基于改进综合水质指数法的水库水质特征分析

王 琳, 孙艺珂, 祁 峰,3

(1.中国海洋大学 环境科学与工程学院, 山东 青岛 266100; 2.中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室, 山东 青岛 266100; 3.山东建筑大学 市政与环境工程学院, 山东 济南 250101)

引黄水库作为部分地区饮用水主要水源，成为缓解水资源短缺、保证周边居民生活工作的有效途径。当前对引黄水库的水质评价方法较多，如单因子评价法[1]、灰色理论法[2-3]、主成分/因子分析法[4-5]、聚类分析法[4]、模糊数学法[6-7]、Spearman秩相关系数法[8]、综合水质污染指数法等。其中，综合水质污染指数法将多种污染因子的相对污染指数综合归纳为单一的污染指数，对水体污染情况进行量化，但综合水质污染指数法也存在以下问题：一是采用单因子指数作为分项指数[9]，结果只能反映水质污染总体变化情况，不能对水质污染类别判断；二是赋权方法单一，无法突出最主要污染因子的贡献，无法反映变化幅度较大的污染因子相关情况，同时也无法表达对污染因子的主观评价；三是无法表述参评因子中超出相应水质类别因子的数量。为解决上述问题采用反映水体水质类别及污染情况的水污染指数WPI作为分项指数，通过量化结果克服综合水质指数的缺点[10]。其次，在确定综合权重时，采用超标倍数法和主成分法反映污染因子的超标情况和变化幅度对水质影响[11-12]，再结合层次分析法(AHP)确定综合权重[13]，以反映主观评价的影响，克服等权法忽略重要程度差异的缺陷。最后，参考水质标识指数法(WQI)表达参评污染因子中劣于相应水质类别指标个数，强调超标因子数量[10-12]，构建改进综合水质指数(WPSPNQI)。本文利用WPSPNQI指数来分析山东省滨州市滨城区水库水质特征，并对该方法得出的结果与其他评价方法进行了对比和验证，以期提供一种合理有效、有利于比较并适于在水库水质评价中推广的方法。

1 数据来源与方法

1.1 研究区概况

选取滨城区东海和西海水库两个典型的引黄水库为研究对象，东海水库周围分布农田、居民区及部分工业，西海水库靠近市区及交通干线，两者都是城区生活及工农业主要水源。评价所采用的数据为2011年4月至2014年4月时段内每个水库的出口和入口的月均断面监测数据，监测指标为《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中109项指标，共测得148组数据。

1.2 评价过程与方法

1.2.1 水污染指数WPI分项指数 采用水污染指数法(WPI)对数据进行标准化处理，根据《地表水环境质量标准(GB30838-2002)》，将2011年4月至2014年4月时段内东海及西海水库水质指标月监测数据转化为WPI值，记录各污染因子相应的WPI并记录WPI的最大值对应的污染因子作最重污染因子。

根据刘琰等[13]、马原[14]等相关文献，WPI值采用插值法计算，除pH值、溶解氧(DO)外，其他基本项目计算公式为：

C(i)-Cl(i)

(1)

式中：WPI(i)——第i个水质指标所对应的指数值； WPIl(i)——第i个水质指标下限浓度所对应的指数值； WPIh(i)——第i个水质指标上限浓度所对应的指数值；C(i)——第i个水质指标的监测浓度(mg/L)；C1(i)——第i个水质指标的下限浓度值(mg/L)；Ch(i)——第i个水质指标的上限浓度值(mg/L)； WPI1(i)——第i个水质指标下限浓度所对应的指数值； WPIh(i)——第i个水质指标上限浓度所对应的指数值。

pH值介于7～9之间时，WPI值取20。

DO值≥7.5 mg/L时，WPI值取20； 2≤DO<7.5 mg/L时，WPI值计算公式为

C1(DO)-Ch(DO)

(2)

式中：WPIDO——DO指标所对应的指数值； WPIlDO——DO指标下限浓度所对应的指数值；WPIhDO——DO指标上限浓度所对应的指数值；C1(DO)——DO指标的下限浓度值(mg/L)；Ch(DO)——DO指标的上限浓度值(mg/L)； WPI1DO——DO指标下限浓度所对应的指数值； WPIhDO——DO指标上限浓度所对应的指数值。

1.2.2 超标倍数法、主成分法和层次分析法获得组合赋权权重

(1) 超标倍数法获得污染程度权重。采用超标倍数法将4个监测断面3 a间月监测数据进行权重分配，计算公式为[15-17]：

(3)

式中：ωi′——第i个水质指标所对应的权重；xi——第i项水质指标的实测浓度值；Si——第i项水质指标的n种水质类别标准值的平均值。

(2) 主成分法获得污染变化幅度权重。基于水质的WPI值，按照张龙玲等[11]及李朝峰等[18]的方法，进行主成分协方差分析赋权。主要步骤包括主成分个数选择、污染因子特征向量Lg计算、污染因子权重ωk计算，计算公式为：

(4)

(5)

式中：ωk——第k个水质指标所对应的权重；Cg——成分矩阵；λg——特征值；Ag——相应方差贡献率。为保证权重之和为1，对ωk进行标准化处理，得到主成分权重ωi′。

(3) 层次分析法获得主观权重。以《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中除水温及pH值外的22项基本项目为决策目标，综合考虑各污染因子属性、对水质影响贡献度、水体含量[19-21]等相关情况，同时参考相关污染因子对水质影响相关文献[22-23]，要素层设计4个参数，构建水质层次结构模型如图1所示。本次研究中，将综合性指标设置为要素层最重要指标，其次为富营养化指标；决策目标层将少量剧毒的汞、锌等金属元素重要性提高，其余基本同等重要。参考吴文广等[24]的相关报道，得到主观权重ωi。

图1 水质层次结构模型

(4) 综合权重。将超标倍数法、主成分法及层次分析法得到权重进行均值处理，得到综合权重ωi。

1.2.3 改进综合水质指数法 权重确定后，综合考虑各污染因子的不同贡献率，定义W1为平均污染指数，计算公式为：

(6)

式中：WPIi——第i种水质指标对应的WPI值；ωi——第i种水质指标对应的权重。

对W1保留一位小数，即W1可表示为X1.X2。

为了表现水质中超标因子及参评因子数量，引入综合水质标识指数法(WQI)，得到综合水质指数，定义为WPSPAQI(WP-WPI指数法，S为超标倍数法，P为主成分分析法，A为层次分析法，Q为WQI指数法，I为综合指数法)，计算公式为：

WPSPAQI=X1.X2X3X4

(7)

式中：X3——劣于水环境功能区目标的单项指标个数；X4——参与评价的因子数量。

WPSPAQI指数中，X1.X2不仅可以直接反映水质好坏(值越低水质越好)，而且可以直接借用WPI分级方法进行水质分级，水质类别与WPAPAQI指数之间的对应关系详见表1。

表1 水质类别与水污染指数对照表

1.3 数据处理与分析工具

本次研究采用Excel进行数据统计、分析及图表绘制，SPSS 19.0进行主成分分析获得权重，YAAHP软件进行层次分析法获得主观权重。

2 结果与讨论

2.1 水质指标赋权情况

2.1.1 集中式生活饮用水地表水源地补充项目及特定项目达标情况 根据《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》集中式生活饮用水地表水源地补充项目和集中式生活饮用水地表水源地特定项目，对东海及西海水库2011年4月至2014年4月的148组85项月监测数据进行达标判断。结果表明，东海及西海水库补充项目及特定项目均达标，水质较好。

2.1.2 集中式生活饮用水地表水源地基本项目赋权情况 根据《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》，以2011年3月至2014年3月期间东海及西海水库4个监测口除水温和pH值其余22项基本项目的月监测数据为基础，将148组数据进行权重计算。

(1) 超标倍数法获得污染程度权重。根据148组月监测数据，通过超标倍数法，得到各污染因子所占权重如表2所示，可以看出，总氮污染所占权重比例最高，为21.56%；五日生化需氧量(BOD5)、高锰酸盐指数(CODMn)、化学需氧量(COD)及总磷(TP)所占权重相对较大，而其他污染因子所占权重较小，说明水库主要以有机物污染为主。此外，氟化物污染所占比重较高，为11.79%，是主要的无机污染。

(2) 主成分法获得污染变化幅度权重。根据148组月监测数据的WPI值，通过主成分分析法赋权发现，4个监测口各水质指标的变化幅度不大，为等权重赋权，水库水质情况较为稳定。

(3) 层次分析法获得主观权重。通过层次分析法，得到各污染因子所占权重如表2所示，综合性指标所占权重较大，其次为富营养化指标，金属、非金属指标相对较小，可以忽略。

(4) 综合权重。综合考虑污染因子超标情况、污染因子时空变化情况及主观判断，22项污染因子的最终所占权重情况如表2所示。由表2可知，所占权重最大的是TN,BOD5,COD及CODMn，有机污染因子对水库水质综合影响最大，无机污染中以氟化物为主，其余污染因子所占权重较小，对水质综合影响较小，可以忽略。

表2 研究区超标倍数法、层次分析法及综合权重情况%

2.1.3 水库水质综合评价 汇总东海及西海水库2011年4月至2014年4月时段内4个监测148组月测数据的水质类别及主要污染因子，得到水质类别占比结果如图2a所示，水库水质良好，以Ⅱ类水体为主，占总监测数据的83.78%，其余为Ⅰ类水体，达到集中式生活饮用水地表水源地二级保护区要求。主要污染因子占比情况如图2b所示，监测口各组月测数据中，主要污染因子是TN,COD及TP，其中TN占比为63.51%，COD的占比为16.22%，TP占比为13.51%，其余污染因子占比较小，可以忽略。从超标污染因子状况看，部分污染因子并不能达到相应水质类别对应的水质标准，以TN,TP等为例，但均满足地表水源二级保护区要求。

图2 研究区水质类别及主要污染因子数量情况

2.2 水库水质的时间变化

综合各污染因子权重和主要污染因子占比情况，选取TN,TP,CODMn,NH3-N及氟化物作为主要污染因子代表。其中，TN,TP及COD指标在主要污染因子中占比及权重较大，NH3-N作为N元素的主要有机存在形式列入主要污染因子代表，氟化物是占比最大的无机元素也列入主要污染因子代表中。将水库4个监测口201104—201404时段内同一季度月监测数据取平均值，得到12组月季度数据，图3为以该12组季度均值为统计基础，所得的超标因子个数、水质类别占比情况、WPSPAQI及5种代表污染因子的WPI值随时间变化情况图。

从图3可知，2011—2014年间超标因子个数出现一定程度增加，这是因为水库水质在由Ⅱ类转化为Ⅰ类的过程中，部分污染因子并没有得到相应程度的优化，但水库总体水质得到改善，且仍满足集中式生活饮用水地表水源地二级保护区要求。同时WPSPAQI值变化不大，2011年2季度WPSPAQI为25.91，2014年1季度为27.95，水质总体较为稳定，期间一直保持在Ⅱ类水体，赵金香等[25]在研究中得相似结论。2011年3季度开始，TP的WPI值上升，之后保持相对稳定，2013年4季度，TP及TN的WPI值均有所下降，水质得到一定程度改善。2011年起，CODMn的WPI值平稳下降，2014年1季度和4季度出现反弹，但之后呈现改善趋势。2013年起，NH3-N增加，TN变化不大甚至减轻，此时水库中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来主要污染因子。氟化物WPI值较为稳定，且一直低于20，对水质影响较小。从季节变化看，2,3季度TN,TP的WPI值较高，与夏季水温较高，水体流动性差有关，其他水质指标季节变化不大，与水库水体来源单一且在管道中运输有关。赵金香等[25-26]在滨州市供水水源地水质研究中得到过相似结论。

图3 水库水质类别的时间占比及WPSPAQI和各污染因子WPI随时间变化

2.3 不同监测口的水质情况分析

以水库4个监测口的3 a监测数据年均值为基础，4个监测口3 a间WPSPAQI均值、主要污染因子WPI值及最重污染因子如图4所示。由图4可知，从空间上看，东海和西海水库水质都较好，为一级或二级水源地，赵金香等[30]对滨州市供水水源地水质调查中得到相似结论。且两水库水质差距较小，因为两个水库水源相同，均为引黄水，且功能类别相似，污染的主要来源均为居民生活排水，崔淑霞等[27]在滨州水质研究过程中均得相似结论。两水库水质差距较小同时可以说明引黄水在运输过程中污染较小。同一水库进出口的水质存在一定的差异，由图可知，两水库WPSPAQI值在出口明显下降，接近Ⅰ类水质，说明水库本身具有良好的自净能力。同时部分主要污染因子的WPI值在水库出口也有明显的下降，东海水库进出口COD的WPI值分别为40.83和10.67，西海水库相应WPI值为43.35和11.44，均由Ш类水质净化至Ⅰ类，是变化幅度最大的评价因子；其次，由于入库后水体流动减缓，水库的稀释作用[28]及难溶污染因子的沉降作用[29]，使水库对BOD5和TP的处理效果也较好，东海水库BOD5进出口WPI值分别为36.04和17.3，西海水库对应值为28.29和17.3，由达Ⅱ类水质标准净化至达Ⅰ类水质标准；TP的WPI值变化实现了由Ш类水质到Ⅱ类水质的优化。但两水库TN的WPI值基本不变，一直接近Ⅳ类水质标准，说明水库的稀释作用对氮污染的处理效果不佳，需依赖于进入水厂后的后续流程，赵金香等[25-26]在滨州水质研究过程中均得相似结论。同时，氟化物在出口的WPI值较进口略有下降，东海水库氟化物进出口值分别为12.04和9.76，西海水库对应值分别为11.36和8.62，水库对氟化物有一定的净化能力。水库进口的主要污染因子为CODMn和TN，由于水库自净能力，出口的主要污染因子为TN，水库进出口的TN均接近于Ⅲ类水质，COD和BOD5经过水库自净处理后，均能达到Ⅰ类水质标准。

图4 东海和西海水库进出口WPSPAQI、主要污染因子WPI值和最重污染因子分布

2.4 WPSPNQI指数法的优势

当前水库水质评价方法较多，所用评价模型不尽相同。相较于其他引黄水库的相关水质评价方法，本文构建WPSPAQI指数法表现出诸多优势，结果详见表3。

综上，WPSPAQI指数法综合了多种水质评价方法优点，且克服了上述评价方法的不足，用于水质评价方面具有较强的优越性。

表3 WPSPAQI对比其他水质评价模型优越性

注：水质评价模型中上标为相应参考文献； “-”表示可实现该功能，但效果较差。

3 结 论

(1) 对滨州市滨城区东海和西海水库水质进行评价的研究表明，WPSPNQI以WPI值作为分项指数，采用超标倍数、主成分分析、AHP组合赋权，同时引入改进水质综合标识指数法。该方法可确定水质类别，使不同水体间具有可比性；附权方式简单明了、考虑污染因子超标及变化情况对水质影响，且引入主观附权，量化分项指标；同时可反映超标因子个数。评价结果与实际相符，可用于水库的水质评价。

(2) 滨城区水库总体水质良好，多为Ⅰ或Ⅱ类水体，且水质较为稳定，主要受有机污染，无机污染较轻，主要是TN污染和氟化物。从年际变化来看，水质状况得到改善，Ⅰ类水体占比增加，但较多污染因子并没有同时达到Ⅰ类水质标准要求；从水质空间变化看，两水库水质差距较小，与管道输送过程中污染较轻有关，同时水库水体存在较好的自净能力，水库出口的COD,BOD及TP污染程度明显低于水库进口。