不同水质评价方法在金海水库的应用

2016-10-19魏乐裴国霞郭琦李汗青

湖北农业科学 2016年8期

魏乐　裴国霞　郭琦　李汗青

摘要：根据金海水库监测数据，参照《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》3类标准，分别应用单因子评价法、内梅罗污染指数法和模糊综合评价法对水库水质现状进行评价。结果表明，单因子评价偏于保守，最好水质类别为Ⅱ类，最差为Ⅴ类，且不达标月份占25%。内梅罗污染指数（Ip）反映月份水质状况变化趋势，12月和次年1月Ip大于1，为不达标月份，其余月份均达标；季节Ip比较：冬季>夏季>秋季>春季。模糊综合评价体现水质好坏的模糊性，评价结果较好，最好水质类别为Ⅰ类，最差为Ⅲ类，不存在超标月份。总体来说，金海水库水质现状较好，符合饮用水地表水源标准，但部分月份存在轻度污染，应及时采取措施，确保用水安全。

关键词：金海水库；水质评价；单因子评价；内梅罗污染指数；模糊综合评价

中图分类号：X824 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）08-1974-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.016

Abstract： According to Jinhai reservoir monitoring data， it applied single factor evaluation， Nemerow pollution index method and fuzzy comprehensive evaluation method to evaluate the status of water quality in the reservoir respectively referring to Surface Water Quality Standards （GB3838-2002）. The results showed that， the single factor evaluation was conservative，the best water quality category was classⅡ，the worst was class Ⅴ， and the months below the standard accounted for 25%. Nemerow pollution index（Ip） reflected changes in water quality trends in the month， the Ip was greater than 1 in December and January，which was not up to the standard， the rest of the month all reached the standard. Seasonal comparison of Ip：winter>summer>autumn>spring. Fuzzy comprehensive evaluation reflected the ambiguity of good and bad of water quality， the evaluation results was good， and the best water quality category was classⅠ， the worst was class Ⅲ， there was no excessive month. Generally speaking，the water quality situation of Jinhai reservoir was good， accorded with the standard of drinking surface water sources， but there was still light pollution in some months， therefore， measures should be promptly taken to ensure water security.

Key words： Jinhai reservoir； water quality assessment； single factor evaluation； Nemerow pollution index；fuzzy comprehensive evaluation

近年来，水质污染等一系列问题已成为国内急需面对的问题。水质恶化、水资源供需失衡、用水安全得不到保障等矛盾日益突出，因此水质评价越来越受到人们的重视。水质评价是根据需要，按照评价目标，选择相应的水质参数、标准和评价方法，对水体质量作出评价[1]。常见的水环境质量评价方法主要有单因子评价法、综合指数法、模糊数学评价法、灰色系统评价法、层次分析法、人工神经网络法、水质标识指数法等[2]。

金海水库位于内蒙古自治区呼和浩特市南二环昭君路出口25 km处的二道凹村（图1），是“引黄入呼”工程的重要水源地之一。近年来，市民反映冬季自来水存在异味，这与金海水库水体污染有很大关系。本研究应用3种不同评价方法对金海水库进行水质现状评价，以期为水库水环境质量管理、改善自来水水源质量、保障饮用水环境安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样点设置和样品采集

2012年6月至2013年5月，在金海水庫设置库首、库中和库尾3个监测断面，每个监测断面设3个采样点，共计9个[3]。在每个采样点水下0.5 m处用采样器采集表层水样（冬季采用冰刺破除湖面覆冰），每月采样一次。采样位置详见图1。

1.2 监测指标及其测定方法

样品监测指标为溶解氧（DO）、氨氮（NH3-N）、总磷（TP）和高锰酸钾指数（CODMn）。其中DO采用便携式设备进行现场测定，NH3-N、TP和CODMn按照文献[4]进行测定。

1.3 数据处理

金海水库水面面积较小，样品采样点距离相对较近，不适宜进行水质空间分布规律的分析，故将水库所监测的9个采样点指标取其平均值，分析时间变化的规律。本研究应用Excel软件进行数据处理和分析。

1.4 评价方法

因监测条件限值和水库主要污染因子分析，取DO、NH3-N、TP和CODMn 4个污染指标作为评价因子，应用单因子评价法、内梅罗污染指数法和模糊综合评价法对金海水库进行水质评价，分析比较得出适合水库的评价方法。根据相关规定，金海水库为呼和浩特市集中式生活饮用水源地之一，按《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》功能区划分为Ⅲ类[5]，故评价中各项评价因子的标准值采用相应的Ⅲ类标准限值。

1.4.1 单因子评价法在众多的水质评价方法中，单因子评价法因操作简便、结果偏于安全而被广泛采用，又称一票否决法[6]。该方法首先要确定该水体评价标准，将各参数浓度与评价标准相比，根据比值是否大于1来评价该水体是否达到了相应的水质标准，并判定评价指标的水质类别[7]。该方法是《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》规定的评价方法，评价结果应说明水质达标情况，超标的应说明超标项目和超标倍数。

1.4.2 内梅罗污染指数法内梅罗污染指数由美国叙拉古大学内梅罗教授于1974年在其所著的《河流污染科学分析》一书中提出[8]，是一种兼顾极值或称突出最大值的计权型多因子环境质量指数。该评价方法为《地下水质量标准（GB/T14848-1993）》中的推荐方法，故在地下水评价中应用较多，而在地表水评价中很少涉及。徐彬等[9]验证了内梅罗污染指数法在太湖水质评价中具有较好的适用性。计算公式为：

1.4.3 模糊综合评价法水质评价中常常会出现不能准确判断的模糊问题，如水质的影响因素较多，分级标准具有模糊性等，这种情况下可以引用模糊综合评价法来解决[10，11]。模糊综合评价法是一种运用模糊数学原理分析和评价具有模糊性事物的系统分析方法，其是以模糊推理为主的定性和定量相结合、精确与非精确相统一的分析评价方法。首先选定模糊综合评价的2个有限集合U和V，U={u1 u2 u3…un}为因子集，V={v1 v2 v3…vn}为评价集，选择合适的隶属函数，确定U和V之间的模糊矩阵R，然后确定各因素的权重分配矩阵A，最后，将A和R应用模糊变换原理合成模糊子集B，最终得出综合评价[12]。

1）隶属函数的确定采用降半梯形和升半梯形隶属函数求两端等级的隶属度，用对称山型隶属函数求中间等级隶属度[13，14]。Ⅰ级水时，即j=1，隶属函数为：

把各个评价因子的实测值代入相应的隶属函数中，计算出评价因子对于各评价等级的隶属度，得到U到V的一个模糊关系R，称为模糊矩阵。

2）权重的确定采用污染物浓度超标法来进行计算，即按照各评价因子超标情况进行加权，超标越多，权重值越大[15]。

计算出各评价因子的权重，组成一个1×n的权重矩阵A，即（a1 a2 a3…an）。

3）将权重矩阵A和模糊矩阵R带入公式B=A×R，求出结果，然后进行分析与评价。

2 结果与分析

2.1 评价因子监测结果

金海水库水质监测值见表1。由表1可知，水体中DO最大值为8.64 mg/L，最小值为4.11 mg/L，含量在1年内整体水平较好，全年变化不大，处于平衡稳定状态。TP含量相对较少，冬季达到最大值，为0.063 mg/L，最小值为0.015 mg/L。CODMn是反映水体中有机污染物含量的常用指标，其含量月份变化幅度为1.52～3.25 mg/L，冬季含量相对较高，夏季含量相对较低。由于客观原因，2012年6月和7月未能进行NH3-N含量的监测，其他月份变化较大，最大值为1.95 mg/L，最小值为0.09 mg/L，平均值为0.59 mg/L。

2.2 单因子评价法结果

根据水质监测资料以及应实现的水域功能类别，金海水库水质单因子评价结果见表2。由表2可知，水库全年水质状况较好，基本达到水域功能类别标准，仅2012年7月、12月和2013年1月不达标，不达标率为25%。2012年6月和2013年4月、5月水质类别最好，达到Ⅱ类水质标准。2013年1月水质较差，为Ⅴ类水质，超标项目为NH3-N，超标倍数为0.95。2012年7月、12月出现轻度污染，评价结果为Ⅳ类水，DO和TP为超标项目。其余月份均为Ⅲ类水质，符合国家集中式生活饮用水地表水源水质标准。总而言之，金海水库单因子评价结果符合当前水质现状，评价合理。

2.3 内梅罗污染指数法评价结果

根据所选评价因子监测值及各污染指标的标准浓度，应用内梅罗污染指数的公式，计算每个月份的内梅罗污染指数，并分析Ip的月份趋势变化，见图2。内梅羅污染指数能够直观判断综合水质是否达到功能区目标，但不能判断综合水质类别[17]。一般来说，Ip≤1，说明水环境质量较好，水体较清洁；Ip>1，说明水环境质量较差，未达到水域功能标准，水体受到了污染。

由图2可知，2012年12月和2013年1月水质较差，Ip大于1，为1.10和1.52，说明这2个月份未达到标准，水体受到了污染。其余月份Ip均小于1，达到功能区目标，水环境质量较好。1年之内的内梅罗污染指数出现明显的变化趋势，且变化幅度较大。曲线中存在2个峰值，即2012年7月和2013年1月，Ip分别为0.98和1.52，表明这2个月是最容易出现水质污染的月份，为水库污染治理提供了有针对性的目标。从季节的角度来分析，冬季的内梅罗污染指数较高，夏季较冬季有明显的下降趋势，春季和秋季则为最低值。Ip季节比较：冬季>夏季>秋季>春季，这与呼和浩特市居民饮用水冬季出现异味的情况相吻合。

2.4 模糊综合评价法评价结果

本研究选取4个污染指标为评价因子，故因子集U={CODMn、TP、NH3-N、DO}，每个评价因子各个月份的实测浓度值见表1；根据《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》，评价等级分为5个等级，故评价集V={Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ}。

2.4.1 隶属函数的确定以2012年9月为例，根据各个评价因子的实测值和隶属函数，求出各个评价因子对各级水的的隶属度，组成模糊矩阵R1：

R1=1.00 0 0 0 0 0 0.44 0.56 0 00.74 0.26 0 0 00.04 0.96 0 0 0

2.4.2 权重的确定 2012年9月份各评价因子权重计算见表3。

2.4.3 模糊矩阵综合评价应用公式可得B=A×R=（0.112 0.222 0.102 0.565）×

1.00 0 0 0 0 0 0.44 0.56 0 00.74 0.26 0 0 00.04 0.96 0 0 0

=（0.210 0.666 0.124 0 0）

由此可见，0.666为最大值，根据最大隶属度原则，本月份的水质为Ⅱ类水质。按同样的方法，对其他月份进行水质评价，评价结果见表4。

由表4可知，每个月份均达到Ⅲ类水质以上，不存在污染月份，表明水库水环境质量常年处于较好的状态。达到Ⅰ类水质的月份有6个，占50%；Ⅱ类水质月份有4个，占33%；而其余2个月份为Ⅲ类水质，即2012年7月和2012年12月。

2.5 三种评价方法的比较分析

对以上3种评价方法比较分析：单因子评价法以最差评价指标的水质类别作为综合水质类别，评价结果偏低，但明确的污染因子使运行管理更有针对性，保守的评价使市民的饮用水安全更有保障；内梅罗污染指数直接表明水质是否达到区域功能目标，且反映水质的时间变化趋势，但不能判定水质类别；模糊综合评价结果符合水库水质现状，其方法综合考虑了水质类别界限的模糊性和污染因素的权重，避免了片面性，能够比较客观地反映水体的水质现状。

3 结论

1）通过3种评价结果综合分析，金海水库水质现状较好，整体达到地表水Ⅲ类水质标准，但部分月份存在不同程度的污染，需采取治理措施。

2）单因子评价结果偏于保守，全年最好水质类别为Ⅱ类，最差水质类别为Ⅴ类，不达标月份占25%；内梅罗污染指数评价直观反映出水质是否达到功能区目标，2012年12月和2013年1月水质未能达标，其余月份均达标，Ip季节比较：冬季>夏季>秋季>春季；模糊综合评价较好地体现了水质好坏的模糊性，水库水质评价结果较好，每个月份均能达到区域功能目标，不存在污染月份，最好水质类别达到Ⅰ类，最差为Ⅲ类。

3）3种方法评价结果具有共同性，符合水库水质现状。全年水质较差月份出现在2个阶段，即7月和12月或1月，其余月份水質较好。从季节的角度来看，春季和秋季水质较好，冬季和夏季水质较差，这与水库冬季存在冰封期致使水体污染，夏季浮游生物大量生长繁殖致使水体富营养化有关。

4 建议与展望

由于试验条件有限，水质监测周期较短，监测数据存在误差等因素都会影响水质评价结果，故水质状况还有待于进一步深入研究；通过对金海水库进行客观科学的水质评价，分析水质状况，希望相关部门及时了解水质污染情况并采取有针对性的治理方案，保护用水环境，确保市民的用水安全。

参考文献：

[1] 孙晓梅，刘宏，包思琪，等.基于模糊数学法的向海水库水质现状评价[J].长春理工大学学报（自然科学版），2012，35（3）：172-175.

[2] 李茜，张建辉，林兰钰，等.水环境质量评价方法综述[J].现代农业科技，2011（19）：285-287，290.

[3] 郭琦，裴国霞，贾利生，等.金海水库夏季浮游植物群落结构与水质调查[J].环境监测管理与技术，2013，25（3）：30-33.

[4] 国家环保总局.水和废水监测分析方法[M].第四版.北京：中国环境科学出版社，2002.

[5] GB3838-2002，地表水环境质量标准[S].

[6] 侯慧平，葛颜祥，潘娜.东平湖水质评价及水污染防治对策[J].人民黄河，2013（12）：43-46.

[7] 左云霞，李铁松，李成明.四川升钟水库水质评价及污染负荷分析[J].四川环境，2012（5）：54-59.

[8] 关伯仁.评内梅罗的污染指数[J].环境科学，1979（4）：67-71.