不同水質評價方法在金海水庫的應用

魏樂　裴國霞　郭琦　李汗青

摘要：根據金海水庫監(jiān)測數(shù)據，參照《地表水環(huán)境質量標準（GB3838-2002）》3類標準，分別應用單因子評價法、內梅羅污染指數(shù)法和模糊綜合評價法對水庫水質現(xiàn)狀進行評價。結果表明，單因子評價偏于保守，最好水質類別為Ⅱ類，最差為Ⅴ類，且不達標月份占25%。內梅羅污染指數(shù)（Ip）反映月份水質狀況變化趨勢，12月和次年1月Ip大于1，為不達標月份，其余月份均達標；季節(jié)Ip比較：冬季>夏季>秋季>春季。模糊綜合評價體現(xiàn)水質好壞的模糊性，評價結果較好，最好水質類別為Ⅰ類，最差為Ⅲ類，不存在超標月份?？傮w來說，金海水庫水質現(xiàn)狀較好，符合飲用水地表水源標準，但部分月份存在輕度污染，應及時采取措施，確保用水安全。

關鍵詞：金海水庫；水質評價；單因子評價；內梅羅污染指數(shù)；模糊綜合評價

中圖分類號：X824 文獻標識碼：A 文章編號：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，水質污染等一系列問題已成為國內急需面對的問題。水質惡化、水資源供需失衡、用水安全得不到保障等矛盾日益突出，因此水質評價越來越受到人們的重視。水質評價是根據需要，按照評價目標，選擇相應的水質參數(shù)、標準和評價方法，對水體質量作出評價[1]。常見的水環(huán)境質量評價方法主要有單因子評價法、綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學評價法、灰色系統(tǒng)評價法、層次分析法、人工神經網絡法、水質標識指數(shù)法等[2]。

金海水庫位于內蒙古自治區(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系。本研究應用3種不同評價方法對金海水庫進行水質現(xiàn)狀評價，以期為水庫水環(huán)境質量管理、改善自來水水源質量、保障飲用水環(huán)境安全提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣點設置和樣品采集

2012年6月至2013年5月，在金海水庫設置庫首、庫中和庫尾3個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面設3個采樣點，共計9個[3]。在每個采樣點水下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)測指標及其測定方法

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

1.3 數(shù)據處理

金海水庫水面面積較小，樣品采樣點距離相對較近，不適宜進行水質空間分布規(guī)律的分析，故將水庫所監(jiān)測的9個采樣點指標取其平均值，分析時間變化的規(guī)律。本研究應用Excel軟件進行數(shù)據處理和分析。

1.4 評價方法

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個污染指標作為評價因子，應用單因子評價法、內梅羅污染指數(shù)法和模糊綜合評價法對金海水庫進行水質評價，分析比較得出適合水庫的評價方法。根據相關規(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)境質量標準（GB3838-2002）》功能區(qū)劃分為Ⅲ類[5]，故評價中各項評價因子的標準值采用相應的Ⅲ類標準限值。

1.4.1 單因子評價法 在眾多的水質評價方法中，單因子評價法因操作簡便、結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價標準，將各參數(shù)濃度與評價標準相比，根據比值是否大于1來評價該水體是否達到了相應的水質標準，并判定評價指標的水質類別[7]。該方法是《地表水環(huán)境質量標準（GB3838-2002）》規(guī)定的評價方法，評價結果應說明水質達標情況，超標的應說明超標項目和超標倍數(shù)。

1.4.2 內梅羅污染指數(shù)法 內梅羅污染指數(shù)由美國敘拉古大學內梅羅教授于1974年在其所著的《河流污染科學分析》一書中提出[8]，是一種兼顧極值或稱突出最大值的計權型多因子環(huán)境質量指數(shù)。該評價方法為《地下水質量標準（GB/T14848-1993）》中的推薦方法，故在地下水評價中應用較多，而在地表水評價中很少涉及。徐彬等[9]驗證了內梅羅污染指數(shù)法在太湖水質評價中具有較好的適用性。計算公式為：

1.4.3 模糊綜合評價法 水質評價中常常會出現(xiàn)不能準確判斷的模糊問題，如水質的影響因素較多，分級標準具有模糊性等，這種情況下可以引用模糊綜合評價法來解決[10，11]。模糊綜合評價法是一種運用模糊數(shù)學原理分析和評價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合、精確與非精確相統(tǒng)一的分析評價方法。首先選定模糊綜合評價的2個有限集合U和V，U={u1 u2 u3…un}為因子集，V={v1 v2 v3…vn}為評價集，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重分配矩陣A，最后，將A和R應用模糊變換原理合成模糊子集B，最終得出綜合評價[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)求兩端等級的隸屬度，用對稱山型隸屬函數(shù)求中間等級隸屬度[13，14]。Ⅰ級水時，即j=1，隸屬函數(shù)為：

把各個評價因子的實測值代入相應的隸屬函數(shù)中，計算出評價因子對于各評價等級的隸屬度，得到U到V的一個模糊關系R，稱為模糊矩陣。

2）權重的確定采用污染物濃度超標法來進行計算，即按照各評價因子超標情況進行加權，超標越多，權重值越大[15]。

計算出各評價因子的權重，組成一個1×n的權重矩陣A，即（a1 a2 a3…an）。

3）將權重矩陣A和模糊矩陣R帶入公式B=A×R，求出結果，然后進行分析與評價。

2 結果與分析

2.1 評價因子監(jiān)測結果

金海水庫水質監(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含量相對較少，冬季達到最大值，為0.063 mg/L，最小值為0.015 mg/L。CODMn是反映水體中有機污染物含量的常用指標，其含量月份變化幅度為1.52～3.25 mg/L，冬季含量相對較高，夏季含量相對較低。由于客觀原因，2012年6月和7月未能進行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 單因子評價法結果

根據水質監(jiān)測資料以及應實現(xiàn)的水域功能類別，金海水庫水質單因子評價結果見表2。由表2可知，水庫全年水質狀況較好，基本達到水域功能類別標準，僅2012年7月、12月和2013年1月不達標，不達標率為25%。2012年6月和2013年4月、5月水質類別最好，達到Ⅱ類水質標準。2013年1月水質較差，為Ⅴ類水質，超標項目為NH3-N，超標倍數(shù)為0.95。2012年7月、12月出現(xiàn)輕度污染，評價結果為Ⅳ類水，DO和TP為超標項目。其余月份均為Ⅲ類水質，符合國家集中式生活飲用水地表水源水質標準?？偠灾鸷Ｋ畮靻我蜃釉u價結果符合當前水質現(xiàn)狀，評價合理。

2.3 內梅羅污染指數(shù)法評價結果

根據所選評價因子監(jiān)測值及各污染指標的標準濃度，應用內梅羅污染指數(shù)的公式，計算每個月份的內梅羅污染指數(shù)，并分析Ip的月份趨勢變化，見圖2。內梅羅污染指數(shù)能夠直觀判斷綜合水質是否達到功能區(qū)目標，但不能判斷綜合水質類別[17]。一般來說，Ip≤1，說明水環(huán)境質量較好，水體較清潔；Ip>1，說明水環(huán)境質量較差，未達到水域功能標準，水體受到了污染。

由圖2可知，2012年12月和2013年1月水質較差，Ip大于1，為1.10和1.52，說明這2個月份未達到標準，水體受到了污染。其余月份Ip均小于1，達到功能區(qū)目標，水環(huán)境質量較好。1年之內的內梅羅污染指數(shù)出現(xiàn)明顯的變化趨勢，且變化幅度較大。曲線中存在2個峰值，即2012年7月和2013年1月，Ip分別為0.98和1.52，表明這2個月是最容易出現(xiàn)水質污染的月份，為水庫污染治理提供了有針對性的目標。從季節(jié)的角度來分析，冬季的內梅羅污染指數(shù)較高，夏季較冬季有明顯的下降趨勢，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 模糊綜合評價法評價結果

本研究選取4個污染指標為評價因子，故因子集U={CODMn、TP、NH3-N、DO}，每個評價因子各個月份的實測濃度值見表1；根據《地表水環(huán)境質量標準（GB3838—2002）》，評價等級分為5個等級，故評價集V={Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ}。

2.4.1 隸屬函數(shù)的確定 以2012年9月為例，根據各個評價因子的實測值和隸屬函數(shù)，求出各個評價因子對各級水的的隸屬度，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 權重的確定 2012年9月份各評價因子權重計算見表3。

2.4.3 模糊矩陣綜合評價 應用公式可得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，根據最大隸屬度原則，本月份的水質為Ⅱ類水質。按同樣的方法，對其他月份進行水質評價，評價結果見表4。

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

2.5 三種評價方法的比較分析

對以上3種評價方法比較分析：單因子評價法以最差評價指標的水質類別作為綜合水質類別，評價結果偏低，但明確的污染因子使運行管理更有針對性，保守的評價使市民的飲用水安全更有保障；內梅羅污染指數(shù)直接表明水質是否達到區(qū)域功能目標，且反映水質的時間變化趨勢，但不能判定水質類別；模糊綜合評價結果符合水庫水質現(xiàn)狀，其方法綜合考慮了水質類別界限的模糊性和污染因素的權重，避免了片面性，能夠比較客觀地反映水體的水質現(xiàn)狀。

3 結論

1）通過3種評價結果綜合分析，金海水庫水質現(xiàn)狀較好，整體達到地表水Ⅲ類水質標準，但部分月份存在不同程度的污染，需采取治理措施。

2）單因子評價結果偏于保守，全年最好水質類別為Ⅱ類，最差水質類別為Ⅴ類，不達標月份占25%；內梅羅污染指數(shù)評價直觀反映出水質是否達到功能區(qū)目標，2012年12月和2013年1月水質未能達標，其余月份均達標，Ip季節(jié)比較：冬季>夏季>秋季>春季；模糊綜合評價較好地體現(xiàn)了水質好壞的模糊性，水庫水質評價結果較好，每個月份均能達到區(qū)域功能目標，不存在污染月份，最好水質類別達到Ⅰ類，最差為Ⅲ類。

3）3種方法評價結果具有共同性，符合水庫水質現(xiàn)狀。全年水質較差月份出現(xiàn)在2個階段，即7月和12月或1月，其余月份水質較好。從季節(jié)的角度來看，春季和秋季水質較好，冬季和夏季水質較差，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。

4 建議與展望

由于試驗條件有限，水質監(jiān)測周期較短，監(jiān)測數(shù)據存在誤差等因素都會影響水質評價結果，故水質狀況還有待于進一步深入研究；通過對金海水庫進行客觀科學的水質評價，分析水質狀況，希望相關部門及時了解水質污染情況并采取有針對性的治理方案，保護用水環(huán)境，確保市民的用水安全。

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