基于改进熵权法的汉城湖水质评价及时空特征分析

赵晓静,李 萍,2,陶靖怡*,郝 缨,2,杨小龙,2

(1.中国建筑西北设计研究院有限公司,陕西 西安 710018;2.中国致公党西安市委员会,陕西 西安 710004)

我国地表水环境保护形势尤为严峻,水污染事件时有发生,水质评价是水环境研究的重要手段之一,也是水环境分析的基础工作,适宜的水质评价对保障水环境安全具有积极的推动作用。目前,国内外常用的水质评价方法有主成分分析法、单因子污染指数法、综合污染指数法、模糊综合评价法、多元统计分析法[1]、内梅罗指数法、人工神经网络法[2]以及基于以下数学模型的水质评价等方法[3],以上方法各有优缺点。如单因子污染指数法评价结果较为保守,因其以最差的水质类别作为评价结果;综合污染指数法计算简单,但未考虑各评价因子的权重;多元统计和人工神经网络对数据要求高,它是基于大量监测数据基础上再进行分析[4]。

综合污染指数法对劣V类水体进行评价,不仅能分析水质状况,还能判断水质是否满足水功能区划要求。孙忠明等[5]通过综合污染指数法判断太子河流域水质状况;张富康等[6]通过改进的综合污染指数法对汾河中游水质进行分析;宁阳明等[7]将模糊综合评价法和水质综合污染指数法耦合运用于长江黄石段水质评价。针对综合污染指数法未充分考虑各评价因子权重的问题,文章采用熵权法先确定权重,后采用综合污染指数法进行汉城湖精确水质评价,以期对汉城湖水质进行全面、客观评价。

1 研究区概况

1.1 研究区

汉城湖位于西安市西北,原为团结水库。右岸紧邻北二环、朱宏路,左岸紧靠汉长安城遗址,自大兴路至凤城三路全长6.27 km,湖体自大兴路至凤城三路。蓄满水的汉城湖水面最宽处80 m,最窄处30 m,水深4 m～6 m,总库容137万m3,形成5.67×105m2的湖面。汉城湖承担起了兴庆湖、护城河、老城区、西北郊计61 km2的城市污水和城市雨洪排泄任务。由于长期接纳污水,库底污泥淤积,库水发黑发臭,库岸杂草丛生,库周垃圾遍布。2006年开始进行水环境综合治理工程,为了保护汉城墙遗址,采用了黄土回填的方式,水库库容由原来的200万m3下调至137万m3,同时还完成了淤泥清运211.5万m3,岸坡砌护12.8 km,栽植乔灌木75 万余株,并建成了全长6.27 km的截污暗涵,将城市雨污水及时截流,经漕运明渠送入污水处理厂,彻底免除了水库再次被污染同时,汉城湖2010年被水利部授予国家水利风景区称号。

1.2 水样采集及监测

根据汉城湖地形及水文条件,在汉城湖西湖区、中湖区、东湖区和团结区共设置有9个采样点位,监测点位分布图见图1。于2021-01～12,每月月末采集水样,检测的水质项目包括石油类、五日生化需氧量(BOD5)、化学需氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)和总氮(TN),各水质因子检测方法严格参照相关规范,根据水功能区划,汉城湖执行《地表水环境质量》IV类水质标准。

图1 监测点位分布图Fig.1 Distribution map of monitoring sites

1.3 研究方法

1.3.1 综合污染指数法

综合污染指数法是在基于单因子污染指数的基础上构建的水质评价方法,可以评价水体整体污染水平,评级公式如下[5],单因子污染指数和综合污染指数评价标准分别见表1和表2。

(1)

(2)

表1 单因子污染指数法评价标准Tab.1 Evaluation standard for single factor pollution index method

表2 综合污染指数法评价标准Tab.2 Evaluation standard of comprehensive pollution index method

1.3.2 熵权法

熵权法是根据各评价指标熵值来确定各指标权重,各权重的确定客观性较强,具体步骤[8]：

数据标准化处理;确定各指标的熵值;确定各指标权重;确定综合权重;计算公式见式(3)～式(6)。

(3)

(4)

dj=1-Ej

(5)

(6)

式中：P(xij)——各因子标准化值;Ej——信息熵值;Wj——各因子权重值。基于熵权法确定的各水质指标权重见表3,水体类别评价标准见表4。

1.4 数据处理

文章中数据在excel 2007中计算及处理,图形在GraPhpad Prism8和Arcgis 10.3中绘制。

表3 基于熵权法的各水质指标权重Tab.3 Weights of various water quality indicators based on entropy weight method

表4 各类水体评价标准值Tab.4 Evaluation standard values for various types of water bodies

2 结果与分析

2.1 水质时空分布特征

汉城湖西湖区、中湖区、东湖区和团结区营养盐全年污染水平见图2。分析知：(1)湖区年均水质除NH3-N和TN无法达到IV类标准外,其他指标均能满足水功能区划要求;(2)东湖区石油类污染物少数月份略有超标,但仍满足V类水质标准,其他区域石油类最大值仍在IV类标准限值内;(3)西湖区BOD5类污染物少数月份略有超标,但仍满足V类水质标准,其他区域BOD5类污染物最大值仍在IV类标准限值内;(4)汉城湖TN和氨氮污染较重,除西湖区氨氮年均浓度满足IV类标准外,其他区域氨氮和TN年均值均处于V类或劣V类水。

图2 汉城湖营养盐污染水平Fig.2 Nutrient pollution levels in Hancheng Lake

为了分析汉城湖不同时间段水质情况,分丰水期、枯水期、平水期统计了各区域各营养盐污染水平,结果见表5。分析知：不同时期汉城湖水质略有差异,枯水期和平水期湖区污染因子主要是氨氮和总氮,其中平水期TN浓度有少数月份已达劣V类,CODCr浓度在IV类标准限制附近,随时有超标的风险。丰水期水质相对较好,但大部分时期仍处于V类水体,BOD5和TP少数月份处于III类水质标准限值内。

表5 汉城湖各营养盐不同水期污染物浓度Tab.5 Pollutant concentrations of various nutrients in different water periods of Hancheng Lake mg·L-1

2.2 基于熵权法改进的水质评价

文章若采用综合污染指数法直接评价水质整体情况,六项水质指标权重相等,无法反映某项因子的污染程度,因此基于熵权法先确定权重,再进行修订,计算出改进前后的汉城湖西湖区、中湖区、东湖区和团结区水质评价结果,见表6。

表6 基于熵权法改进前后水质评价结果Tab.6 Water quality evaluation results before and after improvement based on entropy weight method

汉城湖各区域综合污染程度严重排序为东湖区>团结区>中湖区>西湖区;西湖区平水期水质最优,其次为丰水期,枯水期水质最差;中湖区、东湖区和团结区均是枯水期水质最差,平水期其次,丰水期水质最优。采用综合污染指数评价得汉城湖全年水质处于Ⅲ类,改进后整个湖面全年水质处于Ⅳ类水体,这是因为汉城湖石油类污染较轻,大部分采样点绝大多数时期石油类浓度处于II～III类标准,而未改进前石油类所占权重跟其他因子相同,稀释了其他重要因子的权重,因此造成评价结果失真。

3 结论

1)汉城湖NH3-N和TN浓度常年处于V类或劣V类水体,BOD5、CODCr、TP、石油类污染物均能满足水功能区划要求;

2)不同水期,汉城湖水质略有差异,整个湖区丰水期BOD5和TP浓度少数月份处于III类水质标准,东湖区和团结区CODCr浓度超标风险较大;

3)文章基于熵权法确定综合污染指数的权重,降低了某项指标过高或过低对评价结果的影响,凸显了浓度差异较大指标的影响,使评价体系更科学。