多维度水质安全评价方法探讨——以太湖为例 赵艳民, 曹伟, 张雷, 马迎群, 秦延文*, 刘志超, 杨晨晨 摘要 关键词: 太湖; 多维度; 水质安全评价; 水华; 富营养化

太湖位于30° 55'40″N~31° 32'58″N和119° 53'32″E~120° 36'10″E, 地跨江苏、浙江两省, 毗邻无锡、常州、苏州、湖州等市区, 湖泊面积2 428 km², 平均水深1.9 m。太湖流域是我国经济最发达的地区之一, 随着工农业生产的发展, 太湖水体富营养化问题日趋严重。从20世纪80年代后期以来, 每年夏天太湖北部频繁爆发蓝藻水华^[14], 2007年5月28日— 6月3日, 太湖贡湖湾水厂发生了严重的水危机事件, 引起社会广泛关注^[15]。对太湖水质安全进行研究、识别太湖水质安全面临的主要问题成为重要任务之一。

2012年在全太湖设置34个监测点位, 逐月进行水质、藻密度监测, 监测点位设置如图1所示。水华发生数据主要依据MODIS卫星遥感影像进行统计; 消毒副产物数据根据消毒副产物与叶绿素a(Chla)浓度回归方程, 由实测Chla浓度计算获取。依据太湖的地形、水动力特征以及近年来的水质变化规律, 对太湖水体进行分区, 将太湖分为竺山湖、梅梁湖、贡湖、西北区、西南区、湖心区、湖东区。

	Figure Option
	图1 太湖监测点位及分区Fig.1 Sketch of monitoring point station and seven regions in Taihu Lake

由于长期污染物持续输入, 太湖水质污染严重, 主要污染物为总磷(TP)、总氮(TN)和高锰酸盐指数(COD_Mn), 表现为水体富营养化、水华爆发, 影响水体使用功能。

基于太湖水质安全问题的分析, 遵循构建指标体系的相关原则, 包括一致性、客观性、互斥性、易获性等^[16, 17], 通过调研、咨询相关专家, 构建了包含4个二级指标、21个三级指标的多维度水质安全评价指标体系(表1)。

表1 太湖水质安全评价指标体系Table 1 Indicators of water quality security assessment of Taihu Lake

表征太湖水质安全的4个二级指标中, 水质指数主要反映太湖基本水质状况和重金属污染, 除了pH、电导率、总有机碳(TOC)、溶解氧(DO)等指标外, 还选择了能反映太湖周边特色冶炼、化工、医药等行业污染的As、Cd、Cu和Zn这4种重金属指标; 富营养化指数选择Chla、TP、TN、透明度(SD)和COD_Mn这5项指标, 反映太湖水体营养盐水平; 水华发生指数选择藻密度和水华发生次数2项指标, 主要反映评价期间水华发生情况; 健康风险指数选择三氯甲烷、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项消毒副产物指标, 反映水华发生及处理后可能对人体健康产生的影响。

采用层次分析法(AHP)确定二级指标权重。AHP是一种定性和定量相结合、系统化和层次化的分析方法, 可解决由众多因素构成且因素之间相互关联、相互制约并缺少定量数据的问题^[18]。AHP建模主要包括4个步骤 :1)建立递阶层次结构模型; 2)构造各层次中的判断矩阵; 3)层次单排序及一致性检验; 4)计算判断矩阵最大特征值相对应的特征向量, 计算各因素对于系统目标的权重。由于AHP运算简便、实用性强, 在环境风险评价领域被广泛采用^[19, 20]。AHP确定二级指标权重时, 采用1~9的标度法对指标权重重要性程度赋值, 判断矩阵的一致性, 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为随机一致性比率, 当CR< 0.10时, 人为判断矩阵的一致性是可以接受的, 否则应对判断矩阵做修正使其具有满意的一致性; CI为度量判断矩阵偏离的一致性指标; λ _max为该矩阵的最大特征根; n为矩阵阶数; RI为平均一致性指标。

考虑到太湖作为饮用水源地的特性, 参照GB 3838— 2002中Ⅲ 类水质标准和GB 5749— 2006《生活饮用水卫生标准》^[22], 确定太湖水质安全指数所需评价指标的阈值, 标准中未涉及的电导率、藻密度和水华发生次数等指标, 则根据其他研究结果确定其阈值, 具体见表2。

表2 太湖水质安全评价指标阈值Table 2 Threshold of different parameters used for calculated safe index of Taihu Lake

溶解性总固体又称总矿化度, 指水中溶解组分的总量, 包括Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、C O32−${{\mathrm{O}}_3}^{2-}$、HC O−3${\mathrm{O}}_3^{-}$、Cl^-、S O42−${{\mathrm{O}}_4}^{2-}$等阴阳离子^[24]。GB 5749— 2006规定饮用水中溶解性总固体浓度标准是1 000 mg/L, 其标准检验方法为称量法^[25]。但称量法测定水中溶解性总固体浓度时易受温度、湿度等环境因子的影响, 且操作繁琐、费时费力^[26], 所以近年来众多研究者采用测定电导率, 通过回归曲线方法测定溶解性总固体浓度^[27, 28], 现有研究结果显示溶解性总固体浓度与电导率的转化系数为0.5~0.8, 为简化计算过程, 同时为指标阈值留出安全余量, 采用1 000 μ S/cm作为电导率的评价阈值。

2.4.1 水质指数

水质指数按照加拿大环境部长理事会提出的水质指数(Canadian Council of Ministers of the Environment water quality index, CCME-WQI)进行计算^[29], 该评价指数主要考虑3方面的因素:1)评价期间出现超标的指标数百分比记为F₁; 2)指标超标的频次百分比记为F₂; 3)指标超标的幅度记为F₃。各因素计算公式如下:

F1=(超标指标数评价总指标数)×100F2=(总指标超标次数评价期间总的指标监测数)×100F3=(nse0.01×nse+0.01)−1$\begin{array}{l}{F}_1=\left(\frac{\mathit{超标指标数}}{\mathit{评价总指标数}}\right)\times 100\\ F_2=\left(\frac{\mathit{总指标超标次数}}{\mathit{评价期间总的指标监测数}}\right)\times 100\\ F_3=\left(\frac{\mathrm{nse}}{0.01\times \mathrm{nse}+0.01}\right)-1\end{array}$

其中nse计算公式为:

nse=(∑i=1nexcursioni总指标监测数目)−1$\mathit{nse}=\left(\frac{\stackrel{n}{\sum _{i=1}}\mathrm{excursio}{\mathrm{n}}_i}{\mathit{总指标监测数目}}\right)-1$

式中excursion为超标指标的值与评价标准之间的偏差, 区分为指标值越大越好和越小越好2种情况。

指标越小越好:

excursioni=(指标超标值指标评价标准)−1$\mathrm{excursio}{\mathrm{n}}_i=\left(\frac{\mathit{指标超标值}}{\mathit{指标评价标准}}\right)-1$

指标越大越好:

excursioni=(指标评价标准未达标的指标值)−1$\mathrm{excursio}{n}_i=\left(\frac{\mathit{指标评价标准}}{\mathit{未达标的指标值}}\right)-1$

3个分项指标计算完成后计算水质指数, 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为0~100, 数值越大代表水质状况越好。

2.4.2 富营养化指数

富营养化指数根据王明翠等^[30]提出的富营养化评价方法进行修改, 表示为数值越大、富营养程度越低, 计算公式如下:

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为富营养化指数, 主要涉及Chla、TP、TN、SD和COD_Mn这5个指标; W_j为第j种参数的营养状态指数的权重; TLI(j)为第j种参数的营养状态指数, 营养状态指数计算参照文献[30]研究结果。

2.4.3 水华发生指数

水华发生指数(bloom index, BI)参照水质指数的计算方法, 将藻密度、水华发生次数作为监测指标进行计算, 结果为0~100, 数值越大代表水质状况越好。

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 健康风险指数

健康风险指数(health index, HI)同样参照水质指数的计算方法, 将微囊藻毒素、消毒副产物作为监测指标, 与相应的安全阈值进行比较, 获取健康风险指数。

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

根据各二级指标的值与相应的权重计算水质安全总得分, 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分别代表第i种二级指标的权重和指标值; SI为水质安全指数, 结果为0~100, 根据数值大小将水质安全状况分为优秀、良好、中等、及格、较差5个等级(表3)。

表3 水质安全等级Table 3 Water quality safety graduation

2012年太湖水质安全评价各指标值统计见表4。由表4可知, pH、TOC、藻密度和水华发生次数均出现超过评价阈值的现象, 而其他指标均未超过评价阈值。

表4 2012年太湖水质安全评价指数各指标值统计Table 4 Statistical description of indicators of water quality safety index of Taihu Lake in 2012

由监测数据计算太湖各区域二级指标即水质指数、富营养化指数、水华发生指数和健康风险指数, 结果如图2所示。由图2可知, 各湖区水质指数为62.13~84.23, 其中贡湖、湖东区和西南区水质指数均在80以上, 湖心区、西北区水质指数分别为79.17和76.78, 梅梁湖和竺山湖水质指数较低, 分别为68.09和62.13; 各湖区富营养化指数为34.53~45.00, 均表现出较高的富营养化水平, 其中西北区和竺山湖富营养化指数分别为36.60和34.53, 富营养化程度最为严重, 湖东区富营养化指数为45.00, 富营养化程度相对较低; 水华发生指数, 除湖东区外其余湖区全年均发生蓝藻水华, 竺山湖、西北区、梅梁湖、湖心区、西南区水华发生指数分别为25.47、26.57、31.38、35.04和36.32, 水华发生状况较为严重; 健康风险指数在各湖区均为100, 表明几种消毒副产物浓度均未超过标准规定的限值, 未表现出健康风险。

	Figure Option
	图2 2012年太湖不同湖区水质安全二级指标评价结果Fig.2 Assessment results of water quality safety secondary indicators for Taihu Lake in 2012

3.3.1 水质安全二级指标权重的确定

采用AHP确定二级指标权重。经过计算, 二级指标的CR为0, 具有良好的一致性(表5)。

表5 二级指标的矩阵一致性检验Table 5 The consistency judgment matrix of secondary indicators

最终获取的水质指数、富营养化指数、水华发生指数和健康风险指数权重分别为0.08、0.23、0.31和0.38。

3.3.2 水质安全指数

根据太湖不同区域水质安全二级指标及权重, 计算得到不同区域水质安全指数:湖东区水质安全指数为73.85, 对应水质安全等级为中等; 贡湖水质安全指数为63.57, 接近中等, 西南区、湖心区、梅梁湖、西北区和竺山湖水质安全指数分别为56.04、55.93、54.36、52.45和50.78, 对应水质安全等级均为及格, 其中水质安全指数最低的竺山湖水质安全等级接近较差。

利用水质安全评价方法, 计算得到2012年太湖整体水质安全等级仅为及格, 二级指标显示较高的富营养化程度以及频繁爆发的水华是导致太湖水质安全指数较低的主要原因。各湖区中, 湖东区水质指数、水华发生指数和健康风险指数均较高, 仅富营养化指数较低, 总体水质安全指数较高, 水质安全状况为中等, 相对安全; 竺山湖、西北区、梅梁湖水质指数、富营养化指数和水华发生指数均较低, 导致水质安全指数较低, 水质安全状况为及格; 湖心区、西南区水质指数较高, 富营养化指数较低, 但由于权重赋值较高的水华发生指数较低, 导致总体水质安全状况并未优于竺山湖、西北区和梅梁湖。由此可见, 水质安全指数相比常规水质评价, 结果更全面, 更精细, 有助于支撑太湖水环境管理决策。