李家河水库水质评价综合指数系统的研究

2023-10-13杨玮伦高宇轩张晓辉

地下水 2023年5期

杨玮伦,高宇轩,张晓辉

(1.西安水务(集团)李家河水库管理有限公司,陕西西安 710082;2.西安理工大学计算机科学与工程学院,陕西西安 710048)

0 引言

随着我国经济的快速发展,水资源短缺浪费和污染问题日益突出严重,威胁着城乡居民用水安全和经济的可持续发展。因此,加强水资源保护,建立和健全水质预警体系对于预防水质污染事件的发生,保证居民饮用水水质安全具有重要意义[1-3]。本文依据GB3838-2002《地表水环境质量标准》[4],根据李家河水库的实际情况,选择七个重要的评价水质指标:总氮、氨氮、总磷、高锰酸盐系数、总铁、总锰和溶解氧,以单项指标与其标准值相比较作为基本单元的多元综合水质指数系统的研究方法,拟研制出一套适用于李家河水库水质分类、分级的综合指数系统[5-7],并利用该评价指数系统对2021年李家河水库全年的水质情况进行评估;也期望通过本文的研究,为中小型水库水质的评价提供一套有效的方法,为提高城乡居民用水质量、保证水库正常生产运行起到积极有益的作用。

1 多元综合水质指数系统的研究

水源地水质指数系统的确定,首先要根据评价水体的性质选用适当的描述指标体系,即评价标准。在此基础上判定各参数监测值与标准值的符合程度,并按不同参数的重要性,即对用途的影响程度施以权重,并以某种数学处理方法得到一种尽可能简明的非技术性的以简单数字系统表示的反映水质优劣和可用性的定量描述系统。

1.1 评价水质指标及其评价方法的选择

按照GB3838-2002《地表水环境质量标准》,选择评价水质指标:总氮、氨氮、总磷、高锰酸盐系数、总铁、总锰、溶解氧。

目前水质评价方法多种多样,但其中概念清楚,使用较为普遍的为与标准相比较的指数法。故本文选定的评价方法为“以单项指标与其标准值相比较作为基本单元的多元综合水质指数系统”。

1.2 计算计算步骤和公式

1.2.1 计算各指标的水质指数

若指标i是极小型指标,实测值Ci处于Cik

(1)

若指标i是极大型指标,实测值Ci处于Cik+1

(2)

其中:Ci为水质指标的浓度实测值;Cik为水质指标i的第k级的标准值;Iik为水质指标i的第k级标准值的设定指数。

1.2.2 计算综合水质指数

公式为:

(3)

式中:WQI为综合水质指数;Ii为第i个指标的水质指数;Wi为第i个指标的权重,由熵权法确定;n为用于水质评价的指标个数。

1.3 综合水质指数的含义

上述综合水质指数系统有其明确的水质优劣的界定和评价含义,即:

1.4 熵权法原理

假定有n条样本,m个维度,用如下方式表示每个随机变量的取值:

xij,i=1,2,…,n,j=1,2,…,m

(4)

1.4.1 标准化处理

为避免量纲造成的影响,首先要对指标进行标准化处理。根据指标含义,可将指标分为正向指标(取值越大越好)和逆向指标(取值越小越好),分别通过如下方法进行标准化:

(5)

(6)

1.4.2 计算每个水质指标的熵

(7)

1.4.3 计算冗余度

dj=1-Ej

(8)

1.4.4 计算权重

(9)

2 李家河水库水质的评价研究

2.1 计算各水质指标的权重

采用2021年李家河水库引水站水下0.5 m的数据,计算权重如下:

表1 水质指标权重表

2.2 评价标准分级及评价分值

表2中为水质指标的第级标准值。

表2 评价标准分级及评价分值 mg/L

2.3 综合各指标权重和水质指数计算综合水质指数WQI和水质等级

根据2021年李家河水库引水站水下0.5 m的数据计算得到各采样时间点的WQI,如图1所示。

图1 2021年李家河水库的WQI

根据WQI计算水质等级如图2所示。可见李家河水库水质情况较好,2021年全年均为2类水质。

图2 2021年李家河水库的水质等级

3 结语

本文针对李家河水库的实际情况,根据水质评价的特点,依据GB3838-2002《地表水环境质量标准》,选择总氮、氨氮、总磷、高锰酸盐系数、总铁、总锰和溶解氧等七个反映水质的重要指标,以单项指标与其标准值相比较作为基本单元的多元综合水质指数系统(WQI)的研究方法,研制出一套适用于水库水质分类、分级的综合指数系统;并利用该WQI评价指数系统对2021年李家河水库全年的水质情况进行了评价和评估,得到的结果反映出李家河水库水质情况较好,2021年全年均为2类水质。本文的研究方法和研究成果对中小型水库水质的综合评价具有借鉴和推广意义。