李家河水庫水質評價綜合指數系統的研究

楊瑋倫,高宇軒,張曉輝

(1.西安水務(集團)李家河水庫管理有限公司,陜西 西安 710082;2.西安理工大學計算機科學與工程學院,陜西 西安 710048)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展,水資源短缺浪費和污染問題日益突出嚴重,威脅著城鄉居民用水安全和經濟的可持續發展。因此,加強水資源保護,建立和健全水質預警體系對于預防水質污染事件的發生,保證居民飲用水水質安全具有重要意義[1-3]。本文依據GB3838-2002《地表水環境質量標準》[4],根據李家河水庫的實際情況,選擇七個重要的評價水質指標:總氮、氨氮、總磷、高錳酸鹽系數、總鐵、總錳和溶解氧,以單項指標與其標準值相比較作為基本單元的多元綜合水質指數系統的研究方法,擬研制出一套適用于李家河水庫水質分類、分級的綜合指數系統[5-7],并利用該評價指數系統對2021年李家河水庫全年的水質情況進行評估;也期望通過本文的研究,為中小型水庫水質的評價提供一套有效的方法,為提高城鄉居民用水質量、保證水庫正常生產運行起到積極有益的作用。

1 多元綜合水質指數系統的研究

水源地水質指數系統的確定,首先要根據評價水體的性質選用適當的描述指標體系,即評價標準。在此基礎上判定各參數監測值與標準值的符合程度,并按不同參數的重要性,即對用途的影響程度施以權重,并以某種數學處理方法得到一種盡可能簡明的非技術性的以簡單數字系統表示的反映水質優劣和可用性的定量描述系統。

1.1 評價水質指標及其評價方法的選擇

按照GB3838-2002《地表水環境質量標準》,選擇評價水質指標:總氮、氨氮、總磷、高錳酸鹽系數、總鐵、總錳、溶解氧。

目前水質評價方法多種多樣,但其中概念清楚,使用較為普遍的為與標準相比較的指數法。故本文選定的評價方法為“以單項指標與其標準值相比較作為基本單元的多元綜合水質指數系統”。

1.2 計算計算步驟和公式

1.2.1 計算各指標的水質指數

若指標i是極小型指標,實測值Ci處于Cik

(1)

若指標i是極大型指標,實測值Ci處于Cik+1

(2)

其中:Ci為水質指標的濃度實測值;Cik為水質指標i的第k級的標準值;Iik為水質指標i的第k級標準值的設定指數。

1.2.2 計算綜合水質指數

公式為:

(3)

式中:WQI為綜合水質指數;Ii為第i個指標的水質指數;Wi為第i個指標的權重,由熵權法確定;n為用于水質評價的指標個數。

1.3 綜合水質指數的含義

上述綜合水質指數系統有其明確的水質優劣的界定和評價含義,即:

0

20

40

60

80

1.4 熵權法原理

假定有n條樣本,m個維度,用如下方式表示每個隨機變量的取值:

xij,i=1,2,…,n,j=1,2,…,m

(4)

1.4.1 標準化處理

為避免量綱造成的影響,首先要對指標進行標準化處理。根據指標含義,可將指標分為正向指標(取值越大越好)和逆向指標(取值越小越好),分別通過如下方法進行標準化:

(5)

(6)

1.4.2 計算每個水質指標的熵

(7)

1.4.3 計算冗余度

dj=1-Ej

(8)

1.4.4 計算權重

(9)

2 李家河水庫水質的評價研究

2.1 計算各水質指標的權重

采用2021年李家河水庫引水站水下0.5 m的數據,計算權重如下:

表1 水質指標權重表

2.2 評價標準分級及評價分值

表2中為水質指標的第級標準值。

表2 評價標準分級及評價分值 mg/L

2.3 綜合各指標權重和水質指數計算綜合水質指數WQI和水質等級

根據2021年李家河水庫引水站水下0.5 m的數據計算得到各采樣時間點的WQI,如圖1所示。

圖1 2021年李家河水庫的WQI

根據WQI計算水質等級如圖2所示?？梢娎罴液铀畮焖|情況較好,2021年全年均為2類水質。

圖2 2021年李家河水庫的水質等級

3 結語

本文針對李家河水庫的實際情況,根據水質評價的特點,依據GB3838-2002《地表水環境質量標準》,選擇總氮、氨氮、總磷、高錳酸鹽系數、總鐵、總錳和溶解氧等七個反映水質的重要指標,以單項指標與其標準值相比較作為基本單元的多元綜合水質指數系統(WQI)的研究方法,研制出一套適用于水庫水質分類、分級的綜合指數系統;并利用該WQI評價指數系統對2021年李家河水庫全年的水質情況進行了評價和評估,得到的結果反映出李家河水庫水質情況較好,2021年全年均為2類水質。本文的研究方法和研究成果對中小型水庫水質的綜合評價具有借鑒和推廣意義。