地表水環(huán)境質(zhì)量排名方法研究
——以青島市為例

趙 璐魏志強(qiáng)張 烜劉岳峰

(1、山東省青島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,山東 青島260003 2、青島市生態(tài)環(huán)境局市南分局,山東 青島266003 3、青島市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,山東 青島260003)

目前國(guó)內(nèi)各省市逐步開(kāi)展地表水環(huán)境質(zhì)量排名工作及探討,現(xiàn)有排名辦法及探討可大致分為三類,一是城市水質(zhì)指數(shù)法[4-6],二是綜合指數(shù)法[7],三是水質(zhì)類別權(quán)重指數(shù)法[8]等其它[9]。本文采用城市水質(zhì)指數(shù)法、水質(zhì)類別權(quán)重指數(shù)法和改進(jìn)的綜合指數(shù)法三種方法對(duì)青島市部分區(qū)域主要河流斷面水質(zhì)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算,分析不同方法的優(yōu)缺點(diǎn),為區(qū)域地表水環(huán)境質(zhì)量排名工作提供一定參考。

1 研究方法

1.1 城市水質(zhì)指數(shù)法

依照《城市地表水環(huán)境質(zhì)量排名技術(shù)規(guī)定(試行)》,地表水環(huán)境綜合排名情況基于城市水質(zhì)指數(shù)法,區(qū)域水質(zhì)指數(shù)CWQI區(qū)域由河流水質(zhì)指數(shù)CWQI河流和湖庫(kù)水質(zhì)指數(shù)CWQI湖庫(kù)按斷面數(shù)加權(quán)計(jì)算得出。區(qū)域地表水環(huán)境質(zhì)量狀況排名按照區(qū)域水質(zhì)指數(shù)從小到大的順序進(jìn)行排名,排名越靠前說(shuō)明地表水環(huán)境質(zhì)量狀況越好。

1.2 水質(zhì)類別權(quán)重指數(shù)法

對(duì)各區(qū)域斷面水質(zhì)類別進(jìn)行權(quán)重賦值:ⅠⅡ類水質(zhì)斷面指數(shù)為1,Ⅲ類水質(zhì)斷面指數(shù)為0.8 ,Ⅳ類水質(zhì)斷面水質(zhì)指數(shù)為0.6 ,Ⅴ類水質(zhì)斷面指數(shù)為0.4,劣Ⅴ類水質(zhì)斷面指數(shù)為0。水質(zhì)類別權(quán)重指數(shù)為各區(qū)域所有斷面指數(shù)和與區(qū)域斷面總數(shù)的比值。按照水質(zhì)類別權(quán)重指數(shù)從大到小進(jìn)行排名,排名越靠前說(shuō)明地表水環(huán)境質(zhì)量狀況越好。

1.3 改進(jìn)的綜合指數(shù)法

本文采用的綜合指數(shù)法,根據(jù)青島水環(huán)境特點(diǎn),采用青島市往年地表水中高頻超標(biāo)項(xiàng)目化學(xué)需氧量、高錳酸鉀指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總磷、石油類和氟化物等7項(xiàng)指標(biāo)參與綜合指數(shù)計(jì)算,并按河流湖庫(kù)斷面加權(quán)計(jì)算得出最終指數(shù)。該方法計(jì)算原理、過(guò)程和排名方式與水質(zhì)指數(shù)法大致相同(詳見(jiàn)1.1)。

2 研究區(qū)域及特點(diǎn)

青島市地處山東半島東南部海濱丘陵地區(qū),東、南瀕臨黃海,東北與煙臺(tái)市毗鄰,西與濰坊市相連,西南與日照市接壤。轄七區(qū)三市,總面積11293平方公里。本文選取青島市部分區(qū)域的重點(diǎn)地表河流/湖庫(kù)斷面為例,其中河流斷面占64.9 %,湖庫(kù)斷面占35.1 %,各區(qū)域斷面數(shù)量在2～20個(gè)之間不等,其中部分?jǐn)嗝鏋榭鐓^(qū)域斷面,E、F、H區(qū)域斷面數(shù)量較多,I、D、C區(qū)域斷面數(shù)量較少。

3 結(jié)果

本文選取2020年青島市重點(diǎn)地表水體斷面年均值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)參與計(jì)算,按照三種方法對(duì)各區(qū)域水質(zhì)情況進(jìn)行核算,數(shù)據(jù)來(lái)源于《青島市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū)》(2016-2020年度)。

3.1 結(jié)果及排名情況

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,最終指數(shù)值及排名如表1所示。其中,城市水質(zhì)指數(shù)法和改進(jìn)的綜合指數(shù)法按指數(shù)值從小到大排名,指數(shù)越小水質(zhì)越好；權(quán)重指數(shù)按從大到小排名,數(shù)值越大水質(zhì)越好。

表1 三種排名方法統(tǒng)計(jì)結(jié)果及排名情況

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,水質(zhì)較好的前三名為A、B和C,二、三名水質(zhì)指數(shù)及綜合指數(shù)法一致,并與類別權(quán)重法略有區(qū)別；水質(zhì)較差前三名為J、I和H,三種方法排名大致相同。而三種指數(shù)方法排名與Ⅲ類以上水質(zhì)比例排名略有區(qū)別,比如B區(qū)域三種指數(shù)法排名在第2、3位,而Ⅲ類以上比例排在第4位,原因或在于該區(qū)域超Ⅲ類斷面的超標(biāo)指標(biāo)較少,或相關(guān)超標(biāo)指標(biāo)的超標(biāo)倍數(shù)較低。

3.2 指數(shù)差值分析

城市水質(zhì)指數(shù)法統(tǒng)計(jì)區(qū)域指數(shù)范圍在4.66 ～8.42 之間,改進(jìn)的綜合指數(shù)法指數(shù)在3.05 ～6.82 之間,水質(zhì)類別權(quán)重法在0.42 ～0.84 之間。從三種方法的極差值來(lái)看,城市水質(zhì)指數(shù)法和改進(jìn)的綜合指數(shù)法極差值為3.76 和3.77 ,說(shuō)明21項(xiàng)指標(biāo)中產(chǎn)生斷面間水質(zhì)差異的項(xiàng)目主要為上述化學(xué)需氧量等7項(xiàng),其它14項(xiàng)指標(biāo)對(duì)斷面間水質(zhì)差異影響較??；水質(zhì)類別權(quán)重法極差值為0.42,相對(duì)于其它兩種指數(shù)法范圍較小,斷面間水質(zhì)差異較小,或造成相關(guān)斷面和區(qū)域排名結(jié)果相近。

3.3 相關(guān)性分析

用SPSS軟件將區(qū)域內(nèi)斷流斷面數(shù)、河流斷面數(shù)、湖庫(kù)斷面數(shù)、三種方法指數(shù)結(jié)果以及Ⅲ類以上斷面比例及劣Ⅴ類斷面比例進(jìn)行相關(guān)性分析,相關(guān)系數(shù)r范圍-1～1,絕對(duì)值越大,相關(guān)性越強(qiáng),絕對(duì)值越接近于0,相關(guān)性越弱[10]。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,三種方法與Ⅲ類以上比例之間的相關(guān)關(guān)系系數(shù)值均呈現(xiàn)出0.01 水平的顯著性,具體來(lái)看,城市水質(zhì)指數(shù)、改進(jìn)的綜合指數(shù)法與Ⅲ類以上比例的相關(guān)系數(shù)值為分別為-0.953 和-0.958 ,說(shuō)明城市水質(zhì)指數(shù)、改進(jìn)的綜合指數(shù)法分別與Ⅲ類以上比例之間有著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；水質(zhì)類別權(quán)重指數(shù)法和Ⅲ類以上比例的相關(guān)系數(shù)值為0.952,說(shuō)明水質(zhì)類別權(quán)重指數(shù)法和Ⅲ類以上比例之間有著顯著的正相關(guān)關(guān)系,另外,河流斷面數(shù)與劣Ⅴ類斷面比例也較為顯著,相關(guān)系數(shù)也達(dá)到了0.775,說(shuō)明河流斷面的數(shù)量和劣Ⅴ類斷面比例有著較顯著的正相關(guān)關(guān)系,原因在于該市劣Ⅴ類水體多出現(xiàn)在河流斷面中。三種方法之間的相關(guān)性也較為顯著,其它項(xiàng)目?jī)蓛上嚓P(guān)性不顯著。

用SPSS軟件將三種方法統(tǒng)計(jì)指數(shù)值與各區(qū)(市)Ⅲ類以上斷面比例做線性回歸相關(guān)性分析,回歸方程顯著性檢驗(yàn)采用F檢驗(yàn),顯著性檢驗(yàn)水平α=0.01 ,P<0.01 為分析參數(shù)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[11]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示,三種方法與Ⅲ類以上斷面比例相關(guān)性較好,水質(zhì)指數(shù)法呈線性負(fù)相關(guān),水質(zhì)類別權(quán)重法呈線性正相關(guān)。且改進(jìn)的綜合指數(shù)法R2最高,相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果相對(duì)其他兩種方法較好。

表2 三種方法與Ⅲ類以上斷面比例線性回歸分析

4 討論

上述三種方法水質(zhì)指數(shù)結(jié)果與該區(qū)域內(nèi)斷流斷面數(shù),河流、湖庫(kù)斷面?zhèn)€數(shù)等相關(guān)性不顯著,與Ⅲ類以上水質(zhì)比例等有較顯著的相關(guān)性,能較好的反映現(xiàn)階段青島市水質(zhì)狀況及區(qū)域水質(zhì)差異,需針對(duì)青島市水環(huán)境特點(diǎn)選擇更適合的排名方法,現(xiàn)對(duì)三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步討論如下:

4.1 城市水質(zhì)指數(shù)法

城市水質(zhì)指數(shù)法的優(yōu)勢(shì)在于:一是評(píng)價(jià)指標(biāo)全面,根據(jù)現(xiàn)階段國(guó)家采測(cè)分離監(jiān)測(cè)的全部21項(xiàng)指標(biāo)參與評(píng)價(jià),充分利用了每個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)水質(zhì)的貢獻(xiàn)；二是淡化了標(biāo)準(zhǔn)值硬杠桿對(duì)水質(zhì)定性評(píng)價(jià)的影響,比如水質(zhì)指數(shù)為8.42 和8.07 排在最后兩位的J、I區(qū)域,Ⅲ類以上比例排名正好相反,原因在于I區(qū)域斷面較少,Ⅲ類及以上斷面及劣Ⅴ類斷面均為0,而J區(qū)域雖Ⅲ類以上斷面比例為9.1 %,但劣Ⅴ類斷面比例達(dá)到18.2 %,較差水質(zhì)斷面濃度水平拉低了水質(zhì)指數(shù),排到了最后一名,該方法強(qiáng)調(diào)了絕對(duì)水質(zhì)的優(yōu)劣,淡化了水質(zhì)類別硬杠桿衡量；三是強(qiáng)調(diào)了區(qū)域水質(zhì)共同影響的概念,水質(zhì)稟賦好的區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較好,比如A區(qū)域,Ⅲ類以上斷面比例最高,水質(zhì)指數(shù)排名也在首位；水質(zhì)較好和較差的斷面,通過(guò)斷面數(shù)量的加權(quán)均會(huì)將影響放大。不足之處在于,對(duì)于青島市水環(huán)境現(xiàn)狀,多數(shù)指標(biāo)常年未檢出或痕量檢出,同樣計(jì)算在水質(zhì)指數(shù)里面,凸顯不出主要污染指標(biāo)對(duì)水質(zhì)的影響,自然稟賦好的區(qū)域就算某項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)對(duì)最終得出的水質(zhì)指數(shù)影響不大。

4.2 水質(zhì)類別權(quán)重指數(shù)法

水質(zhì)類別權(quán)重指數(shù)法的優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)化了水質(zhì)類別對(duì)水質(zhì)的影響因素,將水質(zhì)類別量化統(tǒng)計(jì),更簡(jiǎn)單明了的區(qū)分水質(zhì)差異。不足之處在于指數(shù)值較依賴水質(zhì)類別評(píng)價(jià)結(jié)果,無(wú)法衡量相同水質(zhì)類別內(nèi)的水質(zhì)差異,與Ⅲ類以上斷面比例的相關(guān)性也略低于其它兩種方法。該方法統(tǒng)計(jì)指數(shù)區(qū)域極差值0.42 ,較之另外兩種方法均小出近一個(gè)數(shù)量級(jí),并且區(qū)域間最小差值為0.01 ,在水環(huán)境管理不斷深入,水質(zhì)漸趨穩(wěn)定向好的大環(huán)境下,斷面及區(qū)域間指數(shù)差異越來(lái)越小,難以區(qū)分同相似水質(zhì)狀態(tài)下的水質(zhì)差異。

4.3 改進(jìn)的綜合指數(shù)法

改進(jìn)的綜合指數(shù)法的優(yōu)勢(shì)與城市水質(zhì)指數(shù)法類似,創(chuàng)新點(diǎn)在于優(yōu)選了區(qū)域水質(zhì)的主要指標(biāo)參與統(tǒng)計(jì),更有針對(duì)性的反映主要水質(zhì)問(wèn)題,從極差值來(lái)看,各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)指數(shù)的貢獻(xiàn)主要在于優(yōu)選的7項(xiàng)指標(biāo)；從與Ⅲ類以上斷面比例相關(guān)性來(lái)看,較之其它兩種方法顯著性略高,更加科學(xué)有效的服務(wù)水環(huán)境管理。該方法的不足之處在于因?yàn)閰⒃u(píng)項(xiàng)目較少,其它項(xiàng)目若有突變則無(wú)法兼顧,需與單因子評(píng)價(jià)結(jié)合反映水質(zhì)狀況。

5 結(jié)論

綜上所述,城市水質(zhì)指數(shù)法充分利用了每個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)水質(zhì)狀況的影響,全面反映斷面間水質(zhì)差異,強(qiáng)調(diào)絕對(duì)水質(zhì)優(yōu)劣,但多數(shù)指標(biāo)常年未檢出或痕量檢出,導(dǎo)致重點(diǎn)超標(biāo)因子對(duì)結(jié)果的貢獻(xiàn)不夠突出,自然稟賦好的斷面若有個(gè)別項(xiàng)目超標(biāo)對(duì)總體水質(zhì)指數(shù)影響較小。水質(zhì)類別權(quán)重法將水質(zhì)類別評(píng)價(jià)附以權(quán)重定量化的反映區(qū)域間水質(zhì)差異,但在水污染防治工作不斷深入的大環(huán)境下,斷面及區(qū)域間指數(shù)差異越來(lái)越小,難以區(qū)分相似水質(zhì)類別的斷面水質(zhì)差異。而改進(jìn)的綜合指數(shù)法,優(yōu)選青島市地表水環(huán)境中高頻超標(biāo)項(xiàng)目參與核算,簡(jiǎn)化了水質(zhì)指標(biāo),更有針對(duì)性的比較斷面間、區(qū)域間水質(zhì)差異,最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果與三類水質(zhì)比例有較好的相關(guān)性,建議以單因子評(píng)價(jià)法與改進(jìn)的綜合指數(shù)法排名相結(jié)合,先通過(guò)單因子評(píng)價(jià)法過(guò)篩重點(diǎn)超標(biāo)因子,再用改進(jìn)的綜合指數(shù)法進(jìn)行區(qū)域排名,進(jìn)而明確水環(huán)境現(xiàn)狀和區(qū)域水質(zhì)差異,為下一步水污染治理提供技術(shù)支撐。