趙曉靜,李 萍,2,陶靖怡*,郝 纓,2,楊小龍,2

(1.中國建筑西北設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710018;2.中國致公黨西安市委員會,陜西 西安 710004)

我國地表水環(huán)境保護(hù)形勢尤為嚴(yán)峻,水污染事件時有發(fā)生,水質(zhì)評價是水環(huán)境研究的重要手段之一,也是水環(huán)境分析的基礎(chǔ)工作,適宜的水質(zhì)評價對保障水環(huán)境安全具有積極的推動作用。目前,國內(nèi)外常用的水質(zhì)評價方法有主成分分析法、單因子污染指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、模糊綜合評價法、多元統(tǒng)計分析法[1]、內(nèi)梅羅指數(shù)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[2]以及基于以下數(shù)學(xué)模型的水質(zhì)評價等方法[3],以上方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。如單因子污染指數(shù)法評價結(jié)果較為保守,因其以最差的水質(zhì)類別作為評價結(jié)果;綜合污染指數(shù)法計算簡單,但未考慮各評價因子的權(quán)重;多元統(tǒng)計和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)要求高,它是基于大量監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上再進(jìn)行分析[4]。

綜合污染指數(shù)法對劣V類水體進(jìn)行評價,不僅能分析水質(zhì)狀況,還能判斷水質(zhì)是否滿足水功能區(qū)劃要求。孫忠明等[5]通過綜合污染指數(shù)法判斷太子河流域水質(zhì)狀況;張富康等[6]通過改進(jìn)的綜合污染指數(shù)法對汾河中游水質(zhì)進(jìn)行分析;寧陽明等[7]將模糊綜合評價法和水質(zhì)綜合污染指數(shù)法耦合運(yùn)用于長江黃石段水質(zhì)評價。針對綜合污染指數(shù)法未充分考慮各評價因子權(quán)重的問題,文章采用熵權(quán)法先確定權(quán)重,后采用綜合污染指數(shù)法進(jìn)行漢城湖精確水質(zhì)評價,以期對漢城湖水質(zhì)進(jìn)行全面、客觀評價。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)

漢城湖位于西安市西北,原為團(tuán)結(jié)水庫。右岸緊鄰北二環(huán)、朱宏路,左岸緊靠漢長安城遺址,自大興路至鳳城三路全長6.27 km,湖體自大興路至鳳城三路。蓄滿水的漢城湖水面最寬處80 m,最窄處30 m,水深4 m～6 m,總庫容137萬m3,形成5.67×105m2的湖面。漢城湖承擔(dān)起了興慶湖、護(hù)城河、老城區(qū)、西北郊計61 km2的城市污水和城市雨洪排泄任務(wù)。由于長期接納污水,庫底污泥淤積,庫水發(fā)黑發(fā)臭,庫岸雜草叢生,庫周垃圾遍布。2006年開始進(jìn)行水環(huán)境綜合治理工程,為了保護(hù)漢城墻遺址,采用了黃土回填的方式,水庫庫容由原來的200萬m3下調(diào)至137萬m3,同時還完成了淤泥清運(yùn)211.5萬m3,岸坡砌護(hù)12.8 km,栽植喬灌木75 萬余株,并建成了全長6.27 km的截污暗涵,將城市雨污水及時截流,經(jīng)漕運(yùn)明渠送入污水處理廠,徹底免除了水庫再次被污染同時,漢城湖2010年被水利部授予國家水利風(fēng)景區(qū)稱號。

1.2 水樣采集及監(jiān)測

根據(jù)漢城湖地形及水文條件,在漢城湖西湖區(qū)、中湖區(qū)、東湖區(qū)和團(tuán)結(jié)區(qū)共設(shè)置有9個采樣點(diǎn)位,監(jiān)測點(diǎn)位分布圖見圖1。于2021-01～12,每月月末采集水樣,檢測的水質(zhì)項(xiàng)目包括石油類、五日生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)和總氮(TN),各水質(zhì)因子檢測方法嚴(yán)格參照相關(guān)規(guī)范,根據(jù)水功能區(qū)劃,漢城湖執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量》IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)位分布圖Fig.1 Distribution map of monitoring sites

1.3 研究方法

1.3.1 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是在基于單因子污染指數(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的水質(zhì)評價方法,可以評價水體整體污染水平,評級公式如下[5],單因子污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)評價標(biāo)準(zhǔn)分別見表1和表2。

(1)

(2)

表1 單因子污染指數(shù)法評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Evaluation standard for single factor pollution index method

表2 綜合污染指數(shù)法評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation standard of comprehensive pollution index method

1.3.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是根據(jù)各評價指標(biāo)熵值來確定各指標(biāo)權(quán)重,各權(quán)重的確定客觀性較強(qiáng),具體步驟[8]：

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理;確定各指標(biāo)的熵值;確定各指標(biāo)權(quán)重;確定綜合權(quán)重;計算公式見式(3)～式(6)。

(3)

(4)

dj=1-Ej

(5)

(6)

式中：P(xij)——各因子標(biāo)準(zhǔn)化值;Ej——信息熵值;Wj——各因子權(quán)重值?；陟貦?quán)法確定的各水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重見表3,水體類別評價標(biāo)準(zhǔn)見表4。

1.4 數(shù)據(jù)處理

文章中數(shù)據(jù)在excel 2007中計算及處理,圖形在GraPhpad Prism8和Arcgis 10.3中繪制。

表3 基于熵權(quán)法的各水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重Tab.3 Weights of various water quality indicators based on entropy weight method

表4 各類水體評價標(biāo)準(zhǔn)值Tab.4 Evaluation standard values for various types of water bodies

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)時空分布特征

漢城湖西湖區(qū)、中湖區(qū)、東湖區(qū)和團(tuán)結(jié)區(qū)營養(yǎng)鹽全年污染水平見圖2。分析知：(1)湖區(qū)年均水質(zhì)除NH3-N和TN無法達(dá)到IV類標(biāo)準(zhǔn)外,其他指標(biāo)均能滿足水功能區(qū)劃要求;(2)東湖區(qū)石油類污染物少數(shù)月份略有超標(biāo),但仍滿足V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),其他區(qū)域石油類最大值仍在IV類標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi);(3)西湖區(qū)BOD5類污染物少數(shù)月份略有超標(biāo),但仍滿足V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),其他區(qū)域BOD5類污染物最大值仍在IV類標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi);(4)漢城湖TN和氨氮污染較重,除西湖區(qū)氨氮年均濃度滿足IV類標(biāo)準(zhǔn)外,其他區(qū)域氨氮和TN年均值均處于V類或劣V類水。

圖2 漢城湖營養(yǎng)鹽污染水平Fig.2 Nutrient pollution levels in Hancheng Lake

為了分析漢城湖不同時間段水質(zhì)情況,分豐水期、枯水期、平水期統(tǒng)計了各區(qū)域各營養(yǎng)鹽污染水平,結(jié)果見表5。分析知：不同時期漢城湖水質(zhì)略有差異,枯水期和平水期湖區(qū)污染因子主要是氨氮和總氮,其中平水期TN濃度有少數(shù)月份已達(dá)劣V類,CODCr濃度在IV類標(biāo)準(zhǔn)限制附近,隨時有超標(biāo)的風(fēng)險。豐水期水質(zhì)相對較好,但大部分時期仍處于V類水體,BOD5和TP少數(shù)月份處于III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)。

表5 漢城湖各營養(yǎng)鹽不同水期污染物濃度Tab.5 Pollutant concentrations of various nutrients in different water periods of Hancheng Lake mg·L-1

2.2 基于熵權(quán)法改進(jìn)的水質(zhì)評價

文章若采用綜合污染指數(shù)法直接評價水質(zhì)整體情況,六項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重相等,無法反映某項(xiàng)因子的污染程度,因此基于熵權(quán)法先確定權(quán)重,再進(jìn)行修訂,計算出改進(jìn)前后的漢城湖西湖區(qū)、中湖區(qū)、東湖區(qū)和團(tuán)結(jié)區(qū)水質(zhì)評價結(jié)果,見表6。

表6 基于熵權(quán)法改進(jìn)前后水質(zhì)評價結(jié)果Tab.6 Water quality evaluation results before and after improvement based on entropy weight method

漢城湖各區(qū)域綜合污染程度嚴(yán)重排序?yàn)闁|湖區(qū)>團(tuán)結(jié)區(qū)>中湖區(qū)>西湖區(qū);西湖區(qū)平水期水質(zhì)最優(yōu),其次為豐水期,枯水期水質(zhì)最差;中湖區(qū)、東湖區(qū)和團(tuán)結(jié)區(qū)均是枯水期水質(zhì)最差,平水期其次,豐水期水質(zhì)最優(yōu)。采用綜合污染指數(shù)評價得漢城湖全年水質(zhì)處于Ⅲ類,改進(jìn)后整個湖面全年水質(zhì)處于Ⅳ類水體,這是因?yàn)闈h城湖石油類污染較輕,大部分采樣點(diǎn)絕大多數(shù)時期石油類濃度處于II～I(xiàn)II類標(biāo)準(zhǔn),而未改進(jìn)前石油類所占權(quán)重跟其他因子相同,稀釋了其他重要因子的權(quán)重,因此造成評價結(jié)果失真。

3 結(jié)論

1)漢城湖NH3-N和TN濃度常年處于V類或劣V類水體,BOD5、CODCr、TP、石油類污染物均能滿足水功能區(qū)劃要求;

2)不同水期,漢城湖水質(zhì)略有差異,整個湖區(qū)豐水期BOD5和TP濃度少數(shù)月份處于III類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),東湖區(qū)和團(tuán)結(jié)區(qū)CODCr濃度超標(biāo)風(fēng)險較大;

3)文章基于熵權(quán)法確定綜合污染指數(shù)的權(quán)重,降低了某項(xiàng)指標(biāo)過高或過低對評價結(jié)果的影響,凸顯了濃度差異較大指標(biāo)的影響,使評價體系更科學(xué)。