水質(zhì)級別指數(shù)法在水質(zhì)評價和預警方面的應用
——以桂南沿海地區(qū)地表水評價為例

鄧 建 明

(廣西沿海水文中心，廣西 欽州 535000)

在最嚴格水資源管理制度深入實施、河長制工作全面推行的當下，地方黨委政府和河長被層層壓實了轄區(qū)河湖管控的主體責任。作為河湖管控效果的情報渠道和考核依據(jù)，水質(zhì)監(jiān)測評價工作愈發(fā)受到重視[1]。如何將監(jiān)測數(shù)據(jù)反映的河湖健康狀況有效地傳遞到黨政領導，協(xié)助他們及時做出正確的決策，是水資源環(huán)境監(jiān)測工作者需要認真思考的問題。選用科學實用的評價方法，就顯得特別重要。

幾十年來，得到我國水資源環(huán)境保護工作者和研究人員廣泛關注和應用的水質(zhì)評價方法主要有單因子評價法、綜合污染指數(shù)法和水質(zhì)標識指數(shù)法。單因子評價法[2]實際上是一種定性標識法，直觀表明了水質(zhì)類別，但無法開展連續(xù)定量分析，無法有效進行水質(zhì)預警，也無法對劣Ⅴ類水體進行優(yōu)劣判定。綜合污染指數(shù)(WPI)法實現(xiàn)了定量分析[3]，但無法判定水質(zhì)類別，且對沒有明確管理目標的水域無法應用。水質(zhì)標識指數(shù)法由徐祖信提出[4]，一定程度上結(jié)合了標識法和指數(shù)法的優(yōu)點，既有標識內(nèi)容又可定量分析，在清潩河流域[5]、鄱陽湖[6]、阜陽市主要河流[7]等水域水質(zhì)評價中均得到較好應用，但該方法由于標識內(nèi)容冗余，影響了連續(xù)性，且在接近水質(zhì)類別上限時水質(zhì)指數(shù)的計算和表示存在疑難，取均值的做法還會屏蔽掉嚴重污染指標的惡劣影響。

其他的水質(zhì)評價方法也還有很多，如樊引琴等應用物元分析法對黃河水質(zhì)進行評價[8]，龐振凌等[9]和李祥等[10]分別將層次分析法應用于南水北調(diào)中線水源區(qū)和上海淀山湖的水質(zhì)評價，王晴晴等結(jié)合主成分分析法與熵值法對臺州市河網(wǎng)水質(zhì)開展了評價[11]，夏凡等則采用主成分分析法對丹江口水庫16條入庫河流開展了評價并與單因子評價法、綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果進行了對比分析[12]，王俊對灰色系統(tǒng)理論在原水水質(zhì)預測與評價中的應用開展了研究[13]，姜莉莉等應用模糊數(shù)學評價法對青龍河水質(zhì)現(xiàn)狀開展了評價[14]，薛建軍等則應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行了水質(zhì)評價研究[15]。但這些方法由于計算復雜，且評價結(jié)果與國家法定標準往往存在一定差異，主要是高校和科研院所的專業(yè)研究者作了一些探索，而在支撐水質(zhì)管控決策實踐過程中應用較少。

本文結(jié)合近年來在基層水文部門開展水功能區(qū)和跨行政區(qū)界斷面水質(zhì)監(jiān)測評價的實踐經(jīng)歷，在參考單因子評價法、污染指數(shù)法和標識指數(shù)法等經(jīng)典方法優(yōu)點的基礎上，改進設計了水質(zhì)級別指數(shù)法，在桂南沿海地區(qū)水質(zhì)評價、預警和水質(zhì)月(專)報編報過程中得到了較好應用。該方法簡便易行，具有一定推廣價值，對做好新時代水質(zhì)評價和預警工作，服務好當?shù)刂鞴懿块T和河長，有一定積極意義。

1 經(jīng)典水質(zhì)評價方法概述

在我國，單因子評價法、綜合污染指數(shù)法和水質(zhì)標識指數(shù)法等3種經(jīng)典水質(zhì)評價方法，在政府水資源環(huán)境監(jiān)測和管理部門得到廣泛應用。各種水質(zhì)評價方法，歸根結(jié)底是對水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果的解釋，使得單調(diào)、抽象的數(shù)據(jù)變得形象、可讀。無論應用何種評價方法，評價成果皆是水質(zhì)濃度的反映。因此，評價成果(Y)是監(jiān)測分析所得水質(zhì)濃度(C)的一個函數(shù)，即：

Y=f(C)

(1)

1.1 單因子評價法

單因子評價法是GB3838 2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》規(guī)定的方法[2]，以各監(jiān)測指標所屬最差類別作為水質(zhì)類別。

WL=max(WLi)

(2)

式中：WLi為第i項指標的水質(zhì)類別。

WLi是一個對應第i項指標的分段單值函數(shù)，以高錳酸鹽指數(shù)為例，計算公式如下：

(3)

水質(zhì)類別與水質(zhì)指標濃度的對應關系參見圖1。由圖1可見，單因子評價法分段定性描述了水質(zhì)狀況，直觀簡單，便于行政主管部門、非專業(yè)黨政領導和公眾理解，在我國水資源環(huán)境日常管理中得到了廣泛的應用。但其缺點也顯而易見：① 無法定量，在同一類別內(nèi)無法區(qū)分水質(zhì)優(yōu)劣，對于劣于Ⅴ類水體的評價缺陷較大。例如高錳酸鹽指數(shù)濃度分別為160 mg/L和16 mg/L的水體受污染狀況顯然差距很大，但單因子評價法皆評價為劣Ⅴ類水，不能判別二者的污染程度。② 不連續(xù)，分段間存在突變點，不適用于水質(zhì)預警工作。例如，管理目標為Ⅲ類的水域，高錳酸鹽指數(shù)監(jiān)測值為6 mg/L時，依然評價為Ⅲ類達標水體，而實際上高錳酸鹽指數(shù)濃度若再增加一點就超標了，單因子評價法無法及時作出預警。

圖1 水質(zhì)濃度與水質(zhì)類別的關系示意Fig.1 Relations of water quality constituent concentrations to water quality level

1.2 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法首先是將單項水質(zhì)指標濃度與水域管理目標濃度限值相比，將指標濃度去量綱化得出單項污染指數(shù)。然后考慮各單項指標對水質(zhì)的貢獻，通過算術平均、加權平均等得出一個綜合污染指數(shù)，來評價綜合水質(zhì)達標情況和污染程度。如算術平均綜合污染指數(shù)計算公式為

(4)

式中：Ci為第i項指標的濃度值，Si為第i項指標的管理目標濃度限值，WPIi為第i項指標的污染指數(shù)，n為參與評價的水質(zhì)指標個數(shù)。

可見，污染指數(shù)法就是將實測濃度與管理目標限值比大小，得出的污染指數(shù)WPI就是實測濃度與管理目標限值的倍數(shù)關系，若WPI>1，表明超標，WPI越大表明污染越嚴重。該方法的缺點是無法表明主管部門和公眾已經(jīng)廣泛接受的水質(zhì)類別方面信息，且對沒有明確管理目標的水域不適用。

1.3 水質(zhì)標識指數(shù)法

徐祖信提出了既能標識水質(zhì)類別，又能一定程度上實現(xiàn)定量分析的水質(zhì)標識指數(shù)法[4]。綜合水質(zhì)標識指數(shù)結(jié)構為

WSI=X1.X2X3X4

(5)

式中：X1為綜合水質(zhì)類別，X2為綜合水質(zhì)在X1類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處位置，X3為超過水域管理目標限值的水質(zhì)指標個數(shù)；X4為綜合水質(zhì)類別與管理目標類別的比較結(jié)果。

其中：

(6)

式中：WSIi為第i項水質(zhì)指標的單因子標識指數(shù)，X1i為第i項指標水質(zhì)類別，X2為第i項指標在X1i類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)所處位置，n為參與評價的水質(zhì)指標個數(shù)。

由于綜合水質(zhì)類別取n個水質(zhì)指標的平均值，非污染因子會拉平水質(zhì)類別，造成評價結(jié)果與依據(jù)國家標準得出的評價結(jié)果不一致，屏蔽嚴重污染指標的惡劣影響。對于一般情況下都有特定污染物的突發(fā)性水污染事件，如龍江鎘污染事件、賀江鎘鉈污染事件等，取平均值的做法是不可取的。

另外，由于X3，X4不過是文本標識內(nèi)容的數(shù)字表示，本質(zhì)還是文本標記，并沒有數(shù)學邏輯上的定量和連續(xù)意義。依此方法還可以在后面加X5，X6甚至更多以標識想表達的內(nèi)容，不過是將文本標識內(nèi)容數(shù)字化復雜化，造成信息冗余，難以直觀認知。

張濤等[16]在對太湖流域開展水質(zhì)評價研究時，提出如下經(jīng)修正的水質(zhì)標識指數(shù)計算公式

WSI=X1.X2(X3)

(7)

式中：X1、X2同前，X3為首要污染因子對應的指標項，直接將該指標名稱標識在括號內(nèi)。

式(7)相對式(5)減少了標識位數(shù)，且直接改用文字來標識想表達的內(nèi)容，這也使得定量和連續(xù)性受到更大損害，在進行數(shù)值比較和數(shù)值處理時需要再次將文字標識內(nèi)容(X3)一一去除。

綜上，單因子評價法、綜合污染指數(shù)法和水質(zhì)標識指數(shù)法等得到廣泛應用的3種經(jīng)典水質(zhì)評價方法各有優(yōu)缺點，這為改進設計新的評價方法提供了方向。

2 水質(zhì)級別指數(shù)法

對于直接服務于主管部門、擔任河長的黨政領導和公眾的公益性事業(yè)監(jiān)測機構來說，采用的水質(zhì)評價方法應滿足以下要求：

(1) 符合國家標準要求，準確判定水質(zhì)類別，并能識別主要污染因子；

(2) 可以實現(xiàn)不同時空尺度上的水質(zhì)優(yōu)劣的對比分析，以分析報告水質(zhì)隨時間變化趨勢，和隨空間或流程的變化規(guī)律；

(3) 可以實現(xiàn)連續(xù)定量分析，從而開展水質(zhì)預警預報服務；

(4) 可以對水質(zhì)較差的劣Ⅴ類水體進行優(yōu)劣判定，從而為評判突發(fā)性水污染事件應急處置、黑臭水體治理等過程中方法措施的有效性提供依據(jù)；

(5) 簡單實用，易于掌握和應用。

基于以上需求，在參考單因子評價法、污染指數(shù)法和標識指數(shù)法等經(jīng)典方法優(yōu)點的基礎上，改進設計了一種水質(zhì)級別指數(shù)評價法。

2.1 水質(zhì)級別指數(shù)函數(shù)方程

類同于其他評價方法，將水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)視作對應水質(zhì)濃度(C)的函數(shù)，即有：

WLI=f(C)

(8)

對于第i項指標的水質(zhì)級別指數(shù)，則相應有：

WLIi=f(Ci)

(9)

對應國家標準規(guī)定的評價規(guī)則，取參評指標水質(zhì)級別指數(shù)最大值作為水體的最終水質(zhì)級別指數(shù)：

WLI=max(WLIi)

(10)

函數(shù)的已知點為(CS，WL)，即國家標準規(guī)定的各水質(zhì)類別的限值濃度CS及相應類別WL組成一個數(shù)據(jù)，例如對于高錳酸鹽指數(shù)來說，(0，0)，(2，1)，(4，2)，(6，3)，(10，4)和(15，5)等是已知的6個點。在已知點的基礎上，可以通過直線或曲線擬合的方式來求解函數(shù)。由2個點就可以確定一條直線，推薦采用分段直線擬合的方式，簡單易行。函數(shù)關系式確定后，就可以通過式(9)和式(10)計算或從圖中讀取所監(jiān)測水樣的水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)值。如圖2(a)和圖2(b)分別為高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧濃度與水質(zhì)級別指數(shù)的對應關系，可見，濃度為Cx的水樣，可對應讀取水質(zhì)級別指數(shù)WLIx的值。

圖2 高錳酸鹽指數(shù)、溶解氧濃度與水質(zhì)級別指數(shù)示意Fig.2 Relations of water quality constituent concentrations(CODMn and DO)to Water Quality Level Index(WLI)

2.2 水質(zhì)級別指數(shù)直線方程求解

對于水質(zhì)屬于Ⅰ～Ⅴ類的情況，6個已知點前后相接，可以確定Ⅰ～Ⅴ類水共5個區(qū)間段的水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)計算曲線。代入兩點式直線方程，有：

(WLIx-WL(m-1))/(WLm-WL(m-1))

=(Cx-C(m-1)，S)/(Cm，S-C(m-1)，S)

(11)

即：

WLIx=(WLm-WL(m-1))/[(Cm，S-C(m-1)，S)

×(Cx-C(m-1)，S)]+WL(m-1)

(12)

式中：Cx為水質(zhì)指標的監(jiān)測值，m指Cx濃度水所屬的水質(zhì)類別序號，m-1為前一個水質(zhì)類別序號，WL為相應水質(zhì)類別，CS為相應水質(zhì)類別的限值濃度。

對于劣Ⅴ類的情況，建議以每增加一個設定濃度Cd(Ⅲ類限值、Ⅴ類限值、或管理目標限值等)，水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)相應增加1的方式確定直線的斜率k，從而與已知的前端點一起求解水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)計算曲線，實現(xiàn)劣Ⅴ類情況下的延伸和連續(xù)定量評價。代入點斜式直線方程，有：

WLIx-WLV=k.(Cx-CV，S)

(13)

即：

WLIx=1/Cd.(Cx-CV，S)+5

(14)

式中：k為曲線斜率，WLV指Ⅴ類水質(zhì)類別的阿拉伯數(shù)字表示(即為5)，CV，S為Ⅴ類水限值濃度，Cd為所選擇的設定濃度，其他符號同前。

2.3 水質(zhì)級別指數(shù)與水質(zhì)級別的關系

單因子評價確定水質(zhì)級別的方法在時間序列上表現(xiàn)為，由水質(zhì)級別間突變點分成多段，而水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)則實現(xiàn)了定量和連續(xù)化。如圖3所示，某水質(zhì)斷面居于單因子評價得出的水質(zhì)類別月間變化是跳躍式的，且當水質(zhì)劣于Ⅴ類時難以科學表示(圖中以虛線示意)。顯然，實現(xiàn)了連續(xù)的水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)法更符合天然水體水質(zhì)漸變的實際過程。通過其大小也可以直接判定水質(zhì)級別，水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)與水質(zhì)級別(WL)的關系見表1。

圖3 某斷面水質(zhì)級別指數(shù)及水質(zhì)級別的年內(nèi)變化Fig.3 Annual variation of Water Quality Level Index and Water Quality Level at one site

表1 水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)與水質(zhì)級別(WL)的關系Tab.1 Relations between Water Quality Level Index(WLI)and Water Quality Level(WL)

3 水質(zhì)級別指數(shù)法在桂南沿海地區(qū)的應用

3.1 指標間比較分析與主要污染指標篩選

如圖4所示，從全年共12個月來看，南流江中游跨設區(qū)市界斷面馬口的水質(zhì)指標污染嚴重程度為：總磷>氨氮>五日生化需氧量>高錳酸鹽指數(shù)>化學需氧量；而南流江下游入?？跀嗝鏆J北鐵路橋的水質(zhì)指標污染嚴重程度為：總磷>五日生化需氧量>氨氮>高錳酸鹽指數(shù)>化學需氧量。馬口斷面超過Ⅲ類水質(zhì)標準的主要污染指標有總磷、氨氮、五日生化需氧量，欽北鐵路橋斷面為總磷、五日生化需氧量。

圖4 主要污染指標篩選Fig.4 Sketch of main pollutants screening

3.2 水質(zhì)隨時間變化的趨勢分析

3.2.1長時間序列上變化趨勢

圖5顯示的是20多年里欽江欽州市城區(qū)永福廣場斷面主要污染指標高錳酸鹽指數(shù)和氨氮的水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)變化情況。改革開放初期，經(jīng)濟增長排在第一位，環(huán)境管制政策趨軟，圖5可見，20世紀90年代初該斷面水質(zhì)嚴重超標。1989年，第三次全國環(huán)境保護會議提出環(huán)境保護三大政策和八項管理制度，1992年繼聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展會議之后，中國發(fā)布《環(huán)境與發(fā)展十大對策》，環(huán)境管制逐步規(guī)范化，圖5中顯示，斷面水質(zhì)在1993年以后趨于好轉(zhuǎn)和穩(wěn)定。速補發(fā)展課程始終是重要議題，經(jīng)濟跨越式增長、城鎮(zhèn)快速擴張，而擴增環(huán)境承載能力的環(huán)境基礎設施未能及時匹配到位，導致欠發(fā)達地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量問題存在反復性。10余年后的2004年起，水質(zhì)又再次惡化。

圖5 欽江欽州市城區(qū)永福廣場河段主要污染指標水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)變化情況Fig.5 Change of Water Quality Level Index of critical pollution indicators in a section of Qinjiang river

近年來在生態(tài)文明理念的指引下，在最嚴格的水資源環(huán)境管制政策的嚴格監(jiān)管下，水質(zhì)已經(jīng)趨于穩(wěn)定達標。這表明，水質(zhì)級別指數(shù)法結(jié)合經(jīng)濟社會發(fā)展數(shù)據(jù)、環(huán)境管制政策等，可以很好地應用于長時期內(nèi)經(jīng)濟社會發(fā)展與環(huán)境質(zhì)量的關系分析。

3.2.2短時間序列上變化趨勢

如圖6所示，洪湖江庫中監(jiān)控斷面在2017年汛后(4～9月為汛期)水質(zhì)呈現(xiàn)逐月變差趨勢，雖然至2018年1月時水質(zhì)還是Ⅲ類依然達標，但已經(jīng)超出了設定的預警線(目標線的80%)，于是較為精準地發(fā)出了預警信息。可見，水質(zhì)級別指數(shù)法可以及時快捷地分析并給出中短時間序列的水質(zhì)趨勢，因而在水質(zhì)預警方面也具有應用潛力。

圖6 WLI應用于水質(zhì)預警分析實例Fig.6 Application of WLI in water quality early warning

3.3 水質(zhì)隨空間或流程變異的情況分析

3.3.1同一河流的衰變規(guī)律分析

從圖7可見，南流江中下游欽州-北海河段第1～4季度水質(zhì)皆超過管理目標存在污染現(xiàn)象，處于非汛期后半段的第1季度水質(zhì)最差。第1，3，4季度水質(zhì)隨河道徑流沿程而下皆有所好轉(zhuǎn)，說明河流自凈能力在發(fā)揮作用。而第2季度水質(zhì)順流而下逐步惡化，應該是受到了初汛期地面徑流引入大量面源污染物質(zhì)的影響。

圖7 南流江中下游河段各季度水質(zhì)沿程變化趨勢分析Fig.7 Trends of water quality along the middle and lower reaches of the Nanliu River in different seasons

3.3.2主要污染河段篩選

如圖8所示，2017年初汛期欽州市主要河流水庫水質(zhì)監(jiān)測評價結(jié)果顯示，欽江的靈山縣城區(qū)河段(靈山)、欽州城區(qū)河段(欽州下)、入?？诤佣?橫豐)、南流江的跨界入境河段(馬口斷面)、馬江的浦北城區(qū)河段(西塘下)、茅嶺江的那蒙鎮(zhèn)河段(那蒙)等，為該市的主要受污染河段。

圖8 2017年初汛期欽州市監(jiān)控河段水質(zhì)情況Fig.8 Water quality of monitoring reaches of Qinzhou City at the beginning of the 2017 flood season

3.3.3不同地區(qū)間河流污染狀況對比分析

如圖9所示，從桂南沿海地區(qū)三大主要河流入?？?017年全年水質(zhì)狀況比對來看，南流江污染最嚴重全年基本處于超標狀態(tài)；欽江也存在一定污染，旱季和初汛期水質(zhì)容易超標；防城河所受污染相對較輕，全年水質(zhì)基本達標。

圖9 桂南沿海地區(qū)3條主要入海河流入海口水質(zhì)變化情況比較Fig.9 Comparison of water quality variations of the three main coastal rivers in southern Guangxi

3.4 劣Ⅴ類水體整治效果分析

由于單因子評價法無法對劣Ⅴ類水體進行優(yōu)劣判定，在水污染應急處置、黑臭水體整治等情況下難以應用。圖10為欽州市欽北區(qū)水浸洞某塘壩污染死魚事件前期應急處置過程的水質(zhì)級別指數(shù)變化過程。在近1個月的時間內(nèi)，該塘壩水質(zhì)皆劣于Ⅴ類，單因子評價法無法表明水質(zhì)的優(yōu)劣變化，無法評判污染應急處置措施的效果。但由圖10所示水質(zhì)級別指數(shù)變化過程明顯可見，10 d左右時溶解氧開始好轉(zhuǎn)，17 d后氨氮和化學需氧量皆開始穩(wěn)步下降。

圖10 MLI應用于劣Ⅴ類水體整治效果分析Fig.10 Application of MLI in the effect assessment of inferior-V water bodies remediation

4 結(jié) 論

(1) 單因子評價法是一種定性標識法，無法開展連續(xù)定量分析，無法對劣Ⅴ類水體進行優(yōu)劣判定。綜合污染指數(shù)(WPI)法實現(xiàn)了定量分析，但無法判定水質(zhì)類別，且對沒有明確管理目標的水域無法應用。水質(zhì)標識指數(shù)法一定程度上結(jié)合了標識法和指數(shù)法的優(yōu)點，既有標識內(nèi)容又可定量分析，但標識內(nèi)容冗余，影響了連續(xù)性，在接近類別上限時水質(zhì)指數(shù)的計算和表示存在疑難，取均值的做法還會屏蔽掉嚴重污染指標的惡劣影響。本文提出和應用的水質(zhì)級別指數(shù)法，明確標識了水質(zhì)類別，同時可有效地開展連續(xù)定量分析。

(2) 在桂南沿海地區(qū)水質(zhì)評價和預警工作的應用情況表明，水質(zhì)級別指數(shù)法對水質(zhì)指標濃度作了去量綱的標準化處理，真正實現(xiàn)了定量和連續(xù)化，可以有效地開展水質(zhì)指標間對比分析、時間上變化趨勢分析和空間上變異情況分析。

(3) 水質(zhì)級別指數(shù)法簡便易行，有助于快速、精準提煉水質(zhì)評價和預警情報信息，以便及時報告當?shù)刂鞴懿块T和河長，具有一定推廣應用價值。