費卓越

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

在全面推行河長制工作、深入實施最嚴(yán)格水資源管理制度的時代背景下，轄區(qū)河湖管控主體責(zé)任被河長和地方黨委政府層層壓實。水質(zhì)監(jiān)測評價作為考核河湖管控效果的依據(jù)以及情報渠道，越來越引起廣大學(xué)者的高度重視，如何有效地向黨政領(lǐng)導(dǎo)傳遞能夠反映河湖健康狀況的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為做出科學(xué)合理的決策提供支持，現(xiàn)已成為水環(huán)境監(jiān)測工作者亟待解決的關(guān)鍵問題。因此，選擇科學(xué)合理的水質(zhì)評價方法顯得特別重要。

近年來，水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、單因子評價法逐漸引起水資源研究人員和環(huán)境保護(hù)工作者的廣泛關(guān)注。其中，水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法有機結(jié)合了指數(shù)法與標(biāo)識法的優(yōu)點，既能定量分析又可標(biāo)識內(nèi)容，現(xiàn)已較好地應(yīng)用于阜新市主要河流、潘陽湖、清潩河流域等水質(zhì)評價，但該方法對于水質(zhì)指數(shù)的表達(dá)與計算，特別是接近水質(zhì)類別上限時具有較大的難度，加之其連續(xù)性差、標(biāo)識內(nèi)容冗余，取均值無法客觀的反映嚴(yán)重污染指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，所以使用時受到一定的限制；綜合污染指數(shù)雖然能夠定量的判別水環(huán)境狀況，但一般不適用于無明確管理目標(biāo)的水域，也無法實現(xiàn)水質(zhì)類別的判定；單因子評價法能夠直觀的表明水質(zhì)類別，但無法判定劣Ⅴ類水體的優(yōu)劣程度，也無法實現(xiàn)科學(xué)的水質(zhì)預(yù)警和連續(xù)定量分析，多用于定性的水質(zhì)分析。此外，還有很多方法也可用于水質(zhì)評價，例如李詳?shù)萚1]以上海淀山湖和南水北調(diào)中線水源區(qū)為例，對其水質(zhì)利用層次分析法進(jìn)行了評價；樊引琴等[2]以黃河為例，對其水質(zhì)狀況利用物元分析法做了評價；王晴晴等[3]以臺州市河網(wǎng)水系為例，將熵值法與主成分分析法相結(jié)合科學(xué)評價了河流水質(zhì)；夏凡等[4]以丹江口16條入庫河流為例，采用主成分分析法評價了水質(zhì)狀況，并對比分析了綜合污染指數(shù)法、單因子評價法與主成分法的評價結(jié)果；姜莉莉等[5]以青龍河為例，對其水質(zhì)現(xiàn)狀利用模糊數(shù)學(xué)法進(jìn)行了分析；王俊等[6]研究了原水水質(zhì)評價與預(yù)測中灰色系統(tǒng)理論的適用性。然而，由于法定標(biāo)準(zhǔn)與評價結(jié)果存在差異，以及計算過程較復(fù)雜，這些方法較少應(yīng)用于水質(zhì)管控決策實踐領(lǐng)域，主要是研究所或高校的學(xué)者做了相應(yīng)的探究。

文章結(jié)合跨行政區(qū)界斷面水質(zhì)監(jiān)測與基層水文部門水功能區(qū)評價的實踐經(jīng)歷，借鑒標(biāo)識指數(shù)法、污染指數(shù)法和單因子評價法等方法優(yōu)點提出了改進(jìn)的水質(zhì)級別指數(shù)法，并將其應(yīng)用于葫蘆島市水質(zhì)月報編報、水質(zhì)預(yù)警和評價等領(lǐng)域，驗證了該方法的可行性與適用性，對于服務(wù)好河長、當(dāng)?shù)刂鞴懿块T和做好新時期水質(zhì)預(yù)警評價工作具有積極意義。

1 水質(zhì)評價方法

現(xiàn)階段，被廣泛應(yīng)用于水資源管理和環(huán)境監(jiān)測的水質(zhì)評價方法有水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法、單因子評價法。實質(zhì)上，各種評價方法就是對水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果的解釋，使得抽象、單調(diào)的數(shù)據(jù)變得更加可讀、形象，但是無論哪種方法的評價成果都是反映了水質(zhì)濃度。所以，關(guān)于水質(zhì)濃度(C)所構(gòu)造的監(jiān)測分析成果(Y)可表示成函數(shù)的形式，即：

Y=f(C)

(1)

1.1 單因子評價法

單因子評價法是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的以各監(jiān)測指標(biāo)所屬最差類別為依據(jù)，從而確定水質(zhì)類別的方法，其表達(dá)式為：

WL=max(WLi)

(2)

式中：WLi為水質(zhì)指標(biāo)i的分段單值函數(shù)，以CODMn為例，其分段單值函數(shù)為：

(3)

水質(zhì)類別與水質(zhì)濃度關(guān)系圖，見圖1。

圖1 水質(zhì)類別與水質(zhì)濃度關(guān)系圖

從圖1可知，能分段定性反映水質(zhì)狀況的單因子評價法存在直觀簡單、便于公眾和行政主管單位理解的優(yōu)點，并已廣泛應(yīng)用于水環(huán)境管理。同時，該方法的缺點也比較突出：①無法定量反映同一類別內(nèi)的水質(zhì)優(yōu)劣程度，評價劣Ⅴ類水體時具有較大的缺陷，如16mg/L和160mg/L高錳酸鹽指數(shù)濃度的水體，其受污染程度存在明顯的差距，但該方法均判定為劣Ⅴ類，無法準(zhǔn)確區(qū)分兩者的差異；②分段間有突變點、不連續(xù)，對于有水質(zhì)預(yù)警要求的適用性較差，如監(jiān)測值為6mg/L的高錳酸鹽指數(shù)，對于Ⅲ類管理目標(biāo)的水域其評價結(jié)果為Ⅲ類達(dá)標(biāo)水體，而實際上濃度再增加一點就超標(biāo)了，對此該方法無法給出預(yù)警。

1.2 綜合污染指數(shù)法

綜合污染指數(shù)法是通過對比水域管理目標(biāo)濃度限制與單項水質(zhì)指標(biāo)濃度，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理各項指標(biāo)值確定單項污染指數(shù)。然后采用加權(quán)平均、算術(shù)平均等方法按照單項指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，計算出1個能反映綜合污染程度和水質(zhì)達(dá)標(biāo)情況的綜合污染指數(shù)。一般地，可利用以下公式確定綜合污染指數(shù)，即：

(4)

式中：Si、Ci、WPIi為第i項指標(biāo)的管理目標(biāo)濃度限制、實測濃度值及污染指數(shù)；n為水質(zhì)指標(biāo)個數(shù)。由此可知，該方法就是比較管理目標(biāo)限制與實測濃度的大小，實際計算出的污染指數(shù)WPI就是一個倍數(shù)值，WPI>1代表水質(zhì)超標(biāo)，其值越大則污染程度越高。該方法不適用于無管理目標(biāo)的水域，并且無法表明能夠被廣大群眾和主管部門接受的水質(zhì)類別信息。

1.3 水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法

水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法是一種既能定量分析，又能標(biāo)識水質(zhì)類別的方法，計算方法為：

WSI=X1·X2X3X4

(5)

(6)

式中：WSI、WSIi為綜合水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)和水質(zhì)指標(biāo)i的單因子標(biāo)識指數(shù)；X1、X1i為綜合水質(zhì)類別和指標(biāo)i的水質(zhì)類別；X2、X2i為綜合水質(zhì)處于X1類和指標(biāo)i處于X1i類水質(zhì)變化區(qū)間內(nèi)的位置；X3、X4為超過水域管理目標(biāo)限制的水質(zhì)指標(biāo)數(shù)以及管理目標(biāo)類別與綜合水質(zhì)類別的比較結(jié)果。

由于非污染因子會拉平以n個水質(zhì)指標(biāo)平均值確定的綜合水質(zhì)類別，減少嚴(yán)重污染指標(biāo)對水質(zhì)的貢獻(xiàn)程度，并導(dǎo)致國家標(biāo)準(zhǔn)與評價結(jié)果出現(xiàn)差異的情況。因此，對于有特定污染物的突發(fā)性水污染事件取平均值的做法并不合理。此外，X3、X4實質(zhì)上就是以數(shù)字的形式標(biāo)識文本內(nèi)容，這并不存在數(shù)學(xué)邏輯上的連續(xù)性與定量計算，按照該方式也可增加X5、X6及其它要表達(dá)的內(nèi)容，僅僅是復(fù)雜化、數(shù)字化了文本標(biāo)識內(nèi)容，難以直觀認(rèn)知且易形成信息冗余。

實際上只有X2這一小數(shù)位數(shù)起到定量連續(xù)的作用，并影響到評價的連續(xù)性，水質(zhì)指數(shù)的計算與表示在遇到濃度接近水質(zhì)類別上限時存在疑難。例如，氨氮濃度為接近Ⅲ類水上限濃度值1mg/L的0.98mg/L時，經(jīng)計算有X1=3、X2=(0.98-0.5)/(1-0.5)=0.96，按以上分析則有X1·X2=3.96≈4.0，識別出的X1屬于Ⅳ類水質(zhì)類別，很顯然這與實際情況不相符。有學(xué)者在研究太湖流域水質(zhì)時提出了修正的計算公式，其表達(dá)式為：

WSI=X1·X2(X3)

(7)

式中：X3為對應(yīng)于首要污染因子的指標(biāo)項，在括號內(nèi)直接標(biāo)識出該項指標(biāo)；其它字母含義同上?？梢姡c式(5)相比式(7)減少了標(biāo)識位數(shù)，并對要表達(dá)的內(nèi)容直接改用文字標(biāo)識，這更大的損害了連續(xù)性與定量計算，在數(shù)值處理和數(shù)值比較過程中還需再次一一去除文字標(biāo)識的內(nèi)容(X3)。

綜上所述，被廣泛應(yīng)用的水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法、綜合污染指數(shù)法和單因子評價法都各有優(yōu)缺點，并為新型評價方法的改進(jìn)與設(shè)計提供了思路。

2 水質(zhì)級別指數(shù)法

對于公眾的公益性事業(yè)監(jiān)測結(jié)構(gòu)、擔(dān)任河長的黨政領(lǐng)導(dǎo)和直接服務(wù)于主管部門而言，應(yīng)考慮以下要求優(yōu)化改進(jìn)水質(zhì)評價方法：①符合標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠識別主要污染因子及準(zhǔn)確判定水質(zhì)類別；②能夠?qū)Ρ确治龆鄷r空尺度上的水質(zhì)優(yōu)劣狀況，以揭示隨時間、空間或流域的水質(zhì)變化規(guī)律；③實現(xiàn)連續(xù)定量分析以更好的服務(wù)于水質(zhì)預(yù)警預(yù)報，準(zhǔn)確判定劣Ⅴ類水體的優(yōu)劣程度，為黑臭水體治理、突發(fā)性水污染事件應(yīng)急處置及評判等提供有針對性的依據(jù)；④滿足操作簡單、實用性強、易于掌握等要求。文章結(jié)合以上要求，借鑒標(biāo)識指數(shù)法、污染指數(shù)法和單因子評價法的優(yōu)點，提出一種改進(jìn)的水質(zhì)級別指數(shù)法。

2.1 函數(shù)方程

與其它方法類似，結(jié)合水質(zhì)濃度(C)構(gòu)造水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)的函數(shù)方程：WLI=f(C)，則指標(biāo)i的水質(zhì)級別指數(shù)可利用公式WLIi=f(Ci)來確定；然后結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的評價規(guī)則確定水體的最終水質(zhì)級別指數(shù)為所有參評指標(biāo)的最大值，即：

WLI=maxf(WLIi)

(8)

函數(shù)的已知點為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水質(zhì)類別WL及其所對應(yīng)的限值濃度CS，即(CS，WL)，如高錳酸鹽指數(shù)有6個已知的點，即(15，5)、(10，4)、(6，3)、(4，2)、(2，1)、(0，0)。根據(jù)已知點可采取曲線或直線擬合的方式，對函數(shù)進(jìn)行求解，對于2點確定一條直線的推薦選用分段直線擬合的方法，具有操作簡單的優(yōu)點；在合理確定函數(shù)關(guān)系式的基礎(chǔ)上，可以從圖中讀取或利用公式(8)計算水樣水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)。水質(zhì)級別指數(shù)與溶解氧濃度、高錳酸鹽指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，水質(zhì)級別指數(shù)關(guān)系圖，見圖2。所以濃度為Cx的水樣可讀取其水質(zhì)級別指數(shù)WLIx值。

(a)COD Mn (b)DO

2.2 直線方程求解

針對6個已知點前后相接的Ⅰ-Ⅴ類水質(zhì)情況，其確定的水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)曲線共有Ⅰ-Ⅴ類水5個區(qū)間段，輸入直線方程經(jīng)一系列轉(zhuǎn)換計算則有：

WLIx=(WLm-WLm-1)/[(Cm,S-Cm-1,S)×(Cx-Cm-1,S)]+WLm-1

(9)

式中：Cx、CS為水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測值和相應(yīng)水質(zhì)類別的限值濃度；WL為水質(zhì)類別；m、m-1為Cx濃度水所屬的水質(zhì)類別序號及其前一個水質(zhì)類別序號。

對劣Ⅴ類水質(zhì)建議每增加一個設(shè)定濃度Cd水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)相應(yīng)增加1，按照該方式計算直線斜率k，由此以來就可以將水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)利用已知前端點一起求解，并實現(xiàn)劣Ⅴ類水質(zhì)的定量連續(xù)評價與延伸，將其輸入點斜式方程可有：

WLIx=1/Cd·(Cx-CV,S)+5

(10)

式中：CV,S、C為Ⅴ類水限值濃度和所選擇的設(shè)定濃度，其它字母含義同上。

2.3 指數(shù)與級別關(guān)系

在時間序列上，確定水質(zhì)級別的單因子評價法表現(xiàn)為水質(zhì)級別間突變點分成多段，從而實現(xiàn)水質(zhì)級別指數(shù)的連續(xù)化和定量化，年內(nèi)水質(zhì)畸變及水質(zhì)級別指數(shù)變化，見圖3。

由圖3可知，采用單因子評價法確定的某斷面水質(zhì)類別屬于跳躍式，并且難以科學(xué)表示劣于Ⅴ類的水質(zhì)。顯然，能夠反映天然水體水質(zhì)實際漸變過程的連續(xù)水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)法具有更強的適用性。根據(jù)其數(shù)值大小能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)級別的直接判定，水質(zhì)級別(WL)與水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)之間的對應(yīng)關(guān)系，WL與WLI的對應(yīng)關(guān)系表，見表1。

圖3 年內(nèi)水質(zhì)畸變及水質(zhì)級別指數(shù)變化

表1 WL與WLI的對應(yīng)關(guān)系表

3 實例應(yīng)用

3.1 主要污染指標(biāo)

主要污染指標(biāo)，見圖4。從月尺度上葫蘆島市近岸水域監(jiān)測點位燈塔山東的水質(zhì)指標(biāo)污染程度為：化學(xué)需氧量<高錳酸鹽指數(shù)<5d生化需氧量<氨氮<總磷；而監(jiān)測點位二河口的水質(zhì)指標(biāo)污染程度為；化學(xué)需氧量<高錳酸鹽指數(shù)<氨氮<5d生化需氧量<總磷。燈塔山東監(jiān)測點位有5d生化需氧量、氨氮、總磷等污染指標(biāo)超過Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，二河口監(jiān)測點位有5d生化需氧量、總磷等指標(biāo)超過Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(a)燈塔山東點位 (b)二河口點位

3.2 水質(zhì)隨時間變化分析

3.2.1 短時間序列變化

2018年汛后，葫蘆島市近岸水域月亮灣點位的水質(zhì)變化趨勢，水質(zhì)預(yù)警分析實例，見圖5。從圖5可知，月尺度上該點位水質(zhì)逐漸變差[7-8]，雖然2019年1月水質(zhì)仍然符合Ⅲ類水要求，但已超出目標(biāo)線的80%(預(yù)警線)，能夠精準(zhǔn)地發(fā)出預(yù)警。因此，水質(zhì)級別指數(shù)法可以揭示中短時間序列水質(zhì)變化趨勢并及時快捷地做出分析，對于水質(zhì)預(yù)警較強的適用性。

圖5 水質(zhì)預(yù)警分析實例

3.2.2 長時間序列變化趨勢

近20a葫蘆島市近岸水域點位氨氮、高錳酸鹽指數(shù)的水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)的變化規(guī)律，近岸水域點位的水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)，見圖6。改革開放初期以經(jīng)濟增長為首要任務(wù)，因此沿海地區(qū)的環(huán)境管制相對滯后，可見1990s初水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)較為嚴(yán)重。隨后，環(huán)境保護(hù)八項管理制度和三大政策的提出加快了環(huán)境管制的規(guī)范化，這反映在1993年以后水質(zhì)開始趨好穩(wěn)定。此后，隨著城鎮(zhèn)的快速擴張及經(jīng)濟的跨越式增長，加之未能及時匹配環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施，使得環(huán)境承載能力擴增有限以及環(huán)境質(zhì)量問題的反彈，即2004年起水質(zhì)再次出現(xiàn)惡化。

近年來，在最嚴(yán)格水資源管理政策的監(jiān)管下以及生態(tài)文明理念的指引下水質(zhì)已趨于穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。將環(huán)境管制政策、經(jīng)濟社會發(fā)展數(shù)據(jù)與水質(zhì)級別指數(shù)法相結(jié)合，能夠較好地應(yīng)用于環(huán)境質(zhì)量與經(jīng)濟社會發(fā)展的長序列關(guān)系的分析。

圖6 近岸水域點位的水質(zhì)級別指數(shù)(WLI)

3.3 水質(zhì)隨空間變異分析

3.3.1 同一河流的變化規(guī)律

近岸水域沿程各季度水質(zhì)變化，見圖7，近岸水域點位菊花島東南、菊花島西、月亮灣的水質(zhì)均超過管理目標(biāo)，其中水質(zhì)最差時段為非汛期后半段。隨水域岸線第1、3、4季度水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，這表明水體自凈功能發(fā)揮有重要的作用，而順流而下第2季度水質(zhì)開始惡化，這是由于地表徑流在除汛期帶來了大量面源污染，從而使得水質(zhì)逐漸惡化。

圖7 近岸水域沿程各季度水質(zhì)變化

3.3.2 主要污染點位

主要點位水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，見圖8。圖8反映了沿海地區(qū)2018年的主要點位水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果，可見主要污染點位有菊花島東南、月亮灣、張建生港東北等。

圖8 主要點位水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

3.3.3 不同河流污染狀況

主要河流水質(zhì)變化情況，見圖9。圖9反映了葫蘆島市3條主要入海河流2018年的水質(zhì)狀況，可見全年污染最嚴(yán)重的為大凌河，六股河也存在一定程度的污染，尤其是初汛期和旱季比較容易出現(xiàn)污；受污染較輕的為連山河，水質(zhì)總體能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 主要河流水質(zhì)變化情況

3.4 劣Ⅴ類水體整治效果

對于劣Ⅴ類水體的優(yōu)劣程度利用單因子評價法無法實現(xiàn)準(zhǔn)確判定，故難以應(yīng)用于黑臭水體整治、水污染應(yīng)急處置等情況。以某塘壩污染死魚事件為例，結(jié)合水質(zhì)級別指數(shù)在應(yīng)急處置過程中的變化規(guī)律，分析劣Ⅴ類水體的整治效果。結(jié)果顯示，在1個月時間內(nèi)該塘壩水質(zhì)均劣于Ⅴ類，單因子評價法未能揭示劣Ⅴ類水的變化程度，對于應(yīng)急處置措施的實施效果也無法給予準(zhǔn)確的判定。然而，采用水質(zhì)級別指數(shù)法能夠較好的反映劣Ⅴ類水體的變化情況，即采取應(yīng)急處置措施后約15d化學(xué)需氧量、氨氮指標(biāo)逐步開始下降，水質(zhì)和溶解氧逐漸開始好轉(zhuǎn)。

4 結(jié) 語

1)單因子評級法無法實現(xiàn)連續(xù)定量分析，對于劣Ⅴ類水體變化情況的判定其實用性較差。綜合污染指數(shù)(WPI)法雖然能夠進(jìn)行定量的計算，但是無法應(yīng)用于沒有明確管理目標(biāo)的水域且無法判定水質(zhì)類別。綜合考慮指數(shù)法和標(biāo)識法有點的水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法，既能實現(xiàn)定量分析又可標(biāo)識內(nèi)容，但由于標(biāo)識內(nèi)容冗余使得連續(xù)性較差，在標(biāo)識和計算水質(zhì)指數(shù)，特別是接近類別上限時存在較大難度，而取平均值又在一定程度上減少了嚴(yán)重污染指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。因此，文章提出了能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)定量分析、明確標(biāo)識水質(zhì)類別的水質(zhì)級別指數(shù)法。

2)實例表明，水質(zhì)級別指數(shù)法真正實現(xiàn)了連續(xù)化、定量化，通過標(biāo)準(zhǔn)化處理水質(zhì)指標(biāo)濃度可以有效地分析空間上、時間上的水質(zhì)變化情況以及對比分析。

3)水質(zhì)級別指數(shù)法有利于精準(zhǔn)、快速的提取預(yù)警情報信息和水質(zhì)評價結(jié)果，該方法可操作性強、原理清晰，能夠為河長和當(dāng)?shù)刂鞴懿块T及時的提供決策信息，該方法的應(yīng)用前景較為廣泛。