CCME WQI在汾河水库及上游河段水质评价中的应用

赵腊梅，齐朔风

(1.太原理工大学现代科技学院，太原 030024；2.山西新科联环境技术有限公司，太原 030002)

保护并合理开发利用水资源的重要措施之一就是水质评价，而水质评价需要科学合理的评价方法，比如：要有合适的评价标准、指标体系以及评价方法[1]。水质评价理论早在20世纪中期国内外许多研究者就开始研究了。当前，单因子评价法、层次分析法[2]、主成分分析法[3]、模糊数学评价法、灰色关联法[4]、人工神经网络评价法[5,6]、水质指数法[7]、TOPSIS多目标决策法[8]等是水质评价的主要方法。上述各种评价方法，由于各种限制条件和其自身的适用范围，都还在研究与改进中，离广泛的实际应用还有一定的距离[9-12]。

加拿大水质指数法(Canadian Council of Ministers of the Environment Water Qaulity Index,CCME WQI)是国际上广泛用于评价水质的一种方法[13]，在加拿大、巴基斯坦、韩国、瑞士等国家和地区的水质评价工作中都得到了非常广泛的应用和高度的认可[14-16]。近年来，我国学者对CCME WQI水质指数也进行了不同程度的研究[17-19]，但相关的应用报道较少。本文以汾河水库及上游河流为研究对象，运用CCME WQI进行水质的评价，并将其与实际工程上常用的评价水质的单因子评价法进行比较，以期为我国水环境质量评价提供参考。

1 研究区域概况

1.1 汾河水库及上游河流概况

汾河水库是山西省内最大的地表水饮用水源地，总面积32 km2，位于山西省太原市西北娄烦县境内。汾河水库上游河流主要有汾河干流、岚河以及涧河。汾河水库及其上游河段水质情况，可能会影响太原市居民的用水质量。

1.2 现状监测

1.2.1 汾河水库现状监测

监测点位：水库水面下5 m、水库水面下0.5 m。

监测因子：《地表水环境质量标准》表1中的23个水质监测项目(水温除外)。

监测时间：2018年，1、3、5、7、9、11月，每月各监测1次，共监测6次。

1.2.2 汾河水库上游现状监测

监测断面：涧河(官庄东南公路桥)、岚河(曲立)、汾河干流(河岔)。

监测因子：pH、溶解氧、挥发酚、BOD5、COD、总氮、石油类、总磷、氟化物、氨氮，共10项水质监测参数。

监测时间：2018年，1、3、5、7、9、11月，每月各监测1次，共监测6次。监测布点见图1。

图1 汾河水库、上游采样布点图Fig.1 Distribution of sampling sites in the Fenhe Reservoir and upstream

1.3 评价标准

根据《山西省地表水环境功能区划》的规定，汾河水库为饮用水源一级保护区，执行Ⅱ类水质标准。涧河、岚河、汾河干流三河段监测断面水质目标见表1。

表1 涧河、岚河、汾河干流三河段监测断面水质目标表Tab.1 Water quality objective table of Jianhe River,Lanhe river and main river of Fen River

2 CCME WQI评价方法

在国际上，加拿大水质指数法CCME WQI被广泛用于饮用水水质的评价，联合国环境署也用CCME WQI来对世界各国的水质现状进行评价。CCME WQI的计算公式如下[20]：

式中：CCME WQI为F1、F2、F33个变量的调和平方和；

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：F1为监测指标超过其规定值的百分比；P为超标水质参数的个数；N为水质监测项目总数；F2为某监测项目超过标准限值的次数所占百分比；q为水质监测数据中超标数据的个数；M为水质监测数据总数；Q为归一化参数，即各监测项目超标倍数加和与水质监测数据总数之比；S为某监测项目超标倍数。

根据上述计算公式可知，CCME WQI的取值为0～100区间，则各水质的分级情况见表2。

表2 CCME WQI水质等级划分表Tab.2 Classification of CCME water qualtiy index

3 结果与讨论

3.1 汾河水库CCME WQI水质评价

根据汾河水库现状监测值，选取两种方法(加拿大水质指数法(CCME WQI)和单因子评价法)对该水库进行评价。评价结果见表3。

表3 汾河水库CCME WQI与单因子评价结果Tab.3 CCME WQI and single factor method assessment result of Fenhe Reservoir

从表3可以看出，汾河水库(水质目标为Ⅱ类)CCME WQI指数为80.7～92.0。11月份水质中等，其他月份水质良好。而单因子评价结果显示，3、11月份处于Ⅳ类水质，超标定类因子主要有总氮、COD。

3.2 汾河水库上游河段CCME WQI水质评价

根据涧河、岚河、汾河干流三河段现状监测值，选取两种方法[加拿大水质指数法(CCME WQI)和单因子评价法]对其进行评价。评价结果见表4。

从表4可以看出，汾河干流河段(水质目标为Ⅱ类)CCME WQI指数为78.0～87.8。3、11月份水质中等，其他月份水质良好。而单因子评价结果显示，汾河干流河段在7、9处于Ⅱ类水质，3、5、11月份处于Ⅳ类水质，COD、总氮是主要超标定类因子。

表4 涧河、岚河、汾河干流三河段CCME WQI与单因子评价结果Tab.4 CCME WQI and single factor method assessment result of Jianhe River,Lanhe river and main river of Fen River

岚河河段(水质目标为Ⅲ类)CCME WQI指数为64.1～89.1。1、3、11月份水质良好，5、7、9月份水质中等。而单因子评价结果显示，岚河河段在1、5、7、9月份处于Ⅳ类水质，总氮、COD、氨氮是主要超标定类因子。

涧河河段(水质目标为Ⅲ类)CCME WQI指数为64.2～86.5。5、7、11月份水质良好，1、3、9月份水质中等。而单因子评价结果显示，涧河河段在1、3、9月份处于Ⅳ类水质，总氮、石油类、COD是主要超标定类因子。

3.3 评价结果讨论

由于数据比较多，将上表3和表4的评价结果绘于图2～图3，便于比较分析。

图2 单因子评价结果图Fig.2 Evaluation results of single-factor water quality evaluation method

图3 CCME WQI评价结果图 Fig.3 Evaluation results of CCME WQI method

由图2～图3可知，单因子评价法和CCME WQI评价结果有一定的差距。据原始数据分析，汾河水库1月份超标指标1个，超标监测数据2个，1月份总氮超标极严重；3月份超标指标2个，超标监测数据2个，3月份总氮、COD超标非常严重。导致1、3月份单因子评价为Ⅲ、Ⅳ类水质，而CCME WQI评价结果：1、3月份水质良好；汾河干流1、5月份超标指数均为1个，超标监测数据均为1个，1月份总氮超标严重，5月份总氮超标极严重，导致1、5月份单因子评价为Ⅲ、Ⅳ类水质，而CCME WQI评价结果：1、5月份水质均为良好；岚河1月份超标指数1个，超标监测数据为1，总氮超标严重，导致1月份单因子评价为Ⅳ类水质，而CCME WQI评价结果：1月份水质为良好；涧河单因子评价与CCME WQI评价结果一致。

由上述分析可知：单因子评价法中的极端指标超标量会影响评价结果，使其与CCME WQI评价结果有所不同。而对于超标的监测指标，CCME WQI不仅考虑了超标量的影响，还考虑了3个因素(超标范围F1、超标频率F2、超标幅度F3)的综合影响，能很好的抵消极端指标的贡献，因此得出的评价结果更符合汾河水库及上游河段水质的现状。

4 结 论

(1)本文选取单因子评价法和CCME WQI分析评价汾河水库及涧河、岚河、汾河干流3个河段的水质，结果显示CCME WQI可用于评价水库和河流的水质。

(2)水质评价分级时，相比单因子评价法，CCME WQI包括了所有的监测项目和数据，同时还考虑了3个因素(超标范围F1、超标频率F2、超标幅度F3)的综合影响，使得评价结果更符合水质现状，是一种更全面的水质评价方法。CCME WQI比较容易理解操作，便于环境管理部门对监测断面水质现状进行分析并及时应对。并且，CCME WQI可预留端口与环境保护大数据和GIS平台连接，为各领域环境水质分析的研究提供技术支持。因此，CCME WQI在我国具有很好的应用前景。

(3)评价标准和水质监测项目及数目，均会对CCME WQI评价结果有一定的影响。因此，CCME WQI仍需进一步研究，建立一套适合我国的完善评价指标体系。

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