居民小區(qū)飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)構(gòu)建與應(yīng)用

朱 斌

(上海城投水務(wù)<集團(tuán)>有限公司，上海 200002)

為了保障居民的飲水安全，在水廠處理、管網(wǎng)輸配和二次供水過程中對(duì)飲用水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)非常必要。以往的研究多以出廠水和管網(wǎng)水為研究對(duì)象[1-4]，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，得出了一系列特征鮮明的水質(zhì)評(píng)價(jià)方法。由于檢測(cè)條件和供水環(huán)境的限制，多數(shù)供水企業(yè)注重于控制出廠水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，對(duì)于二次供水水質(zhì)的評(píng)價(jià)涉及不多。

《上海市城市總體規(guī)劃(2017—2035年)》提出，到2035年全市供水水質(zhì)將達(dá)到國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，滿足直飲需求。上海市開展了高品質(zhì)飲用水示范區(qū)建設(shè)，以水質(zhì)終端化為目標(biāo)，制定了示范區(qū)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施了小區(qū)智能泵房改造，安裝了在線水質(zhì)儀表，對(duì)小區(qū)水質(zhì)進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，確保居民用水安全。

飲用水水質(zhì)從出廠到居民小區(qū)這段供水距離不可避免會(huì)發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在渾濁度、余氯、pH和耗氧量(CODMn)指標(biāo)的波動(dòng)。此外，隨著水齡的增加，二次供水水質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。上海市現(xiàn)行的《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB31/T 1091—2018)(以下簡(jiǎn)稱地標(biāo))[5]針對(duì)二次供水水質(zhì)明確提出了檢驗(yàn)頻率和考核要求。因此，針對(duì)上海市居民小區(qū)飲用水，建立一個(gè)科學(xué)合理的評(píng)價(jià)方法顯得尤為重要，也是進(jìn)一步開展生活飲用水信息化建設(shè)的重要前提。

關(guān)于水質(zhì)評(píng)價(jià)的研究多采用五色分級(jí)法反映水質(zhì)信息[3,6]，以WQI(水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù))是否低于1.00作為是否合格的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水質(zhì)狀況進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)范圍的界定對(duì)于五色分級(jí)法最為重要。在“十三五水專項(xiàng)”的研究中，以上海市飲用水地方標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)、按照指標(biāo)檢測(cè)頻率的不同，建立上海市的飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)：日評(píng)指數(shù)(WQI日)、月評(píng)指數(shù)(WQI月)和年評(píng)指數(shù)(WQI年)，對(duì)上海市的水質(zhì)精細(xì)化管理有重要的應(yīng)用價(jià)值[7]。隨著高品質(zhì)飲用水示范區(qū)的建設(shè)推進(jìn)，有必要對(duì)評(píng)價(jià)分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新界定。居民小區(qū)飲用水指數(shù)在WQI日的基礎(chǔ)上，通過指標(biāo)的優(yōu)化選取和賦權(quán)，對(duì)小區(qū)飲用水水質(zhì)進(jìn)行更科學(xué)的評(píng)價(jià)。

1 材料與方法

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

在評(píng)價(jià)居民小區(qū)水質(zhì)時(shí)，考慮到對(duì)二次供水水質(zhì)指標(biāo)的行業(yè)檢測(cè)要求，擬選取地標(biāo)針對(duì)二次供水提出的8項(xiàng)指標(biāo)(渾濁度、色度、余氯、pH、臭和味、肉眼可見物、菌落總數(shù)與總大腸菌群)、亞硝酸鹽、耗氧量(CODMn)和水齡共計(jì)11項(xiàng)指標(biāo)參與計(jì)算，水質(zhì)指標(biāo)選取依據(jù)、數(shù)據(jù)來源及計(jì)算頻率如表1所示。

表1 二次供水系統(tǒng)水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)參數(shù)Tab.1 Water Quality Evaluation Index Parameters of Secondary Water Supply System

1.2 水質(zhì)指數(shù)的計(jì)算

1.2.1 分指數(shù)(Ii)的計(jì)算[2]

分指數(shù)計(jì)算如式(1)。

Ii=Ci/Si

(1)

其中：Ii——指標(biāo)i分指數(shù)；

Ci——指標(biāo)i檢測(cè)結(jié)果；

Si——指標(biāo)i的地標(biāo)限值。

當(dāng)Ci小于Si的1/10或低于檢測(cè)限時(shí)，Ii取0.10。對(duì)于肉眼可見物，無檢出，Ii取0.10；若有檢出，則統(tǒng)一規(guī)定Ii為1.50。臭和味若合格，則Ii為0.10，否則統(tǒng)一Ii為1.50。對(duì)于總大腸菌群，無檢出，Ii取0.10；若檢出，則計(jì)算方法為Ii=1.00+0.50(n-1)，n為100 mL水中檢出的菌落數(shù)。

按照上海市實(shí)際水質(zhì)特征，設(shè)置了一氯胺(總氯)和pH的評(píng)價(jià)類別，分別是最佳、可接受和不合格，各控制范圍如表2所示。二次供水一氯胺(總氯)和pH處于不同控制范圍時(shí)，按照不同的計(jì)算方法進(jìn)行評(píng)價(jià)[7]。

表2 一氯胺(總氯)和pH控制范圍Tab.2 Control Range of Monochloramine (Total Chlorine) and pH Value

一氯胺(總氯)和pH值的分指數(shù)計(jì)算如下。

1)當(dāng)一氯胺(總氯)和pH處于最適范圍時(shí)，Ii為0。

2)當(dāng)一氯胺(總氯)和pH處于可接受范圍時(shí)，按式(2)計(jì)算。

Ii=|Ci-Si|/(Simax-Simin)

(2)

其中：Simax——指標(biāo)i可接受范圍上限；

Simin——指標(biāo)i可接受范圍下限。

3)當(dāng)一氯胺(總氯)和pH處于不可接受范圍時(shí)，按式(3)計(jì)算。

Ii=|Ci-S’i|/S’i+1

(3)

其中：S’i——實(shí)際一氯胺(總氯)和pH接近的可接受范圍限值。

水齡是指小區(qū)的平均水齡，通過小區(qū)的用水量和二次供水有效容積計(jì)算而得，也可以通過小區(qū)在線水力模型實(shí)時(shí)計(jì)算而得，水齡分指數(shù)的計(jì)算方法如表3所示。

1.2.2 水質(zhì)指數(shù)的計(jì)算

基于先前的研究[4]，可進(jìn)行二次供水水質(zhì)指數(shù)的計(jì)算方法如式(4)。

表3 水齡分指數(shù)計(jì)算公式Tab.3 Calculation Formula of Water Age Index

其中：WQI——樣品的水質(zhì)指數(shù)；

Iimax——分指數(shù)Ii的最大值；

Iiexceed——單項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)項(xiàng)目的指數(shù)值(全部指標(biāo)均合格時(shí)不計(jì)算該值)，當(dāng)存在超標(biāo)項(xiàng)目時(shí)，按式(5)計(jì)算。

Iiexceed=|Ci-Si|/Si+1

(5)

水質(zhì)指數(shù)也可按式(6)計(jì)算[8]。

其中：Wi——分指數(shù)的權(quán)重，總和為1。

對(duì)于二次供水水質(zhì)而言，渾濁度、余氯、耗氧量和水齡波動(dòng)較為明顯且對(duì)水質(zhì)影響最為直觀。因此，在評(píng)價(jià)二次供水水質(zhì)時(shí)，需提高相關(guān)指標(biāo)的權(quán)重。為增強(qiáng)計(jì)算公式的實(shí)用性和靈活性，保證計(jì)算公式與實(shí)際情況貼合。按照小區(qū)二次供水水質(zhì)指標(biāo)實(shí)際監(jiān)測(cè)情況，對(duì)上海市居民小區(qū)進(jìn)行分類。按照類別對(duì)二次供水計(jì)算公式的權(quán)重進(jìn)行調(diào)整。小區(qū)分類及對(duì)應(yīng)計(jì)算權(quán)重如表4所示。

表4 二次供水小區(qū)分類及對(duì)應(yīng)計(jì)算權(quán)重Tab.4 Classification of Secondary Water Supply Districts and Corresponding Calculation Weights

2 評(píng)價(jià)指數(shù)實(shí)際應(yīng)用

2.1 計(jì)算模型的確立

水質(zhì)指數(shù)的計(jì)算旨在直觀和準(zhǔn)確地反映出實(shí)際水質(zhì)狀況，要求計(jì)算公式對(duì)水質(zhì)變化具有較高的靈敏度。以示范小區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，模擬可能出現(xiàn)的水質(zhì)情況，通過計(jì)算判斷模型的適用度，數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 不同情況下的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.5 Water Quality Monitoring Data under Different Conditions

由圖1可知，對(duì)于前3種情況，式(1)和式(2)得到的計(jì)算結(jié)果基本一致。對(duì)于情況四(水齡升高)，式(2)比式(1)更能反映出水質(zhì)的實(shí)際變化。當(dāng)監(jiān)測(cè)值由情況一變化至情況二、情況三、情況四時(shí)，2個(gè)公式均能反映出實(shí)際水質(zhì)變化；式(2)對(duì)于水齡的升高較式(1)更為敏感。

圖1 不同計(jì)算公式各情況的計(jì)算結(jié)果Fig.1 Calculation Results of Different Calculation Formulas in Each Case

2.2 評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的界定

為提高居民小區(qū)供水水質(zhì)管理水平，供水企業(yè)基于水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況，在上海市地標(biāo)的基礎(chǔ)上，新增水齡指標(biāo)限值，并提高對(duì)特定水質(zhì)指標(biāo)的要求，設(shè)置企業(yè)內(nèi)部限值，如表6所示。

界定評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是水質(zhì)信息合理性的保證。

表6 企業(yè)內(nèi)部限值Tab.6 Internal Water Quality Limits for Enterprises

本研究基于示范區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，模擬了評(píng)價(jià)指標(biāo)在5種不同評(píng)價(jià)等級(jí)的水質(zhì)數(shù)據(jù)，并計(jì)算了對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)內(nèi)的水質(zhì)指數(shù)。基于各評(píng)價(jià)等級(jí)的水質(zhì)指數(shù)，界定相應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中所有水樣色度、臭和味、總大腸菌群、肉眼可見物和pH幾乎無波動(dòng)，為保證模擬數(shù)據(jù)更貼合實(shí)際情況，模擬過程中并未考慮此類指標(biāo)；菌落總數(shù)多在0～10 CFU/mL，在多指標(biāo)波動(dòng)模擬中未作考慮。綜合考慮指標(biāo)監(jiān)測(cè)的便捷性和實(shí)際水質(zhì)數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍，多指標(biāo)組合波動(dòng)優(yōu)先級(jí)為渾濁度>余氯>耗氧量>水齡>亞硝酸鹽，具體模擬數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 不同評(píng)價(jià)等級(jí)模擬的水質(zhì)數(shù)據(jù)Tab.7 Water Quality Data Simulated by Different Evaluation Levels

模擬的各評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)據(jù)的含義如下：

優(yōu)：所有指標(biāo)符合表6內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)限值；

良：一個(gè)或多個(gè)指標(biāo)在內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)限值和地標(biāo)限值內(nèi)波動(dòng)，其余指標(biāo)為示范小區(qū)監(jiān)測(cè)值；

合格：一個(gè)或多個(gè)指標(biāo)在地標(biāo)限值和國(guó)標(biāo)限值內(nèi)波動(dòng)，其余指標(biāo)為示范小區(qū)監(jiān)測(cè)值；

不合格：部分指標(biāo)超過國(guó)標(biāo)限值，其余指標(biāo)為示范小區(qū)監(jiān)測(cè)值。

圖2 評(píng)價(jià)等級(jí)“優(yōu)(示范區(qū)水質(zhì))”的計(jì)算結(jié)果Fig.2 Calculation Results of Evaluation Grade "Excellent"

如圖2所示，當(dāng)指標(biāo)處于評(píng)價(jià)等級(jí)“優(yōu)(示范區(qū)水質(zhì))”時(shí)，水質(zhì)指數(shù)計(jì)算結(jié)果集中分布在0.30～0.40。僅當(dāng)耗氧量、菌落總數(shù)和亞硝酸鹽分別大于1.1 mg/L、20 CFU/mL和0.08 mg/L時(shí)，計(jì)算結(jié)果大于0.40；當(dāng)所有指標(biāo)為企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)限值時(shí)，計(jì)算結(jié)果在0.60左右?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，采用0.40作為評(píng)價(jià)等級(jí)“優(yōu)(示范區(qū)水質(zhì))”的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

如圖3所示，當(dāng)水質(zhì)指標(biāo)處于評(píng)價(jià)等級(jí)“良(單/多個(gè)近地標(biāo))”時(shí)，水質(zhì)指數(shù)計(jì)算結(jié)果集中分布在0.60～0.80。經(jīng)分析，當(dāng)小區(qū)水質(zhì)指標(biāo)處于表8的水質(zhì)情況時(shí)，計(jì)算結(jié)果大于0.60?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，0.40～0.60可界定為“良”的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

如圖4所示，當(dāng)水質(zhì)指標(biāo)處于評(píng)價(jià)等級(jí)“合格(單/多個(gè)超地標(biāo))”時(shí)，若僅有一個(gè)指標(biāo)接近國(guó)標(biāo)，評(píng)價(jià)結(jié)果分布在0.60～1.00；若多個(gè)指標(biāo)接近國(guó)標(biāo)時(shí)(渾濁度>0.70 NTU或耗氧量>2.6 mg/L)，計(jì)算結(jié)果會(huì)>1.00。

當(dāng)指標(biāo)處于“不合格”等級(jí)時(shí)，由于設(shè)置了懲罰項(xiàng)，計(jì)算結(jié)果>1.00。由圖3和圖4可知，水質(zhì)指數(shù)若處在0.60～1.00時(shí)，則代表多個(gè)水質(zhì)指標(biāo)近地標(biāo)限值或單個(gè)水質(zhì)指標(biāo)超過地標(biāo)限值，因此，可將0.60～1.00界定為“合格”的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。綜上，本研究界定的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表9所示。

圖3 評(píng)價(jià)等級(jí)“良(單/多指標(biāo)近地標(biāo))”的計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation Results of Evaluation Grade "Good "

表8 “良(單/多指標(biāo)近地標(biāo))”中計(jì)算結(jié)果大于0.60的水質(zhì)情況Tab.8 "Good" Water Quality with Calculation Results Greater than 0.60

2.3 小區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)的實(shí)際應(yīng)用

運(yùn)用上述水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算方法對(duì)示范區(qū)6個(gè)小區(qū)在2020年7月和10月進(jìn)行了水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算，如圖5所示。其中，4個(gè)小區(qū)水質(zhì)為“優(yōu)”，2個(gè)小區(qū)水質(zhì)為“良”。在水質(zhì)都符合地標(biāo)的情況下，水質(zhì)指數(shù)在反映樣品整體水質(zhì)等級(jí)的同時(shí)，重點(diǎn)突出了水齡對(duì)樣品水質(zhì)的影響。龍華小區(qū)水齡由7月的42.8 h降至10月的11.9 h，水質(zhì)指數(shù)由0.65降至0.33；春江小區(qū)水齡由78.7 h降至14.8 h，水質(zhì)指數(shù)由1.87降至0.36，其余小區(qū)未進(jìn)行運(yùn)行模式優(yōu)化，水齡不變，水質(zhì)指數(shù)也無明顯變化。10月水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)情況總體好于7月。

圖4 評(píng)價(jià)等級(jí)“合格(單/多指標(biāo)近國(guó)標(biāo))”的計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation Results of the Evaluation Level "Qualified"

表9 水質(zhì)指數(shù)評(píng)價(jià)分級(jí)及含義Tab.9 Water Quality Index Evaluation Classification and Meaning

3 結(jié)論

(1)本研究構(gòu)建的居民小區(qū)水質(zhì)指數(shù)，在反映樣品達(dá)標(biāo)情況的同時(shí)，可進(jìn)一步比較樣品整體水質(zhì)情況的波動(dòng)，并可突出關(guān)鍵指標(biāo)水齡對(duì)居民小區(qū)供水水質(zhì)的影響。

(2)本研究以地標(biāo)、國(guó)標(biāo)及二次供水的企業(yè)內(nèi)部水質(zhì)限值為基礎(chǔ)，結(jié)合示范小區(qū)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值，以在線監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)構(gòu)建了小區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)，界定了適用于上海市高品質(zhì)飲用水的小區(qū)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以更準(zhǔn)確地反映小區(qū)實(shí)際水質(zhì)狀況。

(3)在公式計(jì)算中，結(jié)合上海市二次供水的特點(diǎn)及水質(zhì)的影響因素，選取指標(biāo)的不同權(quán)重計(jì)算，結(jié)果更貼近小區(qū)實(shí)際水質(zhì)。通過一個(gè)指數(shù)可以快速了解小區(qū)水質(zhì)狀況，在評(píng)價(jià)中引入企業(yè)內(nèi)部水質(zhì)限值，以此界定的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格要求水質(zhì)，可為上海市高品質(zhì)飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià)、供水水質(zhì)精細(xì)化管理水平提高等起到積極推動(dòng)作用。

圖5 居民小區(qū)與水質(zhì)指數(shù)Fig.5 Residential Area and Water Quality Index