雨水回用于人工湖的水质安全评价

张 肖，金星龙

(天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300000)

水资源短缺、污染状况日益严重，使得雨水作为一种利用潜力极大的水资源受到广泛关注[1]。雨水的有效利用能够在一定程度上缓解我国水资源短缺的问题[2]，雨水用于补充人工湖是一种雨水回用于景观用水的具体应用。对以雨水为唯一水源的人工湖进行降雨前后水质评价研究，有利于我国独立雨水资源化体系的建立，也是我国雨水资源化研究的新趋势[3]。

模糊综合评价法是一种应用广泛的水质评价方法[4]。徐乒乓等提出以水质标准上下限中间值作为隶属函数的界限值，来达到对劣Ⅴ类水质的评价[5]。杨静采用组合赋权法进行权重赋值，通过相乘相加算子、加权平均原则对数据进行综合评价[6]。叶章蕊等引入熵值赋权法、超标加权法和理想点法来实现多种赋权方法优势的融合[7]。但现行的模糊综合评价法仍受国标地表水分类标准的限制。

本文对3场降雨前后人工湖水质进行检测，在常规指标的基础上增加了生物毒性检测[8]，使所得结果更加可靠[9]。同时，通过对传统的模糊综合评价法进行改进来建立一种水质常规检测指标与生物毒性检测指标相兼容的安全评价体系，并利用改进后的模糊综合评价法对所得数据进行整体的定性定量分析，根据所得的评价结果对将雨水作为人工湖补充水源进行可行性分析，并提出相应的建议措施。

1 材料与方法

1.1 采样地点

本文研究对象为天津市西青区某大学人工湖，该人工湖补充水源完全来自雨水，其表面积约为4.69 万m2，平均水深6 m，体积大约为28.14 万m3。校区建设初期，雨水通过管网收集排入内环路雨水干管后排至市政道路。后期为提高校园雨水利用率，将沉砂池及提升泵站设置于雨水管网的出口末端，雨水沉淀提升后由湖东侧排水管排至人工湖。屋面雨水、路面雨水及绿地雨水为补充人工湖的主要来源。人工湖水源构成如图1所示。

图1 人工湖水源构成Fig.1 The source of artificial lake

根据相关规定[10]及实际情况在人工湖北侧中点A、南侧东西两点B、C设置采样点。因湖中养殖鱼苗，故设有增氧机和投饵机。湖南侧为下沉式阶梯，将湖与图书馆连接，其余北东西三侧周围均为绿地，对雨水起到过滤与渗透作用。降雨前后湖水混合均匀后于湖周A、B、C三点采用体积为2 L的聚四氟乙烯瓶进行样品采集。人工湖布局概况如图2所示。

图2 人工湖布局概况Fig.2 The layout of artificial lake

1.2 采样时间

于2017年7-10月期间对人工湖进行了3场降雨前后的样品收集。每采样点样品采集体积均为2 L，具体的采样情况如表1所示。

1.3 检测指标及方法

检测指标分为两大类：常规指标及生物毒性指标。常规指标分为pH、浊度、电导率、总磷、总氮、化学需氧量；生物毒性指标分为发光菌急性毒性指标、SOS/umu遗传毒性指标。

表1 样品采集概况Tab.1 The details of rain sampling

pH值和电导率分别通过pH计(DELTA 320)、电导率仪(DDSJ-308A)进行检测。通过光电比色法测定浊度；钼酸铵分光光度法测定总磷含量；碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定总氮含量；重铬酸盐法测定化学需氧量。生物急性毒性则通过发光菌发光强度进行测定；生物遗传毒性则通过SOS/umu法进行测定。

2 结果分析与讨论

2.1 湖体水质常规指标检测结果及分析

样品采集后自然沉降30 min，取上层非沉降部分进行pH、浊度、电导率、总磷、总氮、化学需氧量的检测。以3个采样点常规指标检测结果的平均值来表征人工湖的整体水质，如表2所示。

表2 常规指标检测结果Tab.2 The general indicator data

由表2可以看出:①湖体水质整体呈碱性，降雨前后人工湖水体pH值变化不大。雨后水体pH值略低于雨前水体，可能由于雨水偏酸性，中和了水体，使pH值降低。②湖体电导率整体维持在2.0 mS/cm左右，且降雨后数值略低，这是因为雨水起到了稀释作用。③湖体浊度整体稳定在20.0 NTU以内，但雨后高于雨前。这是由径流过程中雨水将车辆及行人留于道路上的杂质、积存于屋面的杂质带入湖中所致。④湖体总磷范围为0.10～0.33 mg/L，整体呈现雨后数值大于雨前的规律。磷是饲料中的一种营养素，是动物必需的常量矿物元素。人工湖中养殖大量鱼苗，鱼饲料的不定期的投放是造成湖体总磷含量不稳定的重要原因。⑤湖体总氮范围2.03～6.20 mg/L，降雨前后增减情况不同。第一、二场降雨雨后总氮量略小于雨前，第三场降雨雨后总氮量高于雨前。第三场降雨时长为4 d且雨势较大，雨水对地面不断冲刷, 地表可溶性含氮污染物随径流量的增加而增强，从而使湖中各种含氮污染物的含量升高，导致总氮浓度值上升。⑥湖体化学需氧量范围为76.89～167.22 mg/L，3场降雨COD数值整体呈现雨后小于雨前的规律。说明雨水对湖内污染存在一定的稀释作用，减缓了湖中还原性物质污染的程度。第二场降雨前后COD值明显高于其他两场降雨，可能是由于七八月份气温相对较高，湖中微生物剧烈增长所致。

2.2 湖体水质生物毒性检测结果及分析

水质常规指标只能检测出各指标的含量，但各指标之间可能有拮抗、协同、相加、致敏等相互作用，单一的常规指标不能很好地说明水体整体毒性的大小。生物毒性检测主要利用微生物在水体中的生态学变化来反应水体的毒性效应，得到有毒物质浓度与微生物生物效应之间的数学关系[12]。本实验对人工湖水质进行生物毒性的检测，主要包括发光菌急性毒性和SOS/umu遗传毒性。进行生物检测前需对样品进行预处理，利用玻璃纤维滤膜(WhatmanGF/F47 mm)对水样进行过滤，然后通过HLB柱活化、水样过柱、洗脱、定容来对样品进行富集浓缩后保存待用。

2.2.1 生物急性毒性

对水体进行发光菌急性毒性检测用到的菌种为发光细菌中的明亮发光杆菌502(Photobacterium phosphoreum)[13]。发光菌发光抑制实验按照GB/T15441-1995进行，以Zn2+为阳性参照物，设置浓度梯度拟合得到其对发光菌抑制率的标准曲线如图3所示，设置样品浓度梯度进行发光菌发光强度的检测，得到样品浓度与其对应的发光菌发光强度抑制率的拟合关系[14]，图4为3场降雨前后样品富集因子与发光菌抑制率的拟合图。

图3 Zn2+浓度-发光菌抑制率效应Fig.3 Toxicity of Zn2+ to photobacterium

图4 降雨前后湖水对发光菌的光强抑制Fig.4 Toxicity of lake to photobacterium in the rainfall

根据以上计算得3场降雨前EQCZn2+分别为8.946、12.320、10.758 μg/L，降雨后EQCZn2+分别为6.348、7.538、8.269 μg/L。

2.2.2 生物遗传毒性

本实验所用的菌种为鼠伤寒沙门氏菌SalmonellatyphimuriumTA1535/pSK1002。利用高纯水及DMSO对富集浓缩的样品进行稀释，按照文献[15]进行实验，所测数据利用以下公式进行计算。根据阳性参考物4-NQO和水样的剂量-效应曲线线性拟合斜率的比值判断水样的遗传毒性，以4-NQO当量浓度表示[16]。图5为4-NQO剂量与诱导率拟合图，图6为3场降雨前后样品剂量与诱导率的拟合图。

(1)

(2)

式中：G为生长因子；IR为诱导率；A595T为待测样品在595 nm处吸光度；A595B为空白对照在595 nm处吸光度；A595N为阴性对照在595 nm处吸光度；A415T为待测样品在415 nm处吸光度。

图5 4-NQO剂量-效应图Fig.5 4-NQO dose-response curve

图6 降雨前后遗传毒性剂量-效应图Fig.6 Genotoxicity dose-response curve of the rainfall

根据以上计算得3场降雨前的TEQ分别为2 540.54、3 405.41、3 351.35 μg/L，3场降雨后的TEQ分别为864.86、843.75、1 594.60 μg/L。

综上可以看出，生物急性毒性和遗传毒性所测得EQCZn2+、TEQ4-NQO均呈现出雨后数值低于雨前的规律，可以得出人工湖的生物毒性整体呈现雨后低于雨前的规律。

2.3 利用模糊综合评价法进行水质评价分析

传统的模糊综合评价法利用属于程度(隶属度)来代替属于或不属于，通过模糊关系和权重来确定综合评价结果。模糊评价中，矩阵R体现了每个污染因子对每级标准的隶属程度。一般水质指标都是数值小者为优的成本型指标，将水质标准的上下限值代入“降半梯形”的隶属函数，从而得到水质指标相对于每级标准的隶属度[17]。但该方法存在不足之处。

首先，国标中水质分级共有五级，每一等级在一定程度上具有定性模糊特征。本文主要探究降雨前后人工湖水质的变化情况，当降雨前后水质属同一等级时，不能很好地说明水质的变化情况。其次，国标中只对pH、COD、TP、TN、BOD5等部分常规指标进行了分级规定，对于其他可用于表征水质的指标如浊度、电导率、固体悬浮物等都没有进行水质分级，故无法利用模糊综合评价法对国标中未涉及的常规指标进行分级计算。最后，传统方法并没有将水质生物毒性纳入到模糊综合评价中。

综上所述，为解决传统模糊综合评价法所存在的问题，现将每一因素集对评价集的检测数值按照公式(5)整理为分值总和为1的集合，既可对各评价集的因素进行定量定位，又可避免个别因素测量值过高对整个系统模糊关系的影响，还能将生物毒性结果及国标中未涉及的常规指标包括在内，同时能明确的比较出整体水质的变化情况。

现按照以下步骤将实验所测得的常规指标和生物指标数据进行改进后的模糊综合评价。

(1)确定评价集(参与评价样品的集合)。

(3)

式中：Y1、Y2分别为第一场降雨前后；Y3、Y4分别为第二场降雨前后；Y5、Y6分别为第三场降雨前后。

(2)确定评价对象的因素集(参与评价指标的集合) 。

(4)

(3)构造模糊关系。

(5)

式中：rij为第j个评价集在第i个因素集中的得分。

根据公式(5)所得模糊矩阵为：

(6)

(4)确定权数。按照熵值赋权法[7]对本实验指标检进行权重的确定，包括以下 3 个步骤。

第一步，原始数据矩阵的标准化。利用信息熵的概念确定权重，对于数值小者为优的指标而言选择公式 (7)对原始数据矩阵进行标准化。

(7)

式中：max(xij)为评价对象i的j指标的最满意值；max(xij)为评价对象i的j指标的最不满意值；rij为评价对象i的j指标的归一化值。

将本实验数据按照以上公式进行归一化法计算结果如下：

第二步，定义熵。对于有n个评价对象m个评价指标的评估问题，第i个指标的熵Hi计算如下。

(8)

(9)

(10)

当fij=0时，令fijlnfij=0。所得Hi值为：H1=0.827，H2=0.686，H3=0.882，H4=0.813，H5=0.809，H6=0.891，H7=0.653，H8=0.752。

第三步，定义熵权。根据公式(11)可得到第i个指标的熵权值。

(11)

得出熵权：W1=0.102，W2=0.186，W3=0.070，W4=0.111，W5=0.113，W6=0.065，W7=0.206，W8=0.147。

根据熵权赋值法可得到8个检测指标的权数为：

(5)模糊(矩阵)运算。

[0.174,0.148,0.187,0.153,0.181,0.156]

利用改进后的模糊综合评价法，3场降雨前后水质的得分分别为0.174， 0.148，0.187， 0.153， 0.181，0.156，得分越小，则水质越优。本实验中雨水是人工湖的唯一补充水源，通过对降雨前后样品进行常规指标和生物指标的检测及模糊综合评价法的评价，可以得出人工湖雨后水质优于雨前[18]。

3 结 语

该人工湖利用沉砂池对雨水进行了处理，将雨水所携带的部分杂质进行初步的过滤。 水体整体呈现雨后水质优于雨前的规律，说明将雨水回用于人工湖作为一种具体的雨水回用技术是可行的，雨水资源在得到利用的同时还能在一定程度上提升人工湖水质，实现经济效益和生态效益双赢。本文人工湖中仅做沉淀处理，今后雨水若想得到更高效率的利用，可在雨水回用于人工湖前增加其他物化处理技术和生物处理技术。

本文中所用的评价方法不仅能够将国标中分级的常规指标包含在内，还可将国标中未能分级的常规指标及生物毒性指标整合到模糊综合评价系统中。但该评价方法所得结果侧重于比较分析水质变化趋势，而按照国标进行水质分级存在一定困难。尽量突破现行地表水分类标准的限制，建立一种既可将常规及生物评价指标包含在内又可进行水质分级的水质评价系统，是今后研究发展的方向。