朱强^1,2, 潘杨³, 夏坚⁴, 贾海峰^1,2, 席劲瑛^1,2
1. 清华大学环境学院, 北京 100084;
2. 清华苏州环境创新研究院, 苏州 215163;
3. 苏州科技大学环境科学与工程学院, 苏州 215002;
4. 苏州市水务局, 苏州 215011
收稿日期: 2020-04-08; 修回日期: 2020-06-02; 录用日期: 2020-06-02
基金项目: 国家水体污染控制与治理科技重大专项（No.2017ZX07205003）
作者简介: 朱强(1990-), 男, E-mail:qzhu1214@163.com
通讯作者（责任作者）: 席劲瑛, E-mail:xijinying@tsinghua.edu.cn

摘要：随着水十条的颁布实施，大量城市水体水质得到显著提升，而目前的水质分级评价方法难以反映城市水体的感官质量提升.本研究选择苏州市区23个城市水体采样点，通过定期监测获得了774套水质与感官评价数据.在此基础上，提出了一种符合城市水体特点的感官质量评价方法.通过考察城市水体感官质量与不同水质指标的相关性，筛选出了氧化还原电位、浊度、氨氮、溶解氧作为表征城市水体感官质量的特征性指标，并确定了不同指标水体分级的浓度限值，通过插值计算以及加权平均的计算方法，建立了城市水体感官愉悦度指数（WCI）评价方法.对该评价方法进行了验证，发现依据水质指标计算得到的WCI与现场人员感官评价结果相对误差小于40%的样本占总样本量的93%.研究结果表明，该方法可用于平原河网地区城市水体感官质量的评价，并为地方水体修复治理效果评价和公众休闲娱乐提供指导.
关键词：城市水体感官质量感官愉悦度指数
An evaluation method for testing the sensory quality of urban water
ZHU Qiang^1,2, PAN Yang³, XIA Jian⁴, JIA Haifeng^1,2, XI Jinying^1,2
1. School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084;
2. Research Institute For Environmental Innovation(Suzhou), Tsinghua 215163;
3. School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215002;
4. Suzhou Water Affairs Bureau; Suzhou 215011
Received 8 April 2020; received in revised from 2 June 2020; accepted 2 June 2020
Abstract: With the implementation of ten Water Pollution Control Directives,the qualities of a large number of urban water bodies have been significantly improved,but the existing national water quality evaluation criteria could not reveal this progress. In this study,23 river sections in Suzhou city were selected and 774 sets of data including specific water quality and evaluating results were measured periodically. A method for evaluating the sensory quality of urban water is established. After investigating the correlation of sensory quality and several water quality indexes of urban water,four indexes including Oxidation-Reduction Potential,Turbidity,Ammonia Nitrogen and Dissolved Oxygen were selected as indicators to characterize the sensory quality of urban water. The specific concentration of each index for grading the water body were also settled. By interpolating and weighted averaging,a method of calculating a Water Comport Index (WCI) of the urban water was developed. The evaluation method was verified and was found that the WCI matched the results of the on-site observation well with 93% of data sets showed relative errors less than 40%. The results in this study demonstrate that the WCI method could be applied for urban water in plain area and will support to evaluate the effect of water restoration engineers and give guidance for the public.
Keywords: urban water bodyappearance qualitywater comfort index
1 引言(Introduction)2015年, 国务院发布了《水污染防治行动计划》, 加快推进水污染治理.到2020年, 有一大批城市黑臭水体完成了治理工作(佚名, 2017；2018).在城市黑臭水体问题得到解决后, 需要应公众要求进一步提升城市水体质量、尤其是解决感官质量提升的问题(孙傅等, 2014；郭红兵等, 2016).因此, 未来我国将有一大批城市都面临着对水体治理效果评价和绩效评估的问题.
目前, 我国城市水体的水质评价多采用单因子评价法、多因子综合评价法、多元线性回归评价法、BP-神经网络法、灰色评价法、主成分分析法等(Liu et al., 2012; Zhang et al., 2014;何平等, 2014;Effendi et al., 2016; Li et al., 2016;范春萌, 2017).上述评价方法均有各自的适用领域, 在水体评价方面均起到了一定的作用(Erturk et al., 2010; Liao et al., 2011;刘琰等, 2013;陈辉等, 2017;Wu et al., 2019), 但在城市河湖水体的感官质量评价方面的适用性却不是很高.
地表水环境质量标准(GB3838—2002)主要适用于评价不同功能类别的水体, 在城市水体感官质量方面的评价结果难以体现水体感官质量的提升, 与公众体验的匹配度较低.前国家环保总局曾经于1992年颁布《景观娱乐用水水质标准》(GB 12941-91), 该标准从色、嗅、漂浮物、透明度、水温等几个指标来评价景观用水水质, 目前该标准已经废止.原建设部于2002年发布了《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T18921—2002), 水利部于2007年颁布了《再生水水质标准》(SL 368—2006).这两个标准虽然从色度、浊度以及嗅味等方面考虑了景观用水的要求, 但所选取的指标和测定方法过度依赖人为操作, 因此难以被大范围推广应用.
为此, 有必要针对城市水体的特点, 开展水体感官质量评价方法研究, 为未来我国城市河湖治理与评价提供技术指导和支持, 并为相关管理部门开展绩效评估提供支撑.
2 材料与方法(Materials and methods)2.1 研究地点本研究选取的监测点位覆盖了苏州市姑苏区、高新区、吴中区、相城区共计23个典型断面, 所选取监测点位包含了不同水质类型的河道水体, 河道深度均≤5 m, 河道的宽度为3~15 m.
2.2 监测指标与分析方法2017年11月—2019年11月对苏州河道水样进行采集, 其中2017年11月—2018年7月数据为建立方法使用, 2018年8月—2019年11月数据为验证使用.现场通过便携式仪器, 测定溶解氧、氧化还原电位、pH、浊度、温度(T), 同时采集1 L水样密封保存带回实验室检测氨氮(纳氏试剂分光光度法)、化学需氧量(重铬酸钾法)、叶绿素、高锰酸盐指数(MnO₄^-)和总磷(钼酸铵分光光度法).
2.3 城市水体感官质量评价方法为了定量评价城市水体的感官质量, 建立了相应的主观评价方法.通过对水体颜色、嗅味、浑浊度、漂浮物等进行现场观察, 由现场人员(一般不少于4人)结合表 1对所观测城市水体(采样点)的感官质量进行评级(很好、较好、一般、较差、很差).将每个评价人员的评级结果换算为对应分数(100、75、50、25、0分), 计算所有得分的平均值作为该采样点的感官质量评分.
表 1(Table 1)

表 1 水体感官质量评分对照表 Table 1 Comparison table of water body sensory quality score

表 1 水体感官质量评分对照表 Table 1 Comparison table of water body sensory quality score 水体呈现性状 感官评价等级 分值 水体颜色很浅, 非常清澈, 无漂浮物, 无恶臭气味 很好 100 水体颜色较浅, 水体清澈, 无明显漂浮物, 无明显恶臭气味 较好 75 水体颜色一般, 较清澈, 存在有少量漂浮物, 基本无明显恶臭气味 一般 50 水体颜色较深, 较浑浊, 多伴有漂浮物, 偶尔存在明显恶臭气味 较差 25 水体颜色很深, 非常浑浊, 有较多漂浮物, 多存在明显恶臭气味 很差 0

3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 水质评价参数的筛选通过将感官评价所获得的水体感官质量结果与监测的水质指标进行相关性分析, 按照相关性从高到低, 同时考虑到指标在线监测难易程度和同一类指标之间不重复的原因, 筛选出可以表征水体感官质量的水质指标, 分别为氧化还原电位、浊度、氨氮、溶解氧.相关水质指标的统计信息及水质指标与水体感官评价相关性系数如表 2所示.
表 2(Table 2)

表 2 水质指标的统计信息和相关系数 Table 2 Statistical information of water quality indicators and correlation coefficients

表 2 水质指标的统计信息和相关系数 Table 2 Statistical information of water quality indicators and correlation coefficients 参数 DO/ (mg·L-1) ORP/ (mg·L-1) T/℃ 塞氏盘/cm 浊度/ NTU 叶绿素/ (μg·L-1) 氨氮/ (mg·L-1) 总磷/ (mg·L-1) COD/ (mg·L-1) pH TOC/ (mg·L-1) TN/ (mg·L-1) 均值 6.19 99.93 20.75 53.40 23.56 49.85 3.24 0.45 36.20 7.86 9.02 7.11 最大值 18.82 266.00 32.90 170.00 155.00 2748.80 46.42 4.90 289.09 9.35 69.50 50.35 最小值 0.09 -353.30 1.83 7.00 4.00 1.51 0.03 0.02 1.39 6.93 0.80 1.44 相关系数 0.324** 0.597** 0.550** -0.517** -0.214** -0.483** -0.251** -0.466** 0.100 -0.467** -0.377** 注：加粗字体为选中的水体感官评价指标的相关系数.

本研究选取的评价指标中, 溶解氧水平是水质及环境条件综合作用的结果, 是衡量地表水质的一个重要指标；浊度可以有效反映水中悬浮和胶体物质的存在量；氧化还原电位是多种氧化物质与还原物质发生氧化还原反应的综合结果, 是一项表征地表水质的综合性指标；氨氮是水体中的营养素, 影响藻类的生长, 可导致水富营养化现象产生, 是水体中的主要耗氧污染物.
3.2 水质评价参数的限值划分根据水体感官评分与筛选出的感官愉悦度评价指标的相关关系, 将各评分对应的水体水质参数的大小进行处理, 得出同一水体等级不同水质参数对应的浓度限值.浓度限值确定原则为根据感官质量评级等级, 具体为感官质量很好、较好、一般、较差和很差5个等级, 将每个等级范围内的监测指标取平均值, 并会对得到的平均值进行微调后得到浓度限值, 微调的标准为在不影响评价结果的前提下, 使得到的浓度限值为整数或小数点后有效数字的个数不超过一位, 调整后的各监测指标的浓度限值图如图 1所示.
图 1(Fig. 1)

图 1 水质参数值与感官评价箱形图 Fig. 1Water quality parameter values and sensory evaluation box plot

3.3 分指数计算为了方便对分指数进行计算, 将浓度限值符号定义为C_{i, n}, 将感官愉悦度分指数定义为WCI_{i, n}, 当水质指标分别为氧化还原电位、浊度、氨氮和溶解氧数值时, 浓度限值符号中的i分别为1、2、3、4, n为各水质指标所对应的浓度限值等级, 如表 3所示.
表 3(Table 3)

表 3 水质参数浓度限值及对应的感官愉悦度分指数 Table 3 Water quality parameter concentration limit and corresponding sensory comfort sub-index

表 3 水质参数浓度限值及对应的感官愉悦度分指数 Table 3 Water quality parameter concentration limit and corresponding sensory comfort sub-index 浓度限值符号 水质指标浓度限值 浓度限值所对应的感官愉悦度分指数 氧化还原电位/ mV 浊度/ NTU 氨氮/ (mg·L-1) 溶解氧/ (mg·L-1) Ci, 1 -20 44 12 0.5 WCIi, 1 0 Ci, 2 70 36 5 1 WCIi, 2 25 Ci, 3 125 18 2 5 WCIi, 3 50 Ci, 4 185 12 1 9 WCIi, 4 75 Ci, 5 205 7 0.5 10 WCIi, 5 100

获取监测的水质指标的浓度值C_i, 从表 3中搜索到与C_i最近的浓度限值及其相应感官愉悦度等级, 通过插值法计算得到相应的感官愉悦度分指数WCI_i.感官愉悦度分指数计算方法如下：
① 对于氧化还原电位, 通过以下方法确定其对应的感官愉悦度分指数WCI₁：
当C₁ > C_{1, 5}, 则WCI₁ = 100；或

(1)

当C₁<C_{1, 1}, 则WCI₁ = 0；
② 对于浊度和氨氮, 通过以下方法确定感官愉悦度分指数WCI_i(i=2, 3)：

(2)

当C_i > C_{i, 1}, 则WCI_i = 0；
(3) 对于溶解氧, 通过以下方法确定感官愉悦度分指数WCI₄：

(3)

(4)

当C₄<C_4.1, 则WCI₄ = 0;
上式对溶解氧进行了过饱和修正, 这是由于在水体中, 富营养化引起藻密度的增加, 会导致水体出现溶解氧的过饱和现象, 因而对溶解氧进行了过饱和修正.
3.4 权重划分及指数计算计算得到各水质指标的感官愉悦度分指数后, 需要引入水质指标的权重值a_i, 通过式(5)得到感官愉悦度指数WCI用以表征水体性状特征等级, 其中n为所述水质指标的数量, 本文中n=4, 即 .根据所选指标与城区河道感官质量主观评价结果的相关性分析结果(表 2), 建议DO、ORP、浊度、氨氮的权重值范围分别为0.05~0.25、0.25~0.45、0.3~0.5和0~0.2.本文中DO、ORP、浊度、氨氮的权重值分别为0.15、0.35、0.4和0.1.

(5)

3.5 评价方法的验证与分析根据感官愉悦度评价指数计算方法计算得出苏州河道的感官愉悦度指数与实际的感官评价变化图如图 2所示, 感官愉悦度指数与实际感官评价有着相同的变化趋势, 现场感官评价分数在0~100之间, 而感官愉悦度指数在0~92.6之间, 两者具有较好的重合度, 究其原因主要是选取的指标都是人们可以感知水体质量的相关参数, 且设置参数的区间范围参考了公众对水体的感官评价的结果, 故总体上来说感官愉悦度指数能够较好的评价水体的感官变化情况.
图 2(Fig. 2)

图 2 苏州河道感官愉悦度指数(WCI)与感官评价 Fig. 2Scatter plot of sensory comfort index (WCI) and sensory evaluation of Suzhou river

通过引入匹配度来表征感官愉悦度指数与感官评价之间的匹配情况, 通过定义两者的相对误差在±40%内即为互相匹配, 感官愉悦度指数与感官评价相对误差统计图如图 3所示.
图 3(Fig. 3)

图 3 苏州河道感官愉悦度指数与感官评价相对误差图 Fig. 3Matching degree of sensory comfort index and sensory evaluation of Suzhou river

本研究中进行验证的点位数据共有494组, 其中满足感官愉悦度指数与感官评价结果相对误差在20%以内的共有311组, 占比为62.96%, 相对误差40%以内的共有459组, 占比达到了92.9%, 即采用感官愉悦度指数评价方法对河道的感官进行评价的准确度可达到92.9%.
虽然水体感官愉悦度指数评价方法能够较好的评价河道水体的感官质量, 但是仍面临以下问题：①感官愉悦度指数不能反应水体的污染类型和污染源解析；②感官愉悦度指数评价方法在评价城市河道水体的时候并未对河道表面的漂浮物进行统计, 然而公众对实际水体的感官评价结果常因水体表面存在漂浮物而发生变化；③不同地区的不同时间阶段人们对于城市河道水体的感官评价具有阶段性, 因此在采用感官愉悦度指数评价方法对水体的感官质量进行评价的时候会面临失真的现象.
4 结论(Conclusions)1) 通过建立城市水体感官评价方法筛选出了氧化还原电位、浊度、氨氮、溶解氧4个监测指标, 构建了水体感官愉悦度指数的评价方法, 本方法所选取的监测指标和各指标划定的权重值具有客观性, 能够较好的对城市河道的水质进行评价和记录, 且能够对不同地区内的河道在不同时段的水体感官质量进行评价和评比, 评价的结果相对客观.
2) 通过对苏州市河道进行感官愉悦度指数的计算方法进行验证, 结果表明依据水质指标计算得到的WCI与现场人员感官评价结果相对误差小于40%的样本占总样本量的92.9%, 可信度较大.
3) 水体感官愉悦度指数评价方法能够较好的对城市河道水体的感官质量进行评价, 评价结果可对地方环保部门水体修复措施的治理效果提供支撑.

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