王 琳, 孫藝珂, 祁 峰,3
(1.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266100; 2.中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100; 3.山東建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250101)
引黃水庫作為部分地區(qū)飲用水主要水源,成為緩解水資源短缺、保證周邊居民生活工作的有效途徑。當(dāng)前對(duì)引黃水庫的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法較多,如單因子評(píng)價(jià)法[1]、灰色理論法[2-3]、主成分/因子分析法[4-5]、聚類分析法[4]、模糊數(shù)學(xué)法[6-7]、Spearman秩相關(guān)系數(shù)法[8]、綜合水質(zhì)污染指數(shù)法等。其中,綜合水質(zhì)污染指數(shù)法將多種污染因子的相對(duì)污染指數(shù)綜合歸納為單一的污染指數(shù),對(duì)水體污染情況進(jìn)行量化,但綜合水質(zhì)污染指數(shù)法也存在以下問題:一是采用單因子指數(shù)作為分項(xiàng)指數(shù)[9],結(jié)果只能反映水質(zhì)污染總體變化情況,不能對(duì)水質(zhì)污染類別判斷;二是賦權(quán)方法單一,無法突出最主要污染因子的貢獻(xiàn),無法反映變化幅度較大的污染因子相關(guān)情況,同時(shí)也無法表達(dá)對(duì)污染因子的主觀評(píng)價(jià);三是無法表述參評(píng)因子中超出相應(yīng)水質(zhì)類別因子的數(shù)量。為解決上述問題采用反映水體水質(zhì)類別及污染情況的水污染指數(shù)WPI作為分項(xiàng)指數(shù),通過量化結(jié)果克服綜合水質(zhì)指數(shù)的缺點(diǎn)[10]。其次,在確定綜合權(quán)重時(shí),采用超標(biāo)倍數(shù)法和主成分法反映污染因子的超標(biāo)情況和變化幅度對(duì)水質(zhì)影響[11-12],再結(jié)合層次分析法(AHP)確定綜合權(quán)重[13],以反映主觀評(píng)價(jià)的影響,克服等權(quán)法忽略重要程度差異的缺陷。最后,參考水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法(WQI)表達(dá)參評(píng)污染因子中劣于相應(yīng)水質(zhì)類別指標(biāo)個(gè)數(shù),強(qiáng)調(diào)超標(biāo)因子數(shù)量[10-12],構(gòu)建改進(jìn)綜合水質(zhì)指數(shù)(WPSPNQI)。本文利用WPSPNQI指數(shù)來分析山東省濱州市濱城區(qū)水庫水質(zhì)特征,并對(duì)該方法得出的結(jié)果與其他評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了對(duì)比和驗(yàn)證,以期提供一種合理有效、有利于比較并適于在水庫水質(zhì)評(píng)價(jià)中推廣的方法。
選取濱城區(qū)東海和西海水庫兩個(gè)典型的引黃水庫為研究對(duì)象,東海水庫周圍分布農(nóng)田、居民區(qū)及部分工業(yè),西海水庫靠近市區(qū)及交通干線,兩者都是城區(qū)生活及工農(nóng)業(yè)主要水源。評(píng)價(jià)所采用的數(shù)據(jù)為2011年4月至2014年4月時(shí)段內(nèi)每個(gè)水庫的出口和入口的月均斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)指標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》中109項(xiàng)指標(biāo),共測(cè)得148組數(shù)據(jù)。
1.2.1 水污染指數(shù)WPI分項(xiàng)指數(shù) 采用水污染指數(shù)法(WPI)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB30838-2002)》,將2011年4月至2014年4月時(shí)段內(nèi)東海及西海水庫水質(zhì)指標(biāo)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為WPI值,記錄各污染因子相應(yīng)的WPI并記錄WPI的最大值對(duì)應(yīng)的污染因子作最重污染因子。
根據(jù)劉琰等[13]、馬原[14]等相關(guān)文獻(xiàn),WPI值采用插值法計(jì)算,除pH值、溶解氧(DO)外,其他基本項(xiàng)目計(jì)算公式為:
C(i)-Cl(i)
(1)
式中:WPI(i)——第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的指數(shù)值; WPIl(i)——第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)下限濃度所對(duì)應(yīng)的指數(shù)值; WPIh(i)——第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)上限濃度所對(duì)應(yīng)的指數(shù)值;C(i)——第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)濃度(mg/L);C1(i)——第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的下限濃度值(mg/L);Ch(i)——第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的上限濃度值(mg/L); WPI1(i)——第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)下限濃度所對(duì)應(yīng)的指數(shù)值; WPIh(i)——第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)上限濃度所對(duì)應(yīng)的指數(shù)值。
pH值介于7~9之間時(shí),WPI值取20。
DO值≥7.5 mg/L時(shí),WPI值取20; 2≤DO<7.5 mg/L時(shí),WPI值計(jì)算公式為
C1(DO)-Ch(DO)
(2)
式中:WPIDO——DO指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的指數(shù)值; WPIlDO——DO指標(biāo)下限濃度所對(duì)應(yīng)的指數(shù)值;WPIhDO——DO指標(biāo)上限濃度所對(duì)應(yīng)的指數(shù)值;C1(DO)——DO指標(biāo)的下限濃度值(mg/L);Ch(DO)——DO指標(biāo)的上限濃度值(mg/L); WPI1DO——DO指標(biāo)下限濃度所對(duì)應(yīng)的指數(shù)值; WPIhDO——DO指標(biāo)上限濃度所對(duì)應(yīng)的指數(shù)值。
1.2.2 超標(biāo)倍數(shù)法、主成分法和層次分析法獲得組合賦權(quán)權(quán)重
(1) 超標(biāo)倍數(shù)法獲得污染程度權(quán)重。采用超標(biāo)倍數(shù)法將4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面3 a間月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)重分配,計(jì)算公式為[15-17]:
(3)
式中:ωi′——第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重;xi——第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的實(shí)測(cè)濃度值;Si——第i項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的n種水質(zhì)類別標(biāo)準(zhǔn)值的平均值。
(2) 主成分法獲得污染變化幅度權(quán)重?;谒|(zhì)的WPI值,按照張龍玲等[11]及李朝峰等[18]的方法,進(jìn)行主成分協(xié)方差分析賦權(quán)。主要步驟包括主成分個(gè)數(shù)選擇、污染因子特征向量Lg計(jì)算、污染因子權(quán)重ωk計(jì)算,計(jì)算公式為:
(4)
(5)
式中:ωk——第k個(gè)水質(zhì)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重;Cg——成分矩陣;λg——特征值;Ag——相應(yīng)方差貢獻(xiàn)率。為保證權(quán)重之和為1,對(duì)ωk進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到主成分權(quán)重ωi′。
(3) 層次分析法獲得主觀權(quán)重。以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》中除水溫及pH值外的22項(xiàng)基本項(xiàng)目為決策目標(biāo),綜合考慮各污染因子屬性、對(duì)水質(zhì)影響貢獻(xiàn)度、水體含量[19-21]等相關(guān)情況,同時(shí)參考相關(guān)污染因子對(duì)水質(zhì)影響相關(guān)文獻(xiàn)[22-23],要素層設(shè)計(jì)4個(gè)參數(shù),構(gòu)建水質(zhì)層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。本次研究中,將綜合性指標(biāo)設(shè)置為要素層最重要指標(biāo),其次為富營養(yǎng)化指標(biāo);決策目標(biāo)層將少量劇毒的汞、鋅等金屬元素重要性提高,其余基本同等重要。參考吳文廣等[24]的相關(guān)報(bào)道,得到主觀權(quán)重ωi。
圖1 水質(zhì)層次結(jié)構(gòu)模型
(4) 綜合權(quán)重。將超標(biāo)倍數(shù)法、主成分法及層次分析法得到權(quán)重進(jìn)行均值處理,得到綜合權(quán)重ωi。
1.2.3 改進(jìn)綜合水質(zhì)指數(shù)法 權(quán)重確定后,綜合考慮各污染因子的不同貢獻(xiàn)率,定義W1為平均污染指數(shù),計(jì)算公式為:
(6)
式中:WPIi——第i種水質(zhì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的WPI值;ωi——第i種水質(zhì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重。
對(duì)W1保留一位小數(shù),即W1可表示為X1.X2。
為了表現(xiàn)水質(zhì)中超標(biāo)因子及參評(píng)因子數(shù)量,引入綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法(WQI),得到綜合水質(zhì)指數(shù),定義為WPSPAQI(WP-WPI指數(shù)法,S為超標(biāo)倍數(shù)法,P為主成分分析法,A為層次分析法,Q為WQI指數(shù)法,I為綜合指數(shù)法),計(jì)算公式為:
WPSPAQI=X1.X2X3X4
(7)
式中:X3——劣于水環(huán)境功能區(qū)目標(biāo)的單項(xiàng)指標(biāo)個(gè)數(shù);X4——參與評(píng)價(jià)的因子數(shù)量。
WPSPAQI指數(shù)中,X1.X2不僅可以直接反映水質(zhì)好壞(值越低水質(zhì)越好),而且可以直接借用WPI分級(jí)方法進(jìn)行水質(zhì)分級(jí),水質(zhì)類別與WPAPAQI指數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系詳見表1。
表1 水質(zhì)類別與水污染指數(shù)對(duì)照表
本次研究采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析及圖表繪制,SPSS 19.0進(jìn)行主成分分析獲得權(quán)重,YAAHP軟件進(jìn)行層次分析法獲得主觀權(quán)重。
2.1.1 集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項(xiàng)目及特定項(xiàng)目達(dá)標(biāo)情況 根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項(xiàng)目和集中式生活飲用水地表水源地特定項(xiàng)目,對(duì)東海及西海水庫2011年4月至2014年4月的148組85項(xiàng)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行達(dá)標(biāo)判斷。結(jié)果表明,東海及西海水庫補(bǔ)充項(xiàng)目及特定項(xiàng)目均達(dá)標(biāo),水質(zhì)較好。
2.1.2 集中式生活飲用水地表水源地基本項(xiàng)目賦權(quán)情況 根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》,以2011年3月至2014年3月期間東海及西海水庫4個(gè)監(jiān)測(cè)口除水溫和pH值其余22項(xiàng)基本項(xiàng)目的月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),將148組數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。
(1) 超標(biāo)倍數(shù)法獲得污染程度權(quán)重。根據(jù)148組月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),通過超標(biāo)倍數(shù)法,得到各污染因子所占權(quán)重如表2所示,可以看出,總氮污染所占權(quán)重比例最高,為21.56%;五日生化需氧量(BOD5)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、化學(xué)需氧量(COD)及總磷(TP)所占權(quán)重相對(duì)較大,而其他污染因子所占權(quán)重較小,說明水庫主要以有機(jī)物污染為主。此外,氟化物污染所占比重較高,為11.79%,是主要的無機(jī)污染。
(2) 主成分法獲得污染變化幅度權(quán)重。根據(jù)148組月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的WPI值,通過主成分分析法賦權(quán)發(fā)現(xiàn),4個(gè)監(jiān)測(cè)口各水質(zhì)指標(biāo)的變化幅度不大,為等權(quán)重賦權(quán),水庫水質(zhì)情況較為穩(wěn)定。
(3) 層次分析法獲得主觀權(quán)重。通過層次分析法,得到各污染因子所占權(quán)重如表2所示,綜合性指標(biāo)所占權(quán)重較大,其次為富營養(yǎng)化指標(biāo),金屬、非金屬指標(biāo)相對(duì)較小,可以忽略。
(4) 綜合權(quán)重。綜合考慮污染因子超標(biāo)情況、污染因子時(shí)空變化情況及主觀判斷,22項(xiàng)污染因子的最終所占權(quán)重情況如表2所示。由表2可知,所占權(quán)重最大的是TN,BOD5,COD及CODMn,有機(jī)污染因子對(duì)水庫水質(zhì)綜合影響最大,無機(jī)污染中以氟化物為主,其余污染因子所占權(quán)重較小,對(duì)水質(zhì)綜合影響較小,可以忽略。
表2 研究區(qū)超標(biāo)倍數(shù)法、層次分析法及綜合權(quán)重情況%
2.1.3 水庫水質(zhì)綜合評(píng)價(jià) 匯總東海及西海水庫2011年4月至2014年4月時(shí)段內(nèi)4個(gè)監(jiān)測(cè)148組月測(cè)數(shù)據(jù)的水質(zhì)類別及主要污染因子,得到水質(zhì)類別占比結(jié)果如圖2a所示,水庫水質(zhì)良好,以Ⅱ類水體為主,占總監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的83.78%,其余為Ⅰ類水體,達(dá)到集中式生活飲用水地表水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)要求。主要污染因子占比情況如圖2b所示,監(jiān)測(cè)口各組月測(cè)數(shù)據(jù)中,主要污染因子是TN,COD及TP,其中TN占比為63.51%,COD的占比為16.22%,TP占比為13.51%,其余污染因子占比較小,可以忽略。從超標(biāo)污染因子狀況看,部分污染因子并不能達(dá)到相應(yīng)水質(zhì)類別對(duì)應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),以TN,TP等為例,但均滿足地表水源二級(jí)保護(hù)區(qū)要求。
圖2 研究區(qū)水質(zhì)類別及主要污染因子數(shù)量情況
綜合各污染因子權(quán)重和主要污染因子占比情況,選取TN,TP,CODMn,NH3-N及氟化物作為主要污染因子代表。其中,TN,TP及COD指標(biāo)在主要污染因子中占比及權(quán)重較大,NH3-N作為N元素的主要有機(jī)存在形式列入主要污染因子代表,氟化物是占比最大的無機(jī)元素也列入主要污染因子代表中。將水庫4個(gè)監(jiān)測(cè)口201104—201404時(shí)段內(nèi)同一季度月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取平均值,得到12組月季度數(shù)據(jù),圖3為以該12組季度均值為統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ),所得的超標(biāo)因子個(gè)數(shù)、水質(zhì)類別占比情況、WPSPAQI及5種代表污染因子的WPI值隨時(shí)間變化情況圖。
從圖3可知,2011—2014年間超標(biāo)因子個(gè)數(shù)出現(xiàn)一定程度增加,這是因?yàn)樗畮焖|(zhì)在由Ⅱ類轉(zhuǎn)化為Ⅰ類的過程中,部分污染因子并沒有得到相應(yīng)程度的優(yōu)化,但水庫總體水質(zhì)得到改善,且仍滿足集中式生活飲用水地表水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)要求。同時(shí)WPSPAQI值變化不大,2011年2季度WPSPAQI為25.91,2014年1季度為27.95,水質(zhì)總體較為穩(wěn)定,期間一直保持在Ⅱ類水體,趙金香等[25]在研究中得相似結(jié)論。2011年3季度開始,TP的WPI值上升,之后保持相對(duì)穩(wěn)定,2013年4季度,TP及TN的WPI值均有所下降,水質(zhì)得到一定程度改善。2011年起,CODMn的WPI值平穩(wěn)下降,2014年1季度和4季度出現(xiàn)反彈,但之后呈現(xiàn)改善趨勢(shì)。2013年起,NH3-N增加,TN變化不大甚至減輕,此時(shí)水庫中N元素大多以NH3-N形式存在;TN及TP的WPI值一直高于WPSPAQI,是3 a來主要污染因子。氟化物WPI值較為穩(wěn)定,且一直低于20,對(duì)水質(zhì)影響較小。從季節(jié)變化看,2,3季度TN,TP的WPI值較高,與夏季水溫較高,水體流動(dòng)性差有關(guān),其他水質(zhì)指標(biāo)季節(jié)變化不大,與水庫水體來源單一且在管道中運(yùn)輸有關(guān)。趙金香等[25-26]在濱州市供水水源地水質(zhì)研究中得到過相似結(jié)論。
圖3 水庫水質(zhì)類別的時(shí)間占比及WPSPAQI和各污染因子WPI隨時(shí)間變化
以水庫4個(gè)監(jiān)測(cè)口的3 a監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)年均值為基礎(chǔ),4個(gè)監(jiān)測(cè)口3 a間WPSPAQI均值、主要污染因子WPI值及最重污染因子如圖4所示。由圖4可知,從空間上看,東海和西海水庫水質(zhì)都較好,為一級(jí)或二級(jí)水源地,趙金香等[30]對(duì)濱州市供水水源地水質(zhì)調(diào)查中得到相似結(jié)論。且兩水庫水質(zhì)差距較小,因?yàn)閮蓚€(gè)水庫水源相同,均為引黃水,且功能類別相似,污染的主要來源均為居民生活排水,崔淑霞等[27]在濱州水質(zhì)研究過程中均得相似結(jié)論。兩水庫水質(zhì)差距較小同時(shí)可以說明引黃水在運(yùn)輸過程中污染較小。同一水庫進(jìn)出口的水質(zhì)存在一定的差異,由圖可知,兩水庫WPSPAQI值在出口明顯下降,接近Ⅰ類水質(zhì),說明水庫本身具有良好的自凈能力。同時(shí)部分主要污染因子的WPI值在水庫出口也有明顯的下降,東海水庫進(jìn)出口COD的WPI值分別為40.83和10.67,西海水庫相應(yīng)WPI值為43.35和11.44,均由Ш類水質(zhì)凈化至Ⅰ類,是變化幅度最大的評(píng)價(jià)因子;其次,由于入庫后水體流動(dòng)減緩,水庫的稀釋作用[28]及難溶污染因子的沉降作用[29],使水庫對(duì)BOD5和TP的處理效果也較好,東海水庫BOD5進(jìn)出口WPI值分別為36.04和17.3,西海水庫對(duì)應(yīng)值為28.29和17.3,由達(dá)Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)凈化至達(dá)Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);TP的WPI值變化實(shí)現(xiàn)了由Ш類水質(zhì)到Ⅱ類水質(zhì)的優(yōu)化。但兩水庫TN的WPI值基本不變,一直接近Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),說明水庫的稀釋作用對(duì)氮污染的處理效果不佳,需依賴于進(jìn)入水廠后的后續(xù)流程,趙金香等[25-26]在濱州水質(zhì)研究過程中均得相似結(jié)論。同時(shí),氟化物在出口的WPI值較進(jìn)口略有下降,東海水庫氟化物進(jìn)出口值分別為12.04和9.76,西海水庫對(duì)應(yīng)值分別為11.36和8.62,水庫對(duì)氟化物有一定的凈化能力。水庫進(jìn)口的主要污染因子為CODMn和TN,由于水庫自凈能力,出口的主要污染因子為TN,水庫進(jìn)出口的TN均接近于Ⅲ類水質(zhì),COD和BOD5經(jīng)過水庫自凈處理后,均能達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
圖4 東海和西海水庫進(jìn)出口WPSPAQI、主要污染因子WPI值和最重污染因子分布
當(dāng)前水庫水質(zhì)評(píng)價(jià)方法較多,所用評(píng)價(jià)模型不盡相同。相較于其他引黃水庫的相關(guān)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法,本文構(gòu)建WPSPAQI指數(shù)法表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì),結(jié)果詳見表3。
綜上,WPSPAQI指數(shù)法綜合了多種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法優(yōu)點(diǎn),且克服了上述評(píng)價(jià)方法的不足,用于水質(zhì)評(píng)價(jià)方面具有較強(qiáng)的優(yōu)越性。
表3 WPSPAQI對(duì)比其他水質(zhì)評(píng)價(jià)模型優(yōu)越性
注:水質(zhì)評(píng)價(jià)模型中上標(biāo)為相應(yīng)參考文獻(xiàn); “-”表示可實(shí)現(xiàn)該功能,但效果較差。
(1) 對(duì)濱州市濱城區(qū)東海和西海水庫水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究表明,WPSPNQI以WPI值作為分項(xiàng)指數(shù),采用超標(biāo)倍數(shù)、主成分分析、AHP組合賦權(quán),同時(shí)引入改進(jìn)水質(zhì)綜合標(biāo)識(shí)指數(shù)法。該方法可確定水質(zhì)類別,使不同水體間具有可比性;附權(quán)方式簡單明了、考慮污染因子超標(biāo)及變化情況對(duì)水質(zhì)影響,且引入主觀附權(quán),量化分項(xiàng)指標(biāo);同時(shí)可反映超標(biāo)因子個(gè)數(shù)。評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際相符,可用于水庫的水質(zhì)評(píng)價(jià)。
(2) 濱城區(qū)水庫總體水質(zhì)良好,多為Ⅰ或Ⅱ類水體,且水質(zhì)較為穩(wěn)定,主要受有機(jī)污染,無機(jī)污染較輕,主要是TN污染和氟化物。從年際變化來看,水質(zhì)狀況得到改善,Ⅰ類水體占比增加,但較多污染因子并沒有同時(shí)達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求;從水質(zhì)空間變化看,兩水庫水質(zhì)差距較小,與管道輸送過程中污染較輕有關(guān),同時(shí)水庫水體存在較好的自凈能力,水庫出口的COD,BOD及TP污染程度明顯低于水庫進(jìn)口。