（地质工程专业论文）西安市供水水源黑河引水工程水质评价与水质管理.pdf

论文题目：西安市供水水源黑河引水工程水质评价与水质管理 专业： 硕士生： 指导教师： 地质工程 吕晓军 赵晓光 摘要 ( 签名) ( 签名) 水是万物生命的源泉，河是人类文明的摇篮。九曲黄河孕育了上下五千年的华夏文 明，八水绕长安成就了西安1 2 朝古都的美誉。然而，随着城市化进程的加快，突出的 水资源供需矛盾却成为制约西安经济和社会发展的瓶颈。西安黑河引水工程是一项以城 市供水为主，兼顾农业灌溉、水力发电、调蓄防洪等综合效益，跨流域引水、综合利用 的大型供水工程。它从根本上解决了西安市饮用水、农业用水、工业用水等水资源紧缺 的问题。 本文通过对目前使用较多的几种水质评价方法的分析研究及比较，选择国家水质标 准中要求的单因子评价法作为评价的基础，针对黑河引水工程多个水源、暗渠输水的实 际情况，建立黑河引水工程水质评价方法；依据国家环保总局地表水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 ) 中规定的地表水环境质量标准基本项目和集中式生活饮用水 地表水源地补充项目及其分析方法对黑河引水工程几个主要水源的水质进行实验室分 析，利用建立的水质评价方法对黑河引水工程水质进行评价，得出了水质尚好的评价结 果；根据水质评价结果及建立的水质评价方法，使用v i s u a lb a s i c 高级编程语言集成开 发环境开发水质管理信息系统，实现信息录入、数据处理、信息检索、水质评价、成果 输出、系统管理等诸多功能，为黑河引水工程的水质管理提供全面、准确、快捷、方便 的决策依据。 关键词：黑河引水工程；水质评价；水质管理；管理信息系统 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ew a t e r q u a l i t ya s s e s s m e n ta n dm a n a g e m e n to fb l a c kr i v e r d i v e r s i o np r o j e c t t h ew a t e rs o u r c eo fx i a n s p e c i a l t y ：g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：x i a o j u nl v i n s t r u c t o r ：x i a o g u a n gz h a o ( s i g n a t u r e ) 埋鎏业 ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t w a t e ri st h es o u i v ：eo fa l ll i v e s ，a n dr i v e r sa r et h ec r a d l eo fh u m a nc i v i l i z a t i o n n l e y e l l o wr i v e rh a sp l a y e da ni n d i s p e n s a b l er o l ei nt h ef o r m a t i o no ft h ef i v et h o i l s a n dy e a r s c h i n e s ec i v i l i z a t i o n a n dt h ee i g h tr i v e r si ns h a a n x is u r r o u n d i n gc h a n g a nc o n t r i b u t e dt o t h eh i g hr e p u t a t i o no f x i a na st h ea n c i e n tc a p i t a lo f t w e l v ed y n a s t i e s h o w e v e r , a st h ep r o c e s so fu r b a n i z a t i o na c c e l e r a t e s ，t h ei m b a l a n c e ds u p p l ya n dd e m a n d o fw a t e rr e s o u r c e sh a sc o m et ob eab o t t l e n e c k , w h i c hh a sb e e nc o n s t r a i n i n gt h ee c o n o m i c a n ds o c i a ld e v e l o p m e n ti nx i a n mh e i h er i v e rd i v e r s i o np r o j e c ti nx i a ni sal a r g e s c a l eb a s i n s - c r o s s e da n d m u l t i 。p u r p o s eu r b a nw a t e rs u p p l yp r o j e c t ，t a k i n gi n t oc o n s i d e r a t i o na g r i c u l t u r a li r r i g a t i o n , h y d r o e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o n ，r a t i o n a ls t o r a g eo fw a t e rr e s o u r c e sa n df l o o dp r e v e n t i o n i t b a s i c a l l ya n de f f i c i e n t l ys a t i s f yt h es u p p l yo f d r i n k i n g ，a g r i c u l t u r a la n di n d n s t r i a lw a t e r b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fs e v e r a la s s e s s m e n tm e t h o d so fw a t e rq u a l i t y f i a u e n f l yu s e dr e c e n t l y , t h ep a p e re s t a b l i s h e st h ea s s e s s m e l l tm e t h o df o rh e r ew a t e rq u a l i t y , a p p l y i n gt h es i n g l ef a c t o ra s s e s s m e n tr e q u i r e di nt h en a t i o n a lw a t e rq u a i i t ys t a n d a r d sa n d c o m b i n i n gt h ef a c to fm u l t i s o u i v ew a t e ra n du n d e r g r o u n dw a t e rs u p p l yo ft h ep r o j e c t i nt h e l i g h to f t h eb a s i ci t e m so f e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r d s f o rs u r f a c e 腑f 盯a n da d d i t i o n a l i t e m sf o rc e n t r a l i z e dd r i n k i n gw b 把ri ng r o u n dw n 把ra r e a si ne n v 扣o n m e n m lq u a t u y s t a n d a r d sf o r s u r f a c ew a t e r ( o b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 ) b ys t a t ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a d m i n i s t r a t i o no fc h i n aa n dt h e i ra n a l y s i sm e t h o d s ，t h ew a t e rq u a l i t yo fs e v e r a ls o u r c e so f t h ep r o j e c ti sa n a l y z e di nl a b o r a t o r y 1 1 ”p a p e rr e a c h e st h ec o n c l u s i o nt h a tt h ew a t e ri so f g o o dq u a l i t yb yu s i n gt h ee s t a b l i s h e da s s e s s m e n tm e t h o d 1 1 1 ep a p e rf i n d so u t8 1 1a l l r o u n d , p r e c i s ea n dc o n v e n i e n td e c i s i o n - m a k i n gf o u n d a t i o nf o rt h ew a t e rm a n a g e m e n to ft h ep r o j e c t , o nt h eb a s i so ft h er e s u l to fw a t e ra s s e s s m e n ta n dt h ee s t a b l i s h e da s s e s s m e n tm e t h o da n dt h e a p p l i c a t i o no fm a n a g c m a n ti n f o r m a t i o ns y s t e mf o re x p l o i t i n ge n v i r o n m e n ta n d 啪t e rb a s e d o nv i s u a lb a s i c ，w h i c hc a rr e a l i z ei n f o r m a t i o ni n p u t ，d a t ap r o c e s s i n g ，i n f o r m a t i o nr e t r i e v a l ， w a t e rq u a l i t ya s s e s s m e n t ，r e s u l to u t p u ta n ds y s t e mm a n a g e m e n t k e y w o r d s ：w a t e rd i v e r s i o np r o j o c to f b l a c kr i v e rw a t e rq u a l i t ya s s e s s m e n t w a t e rq i l a l 时m a n a g e m e n tm i s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要斜技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签 日期： 啊露知 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为谣安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签 日 1 绪论 1 1 研究的背景和意义 1 1 1 研究背景 1 绪论 西安市是一个水资源严重匮乏的城市，境内地表水多年平均径流量为2 4 8 7 1 0 8 m 3 ，地下水资源量为1 6 9 0 x1 0 s m 3 。水资源总量3 1 4 0 1 0 8 m 3 ，人均占有地表水 3 8 4 m 3 ，分别为全国及全世界人均占有量的l 6 与1 2 4 ，大大低于国际公认的维持一个 地区社会、经济、环境所需的人均5 0 0 1 0 0 0 m 3 的临界值【1 1 。长期以来，突出的水资源 供需矛盾制约了西安市社会、经济的发展。 西安黑河引水工程是一项以城市供水为主，兼顾农业灌溉、水力发电、调蓄防洪等 综合效益，跨流域引水、综合利用的大型供水工程【2 】。它从根本上解决了西安市饮用水、 农业用水、工业用水等水资源紧缺的问题。 黑河引水工程由水库枢纽、输水暗渠、曲江水厂、城市配水管网以及农灌工程五个 部分组成。整个输水渠道全长1 1 9 k r a ，以黑峪口蔺家湾汇流池为分界点，分为东、西两 个渠段。汇流池以东为黑河输水渠道( 东段) ，以西为石头河水库西安供水渠道( 西段) 。 黑河输水渠道自黑峪口蔺家湾汇流池起，向东沿秦岭北坡脚，经周至县、户县、长安县 甫店至西安市南郊曲江池净水厂的进水口，长8 5 9 6 3 p a n 。石头河水库供水渠道从石头河 水库东干渠汤峪河渡槽出口起到黑峪口蔺家湾汇流池止，全长3 2 7 9 k m 。石头河水库供 水渠道和黑河输水渠道均实行重力自流输水 3 1 。 黑河引水工程有五个水源，即黑河水库主水源，石头河水库补充水源，石砭峪水库 应急调补备用水源，田峪、沣峪季节性自流补充水源等。向西安城市年供水总规模为4 x1 0 8 m 3 。各水源简况为 3 1 ： ( 1 ) 黑河水源。黑河系渭河一级支流，发源于周至县境内秦岭主峰太白山自然保 护区内的二爷海，干流长1 2 5 8 k m ( 峪口内长9 1 2 k r a ) ，流域面积2 2 5 8 k m 2 ( 其中山区 占7 2 ) ，控制流域面积1 4 8 1 k i n 2 ，域内山高谷深，森林覆盖率4 6 5 ，干流由一百多 条支流汇成，年均径流量6 6 7 1 0 8 m 3 ，最大流量3 0 4 0 m 3 s ，最小流量l m 3 s ；除汛期含 有少量泥沙外，年平均有8 个月含沙量为0 。黑河水属重碳酸盐软水，没有工业污染， 水流清澈，味正甘甜，有毒有害物质含量均低于国家规定的生活饮用水标准。黑河径流 水除年灌农田用去1 2 3 x 1 0 s m 3 之外，其余5 x 1 0 3 m 3 水流入渭河。丰、枯水季节径流水 量差异很大，枯水期间农灌用水紧张，丰水尤其是大、暴雨时，河水奔泻，中下游泛滥 成灾。黑河峪口距西安市区8 6 1 a n ，海拔高程比西安城区高l l o i n ，可实行重力自流输水。 西安科技大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 水库建成后，年供水3 0 5 1 0 8 m 3 ，最大日均供水8 0 x 1 0 4 m 3 ，是一个十分理想的水源。 ( 2 ) 石头河水库补充水源。1 9 9 1 年8 月国务院决定将眉县石头河水源供水工程纳 入西安黑河引水工程之中，石头河水库成为西安在黑河水库建成前的应急水源及以后的 永久性补充水源。石头河源于秦岭太白山，水库东距黑河5 7 3 k m ，水量丰富，水质甘醇， 是渭河一大支流。多年平均径流量4 4 8 1 0 s m 3 ，流域面积6 7 3 l ( i i l 2 ，石头河水库于1 9 7 4 年动工，1 9 8 1 年开始蓄水，原为农灌用水而建。坝高11 4 m ，总库容1 4 7 x1 0 8 m 3 ，有效 库容1 2 1 0 8 m 3 ，调节水量年均2 7 1 0 8 m 3 ，规划灌溉农田1 2 8 万亩。经省市政府决定， 西安供水渠道建成之后，每年向西安供水o 9 5 1 0 8 m 3 。 ( 3 ) 石砭峪水库调补备用水源。石砭峪河属长安县沣河支流，漓河上源。水库位 于秦岭北麓石砭河上，距西安城区约3 0 k m ，1 9 7 9 年水库枢纽主体建成。大坝为沥青砼 斜墙堆石坝，坝高8 5 m ，总库容2 8 1 0 1 0 4 m 3 ，有效库容2 6 5 0 x1 0 4 m 3 ，控制流域面积 1 3 0 k r n 2 ，每年平均径流量o 9 7 x1 0 8 m 3 ，以农灌为主，灌溉0 1 6 8 x1 0 4 i m 。水库距甫店 汇流池8 4 k m ，其中，新建输水暗渠3 1 6 k m ，石砭峪水库总干渠和西干渠渠道改建 5 2 4 k m 。根据城乡用水需要，石砭峪水库西安供水渠道设计流量为5m 3 s 。为尽早发挥 黑河引水工程投资效益，本着就近供水的原则，石砭峪供水渠道于1 9 9 0 年8 月3 0 日建 成通水，向西安每年供水3 0 0 0 x1 0 4 m 3 ( 日均8 1 0 4 m 3 ) 。水库作为事故备用水源，当 甫店汇流池以西渠道或水库发生事故期间，要确保日供水4 0 1 0 4 t 。 ( 4 ) 沣峪自流引水补充水源。沣河源于长安县喂子坪乡鸡窝子以南的秦岭北侧，由 2 l 条主要支流汇成。干流长8 1 9 k m ，流域面积1 4 6 0 l ( i i l 2 ( 峪口以上为8 7 1 l 【i i l 2 ) ，年均 径流量4 0 8 1 0 8 m 3 ( 最大6 3 8 x1 0 8 m 3 ，最小1 0 6 1 0 8 i n 3 ) 。最大洪峰流量1 4 3 0m 3 s 。 沣河的水质清澈，含沙很少，枯水期下游常有断流发生。1 9 9 3 年1 2 月沣峪清水流入西 安。 图1 1 西安黑河引水工程示意图 ( 5 ) 田峪自流引水补充水源。田峪河源于秦岭北麓，流域面积2 5 8 5 k m 2 ，干流全 长5 2 k m 。峪口以上流域面积2 3 7 k m 2 ，干流长3 7 5 k m 。经有关部门推算，多年平均径流 2 1 绪论 量1 3 9 x1 0 8 m 3 。山区植被良好，水流清甜，含沙量小，是较好的饮用水源。1 9 9 4 年1 2 月，田峪自流引水渠道同黑河引水工程输水暗渠相连结，田峪河水流入西安。按设计要 求，田峪河除保证农灌用水外，枯水年可向西安供水2 0 0 0 1 0 4 m 3 ，一般年份可供水4 0 0 0 x 1 0 4 m 3 。 黑河引水是发展西安经济、造福西安人民的城市基础设施，具有显著的经济效益和 社会效益，同时可以获得良好的环境效益。主要表现在引水工程连同现有水源将满足相 当长一段时间的城市用水要求，促进市区工业、文教、旅游事业的发展，改善市民用水 条件，提高健康水平，减缓市区地面沉降和地裂缝发展，以及改良市区自然环境，有利 于园林绿化事业的发展等等。 1 1 2 研究意义 黑河引水工程从根本上解决了西安市饮用水、农业用水、工业用水等水资源紧缺的 问题，而位于西安市南郊的曲江水厂是整个引水工程的重要组成部分，也是终端控制工 程。目前，曲江水厂的输出水量己占西安市日供水量的1 2 以上。而黑河引水工程的供 水水源来自多个不同水系，中间多次汇水，加上长距离的渠道输水，到西安市曲江水厂 终端出水口时的水质，将直接影响到供给全西安市人民的饮用、生活用水。因此，准确 的对黑河引水水质做出评价具有重要的意义。 水质评价结果可以作为水厂水处理的依据，以便有针对性的对相对含量较高的污染 物进行特殊处理。同时，由于黑河引水工程主要是暗渠输水，评价结果能为水源地的保 护提供决策依据。而水质评价是掌握水环境状况和进行水质管理的基础，在进行水质评 价的基础上，开发水质管理系统，准确快捷的掌握并管理黑河引水工程的水质，对保证 黑河引水水质安全、造福西安市民具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究动态及发展趋势 1 2 1 水质评价研究动态 水质评价是按照评价目标，选择相应的水质参数、水质标准和计算方法，对水质的 利用和价值及水的处理要求做出的评定 4 t 。目的主要是如实反映水质的客观状态，从而 为污染的综合治理、区域环境的规划管理以及对水的用途和利用价值提供依据。自从2 0 世纪6 0 年代j a c o b s 提出水体质量评价的水质指数( w q i ) 概念和公式1 5 j 以来，国内外 就不断有文献讨论水质评价的方法。但至今仍缺乏统一的、公认的评价模式。 目前，水资源利用的评价存在较大的缺陷。其缺陷主要反映在以下几个方面【6 j ： ( 1 ) 不能客观地反映某一地区水资源丰缺的实际情况。如当前水资源的评价多从 水资源质( 污染) 方面作评价，而忽略了量的有机结合。水资源质方面的评价，仅反映 西安科技大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 了水污染方面的状况，不能从整体上对水资源作评价。水资源的质和量是相互影响、相 互促进的，水资源量的减少能够进一步加剧水资源的恶化；而量的增加能够减弱或稀释 水资源的污染。因此，水环境的评价应将水环境的质、量有机的结合起来，以正确反映 水资源污染的现状。 ( 2 ) 水环境评价的方法有待突破。2 0 世纪7 0 年代以来，国内外学者相继提出了许 多水环境质量的评价方法，如指综合数评价法、模糊数学评价法、层次分析评价法、物 元评价法和灰色理论评价法【7 】等等，但至今仍无一种统一的、确定的评价模型。从现有 的评价方法来看，各具一定的优点；但大都存在着需要确定各级评价指标的权值及怎样 客观和合理确定权值的问题，甚至在某种程度上来说，存在计算比较繁琐、丢失一些信 息等不足，因此迫切需要进行评价方法的创新。 ( 3 ) 不适于水资源可持续利用的研究和国家对水资源利用的战略指导。一个合理 的、能真实反映水资源状况的水资源评价模型，对水资源可持续利用的研究和国家水资 源战略的制定是极为重要的，它不但能评价水资源的现状，而且能为国家的长期社会经 济发展作宏观的战略指导，但目前水资源的评价方法的片面性往往不能达到本目标。 同时，焦士兴、许萍【6 】提出了水环境质量的评价应遵循的原则： ( 1 ) 全面性原则：水资源环境质量的评价指标体系，既要能够概括地反映出社会 经济一水资源生态环境复合系统的全面状况，也要尽量反映出各子系统中的每一 个指标( 包括定性指标) 变量，要求各指标体系具有层次分明、反映全面的特点，能使 用多个变量来表示水资源系统，并为建立各种多变量定量评价、预测模型奠定基础。 ( 2 ) 独立相关原则：在全面考虑水资源可持续开发利用评价指标的同时，必须从 各个子系统中分别选出一些指标体系来组建新的指标体系，以避免“拼盘式”的指标罗 列，从而造成各指标间彼此交错，线性相关等不利因素，为此可采用相关分析或灰色关 联分析等方法来寻求具有较强相关并且具有独立性的指标。 ( 3 ) 可操作性原则：水资源可持续利用评价涉及的指标要尽可能利于查询、检索， 评价指标模型要简明、方便、易行和具有可操作性。不仅要反映水资源量的评价，也要 反映水质的评价，以及二者的有机结合。 ( 4 ) 科学性原则：指标概念要界定清晰，具有一定的科学内涵，能够较客观地反 映复合系统内部结构关系，并能较好地度量水环境质量。 ( 5 ) 准确性原则：为了做出正确的判断，必须建立在资料准确的基础上。准确性 稍差的指标要慎重使用，并注意采取合理的修订系数。指标的选取要有针对性，并注意 静态与动态指标的结合，力求使用的指标能圆满的反映出评价的水资源状况。 遵循以上5 个原则，则其评价结果就能较为全面、准确的表现出水环境质量的好坏， 笔者认为这5 个原则具有广泛性、代表性，值得遵从。 在选取单项指标的基础上，焦士兴1 6 】等组合成8 个分系统，进而合成对水环境质量 4 1 绪论 相关系数较大的水资源量综合评价指数、水质污染综合评价指数和生态环境综合评价指 数，以此作为评价因子建立了水环境质量的综合评价模型。 李如忠【8 】把水质评价理论模式分为确定性与不确定性两大类，认为不确定性评价模 式最为引入关注。他根据各评价方法所依据的理论基础，将不确定性水质评价模式概括 为模糊数学法、灰色系统理论法、数理统计法、物元分析与可拓集合法、人工神经网络 法、投影寻踪模型法以及其它方法等类型。文章对每种方法研究现状进行了简要综述， 并对水质评价理论模式的发展趋势作了扼要分析。 汤梦玲1 9 1 等分析了以往各种水质评价模型，指出了它们的不足之处。重点探讨了利 用因子分析法求权重来评价水质，通过实例分析认为这种方法在目i i i 是较为理想和合适 的。 毛兴华【1 0 l 认为在水环境多因子综合评价中，需要考虑3 个方面的因素：( 1 ) 评价 对象总体污染状况和特点；( 2 ) 评价因子的选择；( 3 ) 评价方法的选择。对于同一个 地区，选择相同的评价参数，不同的评价方法得出的评价结果应该基本相同，如果评价 结果差别较大，表明此方法的使用是不合适的。因此选择什么样的评价方法就应该主要 考虑操作的简单易行、实用和稳定性这些方面。文章在重点分析最差因子判别法、有机 污染综合指数评价法、主分量分析法和基干模糊理论的贴近度综合评价法这4 种方法特 点的基础上，以上海市若干水质监测点的监测成果为例，利用这4 种方法分别进行了综 合评价。评价结果表明，最差因子判别法评价的水质较差，而贴近度综合评价法评价的 水质又过于乐观。有机污染综合指数评价法需要多次计算，多次比较，比较繁琐。主分 量分析法充分考虑了各参评因子的权重，评价过程只需要通过一次计算，就能得出一个 判别式和判别标准，以后评价时可以直接使用。而且评价结果符合实际情况，因此是一 种比较好的评价方法。 兰文辉【“】等对目前水环境质量评价中使用的污染指数法、模糊评价法、灰色评价法、 物元分析法、单因子评价法进行了分析比较，指出环境监测和环境评价要为环境管理服 务，从这一角度而言，一个好的水质评价方法应满足以下3 个基本要求：( 1 ) 准确性。 评价结果的水质类别要符合国家水质控制标准的要求，如某水体中已经有项目浓度超过 三类( 饮用水源地) 标准限值，而评价结果判别该水体为三类水质( 符合水源地水质要 求) 则是不合适的( 将会给人群健康带来威胁) 。( 2 ) 可比性。在准确判断水体水质 类别的基础上，对属于同一类别的不同水体，要能够进行优劣比较。( 3 ) 实用性。即 方法应该简单、方便，便于推广和使用。 徐祖信【1 2 】提出一个全新的河流单因子水质评价指数单因子水质标识指数。单因 子水质标识指数可以完整标识水质评价指标的类别、水质数据、功能区目标值等重要信 息，既能按国家标准类别定性评价，又能根据标识指数进行水质数据的分析；既可以比 较分析同一类水质指标在同一级别中的差异，也可以在不同类别水质指标中比较分析水 西安科技大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 质的污染程度。该方法具有其他方法无法比拟的优势，结合了以往方法的优点，改进了 不足之处，是较为理想的单因子水质评价方法。其推广应用有利于进一步优化水环境管 理和推进水环境污染的治理工作。 肖建军【1 3 】等认为目i ；i 我国湖库水质评价中，评价项目不统一，造成评价结果不具可 比性。为抓住水体污染的主要矛盾，同时节约监测成本，文章就我国地表水环境质量 标准( g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 ) t 1 4 1 中2 4 项水质评价基本项目，对有代表性的湖库监测数据进 行了详细分析，发现各湖库首要污染因子的污染分摊率很大，同时湖库首要污染因子大 体相同。因而，进行湖泊水库水质评价时，在保证水质类别判定准确的基础上，为降低 监测成本，宜选取总氮、总磷、高锰酸盐指数、溶解氧、石油类、五日生化需氧量、氟 化物、总汞、挥发酚、氨氮和粪大肠菌群共l l 项指标进行监测。对于受工业废水、生 活污水或农业面源影响的湖泊、水库，应针对污染来源，在多次监测的基础上确定常规 监测项目。但对于同一监测网络，应对常规监测项目提出最低要求。 罗海江【”l 等对我国七大流域1 9 9 0 2 0 0 1 年主要国控断面水质监测数据进行了全面 分析，指出指标选取应遵循的三个原则，即全面的原则、反映认为污染的原则、反映地 表水污染状况的原则，提出了能够反映我国河流污染现状的3 个污染因子备选方案，并 且建议选择八指标方案，认为这样既能全面反映我国水环境污染的现状和污染程度，又 考虑了有毒有害因子对环境的影响。 1 2 2 水质管理研究动态 水质管理是水资源管理的重要内容，它主要包括监测和控制水化学成分和含量、污 染物来源及其迁移、聚积或消散等动态变化、评价水污染的程度和危害、采取措施减轻 污染等。 潘世兵【1 6 l 等撰文分析了中国水环境质量现状及流域未来的水污染发展趋势，指出了 现行水质管理体制及政策手段存在的问题和不足，并针对这些问题，提出了加强水质管 理、完善相关体制政策的若干建议。 李定龙【l 刀等在简介了我国水资源现状的基础上，阐述了水质问题的重要性和我国水 体环境质量的严峻性，指出了水质问题不仅制约着社会经济的发展，更直接地影响着人 们饮用水的安全性，已成为进入2 1 世纪我国水资源问题的主要矛盾；在分析了我国水 资源水质管理存在问题的基础上，从法律、法规、政策、经济等方面，着重探讨了加强 水资源水质管理与解决水资源供需矛盾和保证饮用水安全的关系。 袁志彬【1 8 】撰文介绍了中国分级、分部门管理的城市饮用水水质管理制度，并对这一 制度下存在的问题进行了全面分析和研究，认为存在的主要问题是管理职能交叉，水质 检验重复，法规条例不协调、不统一等。提出了今后我国改革城市饮用水水质管理制度 的建议建立统一的水质监测机构，建立统一的水质标准规范及明确统一的水质管理 6 l 绪论 主体。 曹利平【刎撰文详细讨论了美国一百多年来主要水质管理政策法规的发展演变过程， 并分析探讨了其重要变化特征。同时，阐述了中国在水质管理政策的制定和实施方面存 在的明显不足，并论述了从美国相关政策的变化中得到某些启迪和借鉴。 李晓玲【挣l 以管理信息系统( m i s ) 、地理信息系统( g i s ) 、数据库系统( d b s ) 理论为基础，借鉴国内外水质管理的成功经验，采用v i s u a lb a s i c 高级编程语言集成开 发环境，建立了水质管理信息系统，在全国1 6 7 个重点水质监测站应用证明，该系统运 行良好，可为水质管理人员提供高效、科学的信息支持，提高管理与决策水平。 张清宇掣2 l 】在其著作环境管理信息系统一书中详细介绍了环境信息系统的基本 知识、环境管理信息系统工程的开发、现代化的信息技术在环境研究和管理中的应用， 并且通过丰富的案例介绍把信息技术的理论与环境保护研究和管理的实际工作有机地 结合了起来。 伦纳德奥托兰诺田】在其著作环境管理与影响评价一书中详细介绍了环境管理 的理论和实践，强调环境评价和环境管理的紧密结合。书中通过大量的美国的实际案例 来说明问题，极具参考价值。 1 2 3 发展趋势 综上所述，目前国内外的水质评价方法不下几十种，同时水质安全性评价方法也有 好几种可供选择。而这些方法各自都存在这样或那样的缺陷，无法可靠、准确、真实的 反映水体的水质水平。2 0 世纪8 0 年代以来，一些不确定性、非线性理论方法的出现和 计算机技术的推广应用，为水质评价新模式的产生提供了理论依据和技术支持。如模糊 数学法、灰色系统理论法、数理统计法、物元分析与可拓集合法、人工神经网络法、投 影寻踪模型法等等。运用不确定性、非线性理论方法评价河流、湖泊、水库等水体水质 将是科学发展的必然趋势。 笔者认为，对于水体水质评价，针对特定水体，应进行各种评价方法的比较分析， 选择出适合于该水体的水质评价方法，也可同时使用几种方法进行比较评价，以便达到 准确判断水体水质，为水质管理提供及时、快捷、准确的决策依据。 另外，过去由于监测设施的不具备及监测数据的不完整，对于评价过程中评价因子 的选择、各污染物的因子赋权也是一直在研究的课题。然而，笔者认为，随着科学技术 的迅猛发展，为环境数据的自动监测提供了强有力的技术保障，各种指标监测数据的取 得会越来越迅速，监测数据会越来越完整，因而，在条件具备的情况下还是应该尽可能 多的考虑标准中规定的各个指标，以便取得更加全面准确的评价结果。 7 西安科技大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 1 3 本课题的研究内容、思路及预期成果 1 3 1 研究内容及思路 西安黑河引水工程是一项庞大的系统工程，其水源来自几个不同水系，而其水源地 均为国家或省级自然保护区，水质状况良好，引水中间经过多次汇水，通过渠道实行重 力输水。引水的主要用途是供给西安市l 2 的生活饮用水，同时还包括部分工业用水、 大雁塔北广场等景点的景观用水、园林绿化用水等等，因而其水质的状况直接关系着西 安市的形象及西安市民的身心健康，若其中有一项指标污染严重，则整体水质必然受到 严重影响。 国家环境保护总局在修订的地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 ) 中增加了 水质评价一项，要求“地表水环境质量评价应根据应实现的水域功能类别，选取相应类 别标准，进行单因子评价，评价结果应说明水质达标情况，超标的应说明超标项目和超 标倍数”。该方法是操作最为简单的一种水质综合评价方法，不过这也是一种最为悲观 的评价方法，因为只要有一项因子污染严重，则不论其它因子的污染程度如何，综合水 质类别都是很差的。 本课题首先通过对目前使用较多的几种水质评价方法( 如单因子评价法、指数评价 法、主分量分析法、层次分析法、灰色评价法、模糊评价法、物元分析法等1 2 4 3 列) 的分 析研究，分别对各个评价方法的优缺点进行了详细分析和论述，经过比较，最后选择国 家水质标准中要求的单因子评价法作为评价的基础，针对黑河引水工程多个水源、暗渠 输水的实际情况，建立黑河引水工程水质评价方法；然后到黑河引水工程的几个主要水 源地进行实地采样，在实验室对水样按照国家环保总局地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 中规定的地表水环境质量标准基本项目和集中式生活饮用水地表水源地 补充项目及其分析方法进行分析，利用建立的水质评价方法对黑河引水工程水质进行 评价，得出评价结果，同时验证前面建立的评价方法；最后，根据水质评价结果及建立 的水质评价方法，使用v i s u a lb a s i c 高级编程语言集成开发环境开发水质管理信息系统， 实现信息录入、数据处理、信息检索、水质评价、成果输出、系统管理等诸多功能，为 黑河引水工程的水质管理提供全面、准确、快捷、方便的决策依据。 1 3 2 预期成果及创新 本课题预期有两点成果： ( 1 ) 对西安市供水水源黑河引水工程的水质进行具体评价，筛选并建立了适合于 黑河引水工程的水质评价方法； ( 2 ) 基于上述水质评价结果及建立的水质评价方法，开发水质管理信息系统，为 8 l 绪论 黑河引水工程决策部门的水质管理及决策提供依据； 本课题创新之处； ( 1 ) 针对西安市供水工程进行水质管理的全面实践及理论分析： ( 2 ) 开发了适合于西安供水工程的水质管理信息系统，该系统对于我国同类型的 城市引水工程有借鉴和实际指导意义。 图i 3 技术路线图 9 西安科技大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 2 黑河引水工程水质评价方法的建立 2 1 水质评价常用方法介绍 水环境质量包括水质、水生生物和底质三部分的质量。水质现状评价是水环境质量 评价的一个方面，是计算水环境容量和对水资源系统进行规划的基础，有其独特的重要 性。影响环境水质的因素既有物质的，也有非物质的( 如标准、法规等) 。而在这些因 素中，物质的浓度、数量、强度、时间延续长短等的影响都不尽相同，故水质评价是一 项很复杂的综合工作。水质评价是掌握水环境状况和进行水质管理得基础，其目的主要 是如实反映水质的客观状态，从而为污染的综合治理、区域环境的规划管理以及对水的 用途和利用价值提供依据。水质评价一般步骤包括：确定评价范围、资料调查评估、确 定评价参数、建立评价模式、进行模拟计算、给出评价结论掣3 9 1 。其中的评价模式，就 是通常所说的评价方法，它对水资源的质量做出准确定性起着关键作用。 自从2 0 世纪6 0 年代j a e o b s 提出水体质量评价的水质指数( w q i ) 概念和公式【5 j 以来，国内外就不断有文献讨论水质评价的方法，其数量不下几十种，但至今仍缺乏统 一的、公认的评价模式。目前，使用较多的主要有以下几类1 7 j ： ( 1 ) 层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，a h p ) 层次分析法用于水质评价，是用层次分析( a h p ) 决定水质单项指标在综合评价中 的权重。首先将评价范围内的各单项指标按不同时期或不同作用划分成一定层次；在一 定准则下，将所有单项指标进行两两比较，构造出指标之间相互影响的判断矩阵，并求 解判断矩阵的特征值和特征向量，其特征向量就是指标的层次单排序；然后将层次单排 序综合成层次总排序，就得出单项指标在综合评价中的权重；最后给出水环境质量的综 合评价指数。 ( 2 ) 模糊评价法 水环境本身存在大量不确定性因素，各项目的级别划分、标准确定都具有模糊性， 因此把模糊数学理论引入到水质评价中，得到了广泛应用。模糊评价法的基本思路是： 由监测数据建立各因子指标对各级标准的隶属度集，形成隶属度矩阵，再把因子的权重 集与隶属度矩阵相乘，得到模糊集，获得一个综合评判集，表明评价水体水质对各级标 准水质的隶属程度，反映了综合水质级别的模糊性。模糊数学用于水质综合评价的方法 主要有模糊聚类法、模糊贴近度法、模糊距离法等。 ( 3 ) 灰色评价法 灰色系统即部分信息己知，部分信息未知的系统。我们所获得的水环境质量数据都 是在有限的时间和空间范围内监测得到的，信息是不完全或不确切的，因此可将水环境 1 0 2 黑河引水工程水质评价方法的建立 系统视为一个灰色系统，灰色系统的原理也较多地应用于水质综合评价中。其基本思路 是：计算水体水质中各因子的实测浓度与各级水质标准的关联度，然后根据关联度大小 确定水体水质的级别。对处于同类水质的不同水体可通过其与该类标准水体的关联度大 小进行优劣比较。灰色系统理论进行水质综合评价的方法主要有灰色聚类法、灰色关联 评价法、灰色贴近度分析法、灰色决策评价法等。 ( 4 ) 物元分析法 物元分析是用来处理在某些条件下，用通常方法无法达到预期目标的不相容问题的 规律的一种方法。水环境质量评价中，其各单项因素评价结果往往是不相容的，物元分 析法为水环境质量评价开辟了新的途径。其思路是：根据各级水质标准建立经典域物元 矩阵，根据各因子的实测浓度建立节域物元矩阵，然后建立各污染指标对不同水质标准 级别的关联函数，最后根据其值大小来确定水体水质的级别。 ( 5 ) 主分量分析法 用主分量分析法进行水质综合主评价的步骤是，首先用分指数公式将各评价因子的 实测数据标准化，然后对标准化数据矩阵进行主分量分析，计算其特征值和特征向量， 并确定公共因子数目和因子荷载，最后将这些因子线性综合成一个度量环境质量的综合 指标。主分量分析法其实就是线性代数中的主成分方法。 ( 6 ) 污染指数法 污染指数评价法是用水体各监测项目的监测结果与其评价标准之比作为该项目的 污染分指数，然后通过各种数学手段将各项目的分指数综合得到该水体的污染指数，作 为水质评定尺度。目前常用的有综合污染指数法、内梅罗污染指数法等。 ( 7 ) 单指标评价法 现行国家水质标准中已确定水质评价的悲观评价原则，即以水质最差的单项指标所 属类别来确定水体综合水质类别。其方法是：用水体各监测项目的监测结果对照该项目 的分类标准，确定该项目的水质类别，在所有项目的水质类别中选取水质最差类别作为 水体的水质类别。 2 2 水质评价方法比较与选择 层次分析法的应用范围十分广泛，并将进一步扩大。但无论从理论上讲还是应用上 看，层次分析法都没有达到理想的地步。在理论方面，诸如一致性检验的客观标准，特 征值计算是否是排序的最好方法，判断是否考虑模糊性等问题，都还没有获得满意的解 决。在应用方面，也有其局限性。比如它能用于从己知方案中优选，不能生成方案。此 外，所得到的结果过多地依据决策者的偏好和主观判断。这些问题都有待于进一步研究 解决m 。 模糊评价法以模糊数学为基础，应用模糊关系合成原理，将一些边界不清、不易定 西安科技大学高等学校教师在职攻读硕士学位论文 量的因素定量化，进而实现综合评价【”。从理论上讲，模糊评价法由于体现了水环境中 客观存在的模糊性和不确定性符合客观规律，具有一定的合理性。但是，从目前的研 究情况来看，由于在模糊综合评价中，一般采用线性加权平均模型得到评判集，使评判 结果易出现失真、失效、均化、跳跃、趋于均化、不易分辨等现象，存在水质类别判断 不准确或者结果不可比的问题，而且评价过程复杂，可操作性差。因此在应用模糊理论 进行水质综合评价方面还需进一步研究，研究的关键性问题是解决权重合理分配和可比 性 4 0 l 。 灰色评价法由于其方法简单、结果客观等优点受到较为广泛的应用，经过研究者的 努力已经有许多新的更贴近实际评判项目的方法。但是，与模糊数学方法一样，灰色评 价法由于体现了水环境系统的不确定性，在理论上是可行的，并且具有简单、可比的优 点，缺点是存在分辨率低等问题。但由于灰色评价法可满足水环境质量评价的基本要求， 可以通过进一步完善来克服这些缺点。 物元分析法的关联函数与灰色评价法的关联度及模糊评价法隶属度的区别在于，建 立在可拓集合基础上的取值区间拓宽到实数轴，可拓集合的关联函数可用代数式表示， 这就使得解决不相容问题能够定量化，有助于从变化角度识别变化中的事物，更能反映 事物的状态，具有较高的分辨率，可进行优劣排序。关联函数可以取负值的特点，使可 拓识别方法能全面分析待识别对象属于某集合的程度。因此，判别结果更为精细。此外， 关联函数公式计算简单，使用方便。构造物元矩阵具有一定的不确定性：此外，对定性 指标需根据指标特性对指标进行量化后才能计算关联度，这是本方法的不足。 主分量分析法的计算过程稍显复杂，其中涉及到了矩阵运算，尤其