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江南,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
时间：2023-11-17
焦点提醒：多维度水质平安评价方式切磋——以太湖为例赵艳平易近, 曹伟, 张雷, 马迎群, 秦延文*, 刘志超, 杨晨晨摘要要害词: 太湖; 多维度; 水质平安评价; 水华; 富养分化 经由过程选择科学的水质评价方式, 公道评价方针水体水量变化并得出有说服力的评价成果, 可为流域水情况治理部分依法治理供给科学决议计划的根据, 也是实现水情况治理部分与公家间有用交换的根本[1]。经常使用的水质评价方式包罗单因子指数评价法、内梅罗指数法、人工神经收集等, 今朝我国流域治理部分首要采取单因子指数评价法进行水质评价, 单因子指数评价法按照GB 3838— 2002《地表水情况质量尺度》[2]以最差水质目标所属种别作为分析水质种别, 该方式评价进程简单, 成果比力直不雅[3], 但评价结论表示为过庇护[4], 且不克不及在统一水质种别中进行好坏评价。内梅罗指数法也是利用较多的一种水质评价方式, 该方式斟酌了污染指数最年夜值和平均值, 评价时可能会过度凸起污染指数最年夜的目标对水质的影响和感化; 另外, 内梅罗指数法将情况质量与评价尺度的比值为1作为洁净与污染的分界点, 致使其对水质评价的活络性不足。人工神经收集(artificial neural network, ANN)最近几年来被普遍利用在水质评价中[5,6], 该方式具有很强的容错和容差能力, 可以或许有用消弭报酬和外界干扰[7], 可较客不雅地反应水质状态, 但该方式用在水质评价时凡是采取水质评价的分级尺度作为练习样本, 练习样本过少会影响评价成果正确性[8]。上述3种水质评价方式虽各有益弊, 但均操纵水质监测值与水质尺度值进行比力, 阐发其达标与否, 且水质目标以理化因子为主, 对水生态目标反应不足, 是以较难周全反应水质平安状态, 更不消说凸起水体富养分化问题。当前有需要建立能较周全反应水质、富养分化和饮用水健康的多维度评价方式, 以客不雅地评价湖泊水质平安状态。 太湖是我国第三年夜淡水湖泊, 对区域社会不变和经济成长具有主要的感化[9], 太湖水质评价备受研究者存眷。陆铭锋等[3]按照2000— 2005年太湖水质监测材料, 采取单目标评价法评价太湖水质, 注解太湖北部梅梁湖、竺山湖等湖区污染严峻, 水质恶化趋向在2003年后整体获得有用节制; 徐彬等[10]采取内梅罗指数法评价太湖水质, 注解2007— 2012年太湖水质慢慢好转。但以往太湖水质评价相干研究中, 首要存眷太湖水体的理化目标[10,11], 对太湖水华产生和其致使的人体健康风险斟酌不足[12], 且基在理化目标的水质评价成果难以反应太湖蓝藻水华产生和长时候延续问题[13], 对太湖的科学管理和治理晦气。笔者在已有的水质评价方式根本上, 将水华产生目标和反应人体健康的目标纳入水质平安分析评价系统中, 分析斟酌超标目标个数、超标频度和幅度, 建立多维度水质平安评价方式, 以期为科学判定太湖水质平安状态供给理论根据。 太湖位在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, 邻接无锡、常州、姑苏、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财的地域之一, 跟着工农业出产的成长, 太湖水体富养分化问题日益严峻。从20世纪80年月后期以来, 每一年炎天太湖北部频仍迸发蓝藻水华[14], 2007年5月28日— 6月3日, 太湖贡湖湾水厂产生了严峻的水危机事务, 引发社会普遍存眷[15]。对太湖水质平安进行研究、辨认太湖水质平安面对的首要问题成为主要使命之一。 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。水华产生数据首要根据MODIS卫星遥感影象进行统计; 消毒副产品数据按照消毒副产品与叶绿素a(Chla)浓度回归方程, 由实测Chla浓度计较获得。根据太湖的地形、水动力特点和最近几年来的水量变化纪律, 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。 因为持久污染物延续输入, 太湖水质污染严峻, 首要污染物为总磷(TP)、总氮(TN)和高锰酸盐指数(CODMn), 表示为水体富养分化、水华迸发, 影响水体利用功能。 基在太湖水质平安问题的阐发, 遵守建立目标系统的相干准绳, 包罗分歧性、客不雅性、互斥性、易获性等[16,17], 经由过程调研、征询相干专家, 建立了包括4个二级目标、21个三级目标的多维度水质平安评价目标系统(表1)。 表征太湖水质平安的4个二级目标中, 水质指数首要反应太湖根基水质状态和重金属污染, 除pH、电导率、总无机碳(TOC)、消融氧(DO)等目标外, 还选择了能反应太湖周边特点冶炼、化工、医药等行业污染的As、Cd、Cu和Zn这4种重金属目标; 富养分化指数选择Chla、TP、TN、通明度(SD)和CODMn这5项目标, 反应太湖水体养分盐程度; 水华产生指数选择藻密度和水华产生次数2项目标, 首要反应评价时代水华产生环境; 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项消毒副产品目标, 反应水华产生和处置后可能对人体健康发生的影响。 采取条理阐发法(AHP)肯定二级目标权重。AHP是一种定性和定量相连系、系统化和条理化的阐发方式, 可处理由浩繁身分组成且身分之间彼此联系关系、彼此限制并贫乏定量数据的问题[18]。AHP建模首要包罗4个步调 :1)成立递阶级次布局模子; 2)组织各条理中的判定矩阵; 3)条理单排序和分歧性查验; 4)计较判定矩阵最年夜特点值相对应的特点向量, 计较各身分对系统方针的权重。因为AHP运算简洁、适用性强, 在情况风险评价范畴被普遍采取[19,20]。AHP肯定二级目标权重时, 采取1~9的标度法对目标权重主要性水平赋值, 判定矩阵的分歧性, 公式以下: CR=CI∕RICI=(λmax−n)∕(n−1)CR=CI∕RICI=(λmax-n)∕(n-1) 式中:CR为随机分歧性比率, 当CR< 0.10时, 报酬判定矩阵的分歧性是能够接管的, 不然应对判定矩阵做批改使其具有满足的分歧性; CI为怀抱判定矩阵偏离的分歧性目标;λmax为该矩阵的最年夜特点根;n为矩阵阶数; RI为平均分歧性目标。 斟酌到太湖作为饮用水源地的特征, 参照GB 3838— 2002中Ⅲ 类水质尺度和GB 5749— 2006《糊口饮用水卫生尺度》[22], 肯定太湖水质平安指数所需评价目标的阈值, 尺度中未触及的电导率、藻密度和水华产生次数等目标, 则按照其他研究成果肯定其阈值, 具体见表2。 消融性总固体又称总矿化度, 指水中消融组分的总量, 包罗Ca2+、Mg2+、K+、Na+、CO32−O32-、HCO−3O3-、Cl-、SO42−O42-等阴阳离子[24]。GB 5749— ����APP2006划定饮用水中消融性总固体浓度尺度是1 000 mg/L, 其尺度查验方式为称量法[25]。但称量法测定水中消融性总固体浓度时易受温度、湿度等情况因子的影响, 且操作繁琐、费时吃力[26], 所以最近几年来浩繁研究者采取测定电导率, 经由过程回归曲线方式测定消融性总固体浓度[27,28], 现有研究成果显示消融性总固体浓度与电导率的转化系数为0.5~0.8, 为简化计较进程, 同时为目标阈值留出平安余量, 采取1 000 μ S/cm作为电导率的评价阈值。 2.4.1 水质指数 水质指数依照加拿年夜情况部长理事会提出的水质指数(Canadian Council of Ministers of the Environment water quality index, CCME-WQI)进行计较[29], 该评价指数首要斟酌3方面的身分:1)评价时代呈现超标的目标数百分比记为F1; 2)目标超标的频次百分比记为F2; 3)目标超标的幅度记为F3。各身分计较公式以下: F1=(超标目标数评价总目标数)×100F2=(总目标超标次数评价时代总的目标监测数)×100F3=(nse0.01×nse+0.01)−1F1=超标目标数评价总目标数×100F2=总目标超标次数评价时代总的目标监测数×100F3=nse0.01×nse+0.01-1 此中nse计较公式为: nse=(∑i=1nexcursioni总目标监测数量)−1nse=∑i=1nexcursioni总目标监测数量-1 式中excursion为超标目标的值与评价尺度之间的误差, 辨别为目标值越年夜越好和越小越好2种环境。 目标越小越好: excursioni=(目标超标值目标评价尺度)−1excursioni=目标超标值目标评价尺度-1 目标越年夜越好: excursioni=(目标评价尺度未达标的目标值)−1excursioni=目标评价尺度未达标的目标值-1 3个分项目标计较完成后计较水质指数, 公式以下: WQI=100−F12+F22+F32−−−−−−−−−−−−−√/1.732WQI=100-F12+F22+F32∕1.732 WQI为0~100, 数值越年夜代表水质状态越好。 2.4.2 富养分化指数 富养分化指数按照王明翠等[30]提出的富养分化评价方式进行点窜, 暗示为数值越年夜、富养分水平越低, 计较公式以下: EI=100−∑j=1mWj×TLI(j)EI=100-∑j=1mWj×TLI(j) 式中, EI为富养分化指数, 首要触及Chla、TP、TN、SD和CODMn这5个目标;Wj为第j种参数的养分状况指数的权重; TLI(j)为第j种参数的养分状况指数, 养分状况指数计较参照文献[30]研究成果。 2.4.3 水华产生指数 水华产生指数(bloom index, BI)参照水质指数的计较方式, 将藻密度、水华产生次数作为监测目标进行计较, 成果为0~100, 数值越年夜代表水质状态越好。 BI=100−F12+F22+F32−−−−−−−−−−−−−√/1.732BI=100-F12+F22+F32∕1.732 2.4.4 健康风险指数 健康风险指数(health index, HI)一样参照水质指数的计较方式, 将微囊藻毒素、消毒副产品作为监测目标, 与响应的平安阈值进行比力, 获得健康风险指数。 HI=100−F12+F22+F32−−−−−−−−−−−−−√/1.732HI=100-F12+F22+F32∕1.732 按照各二级目标的值与响应的权重计较水质平安总得分, 公式以下: SI=∑i=1nkiKiSI=∑i=1nkiKi 式中,ki和Ki别离代表第i种二级目标的权重和目标值; SI为水质平安指数, 成果为0~100, 按照数值巨细将水质平安状态分为优异、杰出、中等、合格、较差5个品级(表3)。 2012年太湖水质平安评价各目标值统计见表4。由表4可知, pH、TOC、藻密度和水华产生次数均呈现跨越评价阈值的现象, 而其他目标均未跨越评价阈值。 由监测数据计较太湖各区域二级目标即水质指数、富养分化指数、水华产生指数和健康风险指数, 成果如图2所示。由图2可知, 各湖区水质指数为62.13~84.23, 此中贡湖、湖东区和西南区水质指数均在80以上, 湖心区、西北区水质指数别离为79.17和76.78, 梅梁湖和竺山湖水质指数较低, 别离为68.09和62.13; 各湖区富养分化指数为34.53~45.00, 均表示出较高的富养分化程度, 此中西北区和竺山湖富养分化指数别离为36.60和34.53, 富养分化水平最为严峻, 湖东区富养分化指数为45.00, 富养分化水平相对较低; 水华产生指数, 除湖东区外其余湖区全年均产生蓝藻水华, 竺山湖、西北区、梅梁湖、湖心区、西南区水华产生指数别离为25.47、26.57、31.38、35.04和36.32, 水华产生状态较为严峻; 健康风险指数在各湖区均为100, 注解几种消毒副产品浓度均未跨越尺度划定的限值, 未表示出健康风险。 3.3.1 水质平安二级目标权重简直定 采取AHP肯定二级目标权重。颠末计较, 二级目标的CR为0, 具有杰出的分歧性(表5)。 终究获得的水质指数、富养分化指数、水华产生指数和健康风险指数权重别离为0.08、0.23、0.31和0.38。 3.3.2 水质平安指数 按照太湖分歧区域水质平安二级目标和权重, 计较获得分歧区域水质平安指数:湖东区水质平安指数为73.85, 对应水质平安品级为中等; 贡湖水质平安指数为63.57, 接近中等, 西南区、湖心区、梅梁湖、西北区和竺山湖水质平安指数别离为56.04、55.93、54.36、52.45和50.78, 对应水质平安品级均为合格, 此中水质平安指数最低的竺山湖水质平安品级接近较差。 操纵水质平安评价方式, 计较获得2012年太湖全体水质平安品级仅为合格, 二级目标显示较高的富养分化水平和频仍迸发的水华是致使太湖水质平安指数较低的首要缘由。各湖区中, 湖东区水质指数、水华产生指数和健康风险指数均较高, 仅富养分化指数较低, 整体水质平安指数较高, 水质平安状态为中等, 相对平安; 竺山湖、西北区、梅梁湖水质指数、富养分化指数和水华产生指数均较低, 致使水质平安指数较低, 水质平安状态为合格; 湖心区、西南区水质指数较高, 富养分化指数较低, 但因为权重赋值较高的水华产生指数较低, 致使整体水质平安状态并未优在竺山湖、西北区和梅梁湖。因而可知, 水质平安指数比拟常规水质评价, 成果更周全, 更邃密, 有助在支持太湖水情况治理决议计划。 (1)太湖整体污染特点为TP、TN、CODMn等污染物浓度较高, 湖泊全体处在富养分化, 水华频仍迸发, 严峻干扰了水体一般利用功能。基在太湖水污染特点挑选了包罗水质指数、富养分化指数、水华产生指数、健康风险指数方面的目标, 建立了包括4个二级目标、21个三级目标的多维度水质平安评价目标系统; 基在条理阐发法肯定二级目标权重, 按照评价目标阈值计较二级指数值, 经由过程计较水质平安指数并按照分值巨细肯定水质平安状态。 (2)2012年太湖分歧区域水质平安指数评价成果注解, 湖东区水质平安指数为73.85, 水质平安品级为中等; 贡湖水质平安指数为63.57, 接近中等, 西南区、湖心区、梅梁湖、西北区和竺山湖水质平安指数别离为56.04、55.93、54.36、52.45和50.78, 对应品级均为合格。影响太湖水质平安的首要身分为较高的富养分化水平和频仍产生的水华。 The authors have declared that no competing interests exist.
援用本文
赵艳平易近, 曹伟, 张雷, 等. 多维度水质平安评价方式切磋——以太湖为例[J]. 情况项目手艺学报, 2018,8(6): 595-601.ZHAO Yanmin, CAO Wei, ZHANG Lei, et al. Study of multi-dimensional water quality safety evaluation method: taking Taihu Lake as an example[J].Journal of Environmental Engineering Technology, 2018,8(6): 595-601.Doi:10.3969/j.issn.1674-991X.2018.06.079
Permissions多维度水质平安评价方式切磋——以太湖为例赵艳平易近
, 曹伟, 张雷, 马迎群, 秦延文*, 刘志超, 杨晨晨摘要要害词:太湖;多维度;水质平安评价;水华;富养分化中图分类号:X824 文章编号:1674-991X(2018)06-0595-07Study of multi-dimensional water quality safety evaluation method: taking Taihu Lake as an exampleZHAO Yanmin, CAO Wei, ZHANG Lei, MA Yingqun, QIN Yanwen, LIU Zhichao, YANG ChenchenAbstractKeyword:Taihu Lake;multi-dimension;water quality safety assessment;water bloom;eutrophication文章图片
图1太湖监测点位和分区Fig.1Sketch of monitoring point station and seven regions in Taihu Lake 2 太湖水质平安评价方式2.1 太湖水质平安问题
表1太湖水质平安评价目标系统Table 1Indicators of water quality security assessment of Taihu Lake 表2太湖水质平安评价目标阈值Table 2Threshold of different parameters used for calculated safe index of Taihu Lake 表3水质平安品级Table 3Water quality safety graduation 3 太湖水质平安评价和成果阐发3.1 水质平安评价各目标值 表42012年太湖水质平安评价指数各目标值统计Table 4Statistical description of indicators of water quality safety index of Taihu Lake in 2012 3.2 水质平安评价二级目标
图22012年太湖分歧湖区水质平安二级目标评价成果Fig.2Assessment results of water quality safety secondary indicators for Taihu Lake in 2012 3.3 水质平安评价指数分区计较成果 表5二级目标的矩阵分歧性查验Table 5The consistency judgment matrix of secondary indicators
