城市供水系統(tǒng)的水環(huán)境和水質(zhì)評估技術(shù)分析

郝洪超，王萍萍

（日照市工程檢測咨詢集團有限公司，山東 日照 276800）

引言

隨著城市人口的增長和工業(yè)活動的擴大，城市供水系統(tǒng)的水環(huán)境和水質(zhì)評估變得至關(guān)重要。水是人類和生態(tài)系統(tǒng)的基本需求，因此必須確保供水系統(tǒng)提供的水質(zhì)符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)并且不會對環(huán)境造成負(fù)面影響。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，相關(guān)研究人員開發(fā)了各種評估技術(shù)，用于監(jiān)測和評估供水系統(tǒng)中的水環(huán)境和水質(zhì)。

1 水環(huán)境與水質(zhì)評估概述

水環(huán)境與水質(zhì)評估是對水體的質(zhì)量和環(huán)境狀況進行定量和定性分析的過程。水環(huán)境包括各種水源，如河流、湖泊、地下水和海洋等，這些水源在維持生態(tài)平衡和人類活動中起著至關(guān)重要的作用。然而，由于工業(yè)化、城市化和農(nóng)業(yè)發(fā)展等因素的影響，水環(huán)境受到了嚴(yán)重的污染和破壞。因此，對水環(huán)境和水質(zhì)進行評估變得十分重要。水質(zhì)評估旨在確定水體的污染程度、尋找污染源并監(jiān)測環(huán)境變化。通過對水樣中的物理、化學(xué)和生物指標(biāo)進行測量和分析，可以了解水體的健康狀況和潛在風(fēng)險。常見的水質(zhì)參數(shù)包括溶解氧、pH值、濁度、營養(yǎng)物質(zhì)（如氮和磷）、有機物和微生物等[1]。

水環(huán)境和水質(zhì)評估具有十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，可以為政府部門、環(huán)境保護組織和水資源管理者提供決策支持和管理指導(dǎo)。對于城市供水系統(tǒng)，水環(huán)境評估能夠幫助監(jiān)測和維護供水水源的質(zhì)量，保障居民的飲用水安全。同時，在農(nóng)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，水環(huán)境評估也可以用于監(jiān)測和控制廢水的排放，減少其對環(huán)境的不良影響。因此，水環(huán)境與水質(zhì)評估是確?？沙掷m(xù)發(fā)展和保護生態(tài)系統(tǒng)的重要工具。通過采用切實可行的方法和技術(shù)，我們能夠更好地了解水體狀況、預(yù)測未來變化趨勢，并采取相應(yīng)的措施來改善水質(zhì)，進而保護珍貴的水資源。

2 水環(huán)境和水質(zhì)參數(shù)

2.1 主要水環(huán)境參數(shù)

水環(huán)境中存在許多主要的水質(zhì)參數(shù)，其中包括溫度、pH值、溶解氧和懸浮物。

（1）溫度是描述水體熱量狀態(tài)的重要指標(biāo)。溫度對于生物活動、化學(xué)反應(yīng)和水體的理化特性起著關(guān)鍵作用。水溫受到季節(jié)變化、氣候條件、太陽輻射和人類活動的影響。溫度的變化可以對水中生物群落的結(jié)構(gòu)和生態(tài)過程造成顯著影響。溫度與水體中其他參數(shù)的關(guān)系可以用公式表示為：

其中T表示水溫，Ta是大氣溫度，Ts是日射溫度，Q是熱交換通量，L是湖泊的特征長度，H是風(fēng)速。

（2）pH值是衡量水體酸堿性的指標(biāo)。pH值表示水中氫離子的濃度，并以帶負(fù)號的對數(shù)形式表示。pH值的變化可以影響水中生物的生長和代謝過程。水體的pH值通常受到大氣降水、土壤和巖石的溶解物以及人類活動的影響。pH值與其他參數(shù)的關(guān)系可以用公式表示為：

其中pH表示pH值，[H+]是氫離子濃度。

（3）溶解氧是水體中氧氣分子的溶解量。溶解氧對于水生生物的呼吸過程至關(guān)重要。溶解氧的含量受到水溫、氣體交換速率和水體中有機物質(zhì)的影響。溶解氧與其他參數(shù)的關(guān)系可以用公式表示為：

其中DO表示溶解氧的含量，T是水溫，S是鹽度，P是大氣壓力，O2是氧氣濃度，K是Henry常數(shù)。

（4）懸浮物是指水中懸浮的固體顆?；蛴袡C物。懸浮物來源于沉積物的懸浮和人類活動（如農(nóng)業(yè)和工業(yè)排放物）。懸浮物的濃度和組成會影響水體的透明度和光合作用的效率。懸浮物與其他參數(shù)的關(guān)系可以用公式表示為：

其中SS表示懸浮物的濃度，C是懸浮物的濃度系數(shù)，V是水體的流速。

這些主要的水環(huán)境參數(shù)在水質(zhì)評估和管理中起著重要的作用，通過監(jiān)測和分析這些參數(shù)，可以了解水體的健康狀況，并采取相應(yīng)的措施保護和改善水環(huán)境質(zhì)量[2]。

2.2 典型水質(zhì)參數(shù)

在水質(zhì)評估和管理中，存在許多典型的水質(zhì)參數(shù)，包括總?cè)芙夤腆w（TDS）、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）以及氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)。

（1）總?cè)芙夤腆w（TDS）是指水中溶解的無機鹽和有機物質(zhì)的總量，通常是通過蒸發(fā)水樣并稱重殘渣的方式進行測量。TDS的含量可以受到地下水含鹽度、人類活動和污染物輸入的影響。TDS與其他參數(shù)的關(guān)系可以用公式表示為：

其中TDS表示總?cè)芙夤腆w的含量，C1，C2，…，Cn是水中各種溶解物質(zhì)的濃度。

（2）化學(xué)需氧量（COD）是指水體中有機物質(zhì)被氧化分解所需的化學(xué)物質(zhì)的量，可用于評估水體中有機污染物的含量和分解能力。COD的測定常采用高溫酸性條件下使用化學(xué)試劑進行氧化反應(yīng)，并測量氧化劑的消耗量。COD與其他參數(shù)的關(guān)系可以用公式表示為：

其中COD表示化學(xué)需氧量，C1，C2，…，Cn是水中各種有機物質(zhì)的濃度。

（3）生化需氧量（BOD）是指水體中有機物質(zhì)被微生物降解所需的氧氣量，可用于評估水體中有機污染物的生物降解能力。BOD的測定通常通過將水樣暴露在適當(dāng)?shù)臏囟群脱鯕鈼l件下，測量一定時間內(nèi)溶解氧的消耗量進行。BOD與其他參數(shù)的關(guān)系可以用公式表示為：

其中BOD表示生化需氧量，t是測試的時間，DO1和DO2分別是測試開始和結(jié)束時的溶解氧含量。

（4）氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)是水體中的重要元素，對水生生物的生長和水體生態(tài)系統(tǒng)的平衡具有重要影響。氮和磷通常以無機形式（如硝酸鹽、銨鹽、磷酸鹽等）存在，可以通過人類活動（如農(nóng)業(yè)、工業(yè)排放等）進入水體。氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)與其他參數(shù)的關(guān)系可以用公式表示為：

其中Nutrient表示氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的含量，C1，C2，…，Cn是相應(yīng)的濃度。

這些典型的水質(zhì)參數(shù)對于評估水體環(huán)境質(zhì)量、指導(dǎo)水資源管理和水資源保護至關(guān)重要。通過監(jiān)測和分析這些參數(shù)，可以了解水體的污染程度及污染物的來源，并采取相應(yīng)措施保護和改善水質(zhì)。

3 水環(huán)境和水質(zhì)評估方法

3.1 實地采樣與監(jiān)測

實地采樣與監(jiān)測是水環(huán)境和水質(zhì)評估的重要步驟。通過在不同地點、時間和條件下采集水樣，并進行系統(tǒng)性的監(jiān)測，可以獲取有關(guān)水體質(zhì)量和污染狀況的信息。實地采樣涉及到選擇合適的采樣點和采樣方法，并確保樣品具有代表性和可比性。采樣點的選擇應(yīng)考慮水體特征、潛在污染源和監(jiān)測目標(biāo)等因素。常見的采樣方法包括現(xiàn)場采樣、自動采樣和定位采樣等。此外，檢采樣人員還需要記錄相關(guān)的環(huán)境參數(shù)（如溫度、pH值等）以及采樣過程中的操作細節(jié)。實地監(jiān)測是指對水體現(xiàn)場情況進行直接觀察和記錄，其中包括對水色、氣味、懸浮物等的觀察。

3.2 分析儀器與設(shè)備

分析儀器與設(shè)備在水質(zhì)評估中起著至關(guān)重要的作用，可以幫助檢測人員測量和檢測水樣中的各種物理、化學(xué)和生物參數(shù)。常用的分析儀器包括光譜儀、色譜儀、元素分析儀等。利用這些儀器能夠精確測量水樣中的特定成分和污染物，并提供有關(guān)其濃度、組成和特征的信息。此外，還需要配備適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，如pH計、溶解氧儀、溫度計等，用于測量和監(jiān)測水體的基本參數(shù)。這些儀器和設(shè)備在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性方面起到至關(guān)重要的作用。

3.3 常見的分析方法

常見的分析方法在水質(zhì)評估中被廣泛應(yīng)用，有助于確定水樣中的污染物和環(huán)境參數(shù)。

3.3.1 光譜分析法

光譜分析法是利用不同波長的電磁輻射與樣品相互作用的原理進行分析。例如，紫外-可見光譜可以用于測量水樣中的有機物和無機物質(zhì)的吸收特性。紅外光譜則用于確定樣品的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的類型。

3.3.2 色譜分析法

色譜分析法是一種通過將混合物分離成單個組分來進行分析的方法。常見的色譜技術(shù)包括氣相色譜（GC）和液相色譜（LC）法，可用于分離和測量水中的有機污染物、溶解氣體和營養(yǎng)物質(zhì)等。

3.3.3 元素分析法

元素分析法用于測量水樣中的各種元素的含量。常見的元素分析方法包括原子吸收光譜（AAS）、電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES）和質(zhì)譜法等。這些方法可以提供準(zhǔn)確的元素含量數(shù)據(jù)，可用于評估水體中的微量元素和重金屬等污染物。

以上這些常見的分析方法通過精確測量和分析水樣中的不同參數(shù)，為水質(zhì)評估提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持，并具有高靈敏度、高選擇性和高分辨率的優(yōu)點，可以幫助識別和定量分析水體中污染物的種類和濃度。這些分析方法在水環(huán)境和水質(zhì)評估中得到了廣泛應(yīng)用，為政府相關(guān)部門的決策制定和環(huán)境保護提供了科學(xué)的依據(jù)。

4 水環(huán)境和水質(zhì)評估模型

4.1 定量評估模型

定量評估模型在水環(huán)境和水質(zhì)評估中起著重要作用，是通過數(shù)學(xué)和統(tǒng)計方法將多個水質(zhì)參數(shù)整合在一起，提供對水體質(zhì)量的綜合評價。

（1）水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（WQI）：水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)是一種綜合評價水質(zhì)的定量指標(biāo)，是基于多個水質(zhì)參數(shù)的測量值，通過加權(quán)平均或多元回歸等方法，將不同參數(shù)的濃度轉(zhuǎn)化為相對指數(shù)值。WQI的計算公式可以表示為：

其中，WQI表示水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，Wi表示每個參數(shù)的權(quán)重，Pi表示每個參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)。WQI的取值范圍通常是0～100，數(shù)值越高表示水質(zhì)越好。

（2）水質(zhì)等級評價模型：水質(zhì)等級評價模型是一種根據(jù)特定標(biāo)準(zhǔn)將水質(zhì)分為不同等級的定量模型。該模型將水質(zhì)參數(shù)的測量結(jié)果與設(shè)定的閾值進行比較，并根據(jù)超過或低于閾值的程度，將水質(zhì)分為優(yōu)、良、輕度污染、中度污染和重度污染等不同等級。水質(zhì)等級評價模型可以用以下公式表示：

其中，WaterQualityGrade表示水質(zhì)等級，P1，P2，…，Pn表示不同水質(zhì)參數(shù)的測量值或計算值。

這些定量評估模型為水質(zhì)評估提供了快速、簡便且客觀的方法，通過將多個水質(zhì)參數(shù)整合起來，考慮各個參數(shù)的權(quán)重和相互關(guān)系，能夠更準(zhǔn)確地反映水體的整體質(zhì)量狀況。

4.2 基于機器學(xué)習(xí)的水質(zhì)預(yù)測模型

基于機器學(xué)習(xí)的水質(zhì)預(yù)測模型在水環(huán)境和水質(zhì)評估中具有廣泛的應(yīng)用，通過分析歷史數(shù)據(jù)和建立數(shù)學(xué)模型，可以預(yù)測未來水質(zhì)的變化趨勢。以下是三種常見的基于機器學(xué)習(xí)的水質(zhì)預(yù)測模型：

（1）多元線性回歸：多元線性回歸是一種通過擬合線性方程來預(yù)測因變量與多個自變量之間關(guān)系的模型。對于水質(zhì)預(yù)測，可以將水質(zhì)參數(shù)作為自變量，將其濃度或指標(biāo)作為因變量，建立線性回歸模型。多元線性回歸模型可以使用以下公式表示：

其中，Y表示因變量（水質(zhì)參數(shù)），X1，X2，…，Xn表示自變量（其他水質(zhì)參數(shù)），β0，β1，…，βn表示回歸系數(shù)。

（2）支持向量機：支持向量機是一種監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，用于分類和回歸分析。在水質(zhì)預(yù)測中，可以使用支持向量機模型來建立水質(zhì)參數(shù)與其他相關(guān)參數(shù)之間的復(fù)雜非線性關(guān)系。支持向量機模型通過尋找一個最優(yōu)超平面來實現(xiàn)分類或回歸，可以用以下公式表示：

其中，f（X）表示預(yù)測值，β0表示偏差項，αi表示支持向量機的參數(shù)，Yi表示類別標(biāo)簽，K（Xi，X）表示核函數(shù)。

（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬人腦神經(jīng)元工作原理的計算模型。在水質(zhì)預(yù)測中，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來學(xué)習(xí)水質(zhì)參數(shù)與其他環(huán)境因素之間的復(fù)雜非線性關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通常由輸入層、隱藏層和輸出層組成，通過訓(xùn)練和調(diào)整神經(jīng)元之間的連接權(quán)重，可以得到準(zhǔn)確的水質(zhì)預(yù)測結(jié)果。

這些基于機器學(xué)習(xí)的水質(zhì)預(yù)測模型能夠從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)和挖掘水質(zhì)參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)系，具有較高的預(yù)測準(zhǔn)確性和泛化能力，從而可以幫助決策者和管理機構(gòu)了解未來水體質(zhì)量的趨勢，并采取相應(yīng)的措施進行水質(zhì)保護和治理。然而，需要注意的是，建立準(zhǔn)確可靠的預(yù)測模型需要充分的數(shù)據(jù)支持和模型參數(shù)的調(diào)優(yōu)，同時還需要考慮其他環(huán)境因素和人為干擾對水質(zhì)的影響，只有這樣才能提高水質(zhì)預(yù)測結(jié)果的可信度和適用性。

5 應(yīng)用案例分析

5.1 某城市供水系統(tǒng)的水環(huán)境評估

對某城市供水系統(tǒng)進行水環(huán)境評估是至關(guān)重要的。利用水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)（WQI）作為評估工具，可以綜合考慮多個水質(zhì)參數(shù)的濃度和指標(biāo)，提供對水體整體質(zhì)量的定量評價。在該案例中，收集了來自不同供水點的水樣數(shù)據(jù)，包括溶解氧、pH值、五日生化需氧量（BOD5）、總氮和總磷等參數(shù)。評估步驟如下：首先，檢測人員通過對每個水質(zhì)參數(shù)的測量結(jié)果進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，能夠得到各個參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)。然后，確定每個參數(shù)的權(quán)重，并根據(jù)其對水體質(zhì)量的重要程度進行賦值。權(quán)重的確定可以基于專家意見、監(jiān)管要求以及國家或地區(qū)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。最后，利用WQI公式計算供水系統(tǒng)的水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，該指數(shù)反映了整體水質(zhì)的好壞情況。根據(jù)WQI的值，可以將水體分為不同的等級，如優(yōu)、良、輕度污染、中度污染和重度污染等級，進而提供科學(xué)支持和參考，幫助決策者制定改善供水系統(tǒng)水質(zhì)的措施。

5.2 某水源地水質(zhì)預(yù)測模型構(gòu)建

針對某水源地的水質(zhì)預(yù)測，可以利用機器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建預(yù)測模型，為未來水質(zhì)變化提供參考和預(yù)警。其中，多元線性回歸和支持向量機分類是兩種常見的模型。

在該案例中，收集了大量歷史數(shù)據(jù)，包括水質(zhì)參數(shù)（如溶解氧、氨氮、總磷等）和相關(guān)的環(huán)境因素（如溫度、降雨量等）。首先，分析人員采用多元線性回歸模型分析水質(zhì)參數(shù)與環(huán)境因素之間的線性關(guān)系，再通過擬合線性方程，推測未來水質(zhì)參數(shù)的變化趨勢。此外，還可以進行回歸系數(shù)的顯著性檢驗，以評估不同環(huán)境因素對水質(zhì)參數(shù)的影響程度。另一方面，支持向量機分類模型可用于根據(jù)已知數(shù)據(jù)樣本將水質(zhì)分為不同的類別，通過訓(xùn)練和調(diào)整支持向量機模型，可以實現(xiàn)對未知樣本的分類預(yù)測。通過核函數(shù)的選擇和參數(shù)調(diào)整，支持向量機模型能夠更好地捕捉水質(zhì)參數(shù)與環(huán)境因素之間的非線性關(guān)系，提高預(yù)測的準(zhǔn)確度。

總之，利用這些機器學(xué)習(xí)模型構(gòu)建水源地水質(zhì)預(yù)測模型可以幫助相關(guān)監(jiān)測和管理部門及時了解水質(zhì)變化趨勢，并采取相應(yīng)的措施保護水源地。同時，預(yù)測模型的建立還需要充分考慮數(shù)據(jù)的可靠性、模型參數(shù)的選擇和調(diào)整等方面的問題，從而進一步提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。

6 結(jié)論

綜上所述，城市供水系統(tǒng)的水環(huán)境和水質(zhì)評估技術(shù)在提供科學(xué)依據(jù)和決策支持等方面起著重要作用。通過應(yīng)用水質(zhì)指數(shù)、多元線性回歸和支持向量機等方法，可以全面評估水體質(zhì)量、預(yù)測水質(zhì)變化，并制定相應(yīng)的管理措施。然而，在應(yīng)用這些技術(shù)時，要確保數(shù)據(jù)持的可靠性和模型的準(zhǔn)確性，以增強評估結(jié)果的可信度和適用性，從而實現(xiàn)有效的水資源保護與管理。