典型城市地表水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法研究

高紅杰，鄭利杰,2，嵇曉燕，宋永會(huì)，韓 璐，呂純劍

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地,北京 1000122.沈陽(yáng)化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 1101423.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

典型城市地表水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法研究

高紅杰1，鄭利杰1,2，嵇曉燕3，宋永會(huì)1，韓 璐1，呂純劍1

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地,北京 1000122.沈陽(yáng)化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 1101423.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

以中國(guó)10個(gè)典型城市2013年實(shí)測(cè)地表水水質(zhì)資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用內(nèi)梅羅指數(shù)法、均值法、地表水質(zhì)指數(shù)法(SWQI)3種評(píng)價(jià)方法對(duì)城市地表水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：就評(píng)價(jià)指標(biāo)而言，3套指標(biāo)方案評(píng)價(jià)結(jié)果顯著相關(guān)，最佳指標(biāo)為DO、CODCr、NH3-N、TP；就評(píng)價(jià)方法而言，內(nèi)梅羅指數(shù)法是3種方法中的首選方法，SWQI法評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)為過(guò)保護(hù)，均值法不能突出較差水質(zhì)指標(biāo)的影響。

城市地表水；評(píng)價(jià)指標(biāo)；評(píng)價(jià)方法；內(nèi)梅羅指數(shù)法

隨著中國(guó)城市化和工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市規(guī)模和人口急劇增加，水污染不斷加劇，水環(huán)境持續(xù)惡化，城市水環(huán)境問(wèn)題已成為城市快速發(fā)展過(guò)程中新的挑戰(zhàn)[1]。加強(qiáng)城市水污染控制，改善城市水環(huán)境質(zhì)量迫在眉睫。

在城市水環(huán)境綜合治理過(guò)程中，水質(zhì)評(píng)價(jià)是一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作[2]?？陀^的評(píng)價(jià)結(jié)果有賴(lài)于科學(xué)的評(píng)價(jià)體系[3]。要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的推廣應(yīng)用，水質(zhì)評(píng)價(jià)方法應(yīng)具備合理性、準(zhǔn)確性、可行性等特點(diǎn)[4]。自20世紀(jì)60、70年代，國(guó)內(nèi)外相繼建立了許多與水環(huán)境相關(guān)的評(píng)價(jià)方法，常用的有單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法等[5]。每種方法都有一定的合理性，但由于水環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)不斷變化、極其復(fù)雜、具有不確定性的大系統(tǒng)，目前為止仍無(wú)一種統(tǒng)一的、確定的多地區(qū)城市評(píng)價(jià)模型[6]。根據(jù)區(qū)域環(huán)境特征、評(píng)價(jià)目的和水質(zhì)特性選擇有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)和合適的評(píng)價(jià)方法，使評(píng)價(jià)結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確，是對(duì)城市水環(huán)境進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的關(guān)鍵所在。

研究基于10個(gè)典型城市監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用目前常用的均值法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、地表水質(zhì)指數(shù)法(SWQI)，分別對(duì)該城市地表水進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，優(yōu)化水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，篩選評(píng)價(jià)方法，建立一套合理、準(zhǔn)確和可行的適用于典型城市地表水的評(píng)價(jià)模型，以期為中國(guó)典型城市地表水水質(zhì)狀況評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與評(píng)價(jià)方法

1.1 城市樣本選擇

研究綜合考慮了地理區(qū)位、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、典型環(huán)境特征、城市區(qū)域重要性以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性，選擇全國(guó)10個(gè)重點(diǎn)城市共計(jì)214個(gè)斷面作為評(píng)價(jià)對(duì)象，各城市、斷面的分布及基本情況見(jiàn)表1。

表1 評(píng)價(jià)信息表Table 1 Evaluation information

注：數(shù)據(jù)來(lái)源為各市環(huán)保局。

1.2 評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)介

1.2.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計(jì)算最常用的方法之一。該方法是對(duì)斷面內(nèi)梅羅指數(shù)求均值，得出所在城市綜合污染指數(shù)，如公式(1)所示：

(1)

式中：Ii為第i個(gè)斷面內(nèi)綜合污染指數(shù)；D為城市綜合污染指數(shù)。

1.2.2 均值法

均值法是綜合污染指數(shù)法的一種特殊計(jì)算方法。城市均值水質(zhì)指數(shù)上同內(nèi)梅羅城市水質(zhì)指數(shù)，即對(duì)斷面均值指數(shù)(I)求均值。

1.2.3SWQI法

SWQI法基于單因子評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)原則，依據(jù)水質(zhì)類(lèi)別與SWQI值對(duì)應(yīng)表(表2)，用內(nèi)插方法計(jì)算得出某一斷面每個(gè)參加水質(zhì)評(píng)價(jià)項(xiàng)目的SWQI值，如公式(2)所示，取最高SWQI值作為該斷面的SWQI指數(shù)，如公式(3)所示，再對(duì)斷面水質(zhì)指數(shù)(SWQI)求均值，計(jì)算城市地表水質(zhì)指數(shù)，如公式(4)所示。計(jì)算如下：

表2 水質(zhì)類(lèi)別與評(píng)分值對(duì)應(yīng)表Table 2 Water quality categories and score values

(2)

SWQIj=MAX(SWQI)

(3)

(4)

式中：C為水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值；Cl為水質(zhì)指標(biāo)所在類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)的下限值；Ch為水質(zhì)指標(biāo)所在類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)的上限值；SWQIl為水質(zhì)指標(biāo)所在類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)下限值所對(duì)應(yīng)的評(píng)分值；SWQIh為水質(zhì)指標(biāo)所在類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)上限值所對(duì)應(yīng)的評(píng)分值；SWQI為水質(zhì)指標(biāo)所在類(lèi)別對(duì)應(yīng)的評(píng)分值；SWQIj為第j個(gè)斷面的地表水質(zhì)指數(shù)；SWQI城市為排名城市的地表水質(zhì)指數(shù)；N為排名城市的斷面?zhèn)€數(shù)。

2 體系建立

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

水質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是用來(lái)全面衡量水質(zhì)的尺度，是衡量水中雜質(zhì)的標(biāo)識(shí)。從水質(zhì)評(píng)價(jià)過(guò)程以及相關(guān)評(píng)價(jià)實(shí)例來(lái)看，單個(gè)指標(biāo)不能準(zhǔn)確、合理的表征水質(zhì)實(shí)際狀況，卻能直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果，那么由評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)篩選指標(biāo)體系會(huì)更加科學(xué)、合理。

2.1.1 指標(biāo)體系方案建立

方案1：中國(guó)地表水河流評(píng)價(jià)指標(biāo)，即《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中除水溫、TN、糞大腸菌群以外的21項(xiàng)指標(biāo)。

方案2：各省政府考核指標(biāo)(表3)。

表3 省政府考核指標(biāo)Table 3 Provincial government assessment indicators

注：“—”表示未找到相關(guān)文件；“*”表示全國(guó)城市環(huán)境綜合整治定量考核。

鑒于各地區(qū)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)指標(biāo)，考慮將DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N、TP 6項(xiàng)指標(biāo)體系作為城市地表水第2套方案。

方案3：利用單因子評(píng)價(jià)對(duì)10個(gè)典型城市2013年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，共12項(xiàng)指標(biāo)有超標(biāo)現(xiàn)象，主要超標(biāo)項(xiàng)(超標(biāo)率大于10%)有TN、NH3-N、TP、CODCr、BOD5、CODMn，如表4所示。

表4 超標(biāo)指標(biāo)Table 4 Exceeded indicators

結(jié)合省政府考核指標(biāo)中自動(dòng)監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)指標(biāo)，地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(環(huán)辦[2011]22號(hào)文件)規(guī)定，TN不參與河流水質(zhì)評(píng)估，提出第3套指標(biāo)方案，包括DO、CODCr、NH3-N、TP 4項(xiàng)指標(biāo)。

方案1指標(biāo)多，具有綜合性、代表性等優(yōu)點(diǎn)，但評(píng)價(jià)參數(shù)量大，可操作性、可行性較差，通過(guò)3種指標(biāo)方案計(jì)算結(jié)果相關(guān)性分析，選出指標(biāo)最少、最有代表性的指標(biāo)體系，進(jìn)而對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系相關(guān)性分析

用內(nèi)梅羅指數(shù)法、均值法、SWQI法3種評(píng)價(jià)方法，采用以上3種指標(biāo)方案，分別對(duì)中國(guó)10個(gè)典型城市水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表 5 不同指標(biāo)方案評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Evaluation results of different index schemes

將每組評(píng)價(jià)結(jié)果作為變量，導(dǎo)入SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行定量相關(guān)性分析，計(jì)算Person相關(guān)性系數(shù)r(r>0時(shí)為正相關(guān)，r<0時(shí)為負(fù)相關(guān)，其絕對(duì)值大小反映變量相關(guān)程度高低)，見(jiàn)表6。若某2個(gè)變量的r接近1或-1，即P<0.01時(shí)，說(shuō)明2個(gè)變量(指標(biāo)方案)可互相替代。

表 6 水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性系數(shù)Table 6 Correlation coefficient of water quality index

注：“**”表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表6顯示，SPSS軟件Pearson相關(guān)性分析，在0.01的顯著水平下，3種評(píng)價(jià)方法指標(biāo)方案2、3與指標(biāo)方案1具有明顯的正相關(guān)性，r>0.8以上，P<0.01，均呈相關(guān)性高度顯著。根據(jù)SPSS軟件Pearson相關(guān)性原理，r接近1或-1時(shí)，變量可相互代替。方案2水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果和方案3水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果與方案1水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果顯著相關(guān)，因此指標(biāo)方案2、3可代替指標(biāo)方案1。指標(biāo)方案1，指標(biāo)全，最能代表水質(zhì)狀況，但評(píng)價(jià)參數(shù)多，工作量和經(jīng)費(fèi)隨之增加，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)原則，3種評(píng)價(jià)方法最佳指標(biāo)方案為方案3， 即DO、CODCr、NH3-N、TP 4項(xiàng)指標(biāo)。

2.2 評(píng)價(jià)方法比較研究

2.2.1 3種指數(shù)法之間的比較

由于3種指數(shù)法所得結(jié)果閾值不同，評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)不同，3個(gè)指數(shù)之間并無(wú)可比性，不能直接比較，為比較3種指數(shù)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)每個(gè)城市進(jìn)行排名，結(jié)果見(jiàn)表7。

表 7 3種評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果表Table 7 Evaluation results of three evaluation methods

表7可以看出，3種代表性水質(zhì)評(píng)價(jià)方法均從不同程度上反映了10個(gè)典型城市的水質(zhì)情況。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：W1排名第一，水質(zhì)最好，M3排名最后，水質(zhì)最差。

均值法反映的是水質(zhì)平均超標(biāo)程度，對(duì)于某種污染物污染水平不能被該指數(shù)有效識(shí)別。內(nèi)梅羅指數(shù)法不僅考慮平均污染值的影響，還特別兼顧最大超標(biāo)污染物的影響。以M2和N1城市為例，2個(gè)城市均值水質(zhì)指數(shù)均為0.57，從指數(shù)上看，2個(gè)城市污染程度相同，但是M2城市NH3-N嚴(yán)重超標(biāo)，僅滿(mǎn)足Ⅴ類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而N1雖有超標(biāo)項(xiàng)目，但參與評(píng)估斷面滿(mǎn)足Ⅳ類(lèi)水質(zhì)。從實(shí)際情況來(lái)看，M2超標(biāo)因子對(duì)生態(tài)環(huán)境影響要大于N1。內(nèi)梅羅指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果恰能反映這一事實(shí)：M2和N1內(nèi)梅羅指數(shù)分別為0.85和0.62，M2污染程度高于N1。SWQI法以最差水質(zhì)指標(biāo)所屬類(lèi)別作為綜合水質(zhì)類(lèi)別，以W1和W2為例，各項(xiàng)參與評(píng)估指標(biāo)均未超標(biāo)，W1和W2參與評(píng)估斷面均為Ⅱ類(lèi)水質(zhì)。從實(shí)際情況看，2個(gè)城市水質(zhì)相當(dāng)，但是W1的最大項(xiàng)污染指數(shù)MAX(SWQI)為DO=34.56，W2的最大項(xiàng)污染指數(shù)MAX(SWQI)為DO=20.00，SWQI法將MAX(SWQI)平均值作為評(píng)價(jià)結(jié)果，表現(xiàn)為過(guò)保護(hù)。

2.2.2 單因子評(píng)價(jià)法與3種指數(shù)評(píng)價(jià)法比較

單因子評(píng)價(jià)法對(duì)城市進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，低水質(zhì)等級(jí)斷面所占比例越大，相應(yīng)城市水質(zhì)就越差。單因子評(píng)價(jià)結(jié)果(圖1)顯示，劣Ⅴ類(lèi)水質(zhì)斷面比例最大的城市為M3，為100%，水質(zhì)最差，其內(nèi)梅羅污染指數(shù)最大，為8.36。斷面水質(zhì)等級(jí)為Ⅱ、Ⅲ類(lèi)水體的城市包括W1、W2、M1，水質(zhì)較好，內(nèi)梅羅污染指數(shù)較小，分別為0.38、0.66、0.50。由于SWQI法以最差水質(zhì)指標(biāo)所屬類(lèi)別作為綜合水質(zhì)類(lèi)別，與單因子評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)原理相同，2種評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果更為吻合。單因子評(píng)價(jià)各城市斷面污染情況與以上3種指數(shù)評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)結(jié)果大體相當(dāng)，說(shuō)明這些方法一定程度上均可用于水質(zhì)評(píng)價(jià)。

圖1 斷面水質(zhì)等級(jí)百分比Fig.1 Percentage of water quality grade

2.2.3 3種評(píng)價(jià)方法科學(xué)性研究

一種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法要想在水環(huán)境管理工作中得到廣泛應(yīng)用，除了具備可操作性之外，還必須滿(mǎn)足計(jì)算科學(xué)合理，評(píng)價(jià)客觀事實(shí)。3種水質(zhì)評(píng)價(jià)方法計(jì)算過(guò)程均較為簡(jiǎn)便，但是SWQI法以最差水質(zhì)指標(biāo)所屬類(lèi)別作為綜合水質(zhì)類(lèi)別，評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)過(guò)保護(hù)，不能科學(xué)合理地評(píng)判水體的綜合水質(zhì)類(lèi)別。均值法是對(duì)n個(gè)水質(zhì)指標(biāo)污染指數(shù)算術(shù)平均，計(jì)算結(jié)果容易掩蓋高濃度的水質(zhì)指標(biāo)污染影響。內(nèi)梅羅指數(shù)法，是國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局于1994年實(shí)施的《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—1993)中推薦的方法，適用于地下水、飲用水水源地、湖泊、河流、土壤重金屬[7-10]等評(píng)價(jià)，是一種兼顧極值或突出最大值的計(jì)權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，在加權(quán)過(guò)程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響，在評(píng)價(jià)時(shí)綜合考慮所有評(píng)價(jià)參數(shù)，在面對(duì)大量樣品時(shí)，能給出科學(xué)的評(píng)價(jià)結(jié)論，可以滿(mǎn)足管理部門(mén)要求，適用于中國(guó)部分典型城市地表水質(zhì)評(píng)價(jià)。

2.3 內(nèi)梅羅指數(shù)法水質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建立

根據(jù)計(jì)算所得綜合污染指數(shù)值，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)等級(jí)的劃分[11]，水質(zhì)等級(jí)劃分是相對(duì)性的，分級(jí)原則與標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表8。

表8 內(nèi)梅羅水質(zhì)指數(shù)法分級(jí)表Table 8 Classification of Nemerow index method

3 結(jié)論

3套評(píng)價(jià)指標(biāo)方案通過(guò)實(shí)例分析得出：21項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)多，代表性強(qiáng)，但是評(píng)價(jià)參數(shù)較多，可操作性差；4項(xiàng)指標(biāo)具有較好的代表性，可操作性好，是一套科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

3種評(píng)價(jià)方法通過(guò)實(shí)例分析得出：SWQI法評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)為過(guò)保護(hù)，算數(shù)平均模式不能突出高濃度水質(zhì)指標(biāo)的影響；內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)合理，數(shù)學(xué)過(guò)程簡(jiǎn)潔，物理概念清晰，是一種首選評(píng)價(jià)方法。

由內(nèi)梅羅指數(shù)法計(jì)算可知，城市污染指數(shù)是對(duì)斷面水質(zhì)指數(shù)求均值，內(nèi)梅羅指數(shù)法適用于評(píng)價(jià)城市水質(zhì)，同樣也適用于評(píng)價(jià)斷面水質(zhì)。

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Study on Comprehensive Evaluation Methods for Surface Water of Typical Cities

GAO Hongjie1,ZHENG Lijie1,2,JI Xiaoyan3,SONG Yonghui1,HAN Lu1,LYU Chunjian1

1.Scientific and Technological Innovation Base for Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China2.College of Environmental and Safety Engineering, Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang 110142,China3.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre,Beijing 100012,China

Based on the monthly water quality data of 10 typical cities in 2013, the status of urban surface water quality was comprehensively evaluated with three assessment methods, including Nemerow index method, mean value method, and surface water quality index (SWQI) method. The research results showed that for evaluating indicator, there was a significant correlation in the evaluate results by the three methods, and the best evaluation indexes were DO, CODCr, NH3-N and TP. In terms of evaluation method, Nemerow index method was the best one among these methods; the results evaluated bySWQImethod represented as overprotection, which could not reflect the real status; and the water quality assessed by mean value method could not highlight the effect of bad water quality index.

urban surface water;evaluation index;evaluation method;Nemerow index method

2015-12-26;

2016-03-02

重點(diǎn)流域環(huán)境保護(hù)監(jiān)管項(xiàng)目(2110302)；國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)“渾河中游水污染控制與水環(huán)境綜合整治技術(shù)集成與示范”(2012ZX07202-005)；科技支撐計(jì)劃(2015BAK16B01-1)

高紅杰(1981-)，男，遼寧鐵嶺人，博士，副研究員。

宋永會(huì)

X824

A

1002-6002(2017)02- 0055- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.09