契爷石水库水质监测评价及水质预测研究

(东莞市契爷石水库管理所，广东 东莞 523648)

1 契爷石水库概况

契爷石水库位于广东省东莞市清溪镇，始建于1960年，是集防洪、灌溉、供水多功能于一体的年调节中型水库，集水面积17.6km2，多年平均径流量1584万m3，水库总库容1158万m3，正常库容913万m3，防洪库容478万m3，设计灌溉面积0.8万亩，设计年均供水能力1200万m3。水库当地多年平均气温21.9℃，多年平均雨量1831.7mm，多年平均蒸发量1050mm，多年平均日照时数1961h，多年平均相对湿度78%。

2 水质指标监测情况

2.1 水质指标选取

契爷石水库2015年1月—2020年12月，共计进行55次采样(每个月取样一次，中间有若干个月因天气或者其他原因未取样)，项目包括水温、pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮、铜、锌、氟化物、硒、砷、汞、镉、铬(六价)、铅、氰化物、挥发酚、石油类、阴离子表面活性剂、硫化物、粪大肠菌群、硫酸盐、氯化物、硝酸盐、铁、锰、叶绿素a、透明度等31项。根据相关文献[1-4]，选取对水库水环境有重要影响的6项指标进行评价分析，这6项指标分别是溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮。

2.2 水质指标检测方法

溶解氧采用实验室溶解氧仪进行碘量法测定，高锰酸盐指数采用滴定管进行滴定测定，五日生化需氧量采用实验室溶解氧仪进行稀释和接种法测定，氨氮采用可见分光光度计进行连续流动—水杨酸分光光度法测定，总磷采用可见分光光度计进行钼酸铵分光光度法测定，总氮采用双光束紫外分光光度计进行碱性过硫酸钾消解紫外分光+光度法测定。具体水质指标对应检测方法和仪器见表1。

表1 水质指标检测方法与仪器

2.3 指标监测结果

从水库2015—2020年的水质指标监测图(见图1)中可看到：溶解氧和高锰酸盐指数均表现出比较明显的季节性变化特征，春季和秋季溶解氧含量较高，冬季和春季的溶解氧含量较低，而高锰酸盐指数则表现相反，在春季和秋季含量较低，在冬季和春季含量较高；五日生化需氧量和氨氮表现为冬季气温较低时比较高，而其他季节相对较低；总氮和总磷并没有表现出很强的季节性特征。

对契爷石水库各水质指标进行年际间的变化分析。结果表明：2015—2020年，水库溶解氧年平均值分别为7.92mg/L、7.62mg/L、7.48mg/L、7.61mg/L、7.76mg/L和7.85mg/L，呈先减小后增大的变化趋势；高锰酸盐指数年平均值分别为3.08mg/L、2.71 mg/L、2.95mg/L、3.2mg/L、2.88mg/L和2.88mg/L，后两年的高锰酸盐含量有明显的降低；五日化学需氧量年平均值分别为1.95mg/L、2.5mg/L、2.6mg/L、2.2mg/L、2.6mg/L和2.24mg/L，一直呈动态波动的变化特征；氨氮年平均值分别为0.49mg/L、0.32mg/L、0.36mg/L、0.26mg/L、0.36mg/L和0.3mg/L，从整体上看呈递减趋势，但略有波动；总磷年平均值分别为0.052mg/L、0.035mg/L、0.04mg/L、0.035mg/L、0.031mg/L和0.034mg/L，从整体上看也呈递减趋势，略有波动；总氮年平均值分别为1.68mg/L、0.99 mg/L、1.07mg/L、0.8mg/L、0.87mg/L和0.82mg/L，与总磷变化趋势基本一致，整体上呈递减趋势。

图1 各指标监测结果

3 水质指标现状评价

3.1 评价标准

将《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)作为本次指标监测结果的评价标准(见表2)。从监测结果来看：对于溶解氧指标，2015—2020年均处于Ⅰ类水质标准，对于高锰酸盐指标，均处于Ⅱ类水质标准，对于五日生化需氧量指标，均属于Ⅰ类或者Ⅱ类水质标准，对于氨氮指标，均属于Ⅱ类水质标准，对于总磷指标，均属于Ⅱ类水质标准，对于总氮指标，2015年属于Ⅴ类水质标准，污染较为严重，2017年属于 Ⅳ类水质标准，2016、2018—2020属于Ⅲ类水质标准。

表2 水质评价标准

3.2 综合水质评价法

依靠单指标情况对水库水质并不能进行很准确的评价，为了客观真实反映出水质现状，在单因子水质指标检测结果基础上，利用综合水质指标指数Iwq进行分析[5]：

(1)

式中x1——单因子水质指标整数位对应的类别；

x2——单因子水质指标小数点后第一位对应的类别;

x3——单因子水质指标小数点后第二位对应的类别;

x4——单因子水质指标小数点后第三位对应的类别；

综合指标评价法的好处在于可以避免因某一项水质监测指标过大从而影响整体评价结果准确性，根据综合指标计算结果，将水质状况分为五类，不同范围内的综合水质指标指数对应的水质级别见表3。

3.3 模糊综合评价法

模糊综合评价法也是一种常用于水环境综合评价的数学方法，为了避免在赋权过程中人为主观性的影响[6-9]，本文在应用模糊综合评价法进行水质评价时，利用熵权法对各水质指标权重进行计算，同时引入特征值对超标因子进行计算分析，以减少加权平均对水质评价结果的影响。

表3 综合水质评价指标

(2)

式中ei——第i个方案指标的熵值；

m——评价指标的总个数。

(3)

式中bj——综合隶属度；

j——值为1～5，对应五个水质级别。

J值越小，表示水库水质越好，反之则越差，当J值大于2时表示水质指标存在超标情况。J值对应的水质级别见表4。

表4 J值对应水质评价级别

3.4 评价结果

利用综合水质评价法和模糊综合评价法分别计算得到了对应的Iwq值和J值图(见图2),从中可以看到：采用综合水质评价法和模糊综合评价法得到的评价指标具有相似的走势，均呈先减小后增大并在近两年趋于稳定的变化趋势，采用综合水质评价法得到的Iwq值分别为3.11、2.52、2.21、2.52、2.71和2.72，对应的水质评价级别为Ⅲ类、Ⅱ类、Ⅱ类、Ⅱ类、Ⅱ类、Ⅱ类，采用模糊综合评价法计算得到的特征J值分别为2.1、1.6、1.69、2.06、1.81和1.83，对应的水质评价级别为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅱ类、Ⅱ类、Ⅰ类和Ⅰ类。从两种方法评价结果来看，近些年来，水库的水质均能达到最低Ⅲ类的标准(生活用水和灌溉用水标准)，采用模糊综合评价法得到的水质级别相较于综合水质评价法得到的水质级别要高一些，这主要是因为模糊综合评价法在评价计算过程中对每个指标取不同的权值，削弱了主要污染因子的影响，而综合水质评价法对每个指标均取相同的权重值，评价时均考虑最大值是否超标，从而导致评价结果偏差，由于水库总氮监测指标一直处于Ⅲ类～Ⅴ类，因此在后期监测过程中应注意总氮的变化趋势，以免出现总氮浓度太高的现象。

图2 两种方法综合评价结果

4 水质预测

4.1 预测模型级过程

采用GM(1,1)灰色预测模型对契爷石水库未来的水质情况进行预测[10]，计算过程为：ⓐ对各指标进行数据累加；ⓑ构造累加矩阵B，同时计算得到常数项的向量Y；ⓒ通过累加矩阵B和常数项向量Y，计算得到GM(1,1)灰色预测模型的系数a、u；ⓓ将a、u代入时间函数，得到指标预测值；ⓔ进行残差检验，获得预测精度(灰色预测模型计算流程见图3)。

图3 GM(1,1)灰色预测模型计算流程

4.2 预测结果

按照GM(1,1)灰色预测模型分析流程，对溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮等6项指标进行预测分析，由于截至目前仅采集到2021年6月数据，因此，对2021年上半年的指标进行预测分析，结果见图4。从图4中可以看到：采用模型预测得到的2021上半年的溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷、总氮六个指标值分别为5.42mg/L、4mg/L、2.82mg/L、0.13mg/L、0.028mg/L和2.03mg/L，实际监测值为6.12mg/L、3.8mg/L、2.52mg/L、0.12mg/L、0.025mg/L和0.026 mg/L，误差绝对分比分别为11.4%、5.2%、11.9%、8.3%、12%和10.2%，精度评定为四级、三级、四级、三级、四级、四级，六个指标的平均预测误差为9.8%，表明GM(1,1)灰色预测模型的整体预测精度为三级，模型拟合精度较高，适合用于契爷石水库未来一段时间内水质的预测分析。

图4 水质预测结果

5 结 语

契爷石水库开展了为期6年的水质监测工作，通过监测数据可以分析得到：溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮均表现出明显的季节性特征，总氮和总磷并没有表现出明显的季节性特性；溶解氧的年际变化特性表现为先减小后增大，高锰酸盐指数和五日化学需氧量呈动态波动变化，氨氮、总氮和总磷在整体上呈递减变化特征；采用综合水质评价法得到该水库近年来的水质评价级别为Ⅲ类、Ⅱ类、Ⅱ类、Ⅱ类、Ⅱ类、Ⅱ类，采用模糊综合评价法得到该水库水质评价级别为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅱ类、Ⅱ类、Ⅰ类和Ⅰ类：采用GM(1,1)灰色预测模型对水库未来水质情况进行预测分析，结果表明，六个主要监测指标的平均预测误差为9.8%，预测精度较高，可用于该水库水质的预测分析。