居民小区饮用水水质评价指数构建与应用

2022-02-10朱斌

净水技术 2022年2期

朱斌

(上海城投水务<集团>有限公司，上海 200002)

为了保障居民的饮水安全，在水厂处理、管网输配和二次供水过程中对饮用水水质进行评价非常必要。以往的研究多以出厂水和管网水为研究对象[1-4]，结合数理统计方法，得出了一系列特征鲜明的水质评价方法。由于检测条件和供水环境的限制，多数供水企业注重于控制出厂水水质达标，对于二次供水水质的评价涉及不多。

《上海市城市总体规划(2017—2035年)》提出，到2035年全市供水水质将达到国际先进标准，满足直饮需求。上海市开展了高品质饮用水示范区建设，以水质终端化为目标，制定了示范区水质标准，实施了小区智能泵房改造，安装了在线水质仪表，对小区水质进行连续跟踪监测，确保居民用水安全。

饮用水水质从出厂到居民小区这段供水距离不可避免会发生变化，主要体现在浑浊度、余氯、pH和耗氧量(CODMn)指标的波动。此外，随着水龄的增加，二次供水水质也会产生波动。上海市现行的《生活饮用水水质标准》(DB31/T 1091—2018)(以下简称地标)[5]针对二次供水水质明确提出了检验频率和考核要求。因此，针对上海市居民小区饮用水，建立一个科学合理的评价方法显得尤为重要，也是进一步开展生活饮用水信息化建设的重要前提。

关于水质评价的研究多采用五色分级法反映水质信息[3,6]，以WQI(水质评价指数)是否低于1.00作为是否合格的标准，对水质状况进行分级评价。评价范围的界定对于五色分级法最为重要。在“十三五水专项”的研究中，以上海市饮用水地方标准为基础、按照指标检测频率的不同，建立上海市的饮用水水质评价指数：日评指数(WQI日)、月评指数(WQI月)和年评指数(WQI年)，对上海市的水质精细化管理有重要的应用价值[7]。随着高品质饮用水示范区的建设推进，有必要对评价分级的标准进行重新界定。居民小区饮用水指数在WQI日的基础上，通过指标的优化选取和赋权，对小区饮用水水质进行更科学的评价。

1 材料与方法

1.1 评价指标的选取

在评价居民小区水质时，考虑到对二次供水水质指标的行业检测要求，拟选取地标针对二次供水提出的8项指标(浑浊度、色度、余氯、pH、臭和味、肉眼可见物、菌落总数与总大肠菌群)、亚硝酸盐、耗氧量(CODMn)和水龄共计11项指标参与计算，水质指标选取依据、数据来源及计算频率如表1所示。

表1 二次供水系统水质评价指数参数Tab.1 Water Quality Evaluation Index Parameters of Secondary Water Supply System

1.2 水质指数的计算

1.2.1 分指数(Ii)的计算[2]

分指数计算如式(1)。

Ii=Ci/Si

(1)

其中：Ii——指标i分指数；

Ci——指标i检测结果；

Si——指标i的地标限值。

当Ci小于Si的1/10或低于检测限时，Ii取0.10。对于肉眼可见物，无检出，Ii取0.10；若有检出，则统一规定Ii为1.50。臭和味若合格，则Ii为0.10，否则统一Ii为1.50。对于总大肠菌群，无检出，Ii取0.10；若检出，则计算方法为Ii=1.00+0.50(n-1)，n为100 mL水中检出的菌落数。

按照上海市实际水质特征，设置了一氯胺(总氯)和pH的评价类别，分别是最佳、可接受和不合格，各控制范围如表2所示。二次供水一氯胺(总氯)和pH处于不同控制范围时，按照不同的计算方法进行评价[7]。

表2 一氯胺(总氯)和pH控制范围Tab.2 Control Range of Monochloramine (Total Chlorine) and pH Value

一氯胺(总氯)和pH值的分指数计算如下。

1)当一氯胺(总氯)和pH处于最适范围时，Ii为0。

2)当一氯胺(总氯)和pH处于可接受范围时，按式(2)计算。

Ii=|Ci-Si|/(Simax-Simin)

(2)

其中：Simax——指标i可接受范围上限；

Simin——指标i可接受范围下限。

3)当一氯胺(总氯)和pH处于不可接受范围时，按式(3)计算。

Ii=|Ci-S’i|/S’i+1

(3)

其中：S’i——实际一氯胺(总氯)和pH接近的可接受范围限值。

水龄是指小区的平均水龄，通过小区的用水量和二次供水有效容积计算而得，也可以通过小区在线水力模型实时计算而得，水龄分指数的计算方法如表3所示。

1.2.2 水质指数的计算

基于先前的研究[4]，可进行二次供水水质指数的计算方法如式(4)。

表3 水龄分指数计算公式Tab.3 Calculation Formula of Water Age Index

其中：WQI——样品的水质指数；

Iimax——分指数Ii的最大值；

Iiexceed——单项指标超标项目的指数值(全部指标均合格时不计算该值)，当存在超标项目时，按式(5)计算。

Iiexceed=|Ci-Si|/Si+1

(5)

水质指数也可按式(6)计算[8]。

其中：Wi——分指数的权重，总和为1。

对于二次供水水质而言，浑浊度、余氯、耗氧量和水龄波动较为明显且对水质影响最为直观。因此，在评价二次供水水质时，需提高相关指标的权重。为增强计算公式的实用性和灵活性，保证计算公式与实际情况贴合。按照小区二次供水水质指标实际监测情况，对上海市居民小区进行分类。按照类别对二次供水计算公式的权重进行调整。小区分类及对应计算权重如表4所示。

表4 二次供水小区分类及对应计算权重Tab.4 Classification of Secondary Water Supply Districts and Corresponding Calculation Weights

2 评价指数实际应用

2.1 计算模型的确立

水质指数的计算旨在直观和准确地反映出实际水质状况，要求计算公式对水质变化具有较高的灵敏度。以示范小区实际数据为基础，模拟可能出现的水质情况，通过计算判断模型的适用度，数据如表5所示。

表5 不同情况下的水质监测数据Tab.5 Water Quality Monitoring Data under Different Conditions

由图1可知，对于前3种情况，式(1)和式(2)得到的计算结果基本一致。对于情况四(水龄升高)，式(2)比式(1)更能反映出水质的实际变化。当监测值由情况一变化至情况二、情况三、情况四时，2个公式均能反映出实际水质变化；式(2)对于水龄的升高较式(1)更为敏感。

图1 不同计算公式各情况的计算结果Fig.1 Calculation Results of Different Calculation Formulas in Each Case

2.2 评价等级标准的界定

为提高居民小区供水水质管理水平，供水企业基于水质监测情况，在上海市地标的基础上，新增水龄指标限值，并提高对特定水质指标的要求，设置企业内部限值，如表6所示。

界定评价等级标准是水质信息合理性的保证。

表6 企业内部限值Tab.6 Internal Water Quality Limits for Enterprises

本研究基于示范区监测数据，模拟了评价指标在5种不同评价等级的水质数据，并计算了对应评价等级内的水质指数。基于各评价等级的水质指数，界定相应评价等级的评价标准。实际监测数据中所有水样色度、臭和味、总大肠菌群、肉眼可见物和pH几乎无波动，为保证模拟数据更贴合实际情况，模拟过程中并未考虑此类指标；菌落总数多在0～10 CFU/mL，在多指标波动模拟中未作考虑。综合考虑指标监测的便捷性和实际水质数据波动范围，多指标组合波动优先级为浑浊度>余氯>耗氧量>水龄>亚硝酸盐，具体模拟数据如表7所示。

表7 不同评价等级模拟的水质数据Tab.7 Water Quality Data Simulated by Different Evaluation Levels

模拟的各评价等级数据的含义如下：

优：所有指标符合表6内部标准限值；

良：一个或多个指标在内部标准限值和地标限值内波动，其余指标为示范小区监测值；

合格：一个或多个指标在地标限值和国标限值内波动，其余指标为示范小区监测值；

不合格：部分指标超过国标限值，其余指标为示范小区监测值。

图2 评价等级“优(示范区水质)”的计算结果Fig.2 Calculation Results of Evaluation Grade "Excellent"

如图2所示，当指标处于评价等级“优(示范区水质)”时，水质指数计算结果集中分布在0.30～0.40。仅当耗氧量、菌落总数和亚硝酸盐分别大于1.1 mg/L、20 CFU/mL和0.08 mg/L时，计算结果大于0.40；当所有指标为企业内部标准限值时，计算结果在0.60左右。基于上述分析结果，采用0.40作为评价等级“优(示范区水质)”的评价标准。

如图3所示，当水质指标处于评价等级“良(单/多个近地标)”时，水质指数计算结果集中分布在0.60～0.80。经分析，当小区水质指标处于表8的水质情况时，计算结果大于0.60。基于上述分析结果，0.40～0.60可界定为“良”的等级标准。

如图4所示，当水质指标处于评价等级“合格(单/多个超地标)”时，若仅有一个指标接近国标，评价结果分布在0.60～1.00；若多个指标接近国标时(浑浊度>0.70 NTU或耗氧量>2.6 mg/L)，计算结果会>1.00。

当指标处于“不合格”等级时，由于设置了惩罚项，计算结果>1.00。由图3和图4可知，水质指数若处在0.60～1.00时，则代表多个水质指标近地标限值或单个水质指标超过地标限值，因此，可将0.60～1.00界定为“合格”的等级标准。综上，本研究界定的评价等级标准如表9所示。

图3 评价等级“良(单/多指标近地标)”的计算结果Fig.3 Calculation Results of Evaluation Grade "Good "

表8 “良(单/多指标近地标)”中计算结果大于0.60的水质情况Tab.8 "Good" Water Quality with Calculation Results Greater than 0.60

2.3 小区水质评价指数的实际应用

运用上述水质评价指数计算方法对示范区6个小区在2020年7月和10月进行了水质评价指数计算，如图5所示。其中，4个小区水质为“优”，2个小区水质为“良”。在水质都符合地标的情况下，水质指数在反映样品整体水质等级的同时，重点突出了水龄对样品水质的影响。龙华小区水龄由7月的42.8 h降至10月的11.9 h，水质指数由0.65降至0.33；春江小区水龄由78.7 h降至14.8 h，水质指数由1.87降至0.36，其余小区未进行运行模式优化，水龄不变，水质指数也无明显变化。10月水质评价指数情况总体好于7月。