王 珅，黃 晶，馮孫林，萬(wàn)哲慧，王 奇

1.溫州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，浙江 溫州 325000 2.棗莊市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，山東 棗莊 277000 3.溫州大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 溫州 325000

水質(zhì)評(píng)價(jià)理論已經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外誕生了諸多水質(zhì)評(píng)價(jià)方法，如水質(zhì)指數(shù)法[1]、灰色關(guān)聯(lián)法[2]、TOPSIS多目標(biāo)決策法[3]、主成分分析法[4]、層次分析法[5]和貝葉斯法[6]等。各種方法的原理不同，評(píng)價(jià)結(jié)果亦有出入。大部分水質(zhì)評(píng)價(jià)方法有其自身的適用范圍，仍停留在科研階段，離實(shí)際應(yīng)用仍有一定的距離[7]。

加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)水質(zhì)指數(shù)(Canadian Council of Ministers of the Environment Water Qaulity Index，CCME WQI)為水質(zhì)指數(shù)法的一種，在加拿大及巴西、摩洛哥、阿根廷、韓國(guó)、比利時(shí)、波蘭、瑞士、南非、印度、巴基斯坦和俄羅斯等國(guó)家和地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)工作中得到了廣泛應(yīng)用，認(rèn)可度較高[8]。近些年來(lái)，在國(guó)外學(xué)者[9-14]對(duì)CCME WQI從不同角度進(jìn)行深入研究的同時(shí)，中國(guó)學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了不同程度的探索：GAO等[15]運(yùn)用CCME WQI對(duì)三峽水庫(kù)2008—2013年水質(zhì)狀況進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)；YAN等[16-18]在CCME WQI的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出動(dòng)態(tài)水質(zhì)評(píng)價(jià)模型，用灰色關(guān)聯(lián)法改進(jìn)了CCME WQI，并應(yīng)用于新通揚(yáng)運(yùn)河，之后將生物評(píng)價(jià)因子引入模糊CCME WQI，評(píng)價(jià)了五里湖水質(zhì)；XIA等[19]運(yùn)用聚類CCME WQI評(píng)價(jià)了三峽大壩175 m蓄水試驗(yàn)后水質(zhì)的時(shí)空分布；ZHANG等[20]研究第二松花江盆地的地表水與地下水相互關(guān)系時(shí)使用了CCME WQI；楊婷婷等[21]初步比較了3種水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)，認(rèn)為CCME WQI適用于中國(guó)各水質(zhì)功能區(qū)水質(zhì)評(píng)價(jià)?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)對(duì)CCME WQI水質(zhì)評(píng)價(jià)集中在中大型水庫(kù)、內(nèi)陸湖泊等，入海河流感潮河段應(yīng)用的報(bào)道較少，筆者選擇中國(guó)東部沿海典型入海河流(鰲江)為研究對(duì)象，討論CCME WQI與最差因子判別法評(píng)價(jià)結(jié)果差異，為水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的選用提供參考。

1 研究區(qū)域概況

1.1 鰲江概況

鰲江位于浙江省溫州市，干流長(zhǎng)為82 km，匯入東海，流域面積為1.5×103km2。低潮時(shí)平均水深約為0.8 m。年徑流量約為2.0×1010m3，年平均含沙量約為0.1 kg/m3。自詹家埠起至河口為鰲江下游，長(zhǎng)為48.7 km，此河段水體與河床受潮汐影響與控制，地勢(shì)西高東低，平均坡降為0.1‰。

1.2 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)、采樣與分析

溫州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站依據(jù)《水質(zhì) 采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(HJ 495—2009)設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，經(jīng)上級(jí)主管部門批準(zhǔn)后實(shí)施，埭頭、江嶼、方巖渡、江口渡4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面位置(地理坐標(biāo)為120°17′～120°36′E，27°35′～27°38′N)見(jiàn)圖1。功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo)分別為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅲ類、Ⅲ類。江口渡為國(guó)控?cái)嗝?，其余為省控?cái)嗝妫怀ゎ^監(jiān)測(cè)斷面外，其余監(jiān)測(cè)斷面處于感潮河段，潮汐往復(fù)作用對(duì)上覆水水環(huán)境質(zhì)量影響顯著。平陽(yáng)縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站依據(jù)《水質(zhì) 采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494—2009)承擔(dān)監(jiān)測(cè)斷面采樣與項(xiàng)目分析作業(yè)，部分未形成能力的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，委托溫州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站分析。

溫州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站與平陽(yáng)縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)部門頒布的現(xiàn)行有效水質(zhì)分析標(biāo)準(zhǔn)方法開(kāi)展各項(xiàng)目分析操作。

圖1 鰲江水質(zhì)采樣布點(diǎn)示意圖Fig.1 Distribution of sampling sites in the Aojiang River

2 CCME WQI評(píng)價(jià)方法

CCME WQI由加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)(UBC)提出的水質(zhì)指數(shù)改進(jìn)而來(lái)。CCME WQI已在加拿大國(guó)內(nèi)廣泛使用，聯(lián)合國(guó)環(huán)境署(UNEP)也使用CCME WQI方法對(duì)世界各國(guó)進(jìn)行水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)。CCME WQI的計(jì)算方法如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

從式(1)變形后可以看出，CCME WQI為3個(gè)變量的調(diào)和平方和。式(2)中參數(shù)F1代表選用水質(zhì)評(píng)價(jià)項(xiàng)目超過(guò)其標(biāo)準(zhǔn)限值的百分比，P為超標(biāo)水質(zhì)參數(shù)的個(gè)數(shù)；N為水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目總數(shù)。式(3)中參數(shù)F2代表在一定時(shí)間范圍內(nèi)，某監(jiān)測(cè)項(xiàng)目超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值的次數(shù)所占百分比，q為全部水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中超標(biāo)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；M為水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù)。式(5)中參數(shù)S為在某監(jiān)測(cè)項(xiàng)目超標(biāo)時(shí)，該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的超標(biāo)倍數(shù)，S為超標(biāo)水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值之比；Q為歸一化參數(shù)，即各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目超標(biāo)倍數(shù)加和與水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù)之比。CCME WQI的取值范圍為0～100閉區(qū)間，各種水質(zhì)級(jí)別的范圍及釋義如表1所示。

表1 CCME WQI水質(zhì)等級(jí)劃分及釋義Table 1 Classification and explaination of CCME water qualtiy index

3 結(jié)果與討論

3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目相關(guān)性分析

CCME WQI使用手冊(cè)2017版中的相關(guān)說(shuō)明指出：應(yīng)根據(jù)水質(zhì)功能目標(biāo)來(lái)選擇參與評(píng)價(jià)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)，選用參與評(píng)價(jià)的水質(zhì)參數(shù)個(gè)數(shù)應(yīng)大于8個(gè)，小于20個(gè)。水質(zhì)參數(shù)間不應(yīng)存在高度相關(guān)性，避免相關(guān)性水質(zhì)參數(shù)重復(fù)選擇對(duì)CCME WQI計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響[9]。參考《平陽(yáng)年鑒2013》《蒼南年鑒2013》和CCME WQI 2017附錄2中相關(guān)行業(yè)推薦監(jiān)測(cè)參數(shù)，選取pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮、總氮、總磷、石油類、氟化物、陰離子表面活性劑、糞大腸菌群共10項(xiàng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)參數(shù)。

選用江口渡斷面10組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算P值與r值(表2)。從表2可以看出，總氮與CODMn，氟化物與總磷，陰離子與pH、氨氮具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的極顯著相關(guān)性(P<0.01)。但上述各組參數(shù)間|r|均小于0.8，因此可以認(rèn)為各組參數(shù)未達(dá)到高度相關(guān)的條件?？蓪?0項(xiàng)監(jiān)測(cè)參數(shù)納入CCME WQI評(píng)價(jià)參數(shù)中。

表2 江口渡斷面CCME WQI水質(zhì)參數(shù)相關(guān)性分析Table 2 The correlation analysis of CCME WQI water quality parameters in Jiangkoudu section from Jan to Dec 2014

注：P<0.05統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著相關(guān),P<0.01為極顯著相關(guān)；|r|≥0.8變量高度相關(guān)。

3.2 鰲江監(jiān)測(cè)斷面CCME WQI水質(zhì)評(píng)價(jià)

由于數(shù)據(jù)量較大，為了方便比較，用Origin8.5繪制了2014年鰲江4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面10項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目逐月濃度箱線圖，如圖2所示。箱圖上端和下端分別代表上下四分位，箱圖中線為中位數(shù)。箱圖兩端表示離群值，coef為1，“×”表示最大與最小百分比，“□”表示平均值。pH為無(wú)量綱，糞大腸菌群用MPN表估計(jì)值，個(gè)/L，其他項(xiàng)目單位為mg/L。

根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法(試行)》(環(huán)辦[2011]22號(hào))單因子法評(píng)價(jià)水質(zhì)排除了總氮、糞大腸菌群項(xiàng)目。

表3顯示了2014年1—12月江口渡斷面CCME WQI與單因子評(píng)價(jià)結(jié)果。

從表3可以看出，江口渡斷面(水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類)CCME WQI指數(shù)為67.5～89.1。1、2、12月水質(zhì)良好，其他月份水質(zhì)中等。而單因子評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，江口渡監(jiān)測(cè)斷面在3—11月處于Ⅳ類水質(zhì)，超標(biāo)定類因子為溶解氧。比較2種評(píng)價(jià)結(jié)果，CCME WQI與單因子水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合，相對(duì)于部分超標(biāo)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，CCME WQI考慮了溶解氧、總氮、糞大腸菌群3個(gè)超標(biāo)項(xiàng)目的超標(biāo)范圍(F1)、超標(biāo)頻率(F2)和超標(biāo)幅度(F3)，因此得出的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果較合理。

表4顯示了2014年1—12月江嶼斷面CCME WQI與單因子評(píng)價(jià)結(jié)果。

月份F1F2F3CCME WQI水質(zhì)等級(jí)單因子法評(píng)價(jià)結(jié)果單因子法超標(biāo)定類因子1101023.984.0良好Ⅲ—2101019.686.1良好Ⅲ—3202030.875.9中等Ⅳ溶解氧4202025.977.9中等Ⅳ溶解氧5202032.375.2中等Ⅳ溶解氧6202028.476.9中等Ⅳ溶解氧7202031.175.7中等Ⅳ溶解氧8202022.479.2中等Ⅳ溶解氧9303037.067.5中等Ⅳ溶解氧10202025.777.9中等Ⅳ溶解氧11202032.375.2中等Ⅳ溶解氧12101012.489.1良好Ⅲ—

注：“—”表示無(wú)超標(biāo)定類因子。

表4 2014年1—12月江嶼斷面CCME WQI與單因子評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 CCME WQI and single factor method assessment result of Jiangyu section from Jan to Dec 2014

注：“—”表示無(wú)超標(biāo)定類因子。

從表4可以看出，江嶼斷面(水質(zhì)目標(biāo)為Ⅳ類)與單因子評(píng)價(jià)結(jié)果有較大差別，1、8、12月個(gè)別水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目嚴(yán)重超標(biāo)對(duì)F3的貢獻(xiàn)并未導(dǎo)致CCME WQI的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果落入很差級(jí)別，若將江嶼斷面水質(zhì)目標(biāo)設(shè)定為Ⅲ類，7個(gè)月份的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果下降一級(jí)，與單因子法評(píng)價(jià)結(jié)果接近。究其原因，江嶼斷面的水質(zhì)目標(biāo)設(shè)定為Ⅳ類，顯著影響了CCME WQI的評(píng)價(jià)結(jié)果，使得F1、F2、F3計(jì)算結(jié)果偏樂(lè)觀。

結(jié)合表3和表4，江口渡、江嶼斷面分屬不同水質(zhì)功能區(qū)域，因此，盡管2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目相同，得到了CCME WQI數(shù)值，但兩者的評(píng)價(jià)結(jié)果不能進(jìn)行橫向比較。

以月為單位，考察江口渡斷面F1、F2、F3取值對(duì)CCME WQI的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)F3的權(quán)重較高，因此，江口渡斷面嚴(yán)重超標(biāo)項(xiàng)目對(duì)CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果起決定性作用。

以年為單位，在F3的計(jì)算中，M值為全年各項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總數(shù)。M值的擴(kuò)大稀釋了F3對(duì)CCME WQI計(jì)算的貢獻(xiàn)，2014年江口渡斷面評(píng)價(jià)結(jié)果為中等。

3.3 鰲江監(jiān)測(cè)斷面CCME WQI沿程分布

2014年鰲江監(jiān)測(cè)斷面CCME WQI水質(zhì)沿程分布如圖3所示。

圖3 2014年鰲江斷面CCME WQI沿程分布Fig.3 The spatial distribution of CCME WQI along the Aojiang River，2014

為方便比較，將江嶼斷面水質(zhì)目標(biāo)設(shè)定為Ⅲ類。從圖3可以看出，鰲江潮水未影響到埭頭斷面，同時(shí)上游來(lái)水水質(zhì)較好，因此埭頭斷面水質(zhì)較好。江嶼斷面受河段上覆水潮汐作用影響，也受到周邊工業(yè)、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)、生活點(diǎn)源、面源污染影響，同時(shí)水文地質(zhì)條件不利于污染物稀釋擴(kuò)散，因此江嶼斷面水質(zhì)較差。

4 CCME WQI評(píng)價(jià)水質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)及制約因素

CCME WQI評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)狀況具有明顯優(yōu)點(diǎn)。首先，相對(duì)于最差因子評(píng)價(jià)法，CCME WQI同時(shí)給出了超標(biāo)范圍、超標(biāo)頻率、超標(biāo)幅度及三者調(diào)和平方和的形式計(jì)算獲得水質(zhì)狀況并進(jìn)行評(píng)價(jià)。公眾更容易理解CCME WQI所代表的含義，生態(tài)環(huán)境管理部門更容易從相應(yīng)數(shù)據(jù)中掌握相關(guān)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)狀況并采取相應(yīng)措施。其次，在相同水質(zhì)目標(biāo)斷面，CCME WQI提供的量化水質(zhì)等級(jí)為生態(tài)環(huán)境管理提供的數(shù)據(jù)排序比較便利，易于量化考核。最后，“機(jī)器換人”的時(shí)代背景下，CCME WQI運(yùn)算相對(duì)容易，便于實(shí)際操作，減少人工差錯(cuò)率，提高工作效率，同時(shí)CCME WQI可預(yù)留端口連接GIS及環(huán)境保護(hù)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，為區(qū)域、流域、海域環(huán)境保護(hù)分析研判提供便利。基于以上考慮，CCME WQI在中國(guó)具有較大應(yīng)用價(jià)值。

CCME WQI在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，存在如下問(wèn)題需要解決。第一，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選取對(duì)CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果起決定作用。中國(guó)幅員遼闊，各地水文地質(zhì)條件不同，水環(huán)境背景值差異較大。水質(zhì)功能區(qū)目標(biāo)的設(shè)定對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響較大。第二，水質(zhì)評(píng)價(jià)項(xiàng)目及個(gè)數(shù)的選擇對(duì)CCME WQI評(píng)價(jià)結(jié)果影響較大。盡管加拿大環(huán)境部長(zhǎng)理事會(huì)已經(jīng)給出了水質(zhì)評(píng)價(jià)項(xiàng)目選取辦法，但中國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)各種屬性的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目達(dá)109項(xiàng)，如何選取相應(yīng)的評(píng)價(jià)項(xiàng)目，降低監(jiān)測(cè)成本，結(jié)合水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)等還需要深入研究。

5 結(jié)論

利用CCME WQI評(píng)價(jià)了2014年鰲江干流感潮河段4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水環(huán)境質(zhì)量狀況，與最差因子評(píng)價(jià)法進(jìn)行比較。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，2014年鰲江干流感潮河段4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面埭頭、江嶼、方巖渡、江口渡水質(zhì)分別為良好、較差、中等、中等；江口渡斷面有9個(gè)月處于中等級(jí)別，1、2、12月為良好。與最差因子水質(zhì)評(píng)價(jià)法相比，CCME WQI更利于屬地生態(tài)環(huán)境部門對(duì)水資源分類管理，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。CCME WQI在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中存在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選用與評(píng)價(jià)項(xiàng)目選取2個(gè)方面的制約因素，仍需要深入研究。