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)教育部重點實驗室, 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)前對引黃水庫的水質(zhì)評價方法較多，如單因子評價法[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污染指數(shù)綜合歸納為單一的污染指數(shù)，對水體污染情況進(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，同時也無法表達(dá)對污染因子的主觀評價；三是無法表述參評因子中超出相應(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作為分項指數(shù)，通過量化結(jié)果克服綜合水質(zhì)指數(shù)的缺點[10]。其次，在確定綜合權(quán)重時，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]，以反映主觀評價的影響，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)識指數(shù)法(WQI)表達(dá)參評污染因子中劣于相應(yīng)水質(zhì)類別指標(biāo)個數(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，并對該方法得出的結(jié)果與其他評價方法進(jìn)行了對比和驗證，以期提供一種合理有效、有利于比較并適于在水庫水質(zhì)評價中推廣的方法。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

選取濱城區(qū)東海和西海水庫兩個典型的引黃水庫為研究對象，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。評價所采用的數(shù)據(jù)為2011年4月至2014年4月時段內(nèi)每個水庫的出口和入口的月均斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測指標(biāo)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》中109項指標(biāo)，共測得148組數(shù)據(jù)。

1.2 評價過程與方法

1.2.1 水污染指數(shù)WPI分項指數(shù) 采用水污染指數(shù)法(WPI)對數(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月時段內(nèi)東海及西海水庫水質(zhì)指標(biāo)月監(jiān)測數(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值采用插值法計算，除pH值、溶解氧(DO)外，其他基本項目計算公式為：

C(i)-Cl(i)

(1)

式中：WPI(i)——第i個水質(zhì)指標(biāo)所對應(yīng)的指數(shù)值； WPIl(i)——第i個水質(zhì)指標(biāo)下限濃度所對應(yīng)的指數(shù)值； WPIh(i)——第i個水質(zhì)指標(biāo)上限濃度所對應(yīng)的指數(shù)值；C(i)——第i個水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測濃度(mg/L)；C1(i)——第i個水質(zhì)指標(biāo)的下限濃度值(mg/L)；Ch(i)——第i個水質(zhì)指標(biāo)的上限濃度值(mg/L)； WPI1(i)——第i個水質(zhì)指標(biāo)下限濃度所對應(yīng)的指數(shù)值； WPIh(i)——第i個水質(zhì)指標(biāo)上限濃度所對應(yīng)的指數(shù)值。

pH值介于7～9之間時，WPI值取20。

DO值≥7.5 mg/L時，WPI值取20； 2≤DO<7.5 mg/L時，WPI值計算公式為

C1(DO)-Ch(DO)

(2)

式中：WPIDO——DO指標(biāo)所對應(yīng)的指數(shù)值； WPIlDO——DO指標(biāo)下限濃度所對應(yīng)的指數(shù)值；WPIhDO——DO指標(biāo)上限濃度所對應(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)下限濃度所對應(yīng)的指數(shù)值； WPIhDO——DO指標(biāo)上限濃度所對應(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個監(jiān)測斷面3 a間月監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)重分配，計算公式為[15-17]：

(3)

式中：ωi′——第i個水質(zhì)指標(biāo)所對應(yīng)的權(quán)重；xi——第i項水質(zhì)指標(biāo)的實測濃度值；Si——第i項水質(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數(shù)選擇、污染因子特征向量Lg計算、污染因子權(quán)重ωk計算，計算公式為：

(4)

(5)

式中：ωk——第k個水質(zhì)指標(biāo)所對應(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項基本項目為決策目標(biāo)，綜合考慮各污染因子屬性、對水質(zhì)影響貢獻(xiàn)度、水體含量[19-21]等相關(guān)情況，同時參考相關(guān)污染因子對水質(zhì)影響相關(guān)文獻(xiàn)[22-23]，要素層設(shè)計4個參數(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)，計算公式為：

(6)

式中：WPIi——第i種水質(zhì)指標(biāo)對應(yīng)的WPI值；ωi——第i種水質(zhì)指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重。

對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)因子及參評因子數(shù)量，引入綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(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)的單項指標(biāo)個數(shù)；X4——參與評價的因子數(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分級方法進(jìn)行水質(zhì)分級，水質(zhì)類別與WPAPAQI指數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系詳見表1。

表1 水質(zhì)類別與水污染指數(shù)對照表

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析工具

本次研究采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、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 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)指標(biāo)賦權(quán)情況

2.1.1 集中式生活飲用水地表水源地補(bǔ)充項目及特定項目達(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)充項目和集中式生活飲用水地表水源地特定項目，對東海及西海水庫2011年4月至2014年4月的148組85項月監(jiān)測數(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)充項目及特定項目均達(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個監(jiān)測口除水溫和pH值其余22項基本項目的月監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將148組數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)重計算。

(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)測數(shù)據(jù)的WPI值，通過主成分分析法賦權(quán)發(fā)現(xiàn)，4個監(jiān)測口各水質(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、污染因子時空變化情況及主觀判斷，22項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)綜合評價 匯總東海及西海水庫2011年4月至2014年4月時段內(nèi)4個監(jiān)測148組月測數(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)測口各組月測數(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

2.2 水庫水質(zhì)的時間變化

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個監(jiān)測口201104—201404時段內(nèi)同一季度月監(jiān)測數(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)計基礎(chǔ)，所得的超標(biāo)因子個數(shù)、水質(zhì)類別占比情況、WPSPAQI及5種代表污染因子的WPI值隨時間變化情況圖。

從圖3可知，2011—2014年間超標(biāo)因子個數(shù)出現(xiàn)一定程度增加，這是因為水庫水質(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保護(hù)區(qū)要求。同時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。2013年起，NH3-N增加，TN變化不大甚至減輕，此時水庫中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)類別的時間占比及WPSPAQI和各污染因子WPI隨時間變化

2.3 不同監(jiān)測口的水質(zhì)情況分析

以水庫4個監(jiān)測口的3 a監(jiān)測數(shù)據(jù)年均值為基礎(chǔ)，4個監(jiān)測口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，為一級或二級水源地，趙金香等[30]對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，因為兩個水庫水源相同，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)差距較小同時可以說明引黃水在運輸過程中污染較小。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價因子；其次，由于入庫后水體流動減緩，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，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，西海水庫對應(yīng)值分別為11.36和8.62，水庫對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

2.4 WPSPNQI指數(shù)法的優(yōu)勢

當(dāng)前水庫水質(zhì)評價方法較多，所用評價模型不盡相同。相較于其他引黃水庫的相關(guān)水質(zhì)評價方法，本文構(gòu)建WPSPAQI指數(shù)法表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，結(jié)果詳見表3。

綜上，WPSPAQI指數(shù)法綜合了多種水質(zhì)評價方法優(yōu)點，且克服了上述評價方法的不足，用于水質(zhì)評價方面具有較強(qiáng)的優(yōu)越性。

表3 WPSPAQI對比其他水質(zhì)評價模型優(yōu)越性

注：水質(zhì)評價模型中上標(biāo)為相應(yīng)參考文獻(xiàn)； “-”表示可實現(xiàn)該功能，但效果較差。

3 結(jié) 論

(1) 對濱州市濱城區(qū)東海和西海水庫水質(zhì)進(jìn)行評價的研究表明，WPSPNQI以WPI值作為分項指數(shù)，采用超標(biāo)倍數(shù)、主成分分析、AHP組合賦權(quán)，同時引入改進(jìn)水質(zhì)綜合標(biāo)識指數(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)及變化情況對水質(zhì)影響，且引入主觀附權(quán)，量化分項指標(biāo)；同時可反映超標(biāo)因子個數(shù)。評價結(jié)果與實際相符，可用于水庫的水質(zhì)評價。

(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。