多維度水質(zhì)安全評價方法探討——以太湖為例 趙艷民, 曹偉, 張雷, 馬迎群, 秦延文*, 劉志超, 楊晨晨 摘要 關(guān)鍵詞: 太湖; 多維度; 水質(zhì)安全評價; 水華; 富營養(yǎng)化

太湖位于30° 55'40″N~31° 32'58″N和119° 53'32″E~120° 36'10″E, 地跨江蘇、浙江兩省, 毗鄰無錫、常州、蘇州、湖州等市區(qū), 湖泊面積2 428 km², 平均水深1.9 m。太湖流域是我國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一, 隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展, 太湖水體富營養(yǎng)化問題日趨嚴(yán)重。從20世紀(jì)80年代后期以來, 每年夏天太湖北部頻繁爆發(fā)藍(lán)藻水華^[14], 2007年5月28日— 6月3日, 太湖貢湖灣水廠發(fā)生了嚴(yán)重的水危機(jī)事件, 引起社會廣泛關(guān)注^[15]。對太湖水質(zhì)安全進(jìn)行研究、識別太湖水質(zhì)安全面臨的主要問題成為重要任務(wù)之一。

2012年在全太湖設(shè)置34個監(jiān)測點位, 逐月進(jìn)行水質(zhì)、藻密度監(jiān)測, 監(jiān)測點位設(shè)置如圖1所示。水華發(fā)生數(shù)據(jù)主要依據(jù)MODIS衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行統(tǒng)計; 消毒副產(chǎn)物數(shù)據(jù)根據(jù)消毒副產(chǎn)物與葉綠素a(Chla)濃度回歸方程, 由實測Chla濃度計算獲取。依據(jù)太湖的地形、水動力特征以及近年來的水質(zhì)變化規(guī)律, 對太湖水體進(jìn)行分區(qū), 將太湖分為竺山湖、梅梁湖、貢湖、西北區(qū)、西南區(qū)、湖心區(qū)、湖東區(qū)。

	Figure Option
	圖1 太湖監(jiān)測點位及分區(qū)Fig.1 Sketch of monitoring point station and seven regions in Taihu Lake

由于長期污染物持續(xù)輸入, 太湖水質(zhì)污染嚴(yán)重, 主要污染物為總磷(TP)、總氮(TN)和高錳酸鹽指數(shù)(COD_Mn), 表現(xiàn)為水體富營養(yǎng)化、水華爆發(fā), 影響水體使用功能。

基于太湖水質(zhì)安全問題的分析, 遵循構(gòu)建指標(biāo)體系的相關(guān)原則, 包括一致性、客觀性、互斥性、易獲性等^[16, 17], 通過調(diào)研、咨詢相關(guān)專家, 構(gòu)建了包含4個二級指標(biāo)、21個三級指標(biāo)的多維度水質(zhì)安全評價指標(biāo)體系(表1)。

表1 太湖水質(zhì)安全評價指標(biāo)體系Table 1 Indicators of water quality security assessment of Taihu Lake

表征太湖水質(zhì)安全的4個二級指標(biāo)中, 水質(zhì)指數(shù)主要反映太湖基本水質(zhì)狀況和重金屬污染, 除了pH、電導(dǎo)率、總有機(jī)碳(TOC)、溶解氧(DO)等指標(biāo)外, 還選擇了能反映太湖周邊特色冶煉、化工、醫(yī)藥等行業(yè)污染的As、Cd、Cu和Zn這4種重金屬指標(biāo); 富營養(yǎng)化指數(shù)選擇Chla、TP、TN、透明度(SD)和COD_Mn這5項指標(biāo), 反映太湖水體營養(yǎng)鹽水平; 水華發(fā)生指數(shù)選擇藻密度和水華發(fā)生次數(shù)2項指標(biāo), 主要反映評價期間水華發(fā)生情況; 健康風(fēng)險指數(shù)選擇三氯甲烷、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷、三溴甲烷、二氯乙酸、三氯乙酸6項消毒副產(chǎn)物指標(biāo), 反映水華發(fā)生及處理后可能對人體健康產(chǎn)生的影響。

采用層次分析法(AHP)確定二級指標(biāo)權(quán)重。AHP是一種定性和定量相結(jié)合、系統(tǒng)化和層次化的分析方法, 可解決由眾多因素構(gòu)成且因素之間相互關(guān)聯(lián)、相互制約并缺少定量數(shù)據(jù)的問題^[18]。AHP建模主要包括4個步驟 :1)建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型; 2)構(gòu)造各層次中的判斷矩陣; 3)層次單排序及一致性檢驗; 4)計算判斷矩陣最大特征值相對應(yīng)的特征向量, 計算各因素對于系統(tǒng)目標(biāo)的權(quán)重。由于AHP運算簡便、實用性強(qiáng), 在環(huán)境風(fēng)險評價領(lǐng)域被廣泛采用^[19, 20]。AHP確定二級指標(biāo)權(quán)重時, 采用1~9的標(biāo)度法對指標(biāo)權(quán)重重要性程度賦值, 判斷矩陣的一致性, 公式如下:

CR=CI∕RICI=(λmax−n)∕(n−1)$\begin{array}{l}\mathrm{C}\mathrm{R}=\mathrm{CI}∕\mathrm{RI}\\ \mathrm{CI}=({\lambda }_{\max }-n)∕(n-1)\end{array}$

式中:CR為隨機(jī)一致性比率, 當(dāng)CR< 0.10時, 人為判斷矩陣的一致性是可以接受的, 否則應(yīng)對判斷矩陣做修正使其具有滿意的一致性; CI為度量判斷矩陣偏離的一致性指標(biāo); λ _max為該矩陣的最大特征根; n為矩陣階數(shù); RI為平均一致性指標(biāo)。

考慮到太湖作為飲用水源地的特性, 參照GB 3838— 2002中Ⅲ 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和GB 5749— 2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》^[22], 確定太湖水質(zhì)安全指數(shù)所需評價指標(biāo)的閾值, 標(biāo)準(zhǔn)中未涉及的電導(dǎo)率、藻密度和水華發(fā)生次數(shù)等指標(biāo), 則根據(jù)其他研究結(jié)果確定其閾值, 具體見表2。

表2 太湖水質(zhì)安全評價指標(biāo)閾值Table 2 Threshold of different parameters used for calculated safe index of Taihu Lake

溶解性總固體又稱總礦化度, 指水中溶解組分的總量, 包括Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、C O32−${{\mathrm{O}}_3}^{2-}$、HC O−3${\mathrm{O}}_3^{-}$、Cl^-、S O42−${{\mathrm{O}}_4}^{2-}$等陰陽離子^[24]。GB 5749— 2006規(guī)定飲用水中溶解性總固體濃度標(biāo)準(zhǔn)是1 000 mg/L, 其標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法為稱量法^[25]。但稱量法測定水中溶解性總固體濃度時易受溫度、濕度等環(huán)境因子的影響, 且操作繁瑣、費時費力^[26], 所以近年來眾多研究者采用測定電導(dǎo)率, 通過回歸曲線方法測定溶解性總固體濃度^[27, 28], 現(xiàn)有研究結(jié)果顯示溶解性總固體濃度與電導(dǎo)率的轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.5~0.8, 為簡化計算過程, 同時為指標(biāo)閾值留出安全余量, 采用1 000 μ S/cm作為電導(dǎo)率的評價閾值。

2.4.1 水質(zhì)指數(shù)

水質(zhì)指數(shù)按照加拿大環(huán)境部長理事會提出的水質(zhì)指數(shù)(Canadian Council of Ministers of the Environment water quality index, CCME-WQI)進(jìn)行計算^[29], 該評價指數(shù)主要考慮3方面的因素:1)評價期間出現(xiàn)超標(biāo)的指標(biāo)數(shù)百分比記為F₁; 2)指標(biāo)超標(biāo)的頻次百分比記為F₂; 3)指標(biāo)超標(biāo)的幅度記為F₃。各因素計算公式如下:

F1=(超標(biāo)指標(biāo)數(shù)評價總指標(biāo)數(shù))×100F2=(總指標(biāo)超標(biāo)次數(shù)評價期間總的指標(biāo)監(jiān)測數(shù))×100F3=(nse0.01×nse+0.01)−1$\begin{array}{l}{F}_1=\left(\frac{\mathit{超標(biāo)指標(biāo)數(shù)}}{\mathit{評價總指標(biāo)數(shù)}}\right)\times 100\\ F_2=\left(\frac{\mathit{總指標(biāo)超標(biāo)次數(shù)}}{\mathit{評價期間總的指標(biāo)監(jiān)測數(shù)}}\right)\times 100\\ F_3=\left(\frac{\mathrm{nse}}{0.01\times \mathrm{nse}+0.01}\right)-1\end{array}$

其中nse計算公式為:

nse=(∑i=1nexcursioni總指標(biāo)監(jiān)測數(shù)目)−1$\mathit{nse}=\left(\frac{\stackrel{n}{\sum _{i=1}}\mathrm{excursio}{\mathrm{n}}_i}{\mathit{總指標(biāo)監(jiān)測數(shù)目}}\right)-1$

式中excursion為超標(biāo)指標(biāo)的值與評價標(biāo)準(zhǔn)之間的偏差, 區(qū)分為指標(biāo)值越大越好和越小越好2種情況。

指標(biāo)越小越好:

excursioni=(指標(biāo)超標(biāo)值指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn))−1$\mathrm{excursio}{\mathrm{n}}_i=\left(\frac{\mathit{指標(biāo)超標(biāo)值}}{\mathit{指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)}}\right)-1$

指標(biāo)越大越好:

excursioni=(指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)未達(dá)標(biāo)的指標(biāo)值)−1$\mathrm{excursio}{n}_i=\left(\frac{\mathit{指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)}}{\mathit{未達(dá)標(biāo)的指標(biāo)值}}\right)-1$

3個分項指標(biāo)計算完成后計算水質(zhì)指數(shù), 公式如下:

WQI=100−F12+F22+F32−−−−−−−−−−−−−√/1.732$\mathrm{WQI}=100-\sqrt[]{{F_1}^2+{F_2}^2+{F_3}^2}∕1.732$

WQI為0~100, 數(shù)值越大代表水質(zhì)狀況越好。

2.4.2 富營養(yǎng)化指數(shù)

富營養(yǎng)化指數(shù)根據(jù)王明翠等^[30]提出的富營養(yǎng)化評價方法進(jìn)行修改, 表示為數(shù)值越大、富營養(yǎng)程度越低, 計算公式如下:

EI=100−∑j=1mWj×TLI(j)$\mathit{EI}=100-\stackrel{m}{\sum _{j=1}}{W}_j\times \mathrm{TLI}\left(j\right)$

式中, EI為富營養(yǎng)化指數(shù), 主要涉及Chla、TP、TN、SD和COD_Mn這5個指標(biāo); W_j為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)的權(quán)重; TLI(j)為第j種參數(shù)的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù), 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)計算參照文獻(xiàn)[30]研究結(jié)果。

2.4.3 水華發(fā)生指數(shù)

水華發(fā)生指數(shù)(bloom index, BI)參照水質(zhì)指數(shù)的計算方法, 將藻密度、水華發(fā)生次數(shù)作為監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行計算, 結(jié)果為0~100, 數(shù)值越大代表水質(zhì)狀況越好。

BI=100−F12+F22+F32−−−−−−−−−−−−−√/1.732$\mathrm{BI}=100-\sqrt[]{{F_1}^2+{F_2}^2+{F_3}^2}∕1.732$

2.4.4 健康風(fēng)險指數(shù)

健康風(fēng)險指數(shù)(health index, HI)同樣參照水質(zhì)指數(shù)的計算方法, 將微囊藻毒素、消毒副產(chǎn)物作為監(jiān)測指標(biāo), 與相應(yīng)的安全閾值進(jìn)行比較, 獲取健康風(fēng)險指數(shù)。

HI=100−F12+F22+F32−−−−−−−−−−−−−√/1.732$\mathrm{HI}=100-\sqrt[]{{F_1}^2+{F_2}^2+{F_3}^2}∕1.732$

根據(jù)各二級指標(biāo)的值與相應(yīng)的權(quán)重計算水質(zhì)安全總得分, 公式如下:

SI=∑i=1nkiKi$\mathit{SI}=\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{k}_i{K}_i$

式中, k_i和K_i分別代表第i種二級指標(biāo)的權(quán)重和指標(biāo)值; SI為水質(zhì)安全指數(shù), 結(jié)果為0~100, 根據(jù)數(shù)值大小將水質(zhì)安全狀況分為優(yōu)秀、良好、中等、及格、較差5個等級(表3)。

表3 水質(zhì)安全等級Table 3 Water quality safety graduation

2012年太湖水質(zhì)安全評價各指標(biāo)值統(tǒng)計見表4。由表4可知, pH、TOC、藻密度和水華發(fā)生次數(shù)均出現(xiàn)超過評價閾值的現(xiàn)象, 而其他指標(biāo)均未超過評價閾值。

表4 2012年太湖水質(zhì)安全評價指數(shù)各指標(biāo)值統(tǒng)計Table 4 Statistical description of indicators of water quality safety index of Taihu Lake in 2012

由監(jiān)測數(shù)據(jù)計算太湖各區(qū)域二級指標(biāo)即水質(zhì)指數(shù)、富營養(yǎng)化指數(shù)、水華發(fā)生指數(shù)和健康風(fēng)險指數(shù), 結(jié)果如圖2所示。由圖2可知, 各湖區(qū)水質(zhì)指數(shù)為62.13~84.23, 其中貢湖、湖東區(qū)和西南區(qū)水質(zhì)指數(shù)均在80以上, 湖心區(qū)、西北區(qū)水質(zhì)指數(shù)分別為79.17和76.78, 梅梁湖和竺山湖水質(zhì)指數(shù)較低, 分別為68.09和62.13; 各湖區(qū)富營養(yǎng)化指數(shù)為34.53~45.00, 均表現(xiàn)出較高的富營養(yǎng)化水平, 其中西北區(qū)和竺山湖富營養(yǎng)化指數(shù)分別為36.60和34.53, 富營養(yǎng)化程度最為嚴(yán)重, 湖東區(qū)富營養(yǎng)化指數(shù)為45.00, 富營養(yǎng)化程度相對較低; 水華發(fā)生指數(shù), 除湖東區(qū)外其余湖區(qū)全年均發(fā)生藍(lán)藻水華, 竺山湖、西北區(qū)、梅梁湖、湖心區(qū)、西南區(qū)水華發(fā)生指數(shù)分別為25.47、26.57、31.38、35.04和36.32, 水華發(fā)生狀況較為嚴(yán)重; 健康風(fēng)險指數(shù)在各湖區(qū)均為100, 表明幾種消毒副產(chǎn)物濃度均未超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值, 未表現(xiàn)出健康風(fēng)險。

	Figure Option
	圖2 2012年太湖不同湖區(qū)水質(zhì)安全二級指標(biāo)評價結(jié)果Fig.2 Assessment results of water quality safety secondary indicators for Taihu Lake in 2012

3.3.1 水質(zhì)安全二級指標(biāo)權(quán)重的確定

采用AHP確定二級指標(biāo)權(quán)重。經(jīng)過計算, 二級指標(biāo)的CR為0, 具有良好的一致性(表5)。

表5 二級指標(biāo)的矩陣一致性檢驗Table 5 The consistency judgment matrix of secondary indicators

最終獲取的水質(zhì)指數(shù)、富營養(yǎng)化指數(shù)、水華發(fā)生指數(shù)和健康風(fēng)險指數(shù)權(quán)重分別為0.08、0.23、0.31和0.38。

3.3.2 水質(zhì)安全指數(shù)

根據(jù)太湖不同區(qū)域水質(zhì)安全二級指標(biāo)及權(quán)重, 計算得到不同區(qū)域水質(zhì)安全指數(shù):湖東區(qū)水質(zhì)安全指數(shù)為73.85, 對應(yīng)水質(zhì)安全等級為中等; 貢湖水質(zhì)安全指數(shù)為63.57, 接近中等, 西南區(qū)、湖心區(qū)、梅梁湖、西北區(qū)和竺山湖水質(zhì)安全指數(shù)分別為56.04、55.93、54.36、52.45和50.78, 對應(yīng)水質(zhì)安全等級均為及格, 其中水質(zhì)安全指數(shù)最低的竺山湖水質(zhì)安全等級接近較差。

利用水質(zhì)安全評價方法, 計算得到2012年太湖整體水質(zhì)安全等級僅為及格, 二級指標(biāo)顯示較高的富營養(yǎng)化程度以及頻繁爆發(fā)的水華是導(dǎo)致太湖水質(zhì)安全指數(shù)較低的主要原因。各湖區(qū)中, 湖東區(qū)水質(zhì)指數(shù)、水華發(fā)生指數(shù)和健康風(fēng)險指數(shù)均較高, 僅富營養(yǎng)化指數(shù)較低, 總體水質(zhì)安全指數(shù)較高, 水質(zhì)安全狀況為中等, 相對安全; 竺山湖、西北區(qū)、梅梁湖水質(zhì)指數(shù)、富營養(yǎng)化指數(shù)和水華發(fā)生指數(shù)均較低, 導(dǎo)致水質(zhì)安全指數(shù)較低, 水質(zhì)安全狀況為及格; 湖心區(qū)、西南區(qū)水質(zhì)指數(shù)較高, 富營養(yǎng)化指數(shù)較低, 但由于權(quán)重賦值較高的水華發(fā)生指數(shù)較低, 導(dǎo)致總體水質(zhì)安全狀況并未優(yōu)于竺山湖、西北區(qū)和梅梁湖。由此可見, 水質(zhì)安全指數(shù)相比常規(guī)水質(zhì)評價, 結(jié)果更全面, 更精細(xì), 有助于支撐太湖水環(huán)境管理決策。