王姍姍，張然 *，梁悅，尤佳藝，崔嘉宇，董圓媛

(1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210019；2. 江蘇省太湖水質監(jiān)測中心站，江蘇 南京 210019；3. 江蘇省蘇力環(huán)境科技有限責任公司，江蘇 南京 210036)

隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，水生態(tài)環(huán)境問題日益突出，近年來，我國水污染防治力度不斷加大，水環(huán)境管理也日趨精細化和科學化。對水質好壞的判別作為一種屬性認知過程，在現(xiàn)代環(huán)境科學基礎理論研究中至關重要[1]。為貫徹落實綠水青山就是金山銀山的綠色發(fā)展觀，為打好碧水保衛(wèi)戰(zhàn)提供有力保障，原環(huán)境保護部2017年發(fā)布了《城市地表水環(huán)境質量排名技術規(guī)定(試行)》[2](以下簡稱《技術規(guī)定》)，生態(tài)環(huán)境部2019年發(fā)布了《地級及以上城市國家地表水考核斷面水環(huán)境質量排名方案(試行)》[3](以下簡稱《排名方案》)，同年，江蘇省生態(tài)環(huán)境廳印發(fā)了《江蘇省縣(市、區(qū))地表水環(huán)境質量排名方案(試行)》[4]，為城市地表水環(huán)境質量排名提供了依據(jù)，為推動水環(huán)境質量有效改善提供了技術支撐?！都夹g規(guī)定》和《排名方案》使得不同流域、地區(qū)、城市的地表水環(huán)境質量有了量化、直觀的反映，定量排名督促地方真抓實干，爭先加快水環(huán)境質量改善。目前，城市水質指數(shù)法在全國及各省的水質評價、排名中已得到廣泛應用?，F(xiàn)采用城市水質指數(shù)法對江蘇省不同流域和地區(qū)的水質指數(shù)進行研究，以期為環(huán)境管理部門制定決策提供依據(jù)。

1 水質評價方法概述

目前國內外主流的水質評價方法及特點見表1[5]。

表1 國內外水質評價方法及特點

1.1 美國

水質模型又稱受納水體模型，可以描述水體中各種污染物遷移、轉化的過程。美國在水質模型開發(fā)應用領域處于領先地位，開發(fā)了河道水力分析模型(HEC-RAS)、二維縱向橫向平均水動力學和水質模型(CE-QUAL-W2)、水質分析模擬程序(WASP)和環(huán)境流體動力學模型(EFDC)等國內外常用的水質模型[6]，此外還制定了大量環(huán)境模型開發(fā)、評價和應用的技術導則、指南和標準等[7-8]。

1.2 加拿大

水質指數(shù)法常用于水源地水質分析評價，能夠直觀反映一段時間內的水質信息，由范圍、頻率和振幅3項指標計算得出[9]，不同的水質指數(shù)對應了相應的水質級別。周淼等[10]對4種水質評價方法進行分析與比較，評估結果發(fā)現(xiàn)，不同方法特點各異，水質指數(shù)法既能準確判定水質類別，又能識別最大污染因子，可以較全面地反映水質綜合信息。

1.3 歐盟

歐盟將水質和水處理水平相結合，對水質評價設置了2個限值，一個是強制執(zhí)行的限值，另一個是指導值[11]，提出達到標準值所需的處理水平，將水處理水平劃分為僅用物理處理和消毒、常規(guī)處理和消毒以及集約化處理和消毒3個等級[5]。

1.4 中國

我國地表水水質評價和排名主要使用單因子評價法和城市水質指數(shù)法。單因子評價法是指將最差的參評指標類別作為綜合水質評價結果；城市水質指數(shù)法是在水質指數(shù)法基礎上的演變，綜合考慮《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)[12]表1中除水溫、總氮、糞大腸菌群外的21項指標，計算城市內河流、湖庫水質指數(shù)的加權均值。

城市水質指數(shù)可綜合、全面地反映城市地表水環(huán)境質量，為我國不同經(jīng)濟圈、城市群和流域的水環(huán)境質量排名提供科學依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。相關研究表明[13-15]，2014年監(jiān)測數(shù)據(jù)測算結果顯示，長三角城市水環(huán)境質量優(yōu)于珠三角和京津冀經(jīng)濟圈；2018年監(jiān)測數(shù)據(jù)測算結果表明，安徽省皖南的地表水環(huán)境質量優(yōu)于皖北，長江流域的城市地表水環(huán)境質量優(yōu)于淮河流域；2015—2016年監(jiān)測數(shù)據(jù)測算結果發(fā)現(xiàn)，廣東省處于流域中上游的城市排名優(yōu)于中下游城市。

2 應用實例

2.1 計算方法

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《技術規(guī)定》，城市水質指數(shù)計算方法如下：

(1)計算單指標水質指數(shù)。分別計算排名城市河流和湖庫各項指標的濃度均值，未檢出的按1/2檢出限計算，單指標濃度值除以該指標Ⅲ類標準值，計算公式如下：

(1)

式中：C(i)——第i個指標的濃度值；Cs(i)——第i個指標的Ⅲ類標準值；CWQI(i)——第i個指標的水質指數(shù)。

(2)計算河流、湖庫水質指數(shù)。采用加和值法把單指標綜合到河流和湖庫的CWQI值，計算公式如下：

(2)

式中：CWQI河流/湖庫——河流或湖庫的水質指數(shù)；CWQI(i)——第i個指標的水質指數(shù)；n——指標個數(shù)。

(3)計算城市CWQI值。城市CWQI為河流和湖庫斷面(點位)數(shù)量的加權均值，計算公式如下：

(3)

式中：CWQI城市——排名城市水質指數(shù)；CWQI河流——河流水質指數(shù)；CWQI湖庫——湖庫水質指數(shù)；m——河流斷面數(shù)；n——湖庫點位數(shù)。

(4)計算CWQI城市變化程度。CWQI城市變化程度通常指基于去年同期城市水質指數(shù)的變化，計算公式如下：

(4)

式中：ΔCWQI城市——城市水質指數(shù)變化程度；CWQI城市——排名城市水質指數(shù)；CWQI城市0——去年同期排名城市水質指數(shù)。

2.2 結果與分析

江蘇省于2019年起開展城市地表水排名工作，范圍是《江蘇省考核工作委員會關于印發(fā)<江蘇高質量發(fā)展監(jiān)測評價考核實施方案>》(蘇考發(fā)〔2018〕2號)中納入高質量發(fā)展考核的63個縣(市、區(qū))的省考斷面。

為分析不同流域和地區(qū)的城市水質特點，分別選取長江流域、淮河流域、蘇南地區(qū)和蘇北地區(qū)各6個縣(市、區(qū))省考斷面進行城市水質指數(shù)測算分析，相關斷面(點位)分布情況見圖1。

圖1 江蘇省相關縣(市、區(qū))斷面(點位)分布示意

根據(jù)《技術規(guī)定》測算2020年上半年相關縣(市、區(qū))城市水質指數(shù)及變化程度，結果見表2、圖2和圖3。 CWQI值越低，地表水環(huán)境質量越好；△CWQI為負值時表明地表水環(huán)境質量變好，為正值時表明地表水環(huán)境質量變差。由表2可見，蘇南城市的城市水質指數(shù)平均值低于蘇北城市16.2%；長江流域6個城市的城市水質指數(shù)在3.790 2～4.732 6之間，城市水質指數(shù)平均值為4.302 0；淮河流域6個城市的城市水質指數(shù)在5.606 5～6.570 2之間，城市水質指數(shù)平均值為5.944 7。由圖2和圖3可見，長江流域地表水水質整體優(yōu)于淮河流域；蘇南城市地表水水質略優(yōu)于蘇北城市；△CWQI的統(tǒng)計結果基本為負值，說明江蘇省地表水環(huán)境質量整體呈改善趨勢；長江流域a市的△CWQI為正值，說明該市2020年上半年水質較去年同期有所下降。

表2 江蘇省相關縣(市、區(qū))基本信息及城市水質指數(shù)計算結果

圖2 2020年上半年江蘇長江流域、淮河流域相關市(區(qū)、縣)城市水質指數(shù)

圖3 2020年上半年江蘇蘇南、蘇北地區(qū)相關市(區(qū)、縣)城市水質指數(shù)及變化程度

根據(jù)江蘇2020年上半年各項指標水質指數(shù)結果，總磷指標水質指數(shù)貢獻最大，因此對相關縣(市、區(qū))總磷水質指數(shù)進一步分析，2020年上半年江蘇不同流域和地區(qū)總磷水質指數(shù)波動情況見圖4。由圖4可見，淮河流域總磷水質指數(shù)波動范圍最大，為0.46～1.36，均值最高為0.812 9，說明淮河流域總磷污染問題較為突出，與水質監(jiān)測結果總體相符。

圖4 2020年上半年江蘇不同流域和地區(qū)總磷水質指數(shù)箱線圖

3 存在問題

在進行江蘇省城市水質指數(shù)及變化程度排名測算過程中，發(fā)現(xiàn)城市水質指數(shù)法在計算時存在數(shù)據(jù)修約、方法檢出限、斷面統(tǒng)計基數(shù)以及排名倒掛等4個方面問題。

3.1 數(shù)據(jù)修約

《排名方案》中的數(shù)據(jù)修約規(guī)則未考慮到部分指標方法檢出限低的問題，導致部分指標，尤其是重金屬指標修約前后偏差較大。《技術規(guī)定》中規(guī)定各指標濃度值按《GB 3838—2002》[7]中的Ⅰ類標準值多1位修約，若修約為0則至少保留1位有效數(shù)字。如k市湖庫點位2020年上半年銅的監(jiān)測結果為0.000 56 mg/L，按修約規(guī)則保留3位小數(shù)結果為0.001，偏差達78.6%。

3.2 方法檢出限

不同分析方法檢出限不同，未檢出的項目在計算水質指數(shù)時存在偏差，分析方法的變更還會導致△CWQI存在偏差。根據(jù)技術規(guī)定，低于檢出限的項目，按1/2檢出限參與計算。同為未檢出的項目，若分析方法不同，則檢出限不同，導致均為未檢出的項目水質指數(shù)結果不同，從而影響CWQI或△CWQI的最終結果。如電感耦合等離子體質譜法和石墨爐原子吸收分光光度法對鉛的檢出限分別為0.09 μg/L和0.002 mg/L，偏差為2 122.2%；電感耦合等離子體質譜法和火焰原子吸收分光光度法對鋅的檢出限分別為0.7 μg/L和0.05 mg/L，偏差為7 042.9%；電感耦合等離子體質譜法和電感耦合等離子體發(fā)射光譜法對銅的檢出限分別為0.08 μg/L和0.04 mg/L，偏差達49 900.0%。不同城市使用不同的分析方法一定程度上會導致水質指數(shù)結果的偏差。

3.3 斷面統(tǒng)計基數(shù)

應用于較小單元的統(tǒng)計時存在斷面數(shù)不合理而導致結果趨于極端的情況。若某市統(tǒng)計斷面較少甚至僅有1個，該區(qū)域的CWQI結果有趨于極高或極低的風險，少量樣本的水質極好或極差，均能直接影響該區(qū)域的計算結果，如a市僅有2個河流斷面，樣本量相對偏少，代表性相對較差。

3.4 排名倒掛

城市水質指數(shù)現(xiàn)狀與變化程度排名出現(xiàn)“相互矛盾”的情況，即城市水質指數(shù)現(xiàn)狀與變化程度“倒掛”，CWQI排名靠前，而△CWQI排名靠后，或CWQI排名靠后，而△CWQI排名靠前。這與區(qū)域水質現(xiàn)狀及水質改善空間有關，若水質現(xiàn)狀已普遍達到或優(yōu)于Ⅲ類，且各項指標濃度均處于較低水平，該區(qū)域水質改善幅度則相對有限，反之亦然，如a市CWQI排名較前，但△CWQI排名居后，其水質改善的空間相比其他地區(qū)較小。

4 建議

城市水質指數(shù)法在地表水環(huán)境質量評價及管理中發(fā)揮了突出作用，為國家和各級地方政府公布城市地表水環(huán)境質量排名信息提供方法依據(jù)，為保障社會公眾環(huán)境知情權和環(huán)境信息公開提供技術保障，但在實際應用時也存在一些問題，現(xiàn)提出以下建議：

(1)計算過程中的數(shù)據(jù)修約導致部分指標修約前后偏差較大，建議修訂計算方法，計算過程中不予修約，只在最終結果進行修約。

(2)不同分析方法的檢出限不同，導致未檢出的項目計算結果存在偏差，可以通過統(tǒng)一實驗室分析方法并加強實驗室分析規(guī)范性來避免或降低影響。

(3)斷面統(tǒng)計基數(shù)較小時會出現(xiàn)統(tǒng)計結果趨于極端的情況，建議在進行地表水斷面設置時對各區(qū)域斷面數(shù)量進行權衡，盡量保持各區(qū)域斷面數(shù)量的平衡性與可比性，如：將統(tǒng)計區(qū)域由區(qū)、縣放大至地級市，或適當增加具有水系代表性的斷面。

(4)針對城市水質指數(shù)現(xiàn)狀與變化程度排名出現(xiàn)倒掛的情況，建議水質現(xiàn)狀滿足一定條件的區(qū)域不納入變化程度排名，避免出現(xiàn)水質現(xiàn)狀排名較前而變化程度墊底的情況，如：水質現(xiàn)狀均達到或優(yōu)于Ⅲ類的區(qū)域或水質現(xiàn)狀由好到差排名前20%的區(qū)域不參與變化程度排名。