楊瑋倫,高宇軒,張曉輝

(1.西安水務(wù)(集團(tuán))李家河水庫管理有限公司,陜西 西安 710082;2.西安理工大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,水資源短缺浪費和污染問題日益突出嚴(yán)重,威脅著城鄉(xiāng)居民用水安全和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此,加強(qiáng)水資源保護(hù),建立和健全水質(zhì)預(yù)警體系對于預(yù)防水質(zhì)污染事件的發(fā)生,保證居民飲用水水質(zhì)安全具有重要意義[1-3]。本文依據(jù)GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[4],根據(jù)李家河水庫的實際情況,選擇七個重要的評價水質(zhì)指標(biāo):總氮、氨氮、總磷、高錳酸鹽系數(shù)、總鐵、總錳和溶解氧,以單項指標(biāo)與其標(biāo)準(zhǔn)值相比較作為基本單元的多元綜合水質(zhì)指數(shù)系統(tǒng)的研究方法,擬研制出一套適用于李家河水庫水質(zhì)分類、分級的綜合指數(shù)系統(tǒng)[5-7],并利用該評價指數(shù)系統(tǒng)對2021年李家河水庫全年的水質(zhì)情況進(jìn)行評估;也期望通過本文的研究,為中小型水庫水質(zhì)的評價提供一套有效的方法,為提高城鄉(xiāng)居民用水質(zhì)量、保證水庫正常生產(chǎn)運行起到積極有益的作用。

1 多元綜合水質(zhì)指數(shù)系統(tǒng)的研究

水源地水質(zhì)指數(shù)系統(tǒng)的確定,首先要根據(jù)評價水體的性質(zhì)選用適當(dāng)?shù)拿枋鲋笜?biāo)體系,即評價標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上判定各參數(shù)監(jiān)測值與標(biāo)準(zhǔn)值的符合程度,并按不同參數(shù)的重要性,即對用途的影響程度施以權(quán)重,并以某種數(shù)學(xué)處理方法得到一種盡可能簡明的非技術(shù)性的以簡單數(shù)字系統(tǒng)表示的反映水質(zhì)優(yōu)劣和可用性的定量描述系統(tǒng)。

1.1 評價水質(zhì)指標(biāo)及其評價方法的選擇

按照GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,選擇評價水質(zhì)指標(biāo):總氮、氨氮、總磷、高錳酸鹽系數(shù)、總鐵、總錳、溶解氧。

目前水質(zhì)評價方法多種多樣,但其中概念清楚,使用較為普遍的為與標(biāo)準(zhǔn)相比較的指數(shù)法。故本文選定的評價方法為“以單項指標(biāo)與其標(biāo)準(zhǔn)值相比較作為基本單元的多元綜合水質(zhì)指數(shù)系統(tǒng)”。

1.2 計算計算步驟和公式

1.2.1 計算各指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)

若指標(biāo)i是極小型指標(biāo),實測值Ci處于Cik

(1)

若指標(biāo)i是極大型指標(biāo),實測值Ci處于Cik+1

(2)

其中:Ci為水質(zhì)指標(biāo)的濃度實測值;Cik為水質(zhì)指標(biāo)i的第k級的標(biāo)準(zhǔn)值;Iik為水質(zhì)指標(biāo)i的第k級標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)定指數(shù)。

1.2.2 計算綜合水質(zhì)指數(shù)

公式為:

(3)

式中:WQI為綜合水質(zhì)指數(shù);Ii為第i個指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù);Wi為第i個指標(biāo)的權(quán)重,由熵權(quán)法確定;n為用于水質(zhì)評價的指標(biāo)個數(shù)。

1.3 綜合水質(zhì)指數(shù)的含義

上述綜合水質(zhì)指數(shù)系統(tǒng)有其明確的水質(zhì)優(yōu)劣的界定和評價含義,即:

0

20

40

60

80

1.4 熵權(quán)法原理

假定有n條樣本,m個維度,用如下方式表示每個隨機(jī)變量的取值:

xij,i=1,2,…,n,j=1,2,…,m

(4)

1.4.1 標(biāo)準(zhǔn)化處理

為避免量綱造成的影響,首先要對指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。根據(jù)指標(biāo)含義,可將指標(biāo)分為正向指標(biāo)(取值越大越好)和逆向指標(biāo)(取值越小越好),分別通過如下方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化:

(5)

(6)

1.4.2 計算每個水質(zhì)指標(biāo)的熵

(7)

1.4.3 計算冗余度

dj=1-Ej

(8)

1.4.4 計算權(quán)重

(9)

2 李家河水庫水質(zhì)的評價研究

2.1 計算各水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重

采用2021年李家河水庫引水站水下0.5 m的數(shù)據(jù),計算權(quán)重如下:

表1 水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重表

2.2 評價標(biāo)準(zhǔn)分級及評價分值

表2中為水質(zhì)指標(biāo)的第級標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 評價標(biāo)準(zhǔn)分級及評價分值 mg/L

2.3 綜合各指標(biāo)權(quán)重和水質(zhì)指數(shù)計算綜合水質(zhì)指數(shù)WQI和水質(zhì)等級

根據(jù)2021年李家河水庫引水站水下0.5 m的數(shù)據(jù)計算得到各采樣時間點的WQI,如圖1所示。

圖1 2021年李家河水庫的WQI

根據(jù)WQI計算水質(zhì)等級如圖2所示?？梢娎罴液铀畮焖|(zhì)情況較好,2021年全年均為2類水質(zhì)。

圖2 2021年李家河水庫的水質(zhì)等級

3 結(jié)語

本文針對李家河水庫的實際情況,根據(jù)水質(zhì)評價的特點,依據(jù)GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,選擇總氮、氨氮、總磷、高錳酸鹽系數(shù)、總鐵、總錳和溶解氧等七個反映水質(zhì)的重要指標(biāo),以單項指標(biāo)與其標(biāo)準(zhǔn)值相比較作為基本單元的多元綜合水質(zhì)指數(shù)系統(tǒng)(WQI)的研究方法,研制出一套適用于水庫水質(zhì)分類、分級的綜合指數(shù)系統(tǒng);并利用該WQI評價指數(shù)系統(tǒng)對2021年李家河水庫全年的水質(zhì)情況進(jìn)行了評價和評估,得到的結(jié)果反映出李家河水庫水質(zhì)情況較好,2021年全年均為2類水質(zhì)。本文的研究方法和研究成果對中小型水庫水質(zhì)的綜合評價具有借鑒和推廣意義。