍上限；

Simin——指標i可接受范圍下限。

3)當一氯胺(總氯)和pH處于不可接受范圍時，按式(3)計算。

Ii=|Ci-S’i|/S’i+1

(3)

其中：S’i——實際一氯胺(總氯)和pH接近的可接受范圍限值。

水齡是指小區的平均水齡，通過小區的用水量和二次供水有效容積計算而得，也可以通過小區在線水力模型實時計算而得，水齡分指數的計算方法如表3所示。

1.2.2 水質指數的計算

基于先前的研究[4]，可進行二次供水水質指數的計算方法如式(4)。

表3 水齡分指數計算公式Tab.3 Calculation Formula of Water Age Index

其中：WQI——樣品的水質指數；

Iimax——分指數Ii的最大值；

Iiexceed——單項指標超標項目的指數值(全部指標均合格時不計算該值)，當存在超標項目時，按式(5)計算。

Iiexceed=|Ci-Si|/Si+1

(5)

水質指數也可按式(6)計算[8]。

其中：Wi——分指數的權重，總和為1。

對于二次供水水質而言，渾濁度、余氯、耗氧量和水齡波動較為明顯且對水質影響最為直觀。因此，在評價二次供水水質時，需提高相關指標的權重。為增強計算公式的實用性和靈活性，保證計算公式與實際情況貼合。按照小區二次供水水質指標實際監測情況，對上海市居民小區進行分類。按照類別對二次供水計算公式的權重進行調整。小區分類及對應計算權重如表4所示。

表4 二次供水小區分類及對應計算權重Tab.4 Classification of Secondary Water Supply Districts and Corresponding Calculation Weights

2 評價指數實際應用

2.1 計算模型的確立

水質指數的計算旨在直觀和準確地反映出實際水質狀況，要求計算公式對水質變化具有較高的靈敏度。以示范小區實際數據為基礎，模擬可能出現的水質情況，通過計算判斷模型的適用度，數據如表5所示。

表5 不同情況下的水質監測數據Tab.5 Water Quality Monitoring Data under Different Conditions

由圖1可知，對于前3種情況，式(1)和式(2)得到的計算結果基本一致。對于情況四(水齡升高)，式(2)比式(1)更能反映出水質的實際變化。當監測值由情況一變化至情況二、情況三、情況四時，2個公式均能反映出實際水質變化；式(2)對于水齡的升高較式(1)更為敏感。

圖1 不同計算公式各情況的計算結果Fig.1 Calculation Results of Different Calculation Formulas in Each Case

2.2 評價等級標準的界定

為提高居民小區供水水質管理水平，供水企業基于水質監測情況，在上海市地標的基礎上，新增水齡指標限值，并提高對特定水質指標的要求，設置企業內部限值，如表6所示。

界定評價等級標準是水質信息合理性的保證。

表6 企業內部限值Tab.6 Internal Water Quality Limits for Enterprises

本研究基于示范區監測數據，模擬了評價指標在5種不同評價等級的水質數據，并計算了對應評價等級內的水質指數。基于各評價等級的水質指數，界定相應評價等級的評價標準。實際監測數據中所有水樣色度、臭和味、總大腸菌群、肉眼可見物和pH幾乎無波動，為保證模擬數據更貼合實際情況，模擬過程中并未考慮此類指標；菌落總數多在0～10 CFU/mL，在多指標波動模擬中未作考慮。綜合考慮指標監測的便捷性和實際水質數據波動范圍，多指標組合波動優先級為渾濁度>余氯>耗氧量>水齡>亞硝酸鹽，具體模擬數據如表7所示。

表7 不同評價等級模擬的水質數據Tab.7 Water Quality Data Simulated by Different Evaluation Levels

模擬的各評價等級數據的含義如下：

優：所有指標符合表6內部標準限值；

良：一個或多個指標在內部標準限值和地標限值內波動，其余指標為示范小區監測值；

合格：一個或多個指標在地標限值和國標限值內波動，其余指標為示范小區監測值；

不合格：部分指標超過國標限值，其余指標為示范小區監測值。

圖2 評價等級“優(示范區水質)”的計算結果Fig.2 Calculation Results of Evaluation Grade "Excellent"

如圖2所示，當指標處于評價等級“優(示范區水質)”時，水質指數計算結果集中分布在0.30～0.40。僅當耗氧量、菌落總數和亞硝酸鹽分別大于1.1 mg/L、20 CFU/mL和0.08 mg/L時，計算結果大于0.40；當所有指標為企業內部標準限值時，計算結果在0.60左右。基于上述分析結果，采用0.40作為評價等級“優(示范區水質)”的評價標準。

如圖3所示，當水質指標處于評價等級“良(單/多個近地標)”時，水質指數計算結果集中分布在0.60～0.80。經分析，當小區水質指標處于表8的水質情況時，計算結果大于0.60。基于上述分析結果，0.40～0.60可界定為“良”的等級標準。

如圖4所示，當水質指標處于評價等級“合格(單/多個超地標)”時，若僅有一個指標接近國標，評價結果分布在0.60～1.00；若多個指標接近國標時(渾濁度>0.70 NTU或耗氧量>2.6 mg/L)，計算結果會>1.00。

當指標處于“不合格”等級時，由于設置了懲罰項，計算結果>1.00。由圖3和圖4可知，水質指數若處在0.60～1.00時，則代表多個水質指標近地標限值或單個水質指標超過地標限值，因此，可將0.60～1.00界定為“合格”的等級標準。綜上，本研究界定的評價等級標準如表9所示。

圖3 評價等級“良(單/多指標近地標)”的計算結果Fig.3 Calculation Results of Evaluation Grade "Good "

表8 “良(單/多指標近地標)”中計算結果大于0.60的水質情況Tab.8 "Good" Water Quality with Calculation Results Greater than 0.60

2.3 小區水質評價指數的實際應用

運用上述水質評價指數計算方法對示范區6個小區在2020年7月和10月進行了水質評價指數計算，如圖5所示。其中，4個小區水質為“優”，2個小區水質為“良”。在水質都符合地標的情況下，水質指數在反映樣品整體水質等級的同時，重點突出了水齡對樣品水質的影響。龍華小區水齡由7月的42.8 h降至10月的11.9 h，水質指數由0.65降至0.33；春江小區水齡由78.7 h降至14.8 h，水質指數由1.87降至0.36，其余小區未進行運行模式優化，水齡不變，水質指數也無明顯變化。10月水質評價指數情況總體好于7月。

圖4 評價等級“合格(單/多指標近國標)”的計算結果Fig.4 Calculation Results of the Evaluation Level "Qualified"

表9 水質指數評價分級及含義Tab.9 Water Quality Index Evaluation Classification and Meaning

3 結論

(1)本研究構建的居民小區水質指數，在反映樣品達標情況的同時，可進一步比較樣品整體水質情況的波動，并可突出關鍵指標水齡對居民小區供水水質的影響。

(2)本研究以地標、國標及二次供水的企業內部水質限值為基礎，結合示范小區實際監測數值，以在線監測和實驗室數據構建了小區水質評價指數，界定了適用于上海市高品質飲用水的小區評價等級標準，可以更準確地反映小區實際水質狀況。

(3)在公式計算中，結合上海市二次供水的特點及水質的影響因素，選取指標的不同權重計算，結果更貼近小區實際水質。通過一個指數可以快速了解小區水質狀況，在評價中引入企業內部水質限值，以此界定的評價等級標準嚴格要求水質，可為上海市高品質飲用水水質評價、供水水質精細化管理水平提高等起到積極推動作用。

圖5 居民小區與水質指數Fig.5 Residential Area and Water Quality Index