山西飲用水水源地水質(zhì)健康評(píng)估分析

田完紅

(山西省晉城市郭壁供水站，山西 晉城 048000)

1 山西汾河流域水源地基本情況

整個(gè)流域集水面積39 471 km，為湖庫(kù)型水源，為山西省目前最大的地表水飲用水源地。汾河水庫(kù)庫(kù)區(qū)水域面積32 km2，總庫(kù)容7.2×108m。此外，平均每年引黃河水約9 000×104m3，并向省城太原市供水，汾河水庫(kù)作為引黃人并工程的調(diào)蓄水庫(kù)，已成為山西省最大的飲用水水源地。

2 飲用水源地水質(zhì)健康狀況評(píng)估

該文從水源地常規(guī)指標(biāo)、湖庫(kù)類(lèi)型水源地特征指標(biāo)和水源地常見(jiàn)有毒有害物質(zhì)三個(gè)方面，布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)山西汾河流域的集中式飲用水源地進(jìn)行水質(zhì)分析，并對(duì)其水質(zhì)變化特征進(jìn)行探討。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，對(duì)本流域典型集中式飲用水源水質(zhì)衛(wèi)生狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)。

2.1 水源地常規(guī)指標(biāo)分析

2.1.1 高錳酸鹽指數(shù)

高錳酸鹽指數(shù)主要用于表示水體中的有機(jī)物含量，圖1顯示了監(jiān)測(cè)點(diǎn)A向H高錳酸鹽指數(shù)的變化。在水原面，2015-2017年水原A的月高錳酸鹽指數(shù)顯著高于其他來(lái)源，并且是III類(lèi)地表水指數(shù)(6 mg/L)的濃度，在每年9月左右達(dá)到最高水平。引爆點(diǎn)。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)，高錳酸鉀指數(shù)的含量基本波動(dòng)至低于地表水水平(2 mg/L)的水平。其他六個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的月平均高錳酸鹽指數(shù)相對(duì)接近，并且在地表水的第一水平(2 mg/L)和第二水平(4 mg/L)之間波動(dòng)。在年度變化中，大多數(shù)來(lái)源的高錳酸鹽指數(shù)每年都呈下降趨勢(shì)，但總體上波動(dòng)。

圖1 高錳酸鹽指數(shù)濃度變化情況

2.1.2 五日化學(xué)需氧量(BOD5)

在6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，未發(fā)現(xiàn)有超過(guò)Ⅲ級(jí)的生化需氧量發(fā)生在各水源地。在2015-2017年的36月期間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A各月生化需氧量基本高于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中12個(gè)月的生化需氧量在Ⅱ類(lèi)(3 mg/L)和Ⅲ類(lèi)(4 mg/L)之間，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的五日生化需氧量維持在Ⅰ類(lèi)(3 mg/L)以下。不同水源的生化需氧量相對(duì)濃度及其變化趨勢(shì)與化學(xué)需氧量基本一致。

2.1.3 氨氮(NH3-N)

2015-2017年，從水源地的情況來(lái)看，6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氨氮濃度均低于Ⅱ級(jí)(0.5 mg/L)。2015年1-4月，監(jiān)測(cè)點(diǎn)C和F的氨氮濃度呈上升趨勢(shì)，2016年5月-2017年12月，監(jiān)測(cè)點(diǎn)E的氨氮濃度呈上升趨勢(shì)，繼續(xù)波動(dòng)于Ⅰ級(jí)(0.15 mg/L)-Ⅱ級(jí)(0.5 mg/L)之間，部分月份接近0.5 mg/L。監(jiān)測(cè)點(diǎn)C.E.F均屬黃河沿岸，黃河水域往來(lái)船只眾多，港口碼頭多，船舶污染風(fēng)險(xiǎn)較大，尤其是生活性污染，故上述三種監(jiān)測(cè)點(diǎn)氨氮偏高的原因可能是由此造成的。除了C,E,F三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，其它監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氨氮含量均低于Ⅰ(0.15 mg/L)。

2.2 湖庫(kù)型水源地特征指標(biāo)分析

2.2.1 總氮(TN)

在6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和監(jiān)測(cè)點(diǎn)D的月總氮濃度均高于其它水源地，在監(jiān)測(cè)期內(nèi)大部分月份均有超標(biāo)(超Ⅲ類(lèi))發(fā)生，其中水源地A的月總氮達(dá)到劣Ⅴ類(lèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)D的月總氮達(dá)到Ⅴ類(lèi)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)B.G.H的月總氮濃度均低于Ⅲ類(lèi)(1 mg/L)指標(biāo)值(圖2)。

圖2 總氮(TN)濃度變化情況

2.2.2 葉綠素a(chla)

在水源地方面，6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，A類(lèi)水源地葉綠素A濃度較高，最高值為32.5 mg/m3；監(jiān)測(cè)點(diǎn)D約為10 mg/m3；監(jiān)測(cè)點(diǎn)C和監(jiān)測(cè)點(diǎn)E葉綠素A濃度較低，基本維持在5 mg/m3以下。

2.2.3 透明度

就監(jiān)測(cè)點(diǎn)而言，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和D的透明度較低，默認(rèn)情況下保持在50 cm以下。監(jiān)測(cè)點(diǎn)B的透明度小于100 cm，略高于監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和D的透明度。監(jiān)測(cè)點(diǎn)G和H的透明度較高，但最近有所降低。

2.3 水源地常見(jiàn)有毒有害物質(zhì)分析

2.3.1 重/類(lèi)金屬類(lèi)

在過(guò)去三年(2015-2017年)中，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中每月所選重金屬/品位金屬指標(biāo)的濃度都可以達(dá)到III級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。在這些指標(biāo)中，砷(As)和鉻(Cr)低于I級(jí)。三個(gè)指標(biāo)：銅(Cu)，鋅(Zn)和鎘(Cd)在單個(gè)月份中似乎超過(guò)了I類(lèi)，但是汞(Hg)，鉛(Pb)和其他兩個(gè)指標(biāo)超過(guò)了II類(lèi)。考慮到每個(gè)表面的平均值，水源區(qū)域中的銅(Cu)，鋅(Zn)和鉻(Cr)的濃度相對(duì)較高，這可能是由于黃河沿岸的船舶污染所致。在其中，汞(Hg)的濃度略高于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均來(lái)自汾河；在G和H監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，鎘(Cd)和鉛(Pb)的濃度較高。

2.3.2 有機(jī)物類(lèi)

在過(guò)去三年中(2015-2017年)，從各監(jiān)測(cè)點(diǎn)中監(jiān)測(cè)到的有毒和有害有機(jī)污染物的濃度已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限制要求。其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)G和H的氯仿濃度相對(duì)高于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)，約占標(biāo)準(zhǔn)值的10%；監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和H的氯仿和1,2-二氯乙烷的濃度相對(duì)高于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)。約占標(biāo)準(zhǔn)值的30%至40%，G和H監(jiān)測(cè)點(diǎn)中三氯乙烯和四氯乙烯的濃度比其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)高，約占標(biāo)準(zhǔn)值的10%。與其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)相比，三氯乙烯和四氯乙烯的水源濃度較高，其中苯，甲苯和乙苯的濃度分別為50%和10%，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A，G和H水源為三氯乙烯。苯，1,2-二氯苯，1,4-與其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)相比，二氯苯的濃度相對(duì)較高，其中異丙苯的濃度約為參考值的1至2，氯苯的濃度約為參考值的2%至8%，1,2-二氯苯的濃度為它大約是標(biāo)準(zhǔn)值的6%。

2.4 基于熵權(quán)綜合指數(shù)法的飲用水源地水質(zhì)健康評(píng)估

構(gòu)造基于2015-2017年飲用水水源主要指標(biāo)均值的判斷矩陣R=(xij)5×27。

判別矩陣中的指標(biāo)可分為越大越優(yōu)和越小越優(yōu)兩種，并按以下公式進(jìn)行歸一化處理。

越大越優(yōu)型：

(1)

越小越優(yōu)型：

(2)

式中：xi,max為不同樣本第i個(gè)指標(biāo)的最大值；xi,min為不同樣本第i個(gè)指標(biāo)的最小值；rij-xij的歸一化結(jié)果，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n

因此，用公式(2)對(duì)溶解氧、透明度兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行歸一化計(jì)算，用公式(2)進(jìn)行高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、葉綠素a等6項(xiàng)指標(biāo)的歸一化計(jì)算。給出了矩陣R的規(guī)范化結(jié)果。

從熵的定義出發(fā)，對(duì)于n個(gè)樣本的m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵可以確定為：

(3)

式中，0≤Hi≤1為使lnfij有意義，假定fij=0時(shí)，fijlnfij=0，其中，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n

然后對(duì)6個(gè)樣本的27個(gè)指標(biāo)分別計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值。

通過(guò)對(duì)飲用水水源水質(zhì)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值計(jì)算，得到6個(gè)樣本27個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值矩陣為：

熵權(quán)計(jì)算公式為：

(4)

用公式(4)引入矩陣H，得到6個(gè)樣本的27個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)矩陣：

(5)

用公式(1),(2),(4)計(jì)算得到的和用公式(5)代數(shù)得到的各水源地水質(zhì)健康評(píng)估得分見(jiàn)表10。

表1 水質(zhì)健康評(píng)估得分

2.5 飲用水水源水質(zhì)衛(wèi)生狀況和水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果分析

2.5.1 對(duì)飲用水來(lái)源進(jìn)行水質(zhì)健康評(píng)估的結(jié)果分析

使用權(quán)熵綜合指數(shù)法(WQHI)用于計(jì)算水原綜合水質(zhì)健康指數(shù)，并通過(guò)分析水質(zhì)數(shù)據(jù)本身反映水原水體處于健康狀態(tài)，從而評(píng)估水原的水生態(tài)健康狀況(見(jiàn)圖3)。整個(gè)索引的大小本身沒(méi)有視覺(jué)意義，應(yīng)該通過(guò)一組數(shù)字級(jí)別定義來(lái)賦予其意義。

2.5.2 飲用水源地水質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果

本文介紹了一種基本的飲用水源環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，在對(duì)六個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行離線評(píng)估時(shí)，除監(jiān)測(cè)點(diǎn)A以外的其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于低風(fēng)險(xiǎn)作為高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)(見(jiàn)圖4)。

水質(zhì)WQHI水平與BRI指數(shù)之間存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明水的健康狀況與水源本身的潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，綜合運(yùn)用兩者來(lái)評(píng)估水源風(fēng)險(xiǎn)是科學(xué)合理。

3 結(jié)語(yǔ)

飲用水源安全事關(guān)人民群眾的切身利益，保障飲用水安全對(duì)保障人民群眾生命健康至關(guān)重要。水質(zhì)健康評(píng)估是保證水源安全的關(guān)鍵，其主要任務(wù)是了解水源現(xiàn)狀，識(shí)別水源環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。本文運(yùn)用熵權(quán)綜合指數(shù)法對(duì)水源地水質(zhì)健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到了水源地水質(zhì)健康綜合指數(shù)(WQHI)得分，為山西汾河流域飲用水水源地采取有效措施改善水質(zhì)提供了詳盡的數(shù)據(jù)，對(duì)促進(jìn)水源地環(huán)境保護(hù)規(guī)范化建設(shè)、保障水源地水質(zhì)安全具有重要意義。