張 肖，金星龍

(天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300000)

水資源短缺、污染狀況日益嚴(yán)重，使得雨水作為一種利用潛力極大的水資源受到廣泛關(guān)注[1]。雨水的有效利用能夠在一定程度上緩解我國(guó)水資源短缺的問(wèn)題[2]，雨水用于補(bǔ)充人工湖是一種雨水回用于景觀用水的具體應(yīng)用。對(duì)以雨水為唯一水源的人工湖進(jìn)行降雨前后水質(zhì)評(píng)價(jià)研究，有利于我國(guó)獨(dú)立雨水資源化體系的建立，也是我國(guó)雨水資源化研究的新趨勢(shì)[3]。

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種應(yīng)用廣泛的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法[4]。徐乒乓等提出以水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)上下限中間值作為隸屬函數(shù)的界限值，來(lái)達(dá)到對(duì)劣Ⅴ類水質(zhì)的評(píng)價(jià)[5]。楊靜采用組合賦權(quán)法進(jìn)行權(quán)重賦值，通過(guò)相乘相加算子、加權(quán)平均原則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[6]。葉章蕊等引入熵值賦權(quán)法、超標(biāo)加權(quán)法和理想點(diǎn)法來(lái)實(shí)現(xiàn)多種賦權(quán)方法優(yōu)勢(shì)的融合[7]。但現(xiàn)行的模糊綜合評(píng)價(jià)法仍受國(guó)標(biāo)地表水分類標(biāo)準(zhǔn)的限制。

本文對(duì)3場(chǎng)降雨前后人工湖水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，在常規(guī)指標(biāo)的基礎(chǔ)上增加了生物毒性檢測(cè)[8]，使所得結(jié)果更加可靠[9]。同時(shí)，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行改進(jìn)來(lái)建立一種水質(zhì)常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)與生物毒性檢測(cè)指標(biāo)相兼容的安全評(píng)價(jià)體系，并利用改進(jìn)后的模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整體的定性定量分析，根據(jù)所得的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)將雨水作為人工湖補(bǔ)充水源進(jìn)行可行性分析，并提出相應(yīng)的建議措施。

1 材料與方法

1.1 采樣地點(diǎn)

本文研究對(duì)象為天津市西青區(qū)某大學(xué)人工湖，該人工湖補(bǔ)充水源完全來(lái)自雨水，其表面積約為4.69 萬(wàn)m2，平均水深6 m，體積大約為28.14 萬(wàn)m3。校區(qū)建設(shè)初期，雨水通過(guò)管網(wǎng)收集排入內(nèi)環(huán)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(shè)置于雨水管網(wǎng)的出口末端，雨水沉淀提升后由湖東側(cè)排水管排至人工湖。屋面雨水、路面雨水及綠地雨水為補(bǔ)充人工湖的主要來(lái)源。人工湖水源構(gòu)成如圖1所示。

圖1 人工湖水源構(gòu)成Fig.1 The source of artificial lake

根據(jù)相關(guān)規(guī)定[10]及實(shí)際情況在人工湖北側(cè)中點(diǎn)A、南側(cè)東西兩點(diǎn)B、C設(shè)置采樣點(diǎn)。因湖中養(yǎng)殖魚苗，故設(shè)有增氧機(jī)和投餌機(jī)。湖南側(cè)為下沉式階梯，將湖與圖書館連接，其余北東西三側(cè)周圍均為綠地，對(duì)雨水起到過(guò)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(diǎn)采用體積為2 L的聚四氟乙烯瓶進(jìn)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(shí)間

于2017年7-10月期間對(duì)人工湖進(jìn)行了3場(chǎng)降雨前后的樣品收集。每采樣點(diǎn)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(cè)指標(biāo)及方法

檢測(cè)指標(biāo)分為兩大類：常規(guī)指標(biāo)及生物毒性指標(biāo)。常規(guī)指標(biāo)分為pH、濁度、電導(dǎo)率、總磷、總氮、化學(xué)需氧量；生物毒性指標(biāo)分為發(fā)光菌急性毒性指標(biāo)、SOS/umu遺傳毒性指標(biāo)。

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

pH值和電導(dǎo)率分別通過(guò)pH計(jì)(DELTA 320)、電導(dǎo)率儀(DDSJ-308A)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)光電比色法測(cè)定濁度；鉬酸銨分光光度法測(cè)定總磷含量；堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定總氮含量；重鉻酸鹽法測(cè)定化學(xué)需氧量。生物急性毒性則通過(guò)發(fā)光菌發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定；生物遺傳毒性則通過(guò)SOS/umu法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 湖體水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果及分析

樣品采集后自然沉降30 min，取上層非沉降部分進(jìn)行pH、濁度、電導(dǎo)率、總磷、總氮、化學(xué)需氧量的檢測(cè)。以3個(gè)采樣點(diǎn)常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果的平均值來(lái)表征人工湖的整體水質(zhì)，如表2所示。

表2 常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.2 The general indicator data

由表2可以看出:①湖體水質(zhì)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(dǎo)率整體維持在2.0 mS/cm左右，且降雨后數(shù)值略低，這是因?yàn)橛晁鸬搅讼♂屪饔?。③湖體濁度整體穩(wěn)定在20.0 NTU以內(nèi)，但雨后高于雨前。這是由徑流過(guò)程中雨水將車輛及行人留于道路上的雜質(zhì)、積存于屋面的雜質(zhì)帶入湖中所致。④湖體總磷范圍為0.10～0.33 mg/L，整體呈現(xiàn)雨后數(shù)值大于雨前的規(guī)律。磷是飼料中的一種營(yíng)養(yǎng)素，是動(dòng)物必需的常量礦物元素。人工湖中養(yǎng)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(wěn)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(chǎng)降雨雨后總氮量略小于雨前，第三場(chǎng)降雨雨后總氮量高于雨前。第三場(chǎng)降雨時(shí)長(zhǎng)為4 d且雨勢(shì)較大，雨水對(duì)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(qiáng)，從而使湖中各種含氮污染物的含量升高，導(dǎo)致總氮濃度值上升。⑥湖體化學(xué)需氧量范圍為76.89～167.22 mg/L，3場(chǎng)降雨COD數(shù)值整體呈現(xiàn)雨后小于雨前的規(guī)律。說(shuō)明雨水對(duì)湖內(nèi)污染存在一定的稀釋作用，減緩了湖中還原性物質(zhì)污染的程度。第二場(chǎng)降雨前后COD值明顯高于其他兩場(chǎng)降雨，可能是由于七八月份氣溫相對(duì)較高，湖中微生物劇烈增長(zhǎng)所致。

2.2 湖體水質(zhì)生物毒性檢測(cè)結(jié)果及分析

水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)只能檢測(cè)出各指標(biāo)的含量，但各指標(biāo)之間可能有拮抗、協(xié)同、相加、致敏等相互作用，單一的常規(guī)指標(biāo)不能很好地說(shuō)明水體整體毒性的大小。生物毒性檢測(cè)主要利用微生物在水體中的生態(tài)學(xué)變化來(lái)反應(yīng)水體的毒性效應(yīng)，得到有毒物質(zhì)濃度與微生物生物效應(yīng)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系[12]。本實(shí)驗(yàn)對(duì)人工湖水質(zhì)進(jìn)行生物毒性的檢測(cè)，主要包括發(fā)光菌急性毒性和SOS/umu遺傳毒性。進(jìn)行生物檢測(cè)前需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，利用玻璃纖維濾膜(WhatmanGF/F47 mm)對(duì)水樣進(jìn)行過(guò)濾，然后通過(guò)HLB柱活化、水樣過(guò)柱、洗脫、定容來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行富集濃縮后保存待用。

2.2.1 生物急性毒性

對(duì)水體進(jìn)行發(fā)光菌急性毒性檢測(cè)用到的菌種為發(fā)光細(xì)菌中的明亮發(fā)光桿菌502(Photobacterium phosphoreum)[13]。發(fā)光菌發(fā)光抑制實(shí)驗(yàn)按照GB/T15441-1995進(jìn)行，以Zn2+為陽(yáng)性參照物，設(shè)置濃度梯度擬合得到其對(duì)發(fā)光菌抑制率的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖3所示，設(shè)置樣品濃度梯度進(jìn)行發(fā)光菌發(fā)光強(qiáng)度的檢測(cè)，得到樣品濃度與其對(duì)應(yīng)的發(fā)光菌發(fā)光強(qiáng)度抑制率的擬合關(guān)系[14]，圖4為3場(chǎng)降雨前后樣品富集因子與發(fā)光菌抑制率的擬合圖。

圖3 Zn2+濃度-發(fā)光菌抑制率效應(yīng)Fig.3 Toxicity of Zn2+ to photobacterium

圖4 降雨前后湖水對(duì)發(fā)光菌的光強(qiáng)抑制Fig.4 Toxicity of lake to photobacterium in the rainfall

根據(jù)以上計(jì)算得3場(chǎng)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(shí)驗(yàn)所用的菌種為鼠傷寒沙門氏菌SalmonellatyphimuriumTA1535/pSK1002。利用高純水及DMSO對(duì)富集濃縮的樣品進(jìn)行稀釋，按照文獻(xiàn)[15]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所測(cè)數(shù)據(jù)利用以下公式進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)陽(yáng)性參考物4-NQO和水樣的劑量-效應(yīng)曲線線性擬合斜率的比值判斷水樣的遺傳毒性，以4-NQO當(dāng)量濃度表示[16]。圖5為4-NQO劑量與誘導(dǎo)率擬合圖，圖6為3場(chǎng)降雨前后樣品劑量與誘導(dǎo)率的擬合圖。

(1)

(2)

式中：G為生長(zhǎng)因子；IR為誘導(dǎo)率；A595T為待測(cè)樣品在595 nm處吸光度；A595B為空白對(duì)照在595 nm處吸光度；A595N為陰性對(duì)照在595 nm處吸光度；A415T為待測(cè)樣品在415 nm處吸光度。

圖5 4-NQO劑量-效應(yīng)圖Fig.5 4-NQO dose-response curve

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

根據(jù)以上計(jì)算得3場(chǎng)降雨前的TEQ分別為2 540.54、3 405.41、3 351.35 μg/L，3場(chǎng)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(cè)得EQCZn2+、TEQ4-NQO均呈現(xiàn)出雨后數(shù)值低于雨前的規(guī)律，可以得出人工湖的生物毒性整體呈現(xiàn)雨后低于雨前的規(guī)律。

2.3 利用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)分析

傳統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)法利用屬于程度(隸屬度)來(lái)代替屬于或不屬于，通過(guò)模糊關(guān)系和權(quán)重來(lái)確定綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。模糊評(píng)價(jià)中，矩陣R體現(xiàn)了每個(gè)污染因子對(duì)每級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬程度。一般水質(zhì)指標(biāo)都是數(shù)值小者為優(yōu)的成本型指標(biāo)，將水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的上下限值代入“降半梯形”的隸屬函數(shù)，從而得到水質(zhì)指標(biāo)相對(duì)于每級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度[17]。但該方法存在不足之處。

首先，國(guó)標(biāo)中水質(zhì)分級(jí)共有五級(jí)，每一等級(jí)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(zhì)的變化情況，當(dāng)降雨前后水質(zhì)屬同一等級(jí)時(shí)，不能很好地說(shuō)明水質(zhì)的變化情況。其次，國(guó)標(biāo)中只對(duì)pH、COD、TP、TN、BOD5等部分常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行了分級(jí)規(guī)定，對(duì)于其他可用于表征水質(zhì)的指標(biāo)如濁度、電導(dǎo)率、固體懸浮物等都沒有進(jìn)行水質(zhì)分級(jí)，故無(wú)法利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)國(guó)標(biāo)中未涉及的常規(guī)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)計(jì)算。最后，傳統(tǒng)方法并沒有將水質(zhì)生物毒性納入到模糊綜合評(píng)價(jià)中。

綜上所述，為解決傳統(tǒng)模糊綜合評(píng)價(jià)法所存在的問(wèn)題，現(xiàn)將每一因素集對(duì)評(píng)價(jià)集的檢測(cè)數(shù)值按照公式(5)整理為分值總和為1的集合，既可對(duì)各評(píng)價(jià)集的因素進(jìn)行定量定位，又可避免個(gè)別因素測(cè)量值過(guò)高對(duì)整個(gè)系統(tǒng)模糊關(guān)系的影響，還能將生物毒性結(jié)果及國(guó)標(biāo)中未涉及的常規(guī)指標(biāo)包括在內(nèi)，同時(shí)能明確的比較出整體水質(zhì)的變化情況。

現(xiàn)按照以下步驟將實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的常規(guī)指標(biāo)和生物指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行改進(jìn)后的模糊綜合評(píng)價(jià)。

(1)確定評(píng)價(jià)集(參與評(píng)價(jià)樣品的集合)。

(3)

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

(2)確定評(píng)價(jià)對(duì)象的因素集(參與評(píng)價(jià)指標(biāo)的集合) 。

(4)

(3)構(gòu)造模糊關(guān)系。

(5)

式中：rij為第j個(gè)評(píng)價(jià)集在第i個(gè)因素集中的得分。

根據(jù)公式(5)所得模糊矩陣為：

(6)

(4)確定權(quán)數(shù)。按照熵值賦權(quán)法[7]對(duì)本實(shí)驗(yàn)指標(biāo)檢進(jìn)行權(quán)重的確定，包括以下 3 個(gè)步驟。

第一步，原始數(shù)據(jù)矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化。利用信息熵的概念確定權(quán)重，對(duì)于數(shù)值小者為優(yōu)的指標(biāo)而言選擇公式 (7)對(duì)原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

(7)

式中：max(xij)為評(píng)價(jià)對(duì)象i的j指標(biāo)的最滿意值；max(xij)為評(píng)價(jià)對(duì)象i的j指標(biāo)的最不滿意值；rij為評(píng)價(jià)對(duì)象i的j指標(biāo)的歸一化值。

將本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照以上公式進(jìn)行歸一化法計(jì)算結(jié)果如下：

第二步，定義熵。對(duì)于有n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)估問(wèn)題，第i個(gè)指標(biāo)的熵Hi計(jì)算如下。

(8)

(9)

(10)

當(dāng)fij=0時(shí)，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(quán)。根據(jù)公式(11)可得到第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)值。

(11)

得出熵權(quán)：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(jù)熵權(quán)賦值法可得到8個(gè)檢測(cè)指標(biāo)的權(quán)數(shù)為：

(5)模糊(矩陣)運(yùn)算。

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

利用改進(jìn)后的模糊綜合評(píng)價(jià)法，3場(chǎng)降雨前后水質(zhì)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(zhì)越優(yōu)。本實(shí)驗(yàn)中雨水是人工湖的唯一補(bǔ)充水源，通過(guò)對(duì)降雨前后樣品進(jìn)行常規(guī)指標(biāo)和生物指標(biāo)的檢測(cè)及模糊綜合評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)，可以得出人工湖雨后水質(zhì)優(yōu)于雨前[18]。

3 結(jié) 語(yǔ)

該人工湖利用沉砂池對(duì)雨水進(jìn)行了處理，將雨水所攜帶的部分雜質(zhì)進(jìn)行初步的過(guò)濾。 水體整體呈現(xiàn)雨后水質(zhì)優(yōu)于雨前的規(guī)律，說(shuō)明將雨水回用于人工湖作為一種具體的雨水回用技術(shù)是可行的，雨水資源在得到利用的同時(shí)還能在一定程度上提升人工湖水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)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(shù)和生物處理技術(shù)。

本文中所用的評(píng)價(jià)方法不僅能夠?qū)?guó)標(biāo)中分級(jí)的常規(guī)指標(biāo)包含在內(nèi)，還可將國(guó)標(biāo)中未能分級(jí)的常規(guī)指標(biāo)及生物毒性指標(biāo)整合到模糊綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)中。但該評(píng)價(jià)方法所得結(jié)果側(cè)重于比較分析水質(zhì)變化趨勢(shì)，而按照國(guó)標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)分級(jí)存在一定困難。盡量突破現(xiàn)行地表水分類標(biāo)準(zhǔn)的限制，建立一種既可將常規(guī)及生物評(píng)價(jià)指標(biāo)包含在內(nèi)又可進(jìn)行水質(zhì)分級(jí)的水質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，是今后研究發(fā)展的方向。