CCME WQI在汾河水庫及上游河段水質評價中的應用

趙臘梅，齊朔風

(1.太原理工大學現代科技學院，太原 030024；2.山西新科聯環境技術有限公司，太原 030002)

保護并合理開發利用水資源的重要措施之一就是水質評價，而水質評價需要科學合理的評價方法，比如：要有合適的評價標準、指標體系以及評價方法[1]。水質評價理論早在20世紀中期國內外許多研究者就開始研究了。當前，單因子評價法、層次分析法[2]、主成分分析法[3]、模糊數學評價法、灰色關聯法[4]、人工神經網絡評價法[5,6]、水質指數法[7]、TOPSIS多目標決策法[8]等是水質評價的主要方法。上述各種評價方法，由于各種限制條件和其自身的適用范圍，都還在研究與改進中，離廣泛的實際應用還有一定的距離[9-12]。

加拿大水質指數法(Canadian Council of Ministers of the Environment Water Qaulity Index,CCME WQI)是國際上廣泛用于評價水質的一種方法[13]，在加拿大、巴基斯坦、韓國、瑞士等國家和地區的水質評價工作中都得到了非常廣泛的應用和高度的認可[14-16]。近年來，我國學者對CCME WQI水質指數也進行了不同程度的研究[17-19]，但相關的應用報道較少。本文以汾河水庫及上游河流為研究對象，運用CCME WQI進行水質的評價，并將其與實際工程上常用的評價水質的單因子評價法進行比較，以期為我國水環境質量評價提供參考。

1 研究區域概況

1.1 汾河水庫及上游河流概況

汾河水庫是山西省內最大的地表水飲用水源地，總面積32 km2，位于山西省太原市西北婁煩縣境內。汾河水庫上游河流主要有汾河干流、嵐河以及澗河。汾河水庫及其上游河段水質情況，可能會影響太原市居民的用水質量。

1.2 現狀監測

1.2.1 汾河水庫現狀監測

監測點位：水庫水面下5 m、水庫水面下0.5 m。

監測因子：《地表水環境質量標準》表1中的23個水質監測項目(水溫除外)。

監測時間：2018年，1、3、5、7、9、11月，每月各監測1次，共監測6次。

1.2.2 汾河水庫上游現狀監測

監測斷面：澗河(官莊東南公路橋)、嵐河(曲立)、汾河干流(河岔)。

監測因子：pH、溶解氧、揮發酚、BOD5、COD、總氮、石油類、總磷、氟化物、氨氮，共10項水質監測參數。

監測時間：2018年，1、3、5、7、9、11月，每月各監測1次，共監測6次。監測布點見圖1。

圖1 汾河水庫、上游采樣布點圖Fig.1 Distribution of sampling sites in the Fenhe Reservoir and upstream

1.3 評價標準

根據《山西省地表水環境功能區劃》的規定，汾河水庫為飲用水源一級保護區，執行Ⅱ類水質標準。澗河、嵐河、汾河干流三河段監測斷面水質目標見表1。

表1 澗河、嵐河、汾河干流三河段監測斷面水質目標表Tab.1 Water quality objective table of Jianhe River,Lanhe river and main river of Fen River

2 CCME WQI評價方法

在國際上，加拿大水質指數法CCME WQI被廣泛用于飲用水水質的評價，聯合國環境署也用CCME WQI來對世界各國的水質現狀進行評價。CCME WQI的計算公式如下[20]：

式中：CCME WQI為F1、F2、F33個變量的調和平方和；

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：F1為監測指標超過其規定值的百分比；P為超標水質參數的個數；N為水質監測項目總數；F2為某監測項目超過標準限值的次數所占百分比；q為水質監測數據中超標數據的個數；M為水質監測數據總數；Q為歸一化參數，即各監測項目超標倍數加和與水質監測數據總數之比；S為某監測項目超標倍數。

根據上述計算公式可知，CCME WQI的取值為0～100區間，則各水質的分級情況見表2。

表2 CCME WQI水質等級劃分表Tab.2 Classification of CCME water qualtiy index

3 結果與討論

3.1 汾河水庫CCME WQI水質評價

根據汾河水庫現狀監測值，選取兩種方法(加拿大水質指數法(CCME WQI)和單因子評價法)對該水庫進行評價。評價結果見表3。

表3 汾河水庫CCME WQI與單因子評價結果Tab.3 CCME WQI and single factor method assessment result of Fenhe Reservoir

從表3可以看出，汾河水庫(水質目標為Ⅱ類)CCME WQI指數為80.7～92.0。11月份水質中等，其他月份水質良好。而單因子評價結果顯示，3、11月份處于Ⅳ類水質，超標定類因子主要有總氮、COD。

3.2 汾河水庫上游河段CCME WQI水質評價

根據澗河、嵐河、汾河干流三河段現狀監測值，選取兩種方法[加拿大水質指數法(CCME WQI)和單因子評價法]對其進行評價。評價結果見表4。

從表4可以看出，汾河干流河段(水質目標為Ⅱ類)CCME WQI指數為78.0～87.8。3、11月份水質中等，其他月份水質良好。而單因子評價結果顯示，汾河干流河段在7、9處于Ⅱ類水質，3、5、11月份處于Ⅳ類水質，COD、總氮是主要超標定類因子。

表4 澗河、嵐河、汾河干流三河段CCME WQI與單因子評價結果Tab.4 CCME WQI and single factor method assessment result of Jianhe River,Lanhe river and main river of Fen River

嵐河河段(水質目標為Ⅲ類)CCME WQI指數為64.1～89.1。1、3、11月份水質良好，5、7、9月份水質中等。而單因子評價結果顯示，嵐河河段在1、5、7、9月份處于Ⅳ類水質，總氮、COD、氨氮是主要超標定類因子。

澗河河段(水質目標為Ⅲ類)CCME WQI指數為64.2～86.5。5、7、11月份水質良好，1、3、9月份水質中等。而單因子評價結果顯示，澗河河段在1、3、9月份處于Ⅳ類水質，總氮、石油類、COD是主要超標定類因子。

3.3 評價結果討論

由于數據比較多，將上表3和表4的評價結果繪于圖2～圖3，便于比較分析。

圖2 單因子評價結果圖Fig.2 Evaluation results of single-factor water quality evaluation method

圖3 CCME WQI評價結果圖 Fig.3 Evaluation results of CCME WQI method

由圖2～圖3可知，單因子評價法和CCME WQI評價結果有一定的差距。據原始數據分析，汾河水庫1月份超標指標1個，超標監測數據2個，1月份總氮超標極嚴重；3月份超標指標2個，超標監測數據2個，3月份總氮、COD超標非常嚴重。導致1、3月份單因子評價為Ⅲ、Ⅳ類水質，而CCME WQI評價結果：1、3月份水質良好；汾河干流1、5月份超標指數均為1個，超標監測數據均為1個，1月份總氮超標嚴重，5月份總氮超標極嚴重，導致1、5月份單因子評價為Ⅲ、Ⅳ類水質，而CCME WQI評價結果：1、5月份水質均為良好；嵐河1月份超標指數1個，超標監測數據為1，總氮超標嚴重，導致1月份單因子評價為Ⅳ類水質，而CCME WQI評價結果：1月份水質為良好；澗河單因子評價與CCME WQI評價結果一致。

由上述分析可知：單因子評價法中的極端指標超標量會影響評價結果，使其與CCME WQI評價結果有所不同。而對于超標的監測指標，CCME WQI不僅考慮了超標量的影響，還考慮了3個因素(超標范圍F1、超標頻率F2、超標幅度F3)的綜合影響，能很好的抵消極端指標的貢獻，因此得出的評價結果更符合汾河水庫及上游河段水質的現狀。

4 結 論

(1)本文選取單因子評價法和CCME WQI分析評價汾河水庫及澗河、嵐河、汾河干流3個河段的水質，結果顯示CCME WQI可用于評價水庫和河流的水質。

(2)水質評價分級時，相比單因子評價法，CCME WQI包括了所有的監測項目和數據，同時還考慮了3個因素(超標范圍F1、超標頻率F2、超標幅度F3)的綜合影響，使得評價結果更符合水質現狀，是一種更全面的水質評價方法。CCME WQI比較容易理解操作，便于環境管理部門對監測斷面水質現狀進行分析并及時應對。并且，CCME WQI可預留端口與環境保護大數據和GIS平臺連接，為各領域環境水質分析的研究提供技術支持。因此，CCME WQI在我國具有很好的應用前景。

(3)評價標準和水質監測項目及數目，均會對CCME WQI評價結果有一定的影響。因此，CCME WQI仍需進一步研究，建立一套適合我國的完善評價指標體系。

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