CCME WQI在汾河水庫及上游河段水質(zhì)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

趙臘梅，齊朔風(fēng)

(1.太原理工大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院，太原 030024；2.山西新科聯(lián)環(huán)境技術(shù)有限公司，太原 030002)

保護(hù)并合理開發(fā)利用水資源的重要措施之一就是水質(zhì)評(píng)價(jià)，而水質(zhì)評(píng)價(jià)需要科學(xué)合理的評(píng)價(jià)方法，比如：要有合適的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)體系以及評(píng)價(jià)方法[1]。水質(zhì)評(píng)價(jià)理論早在20世紀(jì)中期國內(nèi)外許多研究者就開始研究了。當(dāng)前，單因子評(píng)價(jià)法、層次分析法[2]、主成分分析法[3]、模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)法[4]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法[5,6]、水質(zhì)指數(shù)法[7]、TOPSIS多目標(biāo)決策法[8]等是水質(zhì)評(píng)價(jià)的主要方法。上述各種評(píng)價(jià)方法，由于各種限制條件和其自身的適用范圍，都還在研究與改進(jìn)中，離廣泛的實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離[9-12]。

加拿大水質(zhì)指數(shù)法(Canadian Council of Ministers of the Environment Water Qaulity Index,CCME WQI)是國際上廣泛用于評(píng)價(jià)水質(zhì)的一種方法[13]，在加拿大、巴基斯坦、韓國、瑞士等國家和地區(qū)的水質(zhì)評(píng)價(jià)工作中都得到了非常廣泛的應(yīng)用和高度的認(rèn)可[14-16]。近年來，我國學(xué)者對(duì)CCME WQI水質(zhì)指數(shù)也進(jìn)行了不同程度的研究[17-19]，但相關(guān)的應(yīng)用報(bào)道較少。本文以汾河水庫及上游河流為研究對(duì)象，運(yùn)用CCME WQI進(jìn)行水質(zhì)的評(píng)價(jià)，并將其與實(shí)際工程上常用的評(píng)價(jià)水質(zhì)的單因子評(píng)價(jià)法進(jìn)行比較，以期為我國水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

1.1 汾河水庫及上游河流概況

汾河水庫是山西省內(nèi)最大的地表水飲用水源地，總面積32 km2，位于山西省太原市西北婁煩縣境內(nèi)。汾河水庫上游河流主要有汾河干流、嵐河以及澗河。汾河水庫及其上游河段水質(zhì)情況，可能會(huì)影響太原市居民的用水質(zhì)量。

1.2 現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)

1.2.1 汾河水庫現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)位：水庫水面下5 m、水庫水面下0.5 m。

監(jiān)測(cè)因子：《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》表1中的23個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目(水溫除外)。

監(jiān)測(cè)時(shí)間：2018年，1、3、5、7、9、11月，每月各監(jiān)測(cè)1次，共監(jiān)測(cè)6次。

1.2.2 汾河水庫上游現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)斷面：澗河(官莊東南公路橋)、嵐河(曲立)、汾河干流(河岔)。

監(jiān)測(cè)因子：pH、溶解氧、揮發(fā)酚、BOD5、COD、總氮、石油類、總磷、氟化物、氨氮，共10項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)。

監(jiān)測(cè)時(shí)間：2018年，1、3、5、7、9、11月，每月各監(jiān)測(cè)1次，共監(jiān)測(cè)6次。監(jiān)測(cè)布點(diǎn)見圖1。

圖1 汾河水庫、上游采樣布點(diǎn)圖Fig.1 Distribution of sampling sites in the Fenhe Reservoir and upstream

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《山西省地表水環(huán)境功能區(qū)劃》的規(guī)定，汾河水庫為飲用水源一級(jí)保護(hù)區(qū)，執(zhí)行Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。澗河、嵐河、汾河干流三河段監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)目標(biāo)見表1。

表1 澗河、嵐河、汾河干流三河段監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)目標(biāo)表Tab.1 Water quality objective table of Jianhe River,Lanhe river and main river of Fen River

2 CCME WQI評(píng)價(jià)方法

在國際上，加拿大水質(zhì)指數(shù)法CCME WQI被廣泛用于飲用水水質(zhì)的評(píng)價(jià)，聯(lián)合國環(huán)境署也用CCME WQI來對(duì)世界各國的水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。CCME WQI的計(jì)算公式如下[20]：

式中：CCME WQI為F1、F2、F33個(gè)變量的調(diào)和平方和；

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：F1為監(jiān)測(cè)指標(biāo)超過其規(guī)定值的百分比；P為超標(biāo)水質(zhì)參數(shù)的個(gè)數(shù)；N為水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目總數(shù)；F2為某監(jiān)測(cè)項(xiàng)目超過標(biāo)準(zhǔn)限值的次數(shù)所占百分比；q為水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中超標(biāo)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；M為水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù)；Q為歸一化參數(shù)，即各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目超標(biāo)倍數(shù)加和與水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù)之比；S為某監(jiān)測(cè)項(xiàng)目超標(biāo)倍數(shù)。

根據(jù)上述計(jì)算公式可知，CCME WQI的取值為0～100區(qū)間，則各水質(zhì)的分級(jí)情況見表2。

表2 CCME WQI水質(zhì)等級(jí)劃分表Tab.2 Classification of CCME water qualtiy index

3 結(jié)果與討論

3.1 汾河水庫CCME WQI水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)汾河水庫現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)值，選取兩種方法(加拿大水質(zhì)指數(shù)法(CCME WQI)和單因子評(píng)價(jià)法)對(duì)該水庫進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。

表3 汾河水庫CCME WQI與單因子評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 CCME WQI and single factor method assessment result of Fenhe Reservoir

從表3可以看出，汾河水庫(水質(zhì)目標(biāo)為Ⅱ類)CCME WQI指數(shù)為80.7～92.0。11月份水質(zhì)中等，其他月份水質(zhì)良好。而單因子評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，3、11月份處于Ⅳ類水質(zhì)，超標(biāo)定類因子主要有總氮、COD。

3.2 汾河水庫上游河段CCME WQI水質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)澗河、嵐河、汾河干流三河段現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)值，選取兩種方法[加拿大水質(zhì)指數(shù)法(CCME WQI)和單因子評(píng)價(jià)法]對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

從表4可以看出，汾河干流河段(水質(zhì)目標(biāo)為Ⅱ類)CCME WQI指數(shù)為78.0～87.8。3、11月份水質(zhì)中等，其他月份水質(zhì)良好。而單因子評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，汾河干流河段在7、9處于Ⅱ類水質(zhì)，3、5、11月份處于Ⅳ類水質(zhì)，COD、總氮是主要超標(biāo)定類因子。

表4 澗河、嵐河、汾河干流三河段CCME WQI與單因子評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 CCME WQI and single factor method assessment result of Jianhe River,Lanhe river and main river of Fen River

嵐河河段(水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類)CCME WQI指數(shù)為64.1～89.1。1、3、11月份水質(zhì)良好，5、7、9月份水質(zhì)中等。而單因子評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，嵐河河段在1、5、7、9月份處于Ⅳ類水質(zhì)，總氮、COD、氨氮是主要超標(biāo)定類因子。

澗河河段(水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類)CCME WQI指數(shù)為64.2～86.5。5、7、11月份水質(zhì)良好，1、3、9月份水質(zhì)中等。而單因子評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，澗河河段在1、3、9月份處于Ⅳ類水質(zhì)，總氮、石油類、COD是主要超標(biāo)定類因子。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果討論

由于數(shù)據(jù)比較多，將上表3和表4的評(píng)價(jià)結(jié)果繪于圖2～圖3，便于比較分析。

圖2 單因子評(píng)價(jià)結(jié)果圖Fig.2 Evaluation results of single-factor water quality evaluation method

圖3 CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果圖 Fig.3 Evaluation results of CCME WQI method

由圖2～圖3可知，單因子評(píng)價(jià)法和CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果有一定的差距。據(jù)原始數(shù)據(jù)分析，汾河水庫1月份超標(biāo)指標(biāo)1個(gè)，超標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)2個(gè)，1月份總氮超標(biāo)極嚴(yán)重；3月份超標(biāo)指標(biāo)2個(gè)，超標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)2個(gè)，3月份總氮、COD超標(biāo)非常嚴(yán)重。導(dǎo)致1、3月份單因子評(píng)價(jià)為Ⅲ、Ⅳ類水質(zhì)，而CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果：1、3月份水質(zhì)良好；汾河干流1、5月份超標(biāo)指數(shù)均為1個(gè)，超標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均為1個(gè)，1月份總氮超標(biāo)嚴(yán)重，5月份總氮超標(biāo)極嚴(yán)重，導(dǎo)致1、5月份單因子評(píng)價(jià)為Ⅲ、Ⅳ類水質(zhì)，而CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果：1、5月份水質(zhì)均為良好；嵐河1月份超標(biāo)指數(shù)1個(gè)，超標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為1，總氮超標(biāo)嚴(yán)重，導(dǎo)致1月份單因子評(píng)價(jià)為Ⅳ類水質(zhì)，而CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果：1月份水質(zhì)為良好；澗河單因子評(píng)價(jià)與CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

由上述分析可知：單因子評(píng)價(jià)法中的極端指標(biāo)超標(biāo)量會(huì)影響評(píng)價(jià)結(jié)果，使其與CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果有所不同。而對(duì)于超標(biāo)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，CCME WQI不僅考慮了超標(biāo)量的影響，還考慮了3個(gè)因素(超標(biāo)范圍F1、超標(biāo)頻率F2、超標(biāo)幅度F3)的綜合影響，能很好的抵消極端指標(biāo)的貢獻(xiàn)，因此得出的評(píng)價(jià)結(jié)果更符合汾河水庫及上游河段水質(zhì)的現(xiàn)狀。

4 結(jié) 論

(1)本文選取單因子評(píng)價(jià)法和CCME WQI分析評(píng)價(jià)汾河水庫及澗河、嵐河、汾河干流3個(gè)河段的水質(zhì)，結(jié)果顯示CCME WQI可用于評(píng)價(jià)水庫和河流的水質(zhì)。

(2)水質(zhì)評(píng)價(jià)分級(jí)時(shí)，相比單因子評(píng)價(jià)法，CCME WQI包括了所有的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和數(shù)據(jù)，同時(shí)還考慮了3個(gè)因素(超標(biāo)范圍F1、超標(biāo)頻率F2、超標(biāo)幅度F3)的綜合影響，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更符合水質(zhì)現(xiàn)狀，是一種更全面的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。CCME WQI比較容易理解操作，便于環(huán)境管理部門對(duì)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行分析并及時(shí)應(yīng)對(duì)。并且，CCME WQI可預(yù)留端口與環(huán)境保護(hù)大數(shù)據(jù)和GIS平臺(tái)連接，為各領(lǐng)域環(huán)境水質(zhì)分析的研究提供技術(shù)支持。因此，CCME WQI在我國具有很好的應(yīng)用前景。

(3)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及數(shù)目，均會(huì)對(duì)CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果有一定的影響。因此，CCME WQI仍需進(jìn)一步研究，建立一套適合我國的完善評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

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