王 哲，邢西剛，閆 峰，李 宇

（1.海河水利委員會水文局，天津 300170；2.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；3.南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

1 引言

河湖健康評價是水資源管理的重要內(nèi)容，也是保障“河長制”“湖長制”貫徹落實的重要手段[1-3]。為了保障河湖健康評價的順利實施，我國于2020年8月頒布了《河湖健康評價指南（試行）》（以下簡稱《指南》），以指導(dǎo)各地開展河流和湖泊的健康評估工作[4-7]。

在河湖健康評價中，水質(zhì)狀況是其中最重要的評價因子之一[8-10]。為了準確地量化河流和湖泊的水環(huán)境質(zhì)量，《指南》中提出了“水質(zhì)優(yōu)劣程度”指標[11，12]。該指標通過對照評價閾值和污染物在研究時段內(nèi)的均值，依據(jù)線性內(nèi)插模型和最劣值原則對水質(zhì)狀況展開評估[13，14]。

然而本課題組通過大量的實踐發(fā)現(xiàn)，當污染物年內(nèi)分布不均勻且不同污染物的時程分布有較大差異時，年均值通常不能準確反映污染物的實際超標狀況，《指南》中的水質(zhì)優(yōu)劣程度評價結(jié)果往往過于樂觀。本研究將通過一個簡單而直觀的反例，揭示目前水質(zhì)優(yōu)劣程度算法的缺點，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的改進對策與建議。

2 傳統(tǒng)水質(zhì)優(yōu)劣程度評價方法及其缺點

2.1 傳統(tǒng)水質(zhì)優(yōu)劣程度模型

按照《指南》的要求，水質(zhì)優(yōu)劣程度的評價周期為每年1次，且月水質(zhì)監(jiān)測期應(yīng)覆蓋一年四季；有多次監(jiān)測數(shù)據(jù)時應(yīng)采用多次監(jiān)測結(jié)果的平均值進行計算；由評價時段內(nèi)最差水質(zhì)項目的水質(zhì)類別代表該河流（湖泊）的水質(zhì)類別，當有多個水質(zhì)項目濃度均為最差水質(zhì)類別時，分別進行評分計算，取最低值；評分值采用線性插值法，即根據(jù)各指標的實測濃度值和文獻[14]中的水質(zhì)類別標準值，對照表1中的評分閾值進行線性內(nèi)插得到[5]。

表1 水質(zhì)優(yōu)劣程度賦分標準

《指南》中的水質(zhì)優(yōu)劣程度計算方法可以概括為如下數(shù)學(xué)模型。

設(shè)某河流∕湖泊共有m項水質(zhì)指標參評，每年進行n次監(jiān)測（其中n≥4），并將第i項指標在第j次監(jiān)測中的實測值記作xij。依據(jù)文獻[14]和各地的水質(zhì)考核要求，將第i個指標對應(yīng)于第k個等級的理想最優(yōu)值和理想最劣值分別記作opti（k）和infi（k），其中k=6對應(yīng)著劣V類。

首先，根據(jù)式（1）計算評價指標i的年均值。

而后，根據(jù)各計算指標的分段線性函數(shù)，計算指標i的評分值yi。對于越大越好的指標，如溶解氧的計算公式為：

對于越小越好的指標，如高錳酸鹽指數(shù)的計算公式為：

最后，該河流∕湖泊的水質(zhì)評分值z根據(jù)最差的水質(zhì)指標進行計算，即：

2.2 傳統(tǒng)水質(zhì)優(yōu)劣程度模型的缺點

在本節(jié)中，結(jié)合如下簡單而直觀的反例，揭示目前水質(zhì)優(yōu)劣程度算法的缺點。設(shè)某河流的水質(zhì)目標為Ⅲ類，且控制性污染物為高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）和總氮（TN）。該河流的水質(zhì)監(jiān)測頻率為每季度1次，且實測值見表2，水質(zhì)等級見表3。

表2 評價河流控制性污染物的實測值 mg∕L

表3 評價河流控制性污染物的水質(zhì)等級

由表2 可知，該河流不同污染物的時程分布具有顯著差異。其中，CODMn在春季和冬季含量較高，而在夏季和秋季含量較低。經(jīng)過水環(huán)境調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這是由于春季和冬季水量較小，流速和溫度均較低，水體的稀釋降解能力弱；而夏季和秋季水量較大，流速和溫度均較高，水體的稀釋降解能力較強所致。而TN 的時程分布與CODMn剛好相反，其在春季和冬季含量較低，而在夏季和秋季含量較高。水文調(diào)查發(fā)現(xiàn)，TN 的主要來源是流域內(nèi)的農(nóng)業(yè)面源污染，且該河流流域內(nèi)的降水主要集中在夏季和秋季，這一時期坡面匯流較大，由攜帶的氮負荷較多所致。

由表3 可知，污染物的時程分布差異造成不同季節(jié)的最劣水質(zhì)指標也有所區(qū)別。其中，春季和冬季的最劣指標為CODMn，僅為Ⅳ類；而同期的TN 均能達到Ⅱ類。夏季和秋季的最劣指標為TN，僅為Ⅳ類或Ⅴ類；而同期的CODMn均能達到Ⅲ類。根據(jù)文獻[14]計算，該河流在春季、夏季、秋季、冬季的水質(zhì)等級分別為Ⅳ類、Ⅴ類、Ⅳ類、Ⅳ類。由此可見，該河流全年的水質(zhì)狀況均不能達到水質(zhì)保護目標Ⅲ類的要求。

根據(jù)傳統(tǒng)模型，評估該河流的水質(zhì)優(yōu)劣程度，結(jié)果詳見表4。

表4 傳統(tǒng)水質(zhì)優(yōu)劣程度模型評價結(jié)果

根據(jù)傳統(tǒng)模型，表4 中CODMn和TN 的評分值分別為76.88 和76.50。因此，TN 為最劣指標。相應(yīng)地，該河流的水質(zhì)評分值也為76.50。對照表1、表3、表4可知，雖然該河流4個季度的水質(zhì)狀況均無法達到Ⅲ類，而根據(jù)傳統(tǒng)的水質(zhì)優(yōu)劣程度模型，該河流的水質(zhì)狀況能夠達到Ⅲ類，屬于“健康”等級。由此可見，《指南》中的水質(zhì)優(yōu)劣程度模型無法反映該河流實際的污染狀況，評價結(jié)果過于樂觀。

由表3 可知，造成這一問題的根源是，當污染物的年內(nèi)分布不均勻且不同污染物的時程分布有較大差異時，年均值不能準確反映污染物的實際超標狀況。比如，在該河流中，CODMn雖然在春季和冬季均超標，但由于其在夏季和秋季含量較低，因此年均值為5.75 mg∕L，仍能達到Ⅲ類。TN雖然在夏季和秋季均超標，但由于其在春季和冬季含量較低，因此年均值為0.95 mg∕L，也能達到Ⅲ類。

3 水質(zhì)優(yōu)劣程度評價模型的改進方法研究

針對傳統(tǒng)模型的缺點，本研究提出了如下改進的水質(zhì)優(yōu)劣程度評價模型。設(shè)某河流∕湖泊共有m項水質(zhì)指標參評，每年進行n次監(jiān)測（其中n≥4），并將第i項指標在第j次監(jiān)測中的實測值記作xij。依據(jù)文獻[14]和各地的水質(zhì)考核要求，將第i個指標對應(yīng)于第k個等級的理想最優(yōu)值和理想最劣值分別記作opti（k）和infi（k），其中k=6對應(yīng)著劣Ⅴ類。

首先，根據(jù)評分指標的分段線性函數(shù)，計算污染物在各次監(jiān)測中的評分值yij。對于越大越好的指標，如溶解氧計算公式為：

對于越小越好的指標，如高錳酸鹽指數(shù)計算公式為：

對于第j次監(jiān)測，其水質(zhì)評分值zj根據(jù)最差的水質(zhì)指標進行計算，即：

將第j次監(jiān)測的代表時長記作tj，河流∕湖泊的水質(zhì)綜合評分值Z根據(jù)各次監(jiān)測評分按代表時長的加權(quán)平均值進行計算，即：

根據(jù)改進的水質(zhì)優(yōu)劣程度評價模型，對該河流進行評價，結(jié)果詳見表5。

表5 改進的水質(zhì)優(yōu)劣程度模型評分值

由表5 可知，改進的水質(zhì)優(yōu)劣程度模型中，春季和冬季的水質(zhì)監(jiān)測評分值根據(jù)CODMn進行評估，夏季和秋季的水質(zhì)監(jiān)測評分值根據(jù)TN 進行評估。由于4次監(jiān)測的代表時長一致（均為1個季度），因此河流水質(zhì)的綜合評分值根據(jù)均值計算，為65.85，屬于“亞健康”等級。由2.2節(jié)討論可知，該河流全年水質(zhì)均不達標，其中春季和冬季CODMn超標、夏季和秋季TN超標。

對比表4—5 可知，改進后的水質(zhì)優(yōu)劣程度模型首先計算各次水質(zhì)監(jiān)測的評分值，而后按代表時長加權(quán)平均，計算水質(zhì)綜合評分值，這有效地解決了年均值不能準確反映污染物實際超標狀況的問題。

4 結(jié)論

《指南》中的水質(zhì)優(yōu)劣程度模型直接根據(jù)年均值進行水質(zhì)評估。當污染物年內(nèi)分布不均勻且不同污染物的時程分布有較大差異時，這種算法不能準確反映污染物的實際超標狀況，評價結(jié)果過于樂觀。

改進后的水質(zhì)優(yōu)劣程度模型首先計算各次水質(zhì)監(jiān)測的評分值，而后按代表時長加權(quán)平均，計算水質(zhì)綜合評分值，有效地解決了年均值不能準確反映污染物的實際超標狀況的問題。