基于GIS和熵权法的水厂原水水质评价

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(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

中国正处于经济高速发展时期，然而环境、卫生问题却日益严峻.如何保障城乡居民用水的质量，成为当今社会面临的一个重大难题.新的《生活饮用水卫生标准》于2012年7月开始强制实施.水质检测指标的范围大幅度扩大.从前的水质监测指标仅有35项，与发达国家的上百项有很大差距.新标准增加到了106项，基本达到了国际先进水平.106项指标的达标已经可以保证自来水直接饮用.水质较以往有了较大的改善.城市自来水厂为市民提供安全的生活用水，承担着净化河流湖泊原水的任务.而当自来水厂对原水的处理能力、处理水量一定时，原水水质将对水厂的水处理工艺、设备、运行效率等产生直接的影响.对原水进行水质评价，能够促进水处理的工艺的优化、水厂的调试和改造.备用水源的建设和保护也十分重要，其水质评价也是不可或缺的.自20世纪60年代以来，国内外关于水质综合评价的方法有了较大的发展.数理统计、模糊数学等方法在水质综合评价中得到很大的应用.

1 研究概况

1.1 研究区

杭州市南星水厂、祥符水厂、清泰水厂、九溪水厂，供水范围覆盖杭州市主城区、余杭部分、下沙等区域，出厂水浊度在0.2 NTU以下，设计日供水能力达到170万m3.祥符水厂原水取自于东苕溪，取用非钱塘江水系的原水，取水口位于余杭奉口.清泰水厂是浙江省第一座自来水厂，水源取自钱塘江，经多次改建，日供水能力已达到30万m3，并负责杭州城东地区的供水，备用水源为贴沙河(研究的清泰水厂的原水取于贴沙河).九溪和南星水厂也均取水于钱塘江.南星水厂坐落于复兴大桥北岸，为省内最大规模的深度处理水厂，当钱塘江出现咸潮或其他特殊情况时，转取上游备用水源珊瑚沙水库原水.

1.2 数据的采集

为了考察温度对水质的影响，分别在2012年7月和12月于九溪、祥符、南星、清泰4个水厂的进水口取原水样本，取样后立即带回实验室进行水质检测[1].原水检测涵盖10余项水质指标，选取了溶解氧、化学需氧量、总氮、氨氮4个指标作为研究指标.

1.3 研究方法

1.3.1 地理信息系统(GIS)

GIS通过计算机，对地表空间的地理数据进行了采集，同时记录、计算和表达这些数据[2].以往的水质评价常常以手工形式处理数据，或是利用相关计算机软件，评价的结果也只以图表等形式出现，而这些传统方法难以直接体现空间分布，无法将信息进行形象、生动地表达[3].GIS提供了相关办法.空间分析能力是GIS最核心、强大的功能，也是GIS与其他计算机辅助软件的相区别之处；空间分析对空间事物做出定量的描述，使结果更加客观和准确，也使空间物体的空间位置、联系等方面得到了相应的研究[2].

以百度地图精确度为2 km的地形图作为底图，利用ArcMap工具，将地图导入ArcMap中，在ArcMap中把杭州市4个水厂的位置以点标出，各条道路、西湖和钱塘江的岸线以线标出，供水区域、钱塘江、西湖以多边形标出，并将各个要素的地理信息在属性表中输入，再在图上附上必要的注释文字，编辑后制成可以操作的GIS数字地图.

1.3.2 单因子评价方法

利用溶解氧、化学需氧量(所用的氧化剂为高锰酸钾)、总氮、氨氮4个指标的检测数据，通过ArcMap要素分类显示的功能，以4个水厂的位置为显示点，将原水水质数据进行分类显示，以点的大小反应各指标的浓度.

1.3.3 多因子综合评价方法

熵权法以各项监测指标值的差异程度为基础，确定其权重，并作为一种客观赋权方法，在水质模糊评价中应用广泛[4].采用熵权法对各因子赋权，可以简化评价过程，使水质评价结果更加准确.隶属度指评价的指标隶属于特定评价类别的概率，常运用于综合评价.

2 水质分析

2.1 单因子水质评价与分析

GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[5]中的4个水质指标作为评价标准见表1,各水厂各指标不同时间的对比分析见图1.

表1 原水水质质量浓度评价标准

图1 7月和12月的各指标

2.1.1 以溶解氧(DO)为参数

水中的溶解氧含量是评定水体自净能力和水质的一个重要依据.以溶解氧为参数进行独立的GIS空间分析，得出4个水厂以溶解氧为水质参数的7月和12月原水水质的二维分布图，见图2.

图2 溶解氧分布

由图2可知：7月份原水分为Ⅲ类和Ⅳ类水质.九溪、南星的原水水质较好，属于Ⅲ类水.祥符、清泰的原水水质略差，为Ⅳ类水.12月份原水分成Ⅰ类和Ⅱ类水质.其中祥符水厂的原水水质最好，为Ⅰ类水质，与其他三个水厂相比溶解氧浓度明显较高，非常接近饱和溶解氧.清泰、南星、九溪水厂的原水为Ⅱ类水质.将7月份和12月份的原水水质进行对比，发现12月的原水整体的溶解氧浓度与7月相比有了一定的上升.从单个水厂看，祥符溶解氧浓度上升最明显，从Ⅳ类水变为Ⅰ类水；清泰水质改善也较多，从Ⅳ水变为了Ⅱ类水；九溪和南星水质不是很明显，均从Ⅲ类水变为了Ⅱ类水.

12月份的4个水厂的原水溶解氧浓度与7月份相比有了不同程度的上升.因为水中的溶解氧的含量与空气中氧的分压、水的温度都有密切关系.在自然情况下，空气中的含氧量变动不大，故水温是主要的因素，水温愈低，水中溶解氧的含量愈高.另一个原因是水厂取的原水一般是深层水.藻类在水域生态系统的物质循环和能量流动中发挥着重要作用[6].夏季藻类大量繁殖，在水面形成了遮光阻气层，水中的氧和大气中的氧交换平衡遭到破坏，水下的植物的光合作用受到限制，呼吸作用又大量消耗氧，深层水的溶解氧含量大大降低[7].

2.1.2 以化学需氧量(CODMn)为参数

化学需氧量COD(Chemical oxygen demand)是以化学方法处理水样时所消耗的氧化剂的量，反映了水体受还原性物质污染的程度，也作为有机物相对含量的综合指标之一[8].图3为化学需氧量二维分布图.

图3 COD分布

图3显示：7月份，4个水厂的原水均为Ⅱ类水.九溪和南星化学需氧量较低，清泰水厂和祥符水厂稍高.12月份，四个水厂的原水分成了两类.其中祥符、南星的原水较优，为Ⅱ类水.九溪、清泰的原水较差，为Ⅲ类.12月与7月相比，祥符、南星的原水水质没有改善，仍为Ⅱ类水.清泰水厂的原水水质有了少许改善，从Ⅱ类水变为Ⅲ类水.

12月份的九溪水厂和清泰水厂的原水化学需氧量与7月份相比有了较少的上升.主要原因是12月份进入了枯水期，钱塘江流量减少，有机物不能得到有效的稀释，因此原水的化学需氧量上升.

2.1.3 以总氮(TN)为参数

总氮含量是衡量水质优劣、水体富营养化的重要指标之一.水中氮、磷等营养元素超标时，浮游生物大量繁殖，微生物数目急剧上升，出现富营养化的现象.图4为总氮二维分布图.

图4 TN分布

7月份原水分成Ⅴ类水和劣Ⅴ类水.祥符水厂原水水质明显较差，属于劣Ⅴ类水.12月份4个水厂原水水质均较差，都属于劣Ⅴ类水.与7月相比，12月只有祥符的原水水质没有变化，仍为劣Ⅴ类水.清泰、南星、九溪的原水水质均变差，均从Ⅴ类变为了劣Ⅴ类.总氮浓度上升的现象同样可以由钱塘江流量减少，有机物不能得到有效稀释的原因解释.

2.1.4 以氨氮为参数

氨氮是造成水体富营养化现象的一种营养素和主要耗氧污染物.图5为氨氮二维分布图.

图5 氨氮分布

由图5可以看出：7月份，整体上氨氮浓度较高.原水被分成Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类水质.南星的原水水质最好，为Ⅲ类水.其次是九溪和祥符，为Ⅳ类水.清泰的原水水质最差，为Ⅴ类水.12月份，原水总体上比较好，分成Ⅰ类，Ⅱ类和Ⅲ类.结果显示：祥符原水水质最好，为Ⅰ类水；清泰水厂和南星水厂均为Ⅱ类水；九溪水厂为Ⅲ类水.12月的原水整体水质与7月相比改善显著.祥符和清泰改善较多，氨氮浓度下降显著.祥符从Ⅳ类变为Ⅰ类；清泰从Ⅴ类变为Ⅱ类.南星从Ⅲ类变为Ⅱ类；九溪从Ⅳ类变为Ⅲ类.

2.2 多因子水质评价与分析

2.2.1 熵权法步骤

归一化原始数据矩阵.设定m个评价指标和n个评价对象所得的原始数据矩阵A=(aij)m×n，其中：aij为第j个水厂第i个指标的原始数据[4].j=1,2,3,4依次为溶解氧、总氮、氨氮、化学需氧量，i=1,2,3,4依次为南星、祥符、清泰、九溪水厂.对大者为优和小者为优的指标采用不同的归一化公式，归一化后的矩阵为R=(rij)m×n.

对大者为优的指标(如溶解氧)，归一化公式为

(1)

而对小者为优的指标(如总氮)，归一化公式为

(2)

定义熵：定义第i个指标的熵为

(3)

定义熵权，其表达式为

(4)

2.2.2 水质综合评价

7月份4个水厂4个水质因子组成水质评价原始矩阵A4×4.原始矩阵为

对原始数据矩阵归一化后得

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

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

根据表1的评价标准，确定单个指标隶属度，得出单因子评价矩阵B.以祥符水厂为例，其隶属矩阵

限于篇幅，其他水厂的隶属矩阵不一一列出.将得到的两个矩阵W和B进行复合运算，综合评价结果C=W·B(表2).

表2 7月份综合评价结果

根据12月份的水质指标，同样可得

对原始数据矩阵归一化后得

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

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

以祥符水厂为例，其隶属矩阵

用同样的方法进行综合水质评价，结果表明：南星、祥符、清泰、九溪的原水分别属于Ⅰ类、Ⅰ类、Ⅴ类、Ⅱ类.总体上看，南星水厂和祥符水厂的原水综合水质较好，冬季原水水质好于夏季.

3 结 论

钱塘江系水源受到上游各种不确定点源和面源污染的影响，调查年度内不同月份各个水质指标存在无规律行的变化.与7月份相比，12月份4个水厂原水的溶解氧浓度升高，氨氮浓度下降，九溪、清泰化学需氧量升高，九溪、清泰、南星总氮浓度增大.7月份清泰、九溪的原水综合水质较差，为Ⅳ类水；南星、祥符的水质较好，属于Ⅲ类水.12月份南星、祥符的原水综合水质最好，属于Ⅰ类水；九溪为Ⅱ类水；清泰水质最差，为Ⅴ类水.总体上看，南星和祥符的原水水质较好，冬季的原水水质也大多好于夏季.7月和12月，清泰水厂均水质不佳，反映出贴沙河的水质情况不容乐观，备用水源的日常维护仍需加强.

参考文献：

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[2] 汤国安，杨昕．ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M]．北京：科学出版社，2006．

[3] 曹芳平，邹峥嵘．基于GIS技术的河流水质评价系统的设计与实现[J]．测绘科学，2009，34(1)：192-193．

[4] 邹志红，孙靖南，任广平．模糊评价因子的熵权法赋权及其在水质评价中的应用[J]．环境科学学报，2005，25(4)：552-556．

[5] 国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局．GB 3838—2002 地表水环境质量标准[S]．北京：中国环境科学出版社，2002．

[6] 曾淦宁，吴国权，徐晓群．多元聚类分析方法在杭州湾水质分析上的应用[J]．浙江工业大学学报，2009，37(1)：14-18．

[7] 于旭青．富营养化水体中藻类突发性增长生长特性的研究[D]．成都：西南交通大学，2009．

[8] 陈红英，吕永哲，王增长．钱塘江入海河口碱性高锰酸盐指数测定的影响因素[J]．浙江工业大学学报，2010，38(1)：95-97．