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(浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

中國正處于經(jīng)濟高速發(fā)展時期，然而環(huán)境、衛(wèi)生問題卻日益嚴峻.如何保障城鄉(xiāng)居民用水的質(zhì)量，成為當今社會面臨的一個重大難題.新的《生活飲用水衛(wèi)生標準》于2012年7月開始強制實施.水質(zhì)檢測指標的范圍大幅度擴大.從前的水質(zhì)監(jiān)測指標僅有35項，與發(fā)達國家的上百項有很大差距.新標準增加到了106項，基本達到了國際先進水平.106項指標的達標已經(jīng)可以保證自來水直接飲用.水質(zhì)較以往有了較大的改善.城市自來水廠為市民提供安全的生活用水，承擔著凈化河流湖泊原水的任務.而當自來水廠對原水的處理能力、處理水量一定時，原水水質(zhì)將對水廠的水處理工藝、設備、運行效率等產(chǎn)生直接的影響.對原水進行水質(zhì)評價，能夠促進水處理的工藝的優(yōu)化、水廠的調(diào)試和改造.備用水源的建設和保護也十分重要，其水質(zhì)評價也是不可或缺的.自20世紀60年代以來，國內(nèi)外關(guān)于水質(zhì)綜合評價的方法有了較大的發(fā)展.數(shù)理統(tǒng)計、模糊數(shù)學等方法在水質(zhì)綜合評價中得到很大的應用.

1 研究概況

1.1 研究區(qū)

杭州市南星水廠、祥符水廠、清泰水廠、九溪水廠，供水范圍覆蓋杭州市主城區(qū)、余杭部分、下沙等區(qū)域，出廠水濁度在0.2 NTU以下，設計日供水能力達到170萬m3.祥符水廠原水取自于東苕溪，取用非錢塘江水系的原水，取水口位于余杭奉口.清泰水廠是浙江省第一座自來水廠，水源取自錢塘江，經(jīng)多次改建，日供水能力已達到30萬m3，并負責杭州城東地區(qū)的供水，備用水源為貼沙河(研究的清泰水廠的原水取于貼沙河).九溪和南星水廠也均取水于錢塘江.南星水廠坐落于復興大橋北岸，為省內(nèi)最大規(guī)模的深度處理水廠，當錢塘江出現(xiàn)咸潮或其他特殊情況時，轉(zhuǎn)取上游備用水源珊瑚沙水庫原水.

1.2 數(shù)據(jù)的采集

為了考察溫度對水質(zhì)的影響，分別在2012年7月和12月于九溪、祥符、南星、清泰4個水廠的進水口取原水樣本，取樣后立即帶回實驗室進行水質(zhì)檢測[1].原水檢測涵蓋10余項水質(zhì)指標，選取了溶解氧、化學需氧量、總氮、氨氮4個指標作為研究指標.

1.3 研究方法

1.3.1 地理信息系統(tǒng)(GIS)

GIS通過計算機，對地表空間的地理數(shù)據(jù)進行了采集，同時記錄、計算和表達這些數(shù)據(jù)[2].以往的水質(zhì)評價常常以手工形式處理數(shù)據(jù)，或是利用相關(guān)計算機軟件，評價的結(jié)果也只以圖表等形式出現(xiàn)，而這些傳統(tǒng)方法難以直接體現(xiàn)空間分布，無法將信息進行形象、生動地表達[3].GIS提供了相關(guān)辦法.空間分析能力是GIS最核心、強大的功能，也是GIS與其他計算機輔助軟件的相區(qū)別之處；空間分析對空間事物做出定量的描述，使結(jié)果更加客觀和準確，也使空間物體的空間位置、聯(lián)系等方面得到了相應的研究[2].

以百度地圖精確度為2 km的地形圖作為底圖，利用ArcMap工具，將地圖導入ArcMap中，在ArcMap中把杭州市4個水廠的位置以點標出，各條道路、西湖和錢塘江的岸線以線標出，供水區(qū)域、錢塘江、西湖以多邊形標出，并將各個要素的地理信息在屬性表中輸入，再在圖上附上必要的注釋文字，編輯后制成可以操作的GIS數(shù)字地圖.

1.3.2 單因子評價方法

利用溶解氧、化學需氧量(所用的氧化劑為高錳酸鉀)、總氮、氨氮4個指標的檢測數(shù)據(jù)，通過ArcMap要素分類顯示的功能，以4個水廠的位置為顯示點，將原水水質(zhì)數(shù)據(jù)進行分類顯示，以點的大小反應各指標的濃度.

1.3.3 多因子綜合評價方法

熵權(quán)法以各項監(jiān)測指標值的差異程度為基礎(chǔ)，確定其權(quán)重，并作為一種客觀賦權(quán)方法，在水質(zhì)模糊評價中應用廣泛[4].采用熵權(quán)法對各因子賦權(quán)，可以簡化評價過程，使水質(zhì)評價結(jié)果更加準確.隸屬度指評價的指標隸屬于特定評價類別的概率，常運用于綜合評價.

2 水質(zhì)分析

2.1 單因子水質(zhì)評價與分析

GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》[5]中的4個水質(zhì)指標作為評價標準見表1,各水廠各指標不同時間的對比分析見圖1.

表1 原水水質(zhì)質(zhì)量濃度評價標準

圖1 7月和12月的各指標

2.1.1 以溶解氧(DO)為參數(shù)

水中的溶解氧含量是評定水體自凈能力和水質(zhì)的一個重要依據(jù).以溶解氧為參數(shù)進行獨立的GIS空間分析，得出4個水廠以溶解氧為水質(zhì)參數(shù)的7月和12月原水水質(zhì)的二維分布圖，見圖2.

圖2 溶解氧分布

由圖2可知：7月份原水分為Ⅲ類和Ⅳ類水質(zhì).九溪、南星的原水水質(zhì)較好，屬于Ⅲ類水.祥符、清泰的原水水質(zhì)略差，為Ⅳ類水.12月份原水分成Ⅰ類和Ⅱ類水質(zhì).其中祥符水廠的原水水質(zhì)最好，為Ⅰ類水質(zhì)，與其他三個水廠相比溶解氧濃度明顯較高，非常接近飽和溶解氧.清泰、南星、九溪水廠的原水為Ⅱ類水質(zhì).將7月份和12月份的原水水質(zhì)進行對比，發(fā)現(xiàn)12月的原水整體的溶解氧濃度與7月相比有了一定的上升.從單個水廠看，祥符溶解氧濃度上升最明顯，從Ⅳ類水變?yōu)棰耦愃?；清泰水質(zhì)改善也較多，從Ⅳ水變?yōu)榱刷蝾愃?；九溪和南星水質(zhì)不是很明顯，均從Ⅲ類水變?yōu)榱刷蝾愃?

12月份的4個水廠的原水溶解氧濃度與7月份相比有了不同程度的上升.因為水中的溶解氧的含量與空氣中氧的分壓、水的溫度都有密切關(guān)系.在自然情況下，空氣中的含氧量變動不大，故水溫是主要的因素，水溫愈低，水中溶解氧的含量愈高.另一個原因是水廠取的原水一般是深層水.藻類在水域生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動中發(fā)揮著重要作用[6].夏季藻類大量繁殖，在水面形成了遮光阻氣層，水中的氧和大氣中的氧交換平衡遭到破壞，水下的植物的光合作用受到限制，呼吸作用又大量消耗氧，深層水的溶解氧含量大大降低[7].

2.1.2 以化學需氧量(CODMn)為參數(shù)

化學需氧量COD(Chemical oxygen demand)是以化學方法處理水樣時所消耗的氧化劑的量，反映了水體受還原性物質(zhì)污染的程度，也作為有機物相對含量的綜合指標之一[8].圖3為化學需氧量二維分布圖.

圖3 COD分布

圖3顯示：7月份，4個水廠的原水均為Ⅱ類水.九溪和南星化學需氧量較低，清泰水廠和祥符水廠稍高.12月份，四個水廠的原水分成了兩類.其中祥符、南星的原水較優(yōu)，為Ⅱ類水.九溪、清泰的原水較差，為Ⅲ類.12月與7月相比，祥符、南星的原水水質(zhì)沒有改善，仍為Ⅱ類水.清泰水廠的原水水質(zhì)有了少許改善，從Ⅱ類水變?yōu)棰箢愃?

12月份的九溪水廠和清泰水廠的原水化學需氧量與7月份相比有了較少的上升.主要原因是12月份進入了枯水期，錢塘江流量減少，有機物不能得到有效的稀釋，因此原水的化學需氧量上升.

2.1.3 以總氮(TN)為參數(shù)

總氮含量是衡量水質(zhì)優(yōu)劣、水體富營養(yǎng)化的重要指標之一.水中氮、磷等營養(yǎng)元素超標時，浮游生物大量繁殖，微生物數(shù)目急劇上升，出現(xiàn)富營養(yǎng)化的現(xiàn)象.圖4為總氮二維分布圖.

圖4 TN分布

7月份原水分成Ⅴ類水和劣Ⅴ類水.祥符水廠原水水質(zhì)明顯較差，屬于劣Ⅴ類水.12月份4個水廠原水水質(zhì)均較差，都屬于劣Ⅴ類水.與7月相比，12月只有祥符的原水水質(zhì)沒有變化，仍為劣Ⅴ類水.清泰、南星、九溪的原水水質(zhì)均變差，均從Ⅴ類變?yōu)榱肆英躅?總氮濃度上升的現(xiàn)象同樣可以由錢塘江流量減少，有機物不能得到有效稀釋的原因解釋.

2.1.4 以氨氮為參數(shù)

氨氮是造成水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象的一種營養(yǎng)素和主要耗氧污染物.圖5為氨氮二維分布圖.

圖5 氨氮分布

由圖5可以看出：7月份，整體上氨氮濃度較高.原水被分成Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類水質(zhì).南星的原水水質(zhì)最好，為Ⅲ類水.其次是九溪和祥符，為Ⅳ類水.清泰的原水水質(zhì)最差，為Ⅴ類水.12月份，原水總體上比較好，分成Ⅰ類，Ⅱ類和Ⅲ類.結(jié)果顯示：祥符原水水質(zhì)最好，為Ⅰ類水；清泰水廠和南星水廠均為Ⅱ類水；九溪水廠為Ⅲ類水.12月的原水整體水質(zhì)與7月相比改善顯著.祥符和清泰改善較多，氨氮濃度下降顯著.祥符從Ⅳ類變?yōu)棰耦?；清泰從Ⅴ類變?yōu)棰蝾?南星從Ⅲ類變?yōu)棰蝾?；九溪從Ⅳ類變?yōu)棰箢?

2.2 多因子水質(zhì)評價與分析

2.2.1 熵權(quán)法步驟

歸一化原始數(shù)據(jù)矩陣.設定m個評價指標和n個評價對象所得的原始數(shù)據(jù)矩陣A=(aij)m×n，其中：aij為第j個水廠第i個指標的原始數(shù)據(jù)[4].j=1,2,3,4依次為溶解氧、總氮、氨氮、化學需氧量，i=1,2,3,4依次為南星、祥符、清泰、九溪水廠.對大者為優(yōu)和小者為優(yōu)的指標采用不同的歸一化公式，歸一化后的矩陣為R=(rij)m×n.

對大者為優(yōu)的指標(如溶解氧)，歸一化公式為

(1)

而對小者為優(yōu)的指標(如總氮)，歸一化公式為

(2)

定義熵：定義第i個指標的熵為

(3)

定義熵權(quán)，其表達式為

(4)

2.2.2 水質(zhì)綜合評價

7月份4個水廠4個水質(zhì)因子組成水質(zhì)評價原始矩陣A4×4.原始矩陣為

對原始數(shù)據(jù)矩陣歸一化后得

H={hi}=[0.775 0.792 0.656 0.698]

W={wi}=[0.209 0.193 0.319 0.280]

根據(jù)表1的評價標準，確定單個指標隸屬度，得出單因子評價矩陣B.以祥符水廠為例，其隸屬矩陣

限于篇幅，其他水廠的隸屬矩陣不一一列出.將得到的兩個矩陣W和B進行復合運算，綜合評價結(jié)果C=W·B(表2).

表2 7月份綜合評價結(jié)果

根據(jù)12月份的水質(zhì)指標，同樣可得

對原始數(shù)據(jù)矩陣歸一化后得

H={hi}=[0.635 0.485 0.779 0.756]

W={wi}=[0.271 0.383 0.164 0.182]

以祥符水廠為例，其隸屬矩陣

用同樣的方法進行綜合水質(zhì)評價，結(jié)果表明：南星、祥符、清泰、九溪的原水分別屬于Ⅰ類、Ⅰ類、Ⅴ類、Ⅱ類.總體上看，南星水廠和祥符水廠的原水綜合水質(zhì)較好，冬季原水水質(zhì)好于夏季.

3 結(jié) 論

錢塘江系水源受到上游各種不確定點源和面源污染的影響，調(diào)查年度內(nèi)不同月份各個水質(zhì)指標存在無規(guī)律行的變化.與7月份相比，12月份4個水廠原水的溶解氧濃度升高，氨氮濃度下降，九溪、清泰化學需氧量升高，九溪、清泰、南星總氮濃度增大.7月份清泰、九溪的原水綜合水質(zhì)較差，為Ⅳ類水；南星、祥符的水質(zhì)較好，屬于Ⅲ類水.12月份南星、祥符的原水綜合水質(zhì)最好，屬于Ⅰ類水；九溪為Ⅱ類水；清泰水質(zhì)最差，為Ⅴ類水.總體上看，南星和祥符的原水水質(zhì)較好，冬季的原水水質(zhì)也大多好于夏季.7月和12月，清泰水廠均水質(zhì)不佳，反映出貼沙河的水質(zhì)情況不容樂觀，備用水源的日常維護仍需加強.

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