太湖位于30° 55'40″N~31° 32'58″N和119° 53'32″E~120° 36'10″E, 地跨江蘇、浙江兩省, 毗鄰無錫、常州、蘇州、湖州等市區(qū), 湖泊面積2 428 km², 平均水深1.9 m。太湖流域是我國經濟最發(fā)達的地區(qū)之一, 隨著工農業(yè)生產的發(fā)展, 太湖水體富營養(yǎng)化問題日趨嚴重。從20世紀80年代后期以來, 每年夏天太湖北部頻繁爆發(fā)藍藻水華^[14], 2007年5月28日— 6月3日, 太湖貢湖灣水廠發(fā)生了嚴重的水危機事件, 引起社會廣泛關注^[15]。對太湖水質安全進行研究、識別太湖水質安全面臨的主要問題成為重要任務之一。

2012年在全太湖設置34個監(jiān)測點位, 逐月進行水質、藻密度監(jiān)測, 監(jiān)測點位設置如圖1所示。水華發(fā)生數據主要依據MODIS衛(wèi)星遙感影像進行統計; 消毒副產物數據根據消毒副產物與葉綠素a(Chla)濃度回歸方程, 由實測Chla濃度計算獲取。依據太湖的地形、水動力特征以及近年來的水質變化規(guī)律, 對太湖水體進行分區(qū), 將太湖分為竺山湖、梅梁湖、貢湖、西北區(qū)、西南區(qū)、湖心區(qū)、湖東區(qū)。

	Figure Option
	圖1 太湖監(jiān)測點位及分區(qū)Fig.1 Sketch of monitoring point station and seven regions in Taihu Lake

由于長期污染物持續(xù)輸入, 太湖水質污染嚴重, 主要污染物為總磷(TP)、總氮(TN)和高錳酸鹽指數(COD_Mn), 表現為水體富營養(yǎng)化、水華爆發(fā), 影響水體使用功能。

基于太湖水質安全問題的分析, 遵循構建指標體系的相關原則, 包括一致性、客觀性、互斥性、易獲性等^[16, 17], 通過調研、咨詢相關專家, 構建了包含4個二級指標、21個三級指標的多維度水質安全評價指標體系(表1)。

表1 太湖水質安全評價指標體系Table 1 Indicators of water quality security assessment of Taihu Lake

表征太湖水質安全的4個二級指標中, 水質指數主要反映太湖基本水質狀況和重金屬污染, 除了pH、電導率、總有機碳(TOC)、溶解氧(DO)等指標外, 還選擇了能反映太湖周邊特色冶煉、化工、醫(yī)藥等行業(yè)污染的As、Cd、Cu和Zn這4種重金屬指標; 富營養(yǎng)化指數選擇Chla、TP、TN、透明度(SD)和COD_Mn這5項指標, 反映太湖水體營養(yǎng)鹽水平; 水華發(fā)生指數選擇藻密度和水華發(fā)生次數2項指標, 主要反映評價期間水華發(fā)生情況; 健康風險指數選擇三氯甲烷、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷、三溴甲烷、二氯乙酸、三氯乙酸6項消毒副產物指標, 反映水華發(fā)生及處理后可能對人體健康產生的影響。

采用層次分析法(AHP)確定二級指標權重。AHP是一種定性和定量相結合、系統化和層次化的分析方法, 可解決由眾多因素構成且因素之間相互關聯、相互制約并缺少定量數據的問題^[18]。AHP建模主要包括4個步驟 :1)建立遞階層次結構模型; 2)構造各層次中的判斷矩陣; 3)層次單排序及一致性檢驗; 4)計算判斷矩陣最大特征值相對應的特征向量, 計算各因素對于系統目標的權重。由于AHP運算簡便、實用性強, 在環(huán)境風險評價領域被廣泛采用^[19, 20]。AHP確定二級指標權重時, 采用1~9的標度法對指標權重重要性程度賦值, 判斷矩陣的一致性, 公式如下:

CR=CI∕RICI=(λmax−n)∕(n−1)$\begin{array}{l}\mathrm{C}\mathrm{R}=\mathrm{CI}∕\mathrm{RI}\\ \mathrm{CI}=({\lambda }_{\max }-n)∕(n-1)\end{array}$

式中:CR為隨機一致性比率, 當CR< 0.10時, 人為判斷矩陣的一致性是可以接受的, 否則應對判斷矩陣做修正使其具有滿意的一致性; CI為度量判斷矩陣偏離的一致性指標; λ _max為該矩陣的最大特征根; n為矩陣階數; RI為平均一致性指標。

考慮到太湖作為飲用水源地的特性, 參照GB 3838— 2002中Ⅲ 類水質標準和GB 5749— 2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》^[22], 確定太湖水質安全指數所需評價指標的閾值, 標準中未涉及的電導率、藻密度和水華發(fā)生次數等指標, 則根據其他研究結果確定其閾值, 具體見表2。

表2 太湖水質安全評價指標閾值Table 2 Threshold of different parameters used for calculated safe index of Taihu Lake

溶解性總固體又稱總礦化度, 指水中溶解組分的總量, 包括Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、C O32−${{\mathrm{O}}_3}^{2-}$、HC O−3${\mathrm{O}}_3^{-}$、Cl^-、S O42−${{\mathrm{O}}_4}^{2-}$等陰陽離子^[24]。GB 5749— 2006規(guī)定飲用水中溶解性總固體濃度標準是1 000 mg/L, 其標準檢驗方法為稱量法^[25]。但稱量法測定水中溶解性總固體濃度時易受溫度、濕度等環(huán)境因子的影響, 且操作繁瑣、費時費力^[26], 所以近年來眾多研究者采用測定電導率, 通過回歸曲線方法測定溶解性總固體濃度^[27, 28], 現有研究結果顯示溶解性總固體濃度與電導率的轉化系數為0.5~0.8, 為簡化計算過程, 同時為指標閾值留出安全余量, 采用1 000 μ S/cm作為電導率的評價閾值。

2.4.1 水質指數

水質指數按照加拿大環(huán)境部長理事會提出的水質指數(Canadian Council of Ministers of the Environment water quality index, CCME-WQI)進行計算^[29], 該評價指數主要考慮3方面的因素:1)評價期間出現超標的指標數百分比記為F₁; 2)指標超標的頻次百分比記為F₂; 3)指標超標的幅度記為F₃。各因素計算公式如下:

F1=(超標指標數評價總指標數)×100F2=(總指標超標次數評價期間總的指標監(jiān)測數)×100F3=(nse0.01×nse+0.01)−1$\begin{array}{l}{F}_1=\left(\frac{\mathit{超標指標數}}{\mathit{評價總指標數}}\right)\times 100\\ F_2=\left(\frac{\mathit{總指標超標次數}}{\mathit{評價期間總的指標監(jiān)測數}}\right)\times 100\\ F_3=\left(\frac{\mathrm{nse}}{0.01\times \mathrm{nse}+0.01}\right)-1\end{array}$

其中nse計算公式為:

nse=(∑i=1nexcursioni總指標監(jiān)測數目)−1$\mathit{nse}=\left(\frac{\stackrel{n}{\sum _{i=1}}\mathrm{excursio}{\mathrm{n}}_i}{\mathit{總指標監(jiān)測數目}}\right)-1$

式中excursion為超標指標的值與評價標準之間的偏差, 區(qū)分為指標值越大越好和越小越好2種情況。

指標越小越好:

excursioni=(指標超標值指標評價標準)−1$\mathrm{excursio}{\mathrm{n}}_i=\left(\frac{\mathit{指標超標值}}{\mathit{指標評價標準}}\right)-1$

指標越大越好:

excursioni=(指標評價標準未達標的指標值)−1$\mathrm{excursio}{n}_i=\left(\frac{\mathit{指標評價標準}}{\mathit{未達標的指標值}}\right)-1$

3個分項指標計算完成后計算水質指數, 公式如下:

WQI=100−F12+F22+F32−−−−−−−−−−−−−√/1.732$\mathrm{WQI}=100-\sqrt[]{{F_1}^2+{F_2}^2+{F_3}^2}∕1.732$

WQI為0~100, 數值越大代表水質狀況越好。

2.4.2 富營養(yǎng)化指數

富營養(yǎng)化指數根據王明翠等^[30]提出的富營養(yǎng)化評價方法進行修改, 表示為數值越大、富營養(yǎng)程度越低, 計算公式如下:

EI=100−∑j=1mWj×TLI(j)$\mathit{EI}=100-\stackrel{m}{\sum _{j=1}}{W}_j\times \mathrm{TLI}\left(j\right)$

式中, EI為富營養(yǎng)化指數, 主要涉及Chla、TP、TN、SD和COD_Mn這5個指標; W_j為第j種參數的營養(yǎng)狀態(tài)指數的權重; TLI(j)為第j種參數的營養(yǎng)狀態(tài)指數, 營養(yǎng)狀態(tài)指數計算參照文獻[30]研究結果。

2.4.3 水華發(fā)生指數

水華發(fā)生指數(bloom index, BI)參照水質指數的計算方法, 將藻密度、水華發(fā)生次數作為監(jiān)測指標進行計算, 結果為0~100, 數值越大代表水質狀況越好。

BI=100−F12+F22+F32−−−−−−−−−−−−−√/1.732$\mathrm{BI}=100-\sqrt[]{{F_1}^2+{F_2}^2+{F_3}^2}∕1.732$

2.4.4 健康風險指數

健康風險指數(health index, HI)同樣參照水質指數的計算方法, 將微囊藻毒素、消毒副產物作為監(jiān)測指標, 與相應的安全閾值進行比較, 獲取健康風險指數。

HI=100−F12+F22+F32−−−−−−−−−−−−−√/1.732$\mathrm{HI}=100-\sqrt[]{{F_1}^2+{F_2}^2+{F_3}^2}∕1.732$

根據各二級指標的值與相應的權重計算水質安全總得分, 公式如下:

SI=∑i=1nkiKi$\mathit{SI}=\stackrel{n}{\sum _{i=1}}{k}_i{K}_i$

式中, k_i和K_i分別代表第i種二級指標的權重和指標值; SI為水質安全指數, 結果為0~100, 根據數值大小將水質安全狀況分為優(yōu)秀、良好、中等、及格、較差5個等級(表3)。

表3 水質安全等級Table 3 Water quality safety graduation

2012年太湖水質安全評價各指標值統計見表4。由表4可知, pH、TOC、藻密度和水華發(fā)生次數均出現超過評價閾值的現象, 而其他指標均未超過評價閾值。

表4 2012年太湖水質安全評價指數各指標值統計Table 4 Statistical description of indicators of water quality safety index of Taihu Lake in 2012

由監(jiān)測數據計算太湖各區(qū)域二級指標即水質指數、富營養(yǎng)化指數、水華發(fā)生指數和健康風險指數, 結果如圖2所示。由圖2可知, 各湖區(qū)水質指數為62.13~84.23, 其中貢湖、湖東區(qū)和西南區(qū)水質指數均在80以上, 湖心區(qū)、西北區(qū)水質指數分別為79.17和76.78, 梅梁湖和竺山湖水質指數較低, 分別為68.09和62.13; 各湖區(qū)富營養(yǎng)化指數為34.53~45.00, 均表現出較高的富營養(yǎng)化水平, 其中西北區(qū)和竺山湖富營養(yǎng)化指數分別為36.60和34.53, 富營養(yǎng)化程度最為嚴重, 湖東區(qū)富營養(yǎng)化指數為45.00, 富營養(yǎng)化程度相對較低; 水華發(fā)生指數, 除湖東區(qū)外其余湖區(qū)全年均發(fā)生藍藻水華, 竺山湖、西北區(qū)、梅梁湖、湖心區(qū)、西南區(qū)水華發(fā)生指數分別為25.47、26.57、31.38、35.04和36.32, 水華發(fā)生狀況較為嚴重; 健康風險指數在各湖區(qū)均為100, 表明幾種消毒副產物濃度均未超過標準規(guī)定的限值, 未表現出健康風險。

	Figure Option
	圖2 2012年太湖不同湖區(qū)水質安全二級指標評價結果Fig.2 Assessment results of water quality safety secondary indicators for Taihu Lake in 2012

3.3.1 水質安全二級指標權重的確定

采用AHP確定二級指標權重。經過計算, 二級指標的CR為0, 具有良好的一致性(表5)。

表5 二級指標的矩陣一致性檢驗Table 5 The consistency judgment matrix of secondary indicators

最終獲取的水質指數、富營養(yǎng)化指數、水華發(fā)生指數和健康風險指數權重分別為0.08、0.23、0.31和0.38。

3.3.2 水質安全指數

根據太湖不同區(qū)域水質安全二級指標及權重, 計算得到不同區(qū)域水質安全指數:湖東區(qū)水質安全指數為73.85, 對應水質安全等級為中等; 貢湖水質安全指數為63.57, 接近中等, 西南區(qū)、湖心區(qū)、梅梁湖、西北區(qū)和竺山湖水質安全指數分別為56.04、55.93、54.36、52.45和50.78, 對應水質安全等級均為及格, 其中水質安全指數最低的竺山湖水質安全等級接近較差。

利用水質安全評價方法, 計算得到2012年太湖整體水質安全等級僅為及格, 二級指標顯示較高的富營養(yǎng)化程度以及頻繁爆發(fā)的水華是導致太湖水質安全指數較低的主要原因。各湖區(qū)中, 湖東區(qū)水質指數、水華發(fā)生指數和健康風險指數均較高, 僅富營養(yǎng)化指數較低, 總體水質安全指數較高, 水質安全狀況為中等, 相對安全; 竺山湖、西北區(qū)、梅梁湖水質指數、富營養(yǎng)化指數和水華發(fā)生指數均較低, 導致水質安全指數較低, 水質安全狀況為及格; 湖心區(qū)、西南區(qū)水質指數較高, 富營養(yǎng)化指數較低, 但由于權重賦值較高的水華發(fā)生指數較低, 導致總體水質安全狀況并未優(yōu)于竺山湖、西北區(qū)和梅梁湖。由此可見, 水質安全指數相比常規(guī)水質評價, 結果更全面, 更精細, 有助于支撐太湖水環(huán)境管理決策。