基于改進綜合水質指數法的水庫水質特征分析

王 琳, 孫藝珂, 祁 峰,3

(1.中國海洋大學 環境科學與工程學院, 山東 青島 266100; 2.中國海洋大學 海洋環境與生態教育部重點實驗室, 山東 青島 266100; 3.山東建筑大學 市政與環境工程學院, 山東 濟南 250101)

引黃水庫作為部分地區飲用水主要水源，成為緩解水資源短缺、保證周邊居民生活工作的有效途徑。當前對引黃水庫的水質評價方法較多，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]、模糊數學法[6-7]、Spearman秩相關系數法[8]、綜合水質污染指數法等。其中，綜合水質污染指數法將多種污染因子的相對污染指數綜合歸納為單一的污染指數，對水體污染情況進行量化，但綜合水質污染指數法也存在以下問題：一是采用單因子指數作為分項指數[9]，結果只能反映水質污染總體變化情況，不能對水質污染類別判斷；二是賦權方法單一，無法突出最主要污染因子的貢獻，無法反映變化幅度較大的污染因子相關情況，同時也無法表達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水質類別因子的數量。為解決上述問題采用反映水體水質類別及污染情況的水污染指數WPI作為分項指數，通過量化結果克服綜合水質指數的缺點[10]。其次，在確定綜合權重時，采用超標倍數法和主成分法反映污染因子的超標情況和變化幅度對水質影響[11-12]，再結合層次分析法(AHP)確定綜合權重[13]，以反映主觀評價的影響，克服等權法忽略重要程度差異的缺陷。最后，參考水質標識指數法(WQI)表達參評污染因子中劣于相應水質類別指標個數，強調超標因子數量[10-12]，構建改進綜合水質指數(WPSPNQI)。本文利用WPSPNQI指數來分析山東省濱州市濱城區水庫水質特征，并對該方法得出的結果與其他評價方法進行了對比和驗證，以期提供一種合理有效、有利于比較并適于在水庫水質評價中推廣的方法。

1 數據來源與方法

1.1 研究區概況

選取濱城區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田、居民區及部分工業，西海水庫靠近市區及交通干線，兩者都是城區生活及工農業主要水源。評價所采用的數據為2011年4月至2014年4月時段內每個水庫的出口和入口的月均斷面監測數據，監測指標為《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》中109項指標，共測得148組數據。

1.2 評價過程與方法

1.2.1 水污染指數WPI分項指數 采用水污染指數法(WPI)對數據進行標準化處理，根據《地表水環境質量標準(GB30838-2002)》，將2011年4月至2014年4月時段內東海及西海水庫水質指標月監測數據轉化為WPI值，記錄各污染因子相應的WPI并記錄WPI的最大值對應的污染因子作最重污染因子。

根據劉琰等[13]、馬原[14]等相關文獻，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個水質指標所對應的指數值； WPIl(i)——第i個水質指標下限濃度所對應的指數值； WPIh(i)——第i個水質指標上限濃度所對應的指數值；C(i)——第i個水質指標的監測濃度(mg/L)；C1(i)——第i個水質指標的下限濃度值(mg/L)；Ch(i)——第i個水質指標的上限濃度值(mg/L)； WPI1(i)——第i個水質指標下限濃度所對應的指數值； WPIh(i)——第i個水質指標上限濃度所對應的指數值。

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指標所對應的指數值； WPIlDO——DO指標下限濃度所對應的指數值；WPIhDO——DO指標上限濃度所對應的指數值；C1(DO)——DO指標的下限濃度值(mg/L)；Ch(DO)——DO指標的上限濃度值(mg/L)； WPI1DO——DO指標下限濃度所對應的指數值； WPIhDO——DO指標上限濃度所對應的指數值。

1.2.2 超標倍數法、主成分法和層次分析法獲得組合賦權權重

(1) 超標倍數法獲得污染程度權重。采用超標倍數法將4個監測斷面3 a間月監測數據進行權重分配，計算公式為[15-17]：

(3)

式中：ωi′——第i個水質指標所對應的權重；xi——第i項水質指標的實測濃度值；Si——第i項水質指標的n種水質類別標準值的平均值。

(2) 主成分法獲得污染變化幅度權重。基于水質的WPI值，按照張龍玲等[11]及李朝峰等[18]的方法，進行主成分協方差分析賦權。主要步驟包括主成分個數選擇、污染因子特征向量Lg計算、污染因子權重ωk計算，計算公式為：

(4)

(5)

式中：ωk——第k個水質指標所對應的權重；Cg——成分矩陣；λg——特征值；Ag——相應方差貢獻率。為保證權重之和為1，對ωk進行標準化處理，得到主成分權重ωi′。

(3) 層次分析法獲得主觀權重。以《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》中除水溫及pH值外的22項基本項目為決策目標，綜合考慮各污染因子屬性、對水質影響貢獻度、水體含量[19-21]等相關情況，同時參考相關污染因子對水質影響相關文獻[22-23]，要素層設計4個參數，構建水質層次結構模型如圖1所示。本次研究中，將綜合性指標設置為要素層最重要指標，其次為富營養化指標；決策目標層將少量劇毒的汞、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]的相關報道，得到主觀權重ωi。

圖1 水質層次結構模型

(4) 綜合權重。將超標倍數法、主成分法及層次分析法得到權重進行均值處理，得到綜合權重ωi。

1.2.3 改進綜合水質指數法 權重確定后，綜合考慮各污染因子的不同貢獻率，定義W1為平均污染指數，計算公式為：

(6)

式中：WPIi——第i種水質指標對應的WPI值；ωi——第i種水質指標對應的權重。

對W1保留一位小數，即W1可表示為X1.X2。

為了表現水質中超標因子及參評因子數量，引入綜合水質標識指數法(WQI)，得到綜合水質指數，定義為WPSPAQI(WP-WPI指數法，S為超標倍數法，P為主成分分析法，A為層次分析法，Q為WQI指數法，I為綜合指數法)，計算公式為：

WPSPAQI=X1.X2X3X4

(7)

式中：X3——劣于水環境功能區目標的單項指標個數；X4——參與評價的因子數量。

WPSPAQI指數中，X1.X2不僅可以直接反映水質好壞(值越低水質越好)，而且可以直接借用WPI分級方法進行水質分級，水質類別與WPAPAQI指數之間的對應關系詳見表1。

表1 水質類別與水污染指數對照表

1.3 數據處理與分析工具

本次研究采用Excel進行數據統計、分析及圖表繪制，SPSS 19.0進行主成分分析獲得權重，YAAHP軟件進行層次分析法獲得主觀權重。

2 結果與討論

2.1 水質指標賦權情況

2.1.1 集中式生活飲用水地表水源地補充項目及特定項目達標情況 根據《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》集中式生活飲用水地表水源地補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項月監測數據進行達標判斷。結果表明，東海及西海水庫補充項目及特定項目均達標，水質較好。

2.1.2 集中式生活飲用水地表水源地基本項目賦權情況 根據《地表水環境質量標準(GB3838-2002)》，以2011年3月至2014年3月期間東海及西海水庫4個監測口除水溫和pH值其余22項基本項目的月監測數據為基礎，將148組數據進行權重計算。

(1) 超標倍數法獲得污染程度權重。根據148組月監測數據，通過超標倍數法，得到各污染因子所占權重如表2所示，可以看出，總氮污染所占權重比例最高，為21.56%；五日生化需氧量(BOD5)、高錳酸鹽指數(CODMn)、化學需氧量(COD)及總磷(TP)所占權重相對較大，而其他污染因子所占權重較小，說明水庫主要以有機物污染為主。此外，氟化物污染所占比重較高，為11.79%，是主要的無機污染。

(2) 主成分法獲得污染變化幅度權重。根據148組月監測數據的WPI值，通過主成分分析法賦權發現，4個監測口各水質指標的變化幅度不大，為等權重賦權，水庫水質情況較為穩定。

(3) 層次分析法獲得主觀權重。通過層次分析法，得到各污染因子所占權重如表2所示，綜合性指標所占權重較大，其次為富營養化指標，金屬、非金屬指標相對較小，可以忽略。

(4) 綜合權重。綜合考慮污染因子超標情況、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重情況如表2所示。由表2可知，所占權重最大的是TN,BOD5,COD及CODMn，有機污染因子對水庫水質綜合影響最大，無機污染中以氟化物為主，其余污染因子所占權重較小，對水質綜合影響較小，可以忽略。

表2 研究區超標倍數法、層次分析法及綜合權重情況%

2.1.3 水庫水質綜合評價 匯總東海及西海水庫2011年4月至2014年4月時段內4個監測148組月測數據的水質類別及主要污染因子，得到水質類別占比結果如圖2a所示，水庫水質良好，以Ⅱ類水體為主，占總監測數據的83.78%，其余為Ⅰ類水體，達到集中式生活飲用水地表水源地二級保護區要求。主要污染因子占比情況如圖2b所示，監測口各組月測數據中，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。從超標污染因子狀況看，部分污染因子并不能達到相應水質類別對應的水質標準，以TN,TP等為例，但均滿足地表水源二級保護區要求。

圖2 研究區水質類別及主要污染因子數量情況

2.2 水庫水質的時間變化

綜合各污染因子權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指標在主要污染因子中占比及權重較大，NH3-N作為N元素的主要有機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元素也列入主要污染因子代表中。將水庫4個監測口201104—201404時段內同一季度月監測數據取平均值，得到12組月季度數據，圖3為以該12組季度均值為統計基礎，所得的超標因子個數、水質類別占比情況、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年間超標因子個數出現一定程度增加，這是因為水庫水質在由Ⅱ類轉化為Ⅰ類的過程中，部分污染因子并沒有得到相應程度的優化，但水庫總體水質得到改善，且仍滿足集中式生活飲用水地表水源地二級保護區要求。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，水質總體較為穩定，期間一直保持在Ⅱ類水體，趙金香等[25]在研究中得相似結論。2011年3季度開始，TP的WPI值上升，之后保持相對穩定，2013年4季度，TP及TN的WPI值均有所下降，水質得到一定程度改善。2011年起，CODMn的WPI值平穩下降，2014年1季度和4季度出現反彈，但之后呈現改善趨勢。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值較為穩定，且一直低于20，對水質影響較小。從季節變化看，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，其他水質指標季節變化不大，與水庫水體來源單一且在管道中運輸有關。趙金香等[25-26]在濱州市供水水源地水質研究中得到過相似結論。

圖3 水庫水質類別的時間占比及WPSPAQI和各污染因子WPI隨時間變化

2.3 不同監測口的水質情況分析

以水庫4個監測口的3 a監測數據年均值為基礎，4個監測口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調查中得到相似結論。且兩水庫水質差距較小，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]在濱州水質研究過程中均得相似結論。兩水庫水質差距較小同時可以說明引黃水在運輸過程中污染較小。同一水庫進出口的水質存在一定的差異，由圖可知，兩水庫WPSPAQI值在出口明顯下降，接近Ⅰ類水質，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，東海水庫進出口COD的WPI值分別為40.83和10.67，西海水庫相應WPI值為43.35和11.44，均由Ш類水質凈化至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進出口WPI值分別為36.04和17.3，西海水庫對應值為28.29和17.3，由達Ⅱ類水質標準凈化至達Ⅰ類水質標準；TP的WPI值變化實現了由Ш類水質到Ⅱ類水質的優化。但兩水庫TN的WPI值基本不變，一直接近Ⅳ類水質標準，說明水庫的稀釋作用對氮污染的處理效果不佳，需依賴于進入水廠后的后續流程，趙金香等[25-26]在濱州水質研究過程中均得相似結論。同時，氟化物在出口的WPI值較進口略有下降，東海水庫氟化物進出口值分別為12.04和9.76，西海水庫對應值分別為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，水庫進出口的TN均接近于Ⅲ類水質，COD和BOD5經過水庫自凈處理后，均能達到Ⅰ類水質標準。

圖4 東海和西海水庫進出口WPSPAQI、主要污染因子WPI值和最重污染因子分布

2.4 WPSPNQI指數法的優勢

當前水庫水質評價方法較多，所用評價模型不盡相同。相較于其他引黃水庫的相關水質評價方法，本文構建WPSPAQI指數法表現出諸多優勢，結果詳見表3。

綜上，WPSPAQI指數法綜合了多種水質評價方法優點，且克服了上述評價方法的不足，用于水質評價方面具有較強的優越性。

表3 WPSPAQI對比其他水質評價模型優越性

注：水質評價模型中上標為相應參考文獻； “-”表示可實現該功能，但效果較差。

3 結 論

(1) 對濱州市濱城區東海和西海水庫水質進行評價的研究表明，WPSPNQI以WPI值作為分項指數，采用超標倍數、主成分分析、AHP組合賦權，同時引入改進水質綜合標識指數法。該方法可確定水質類別，使不同水體間具有可比性；附權方式簡單明了、考慮污染因子超標及變化情況對水質影響，且引入主觀附權，量化分項指標；同時可反映超標因子個數。評價結果與實際相符，可用于水庫的水質評價。

(2) 濱城區水庫總體水質良好，多為Ⅰ或Ⅱ類水體，且水質較為穩定，主要受有機污染，無機污染較輕，主要是TN污染和氟化物。從年際變化來看，水質狀況得到改善，Ⅰ類水體占比增加，但較多污染因子并沒有同時達到Ⅰ類水質標準要求；從水質空間變化看，兩水庫水質差距較小，與管道輸送過程中污染較輕有關，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口。