嵇曉燕，孫宗光，陳亞男

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

城市地表水環(huán)境質(zhì)量排名方法研究

嵇曉燕，孫宗光，陳亞男

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012

基于現(xiàn)行的國家水環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)和方法，研究建立了綜合反映城市地表水環(huán)境質(zhì)量的城市水質(zhì)指數(shù)CWQI。方法具有普適性、可操作性和可比性，可用于城市地表水環(huán)境質(zhì)量排名。應(yīng)用于長三角經(jīng)濟圈、珠三角經(jīng)濟圈和京津冀經(jīng)濟圈的相關(guān)城市進(jìn)行排名測算，3個經(jīng)濟圈的城市水質(zhì)指數(shù)呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律，總體來說長三角經(jīng)濟圈的城市地表水環(huán)境質(zhì)量優(yōu)于珠三角經(jīng)濟圈和京津冀經(jīng)濟圈。

城市；地表水；環(huán)境質(zhì)量

當(dāng)前我國部分地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量惡劣、水生態(tài)受損嚴(yán)重、水環(huán)境隱患較多等問題十分突出，為了加大水污染防治力度，保證國家的水安全，國務(wù)院于2015年4月印發(fā)了《水污染防治行動計劃》(國發(fā)[2015]17號)[1]?！端廴痉乐涡袆佑媱潯?以下簡稱《水十條》)第十條第三十三款依法公開環(huán)境信息中規(guī)定：綜合考慮水環(huán)境質(zhì)量及達(dá)標(biāo)情況等因素，國家每年公布最差、最好的10個城市名單和各省(區(qū)、市)水環(huán)境狀況。因此，研究城市地表水環(huán)境質(zhì)量排名方法，可以為城市間水環(huán)境質(zhì)量比較和排名提供方法依據(jù)。通過城市間的比較，有利于加強環(huán)境管理，督促各級政府切實加強水污染防治工作，促進(jìn)環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善。

歸納目前國內(nèi)外對于地表水環(huán)境質(zhì)量評價和考核方法，主要有單因子水質(zhì)類別評價法、水質(zhì)指數(shù)法和不確定性方法三大類[2-9]。單因子水質(zhì)類別評價法是國家對水環(huán)境質(zhì)量狀況評價和信息公布采用的方法，簡單易行，但主要適用于單個斷面(點位)的評價，不適用于對整個城市的地表水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評價和比較排名；不確定性方法包括模糊數(shù)學(xué)法、灰色理論法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、物元分析法、投影尋蹤法、集對分析法等，該類方法過多依靠系統(tǒng)的自適應(yīng)性，當(dāng)實測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)擾動較大時評價容易失真[4]，而且還停留在理論研究層面，計算和操作復(fù)雜，應(yīng)用到實際工作中需要進(jìn)一步深入研究；而水質(zhì)指數(shù)法種類繁多，簡單易懂，結(jié)果便于比較，能滿足環(huán)境管理的需要。針對以上考慮，本文研究建立針對全國城市地表水環(huán)境質(zhì)量排名的城市水質(zhì)指數(shù)，并針對典型城市進(jìn)行實例測算。

1 建立原則和監(jiān)測斷面(點位)、指標(biāo)選取

城市地表水環(huán)境質(zhì)量排名方法應(yīng)具有普適性、可操作性和可比性的原則。方法應(yīng)適用于國家對全國各城市的地表水環(huán)境質(zhì)量狀況的排名，也應(yīng)適用于區(qū)域或各省(區(qū)、市)對行政區(qū)內(nèi)城市的地表水環(huán)境質(zhì)量狀況的排名。方法應(yīng)具有科學(xué)依據(jù)，盡量與現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相結(jié)合，同時操作簡便、計算簡潔。方法應(yīng)根據(jù)統(tǒng)一的設(shè)置原則布設(shè)參加排名城市水體的水質(zhì)監(jiān)測斷面(點位)，按照統(tǒng)一的排名指標(biāo)和計算方法客觀地進(jìn)行排名；計算結(jié)果既可進(jìn)行不同城市間的橫向?qū)Ρ?，也可進(jìn)行同一城市不同時段的縱向?qū)Ρ龋瑥亩饶芊从巢煌鞘虚g水環(huán)境質(zhì)量狀況的差異，又能反映同一城市水環(huán)境質(zhì)量狀況的變化。

為了客觀反映每個城市的地表水環(huán)境質(zhì)量狀況，參與排名的水體及斷面(點位)選取應(yīng)滿足以下要求：

1)城市主要的水體，如城市內(nèi)有徑流量(不僅僅指天然徑流量)河流，每條河流不同水質(zhì)類別的水環(huán)境功能區(qū)或水功能區(qū)至少選取1個斷面；城市內(nèi)主要湖泊，每個湖泊至少選取1個點位，面積較大湖泊應(yīng)根據(jù)不同分區(qū)每區(qū)至少選取1個點位。

2)城市所有出境河流的出境斷面和界河斷面；涉及上、下游城市的出入境斷面，均納入上游城市排名；涉及2個或多個城市界河的斷面，同時參與所有涉及城市的排名。

為了盡量與現(xiàn)行的國家水環(huán)境質(zhì)量評價方法結(jié)合，與《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》(環(huán)辦[2011]22號)一致，采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[2]表1中除水溫、總氮和糞大腸菌群以外的21項指標(biāo)，具體包括pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、石油類、揮發(fā)酚、氟化物、氰化物、硫化物、汞、鉛、銅、鋅、硒、砷、鎘、鉻(六價)和陰離子表面活性劑。如存在超出上述評價指標(biāo)外的特征污染物，可增加特征污染物為評價項目。

2 計算方法

城市地表水環(huán)境質(zhì)量排名基于城市水質(zhì)指數(shù)(CWQI)。CWQI越小，說明城市地表水環(huán)境質(zhì)量狀況越好。城市排名時按照從小到大的順序進(jìn)行排名，排名越靠前說明城市水環(huán)境質(zhì)量越好。通過同一城市不同時段CWQI的對比，也可以反映城市地表水環(huán)境質(zhì)量狀況的變化情況。

計算城市水質(zhì)指數(shù)時，先針對城市地表水中河流斷面和湖庫點位評價標(biāo)準(zhǔn)的差異，分別計算城市河流的水質(zhì)指數(shù)和湖庫的水質(zhì)指數(shù)；再根據(jù)河流斷面和湖庫點位數(shù)量的加權(quán)均值計算出城市的城市地表水質(zhì)指數(shù)。

2.1 河流的水質(zhì)指數(shù)

先計算出城市所有河流監(jiān)測斷面各單項指標(biāo)濃度的算術(shù)平均值，計算出單項指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)，再綜合出河流的水質(zhì)指數(shù)CWQI河流。低于檢出限的項目，按照1/2檢出限參加計算各單項指標(biāo)濃度的算術(shù)平均值。

2.1.1 單項指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)

用各項水質(zhì)單項指標(biāo)的濃度值除以該水質(zhì)指標(biāo)對應(yīng)地表水Ⅲ類水濃度標(biāo)準(zhǔn)限值[2]計算單項指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)(表1)。

表1 水質(zhì)指標(biāo)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值 mg/L

單項指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)計算如式(1)所示。

(1)

式中：C(i)為第i個水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測值；Cs(i)為第i個水質(zhì)指標(biāo)地表水Ⅲ類水濃度標(biāo)準(zhǔn)限值[2]；CWQI(i)為第i個水質(zhì)指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)。

溶解氧的水質(zhì)指數(shù)計算方法：

(2)

式中：C(DO)為溶解氧的監(jiān)測值；Cs(DO)為溶解氧的地表水Ⅲ類水濃度標(biāo)準(zhǔn)限值[2]；CWQI(DO)為溶解氧的水質(zhì)指數(shù)。

pH的水質(zhì)指數(shù)計算方法[10]：

(3)

(4)

式中：pHsd為GB 3838—2002中pH的下限值[2]；pHsu為GB 3838—2002中pH的上限值[2]；CWQI(pH)為pH的水質(zhì)指數(shù)。

河流斷面的總磷Ⅲ類水濃度標(biāo)準(zhǔn)限值為0.2 ml/L。

2.1.2 河流的水質(zhì)指數(shù)

根據(jù)各單項指標(biāo)的CWQI，取其加和值即為CWQI河流：

(5)

式中n為水質(zhì)指標(biāo)個數(shù)。

2.2 湖庫的水質(zhì)指數(shù)

湖庫的水質(zhì)指數(shù)計算方法與河流一致，先計算出所有湖庫監(jiān)測點位各單項指標(biāo)濃度的算術(shù)平均值，計算出單項指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)，再綜合出湖庫的水質(zhì)指數(shù)CWQI湖庫。低于檢出限的項目，按照1/2檢出限值參加計算各單項指標(biāo)濃度的算術(shù)平均值。

另外，在計算單項指標(biāo)的水質(zhì)指數(shù)時，湖庫總磷的Ⅲ類水濃度標(biāo)準(zhǔn)限值與河流的不同，為0.05 ml/L[2]。

2.3 城市的水質(zhì)指數(shù)

根據(jù)城市轄區(qū)內(nèi)河流和湖庫的CWQI，取其斷面(點位)數(shù)的加權(quán)均值即為該城市的CWQI：

(6)

式中：CWQI城市為排名城市的水質(zhì)指數(shù)；M為城市的河流斷面數(shù)；N為城市的湖庫點位數(shù)。

若排名城市僅有河流斷面，無湖庫點位，則取城市的河流水質(zhì)指數(shù)為該城市的城市水質(zhì)指數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計要求

月度排名時，采用各監(jiān)測斷面(點位)的月監(jiān)測數(shù)據(jù)；有多次監(jiān)測數(shù)據(jù)時，采用多次監(jiān)測結(jié)果的算術(shù)平均值計算排名。低于檢出限的項目，按照1/2檢出限值參與計算其算術(shù)平均值。

規(guī)定統(tǒng)計時段排名時，采用各監(jiān)測斷面(點位)統(tǒng)計時段的月監(jiān)測數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值計算排名；對于少數(shù)因冰封期等原因無法監(jiān)測的斷面(點位)，一般應(yīng)保證季度排名時至少有1次以上(含1次)的監(jiān)測數(shù)據(jù)；半年排名時至少有3次以上(含3次)的監(jiān)測數(shù)據(jù)；年度排名時至少有6次以上(含6次)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果按照《數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判定》(GB/T 8170—2008)的要求進(jìn)行修約。各項指標(biāo)濃度值保留小數(shù)位數(shù)比《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)[1]中的標(biāo)準(zhǔn)值多1位；各指數(shù)統(tǒng)一保留1位小數(shù)位數(shù)。

3 實例分析

分別以長三角經(jīng)濟圈30個城市、珠三角經(jīng)濟圈9個城市和京津冀經(jīng)濟圈13個城市為例，采用國控地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)中各城市涉及的斷面(點位)2014年月監(jiān)測數(shù)據(jù)的年均值進(jìn)行方法的實例研究。國控地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)按照統(tǒng)一的設(shè)置原則布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測斷面(點位)，覆蓋面廣、代表性強，具有可比性。

按照前文計算方法測算出的CWQI如圖1～圖3所示。按照從小到大的順序進(jìn)行排名，排名越靠前，說明城市整體的地表水環(huán)境質(zhì)量越好。

圖1 長三角經(jīng)濟圈城市水質(zhì)指數(shù)

長三角經(jīng)濟圈30個城市的CWQI為3.8～10.8，各城市地表水環(huán)境質(zhì)量有一定的差別，但差距不大；珠三角經(jīng)濟圈9個城市的CWQI呈兩極分化的狀態(tài)，深圳和東莞分別達(dá)到44.1和33.1，而其余城市為3.6～6.0；京津冀經(jīng)濟圈13個城市的CWQI排序后則呈現(xiàn)從4.9到37.6逐級遞增的變化趨勢，海河水系所在的城市地表水環(huán)境質(zhì)量明顯差于灤河水系所在的城市，尤其石家莊市達(dá)到37.6。總體來說長三角經(jīng)濟圈的城市地表水環(huán)境質(zhì)量優(yōu)于珠三角經(jīng)濟圈和京津冀經(jīng)濟圈。

圖2 珠三角經(jīng)濟圈城市水質(zhì)指數(shù)

圖3 京津冀經(jīng)濟圈城市水質(zhì)指數(shù)

4 結(jié)論

針對《水十條》即將對城市地表水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行排名的需要，在結(jié)合現(xiàn)行的國家水環(huán)境質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)和方法的基礎(chǔ)上，首次研究建立了綜合反映城市地表水環(huán)境質(zhì)量的城市水質(zhì)指數(shù)CWQI，使得不同城市間的地表水環(huán)境質(zhì)量可以進(jìn)行定量的比較排名，為城市地表水環(huán)境質(zhì)量排名提供依據(jù)，從而有利于促進(jìn)城市水環(huán)境的綜合治理和水環(huán)境質(zhì)量的持續(xù)改善。

該方法具有普適性、可操作性和可比性。應(yīng)用于長三角經(jīng)濟圈30個城市、珠三角經(jīng)濟圈9個城市和京津冀經(jīng)濟圈13個城市進(jìn)行排名測算，3個經(jīng)濟圈的城市水質(zhì)指數(shù)呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律，計算結(jié)果與實際的城市地表水環(huán)境質(zhì)量狀況基本一致。

[1] 國務(wù)院. 國務(wù)院關(guān)于印發(fā)水污染防治行動計劃的通知：國發(fā)[2015]17號[A/OL].(2015-4-2)[2015-04-02]. http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-04/16/content_9613.htm.

[2] 國家環(huán)保局科技標(biāo)準(zhǔn)司. 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：GB 3838—2002 [S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

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Method Study on Sequence of City Surface Water Environmental Quality

JI Xiaoyan, SUN Zongguang, CHEN Yanan

China National Envioronmental Monitoring Centre, State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, Beijing 100012, China

Based on national assessment standard and method of surface water environmental quality, City Water Quality Index is built to reflect the condition of the whole city surface water environment. The method is universal, operable and comparable. It can be used to sequence surface water environmental quality in different cities. City water quality indexes of every city in Yangtze River Delta, Pearl River Delta and Beijing-Tianjin-Heibei Region are calculated. Results show different distribution patterns in different regions. On the whole, the surface water environmental quality of the Yangtze River Delta city group is better than those of the other two.

city; surface water; environmental quality

2016-02-29;

2016-03-28

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07502-002)

嵇曉燕(1981-)，女，江蘇淮安人，博士，高級工程師。

X824

A

1002-6002(2016)04- 0054- 04

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.10