山西飲用水水源地水質健康評估分析

田完紅

(山西省晉城市郭壁供水站，山西 晉城 048000)

1 山西汾河流域水源地基本情況

整個流域集水面積39 471 km，為湖庫型水源，為山西省目前最大的地表水飲用水源地。汾河水庫庫區水域面積32 km2，總庫容7.2×108m。此外，平均每年引黃河水約9 000×104m3，并向省城太原市供水，汾河水庫作為引黃人并工程的調蓄水庫，已成為山西省最大的飲用水水源地。

2 飲用水源地水質健康狀況評估

該文從水源地常規指標、湖庫類型水源地特征指標和水源地常見有毒有害物質三個方面，布設6個監測點對山西汾河流域的集中式飲用水源地進行水質分析，并對其水質變化特征進行探討。在此基礎上，根據水質分析結果，對本流域典型集中式飲用水源水質衛生狀況進行評價分級。

2.1 水源地常規指標分析

2.1.1 高錳酸鹽指數

高錳酸鹽指數主要用于表示水體中的有機物含量，圖1顯示了監測點A向H高錳酸鹽指數的變化。在水原面，2015-2017年水原A的月高錳酸鹽指數顯著高于其他來源，并且是III類地表水指數(6 mg/L)的濃度，在每年9月左右達到最高水平。引爆點。在監測點，高錳酸鉀指數的含量基本波動至低于地表水水平(2 mg/L)的水平。其他六個監測點的月平均高錳酸鹽指數相對接近，并且在地表水的第一水平(2 mg/L)和第二水平(4 mg/L)之間波動。在年度變化中，大多數來源的高錳酸鹽指數每年都呈下降趨勢，但總體上波動。

圖1 高錳酸鹽指數濃度變化情況

2.1.2 五日化學需氧量(BOD5)

在6個監測點中，未發現有超過Ⅲ級的生化需氧量發生在各水源地。在2015-2017年的36月期間，監測點A各月生化需氧量基本高于其他監測點，其中12個月的生化需氧量在Ⅱ類(3 mg/L)和Ⅲ類(4 mg/L)之間，其他監測點的五日生化需氧量維持在Ⅰ類(3 mg/L)以下。不同水源的生化需氧量相對濃度及其變化趨勢與化學需氧量基本一致。

2.1.3 氨氮(NH3-N)

2015-2017年，從水源地的情況來看，6個監測點的氨氮濃度均低于Ⅱ級(0.5 mg/L)。2015年1-4月，監測點C和F的氨氮濃度呈上升趨勢，2016年5月-2017年12月，監測點E的氨氮濃度呈上升趨勢，繼續波動于Ⅰ級(0.15 mg/L)-Ⅱ級(0.5 mg/L)之間，部分月份接近0.5 mg/L。監測點C.E.F均屬黃河沿岸，黃河水域往來船只眾多，港口碼頭多，船舶污染風險較大，尤其是生活性污染，故上述三種監測點氨氮偏高的原因可能是由此造成的。除了C,E,F三個監測點外，其它監測點的氨氮含量均低于Ⅰ(0.15 mg/L)。

2.2 湖庫型水源地特征指標分析

2.2.1 總氮(TN)

在6個監測點中，監測點A和監測點D的月總氮濃度均高于其它水源地，在監測期內大部分月份均有超標(超Ⅲ類)發生，其中水源地A的月總氮達到劣Ⅴ類，監測點D的月總氮達到Ⅴ類；監測點B.G.H的月總氮濃度均低于Ⅲ類(1 mg/L)指標值(圖2)。

圖2 總氮(TN)濃度變化情況

2.2.2 葉綠素a(chla)

在水源地方面，6個監測點中，A類水源地葉綠素A濃度較高，最高值為32.5 mg/m3；監測點D約為10 mg/m3；監測點C和監測點E葉綠素A濃度較低，基本維持在5 mg/m3以下。

2.2.3 透明度

就監測點而言，監測點A和D的透明度較低，默認情況下保持在50 cm以下。監測點B的透明度小于100 cm，略高于監測點A和D的透明度。監測點G和H的透明度較高，但最近有所降低。

2.3 水源地常見有毒有害物質分析

2.3.1 重/類金屬類

在過去三年(2015-2017年)中，每個監測點中每月所選重金屬/品位金屬指標的濃度都可以達到III級標準。在這些指標中，砷(As)和鉻(Cr)低于I級。三個指標：銅(Cu)，鋅(Zn)和鎘(Cd)在單個月份中似乎超過了I類，但是汞(Hg)，鉛(Pb)和其他兩個指標超過了II類?？紤]到每個表面的平均值，水源區域中的銅(Cu)，鋅(Zn)和鉻(Cr)的濃度相對較高，這可能是由于黃河沿岸的船舶污染所致。在其中，汞(Hg)的濃度略高于其他監測點，這三個監測點均來自汾河；在G和H監測點中，鎘(Cd)和鉛(Pb)的濃度較高。

2.3.2 有機物類

在過去三年中(2015-2017年)，從各監測點中監測到的有毒和有害有機污染物的濃度已達到標準限制要求。其中，監測點G和H的氯仿濃度相對高于其他監測點，約占標準值的10%；監測點A和H的氯仿和1,2-二氯乙烷的濃度相對高于其他監測點。約占標準值的30%至40%，G和H監測點中三氯乙烯和四氯乙烯的濃度比其他監測點高，約占標準值的10%。與其他監測點相比，三氯乙烯和四氯乙烯的水源濃度較高，其中苯，甲苯和乙苯的濃度分別為50%和10%，監測點A，G和H水源為三氯乙烯。苯，1,2-二氯苯，1,4-與其他監測點相比，二氯苯的濃度相對較高，其中異丙苯的濃度約為參考值的1至2，氯苯的濃度約為參考值的2%至8%，1,2-二氯苯的濃度為它大約是標準值的6%。

2.4 基于熵權綜合指數法的飲用水源地水質健康評估

構造基于2015-2017年飲用水水源主要指標均值的判斷矩陣R=(xij)5×27。

判別矩陣中的指標可分為越大越優和越小越優兩種，并按以下公式進行歸一化處理。

越大越優型：

(1)

越小越優型：

(2)

式中：xi,max為不同樣本第i個指標的最大值；xi,min為不同樣本第i個指標的最小值；rij-xij的歸一化結果，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n

因此，用公式(2)對溶解氧、透明度兩項指標進行歸一化計算，用公式(2)進行高錳酸鹽指數、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮、葉綠素a等6項指標的歸一化計算。給出了矩陣R的規范化結果。

從熵的定義出發，對于n個樣本的m個評價指標，評價指標的熵可以確定為：

(3)

式中，0≤Hi≤1為使lnfij有意義，假定fij=0時，fijlnfij=0，其中，i=1，2，…，m，j=1，2，…，n

然后對6個樣本的27個指標分別計算各個評價指標的熵值。

通過對飲用水水源水質健康評價指標的熵值計算，得到6個樣本27個評價指標的熵值矩陣為：

熵權計算公式為：

(4)

用公式(4)引入矩陣H，得到6個樣本的27個評價指標的熵權矩陣：

(5)

用公式(1),(2),(4)計算得到的和用公式(5)代數得到的各水源地水質健康評估得分見表10。

表1 水質健康評估得分

2.5 飲用水水源水質衛生狀況和水環境風險評價結果分析

2.5.1 對飲用水來源進行水質健康評估的結果分析

使用權熵綜合指數法(WQHI)用于計算水原綜合水質健康指數，并通過分析水質數據本身反映水原水體處于健康狀態，從而評估水原的水生態健康狀況(見圖3)。整個索引的大小本身沒有視覺意義，應該通過一組數字級別定義來賦予其意義。

2.5.2 飲用水源地水質環境風險評估的結果

本文介紹了一種基本的飲用水源環境風險評估方法，在對六個監測點進行離線評估時，除監測點A以外的其余監測點處于低風險作為高風險點(見圖4)。

水質WQHI水平與BRI指數之間存在一定的負相關關系，表明水的健康狀況與水源本身的潛在環境風險之間存在一定的內在聯系，綜合運用兩者來評估水源風險是科學合理。

3 結語

飲用水源安全事關人民群眾的切身利益，保障飲用水安全對保障人民群眾生命健康至關重要。水質健康評估是保證水源安全的關鍵，其主要任務是了解水源現狀，識別水源環境風險。本文運用熵權綜合指數法對水源地水質健康狀況進行評價，得到了水源地水質健康綜合指數(WQHI)得分，為山西汾河流域飲用水水源地采取有效措施改善水質提供了詳盡的數據，對促進水源地環境保護規范化建設、保障水源地水質安全具有重要意義。