蔣祖斌，黃銀春，梁時軍，袁 姁

（1.南充市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 南充 637000；2.南充市環(huán)境工程評估中心，四川 南充 637000）

1 建立縣域地表水水質(zhì)考核成績模型的必要性

水是生命的源泉、發(fā)展的命脈、生態(tài)的根基，是人類生存發(fā)展不可或缺的基礎性資源。2016年12月中共中央國務院印發(fā)《關(guān)于全面推行河長制的意見》[1]。污染防治攻堅戰(zhàn)中的碧水保衛(wèi)戰(zhàn)，目的是既要保住優(yōu)良水質(zhì)且穩(wěn)中向好，又要在不長的時期內(nèi)消除不達標水質(zhì)。

全國地表水中，江河支流水質(zhì)達標率普遍低于其下游干流。生態(tài)環(huán)境部全國地表水水質(zhì)月報顯示，2019年2月，淮河水系66條支流101個監(jiān)測斷面中，Ⅳ類水質(zhì)斷面占32.7%，Ⅴ類占5.9%，劣Ⅵ類占7.9%，合計不達標水質(zhì)斷面占46.5%；而淮河干流10個監(jiān)測斷面中，不達標者占20%且為Ⅳ類水質(zhì)。海河水系，80條支流116個斷面中，Ⅳ類水質(zhì)斷面占25.0%，Ⅴ類占15.5%，劣Ⅵ類占16.4%，合計不達標水質(zhì)斷面占56.9%；而海河干流水質(zhì)全部達標[2]。

全國江河支流，多數(shù)位于多個或一個縣級行政區(qū)管轄區(qū)域（下稱縣域）內(nèi)。目前，將水質(zhì)達標任務分解落實到縣級行政區(qū)，以“行政問責+經(jīng)濟補償”雙管齊下的強力手段力促地方當局切實努力治污，是力爭較短時期內(nèi)達成地表水水質(zhì)達標目標的有效方式。全國范圍對縣域地表水水質(zhì)優(yōu)劣的評判、考核、排名、公告及其對污染防治引領(lǐng)指導等工作已普遍開展起來。

對單個河流斷面（或湖庫點位，下同）的地表水水質(zhì)評價方法，有最差因子指數(shù)判別法、水質(zhì)綜合指數(shù)法[3]、綜合水質(zhì)標識法[4]、模糊數(shù)學評價法[5]、神經(jīng)網(wǎng)絡法[6]和21項指標單項污染指數(shù)加和法[7]等；對縣域或其它分類（如流域、片區(qū)等）的多個斷面的水質(zhì)評判與排名，有斷面達標率法、21項指標單項污染指數(shù)加和值的平均值排序法。當前我國西部地區(qū)和縣域的水質(zhì)監(jiān)測能力滯后[8]，不少縣域在人力、設備和經(jīng)費上若干年內(nèi)都無法滿足GB 3838-2002表1中21項指標的監(jiān)測需求[9]，現(xiàn)有水質(zhì)評價方法中還沒有適合當前眾多縣域在極其有限的監(jiān)測能力條件下經(jīng)適度監(jiān)測就能對縣域水質(zhì)給出成績的方法。本文利用西部川、渝、云、貴、陜、甘、青7省市連續(xù)25個月2809組21項指標的58989個地表水水質(zhì)實測值建立一套僅需測定少量關(guān)鍵指標就能對水質(zhì)進行合理評判、考核和排名的模型。該數(shù)據(jù)來源為國家地表水采測分離系統(tǒng)每月反饋表。

2 縣域地表水水質(zhì)評判排名模型建立

2.1 縣域地表水水質(zhì)成績模型基礎

2.1.1 單項水質(zhì)污染指數(shù)[10-11]

由于地表水不同水質(zhì)指標監(jiān)測值的數(shù)量級不同，如汞為0.0001～0.00011 mg/L（2018年1月西部7省采測分離數(shù)據(jù)），CODCr卻為4～349mg/L（2019年2月南充市小流域某斷面監(jiān)測值），故需將研究指標標準化，即測值換算為單項污染指數(shù)，才便于后續(xù)分析。單項指標水質(zhì)污染指數(shù)計算方法為：

式中：Pi—某水質(zhì)監(jiān)測斷面某水質(zhì)指標的污染指數(shù)；Ci—某水質(zhì)斷面某水質(zhì)指標的實測值；C0—地表水某水質(zhì)指標標準限值，除特別要求的部分江河干流執(zhí)行Ⅱ類標準外均執(zhí)行Ⅲ類標準。

21項指標Pi的最大值稱為PmaxA。

pH值和DO的污染指數(shù)則按以下方法計算：

pH值污染指數(shù)：

式中：Pi—某水質(zhì)斷面的pH值污染指數(shù)；CpH—某水質(zhì)斷面的pH實測值。

DO污染指數(shù)：

式中：Pi—某水質(zhì)斷面的溶解氧污染指數(shù)；CDO0—某水質(zhì)斷面應執(zhí)行的地表水溶解氧標準限值；CDOi—某水質(zhì)斷面的溶解氧實測值。

計算Pi時須注意湖庫總磷的標準限值與河流的不同，在電子表格上均顯示兩位小數(shù)，超標是指污染指數(shù)Pi＞1.00情況。

2.1.2 地表水水質(zhì)指標分類和水質(zhì)分類

全國地表水國家考核數(shù)據(jù)來源于每月一次按照國標方法或環(huán)境部門標準開展的對《GB 3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標準》表1項目的手工傳統(tǒng)方法監(jiān)測，考核指標為表1中21項。為研究方便，特做以下分類。

表1 西部7省市17項其它指標測定值及超標率表

常見指標：總磷（TP）、氨氮（NH3-N）、化學需氧量（CODCr）及高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）4項，是地表水的最常見超標指標，令其單項污染指數(shù)分別為PPi、PNi、PCi、PMi；

其它指標：銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）、鎘（Cd）、砷（TAs）、硒（TSe）、汞（THg）、六價鉻（Cr6+）、氰化物（CN－）、揮發(fā)酚（VP）、硫化物（S2－）、氟化物（F－）、石油類（Oils）、陰離子表面活性劑（LAS）、五日生化需氧量（BOD5）、pH值、DO共17項，是不超標或較少超標的指標。

本文將水質(zhì)分類為：達標水質(zhì)，指PmaxA≤1.00的斷面水質(zhì)；污染水質(zhì)，指1.00＜PmaxA≤2.00的斷面水質(zhì)；惡劣水質(zhì)，指PmaxA＞2.00的斷面水質(zhì)[11]。

2.2 縣域地表水月度水質(zhì)考核成績模型

2.2.1 建模思路與數(shù)據(jù)特征分析

建模思路：對大批量實測值進行特征分析，根據(jù)實測值Pi值分段，設計分段的上、下限對應的類似高考成績的分數(shù)值，以分數(shù)值為因變量，以重點Pi或其數(shù)學函數(shù)值為自變量，即能得到模型。

數(shù)據(jù)特征分析：令21項指標Pi加和值為ΣPi(21)。觀察21項指標中各Pi，4項常見指標測值最富于變化，隨著斷面PmaxA和ΣPi(21)的升高而升高，絕大多數(shù)斷面常見指標的Pi交替成為PmaxA；17項其它指標中BOD5有一定變化，其Pi成為PmaxA者比常見指標的比例低，但在17項其它指標中最高。剩余16項指標測值變化幅度小，且不隨斷面PmaxA的升高而升高，具體特征為：

pH值只在7組測值中超標，在2809組測值中頻率為2.5‰，且在Ⅰ類水質(zhì)斷面還常成為PmaxA，成為干擾ΣPi(21)大小的因素者； F-都有檢出、超標頻率2.5‰，石油類部分有檢出、超標頻率4.6‰，LAS少部分有檢出、超標頻率3.2‰，三者只在極個別Ⅳ、Ⅴ及劣Ⅴ類水質(zhì)斷面中成為PmaxA，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)斷面中變化無增減特征，此3項指標和pH值只要達到Ⅲ類也就達Ⅰ類，在達標水質(zhì)中其Pi不僅無類別影響而且干擾ΣPi(21)的大小；Cu、Zn、Pb、Cd、TAs、TSe、THg、Cr6+、 CN-、VP、S2-共11項指標則要么未檢出要么略高于檢出限，距Ⅲ類標準限值遠，Pi均很低，均不成為斷面PmaxA。

對應“碧水保衛(wèi)戰(zhàn)”兩大目的，表1列出21項指標全部實測值的優(yōu)等水質(zhì)率和超標率，可見4項常見指標是關(guān)鍵指標；同時說明，4項常見指標Pi是隨水質(zhì)類別變化而同向變化最顯著的，17項其它指標的15項Pi基本不隨水質(zhì)類別變化而變化，BOD5和DO則介于變化最顯著與基本不變化之間。以ΣPi(21)為因變量，以21項指標Pi為自變量，對2809組數(shù)據(jù)進行SPSS逐步回歸，只取3個自變量的模型為ΣPi(21)＝1.86+1.48PNi+1.23PPi+2.25PCi，其R2＝0.904、估計值的標準誤差0.64夠低、標準系數(shù)分別為0.47、0.44和0.36，顯示模型中3個自變量作用依次排第1、第2和第3，t值分別為73、69、56，模型F＝8848，表明模型及其變量均具顯著性，證明斷面水質(zhì)是由少量指標控制的。但該模型常量和非標系數(shù)低，散點圖線性差，水質(zhì)優(yōu)劣表征度不佳，也難直觀明了地表達斷面水質(zhì)考核成績。

比較結(jié)論：要提高優(yōu)等水質(zhì)率，重點依次是要提高TP、CODCr、NH3-N和CODMn的比例；要降低超標率，重點依次是要降低TP、CODCr、NH3-N和CODMn的超標率。

表中pH超標值來自于某油田城市小流域斷面。從表1可見，TP和NH3-N各是P、N的代表性污染指標，也是表征水質(zhì)優(yōu)劣作用兩項重點指標，而CODMn是地表水傳統(tǒng)的關(guān)鍵代表性指標，因此令PMi、PNi和PPi分別為CODMn、NH3-N、TP的Pi值，另以PmaxE代表CODMn、NH3-N、TP三項指標以外的CODCr、BOD5等指標Pi的最大值，只控制PmaxE和CODMn、NH3-N、TP這4項，既能有效表征水質(zhì)的變化情況，也能有效推進“碧水保衛(wèi)戰(zhàn)”，故將此4項稱為4個關(guān)鍵項。將實測值按PmaxA分為達標、污染和惡劣水質(zhì)3段，ΣPi(21)對PmaxE、CODMn、NH3-N和TP散點圖線性顯著增強，同時通過對4個關(guān)鍵項Pi取自然對數(shù)，可使回歸模型的系數(shù)和常量更顯著。各水質(zhì)段邊界的理論設定分值見表2（錄自僅顯示兩位小數(shù)的電子表格），類似高考成績的分數(shù)設定方式的目的是方便管理者、各級河長和公眾理解，故模型名為水質(zhì)考核成績模型。本模型以縣域為建模對象，適用范圍可推及鎮(zhèn)域和省域。

表2 縣域水質(zhì)PmaxE和4項常見指標Pi及水質(zhì)成績分值設定表

2.2.2 地表水月度水質(zhì)考核成績模型

達標水質(zhì)段，750分時lnPmaxE+lnPMi+lnPNi+lnPPi＝-13.55，450分時lnPmaxE+lnPMi+lnPNi+lnPPi＝0.00，因Pi≤1.00的lnPi≤0.00，故該段4個關(guān)鍵項對數(shù)之和ΣlnPi≤0.00，該水質(zhì)段內(nèi)任一斷面分值應為：

450-22 （lnPmaxE+lnPMi+lnPNi+lnPPi）＝450-22ln（PmaxE*PMi*PNi*PPi），第1項450為截距、即達標段起點，第2項-22來源于（750-450）/（-13.55-0.00）。

污染水質(zhì)段，449分時4個關(guān)鍵項對數(shù)之和ΣlnPi＝-11.24，150分時ΣlnPi＝2.77，Pi＞1.00致lnPi＞0.00，但其中又有眾多Pi≤1.00而致lnPi≤0.00者，該段4個關(guān)鍵項之和ΣlnPi在-11.24～2.77，此水質(zhì)段內(nèi)任一斷面分值應為210-21（lnPmaxE+lnPMi+lnPNi+lnPPi）＝210-21ln（PmaxE*PMi*PNi*PPi），第2項-21來源于（449-150）/（-11.24-2.77），第1項210為截距、來源于150+21*2.77。

惡劣水質(zhì)段，149分時4個關(guān)鍵項對數(shù)之和ΣlnPi＝-10.54，1分時ΣlnPi＝13.01，Pi＞1.00致lnPi＞0.00，但其中又有Pi≤1.00而致lnPi≤0.00者，該段4個關(guān)鍵項之和ΣlnPi在-10.54～13.01，該水質(zhì)段內(nèi)任一斷面分值應為83-6.3（lnPmaxE+lnPMi+lnPNi+lnPPi）＝83-6.3ln（PmaxE*PMi*PNi*PPi），第2項-6.3來源于（149-1）/（-10.54-13.01），第1項83為截距、來源于1+6.3*13.01。

將由以上3個水質(zhì)段分值公式計算的分值作為因變量，4個關(guān)鍵項Pi的自然對數(shù)值為自變量，對2398組達標、324組污染和87組惡劣水質(zhì)4個關(guān)鍵項Pi對數(shù)進行回歸，得表3模型。

表3 縣域地表水月度水質(zhì)考核成績模型及其檢驗參數(shù)表

標準系數(shù)顯示對ADY貢獻從大到小順序為NH3-N、TP、CODMn和PmaxE的對應項，回歸殘差直方圖呈標準正態(tài)分布，觀測累計概率圖兩側(cè)分布特征良好，回歸標準化預測值均在±2.5之間。模型參數(shù)表明3個模型及其變量均具顯著性且有效。

2.2.3 月度水質(zhì)考核成績模型特點

（1）采用Pi值的指標數(shù)量少，模型也簡便易用，而效果優(yōu)于采用21項全部監(jiān)測指標的Pi值加和法。此乃該模型最奇妙之處，即便只開展4項常見指標的監(jiān)測也能達到效果；同時，這也為武漢、合肥、石家莊等地縣域為避免超量監(jiān)測工作量而每月只監(jiān)測4項常見指標[12-13]提供了一條支撐依據(jù)。選測部分指標時，應包括特征污染物，納入比較斷面的監(jiān)測指標趨同則評判和排名具備社會說服力。

（2）體現(xiàn)了我國目前地表水水質(zhì)4項常見指標及此4項常見指標之外考核行政區(qū)特征污染指標的作用，超標測值常常出現(xiàn)在此4項指標及考核行政區(qū)的特征污染指標之內(nèi)，其高低變化能反映在評判中；而至多17項其它指標的變化，無論其是否導致水質(zhì)類別的改變，模型條件中PmaxA和模型中PmaxE既囊括了其信息，又能將各指標中對指導治污不起決定性作用的一面拋棄。

（3）既能開展合理的同一斷面前后比較（包括但不限于同比—與上年度同月相比、環(huán)比—與上月相比）、斷面之間同期或不同期比較，還能進行不同縣域之間同期或不同期的比較，其評判與排名精準度高，能檢測出斷面的水質(zhì)改善程度，能甄別出水質(zhì)不僅未改善反而惡化者，也能找出不同縣域之間水質(zhì)改善進展程度的差異，即便在部分縣域斷面數(shù)量不等的情況下也能客觀地進行比較，不僅能消除以斷面達標率進行評判的弊端，而且能做到公正客觀。

（4）若某斷面某月水質(zhì)嚴重超標，即便在其他斷面均達標且縣域總體的斷面達標率較高的情況下，該模型的評判值也不高，充分體現(xiàn)了偷排、漏排或不治污的問題嚴重性，從而真正起到評判、考核、排名與督促污染防治的作用。

（5）有此模型后可以放棄對每個斷面所屬水質(zhì)類別的逐個確定，達標斷面水質(zhì)（Ⅲ類）的AXY一定≥450分，不達標斷面水質(zhì)一定低于450分，納入大量未經(jīng)處理城鎮(zhèn)污水的徑流量小的河流斷面的水質(zhì)ADYi可低至1～10分。對達標或污染水質(zhì)，分數(shù)值與GB 3838-2002的水質(zhì)類別會有反錯情形，但這正是對GB 3838-2002水質(zhì)類別硬性簡單分級所存缺陷的補充，不影響排名合理性與治污指導作用。

（6）現(xiàn)行考核方式為達標率比例法，是公告受考核的數(shù)個行政區(qū)各自有多少斷面水質(zhì)超標，其中Ⅳ類水質(zhì)斷面多少個、占受考核斷面多少比例，Ⅴ類水質(zhì)多少個及占比多少，劣Ⅴ類水質(zhì)多少個及占比多少，某行政區(qū)總超標斷面多少個與占比多少。現(xiàn)行考核方式對于均達標的行政區(qū)之間無法分出優(yōu)與更優(yōu)，對均有部分斷面超標的行政區(qū)之間也無法分出劣與更劣，整體偏于定性。而所建模型計算的分值，可將這些方面全部加以區(qū)分、定量分出優(yōu)劣差異。類似表4之例，值得試用與推廣。

表4 9個縣（市、區(qū)）2018年9月61個水質(zhì)斷面監(jiān)測值與污染指數(shù)表

2.2.4 月度水質(zhì)考核成績模型應用條件與范圍

（1）模型應用時間跨度要求：手工監(jiān)測每月一輪次者，每月計算一次用于評判與排名，此為目前普遍實情；若每月監(jiān)測兩次或多次，則納入比較考核的各區(qū)、縣行政區(qū)域的各水質(zhì)斷面均測兩次或多次，且測試日期保持相同或靠近；一個斷面有兩個及以上點位者，以平均值作為斷面測定值；利用水質(zhì)自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)者，在確保設備和方法具有可比性前提下，各行政區(qū)域間均采用自動站數(shù)據(jù)，需將每次數(shù)據(jù)整理為每天數(shù)據(jù)，再整理為每月數(shù)據(jù)后再以模型計算一次（該模型也可用于計算斷面水質(zhì)每日成績）；縣域多個斷面或年度成績，采用算術(shù)平均值。

（2）監(jiān)測指標要求：指標項保持一致，且包含4項常見指標和當?shù)貢瑯说奶卣魑廴局笜?。即納入比較考核的同級各區(qū)、縣，假設某個縣有水質(zhì)斷面石油類指標常超標，則納入比較考核的各區(qū)、縣的各水質(zhì)斷面均應監(jiān)測石油類指標，其余類推。為全面排查，可每年枯水期開展一輪地表水環(huán)境質(zhì)量標準（GB 3838-2002）表1的21項指標全面監(jiān)測，且各行政區(qū)之間監(jiān)測指標與頻率一致。若某項指標因故漏測缺值，從考評角度應以年度內(nèi)已有測值最差者代替，因洪水或工程施工無法監(jiān)測時可以上月測值代替。

（3）模型既可用于各區(qū)、縣納入考核各河流斷面水質(zhì)整體比較，也可用于各區(qū)、縣納入考核各湖庫點位水質(zhì)整體比較，還可用于各區(qū)、縣納入考核各地表水（河流+湖庫）斷面點位水質(zhì)整體比較。

（4）模型既可用于某市域各區(qū)、縣之間地表水質(zhì)比較考核，也可用于某區(qū)、縣域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道之間或某省域的各市、州之間的地表水水質(zhì)比較與考核。

3 水質(zhì)評判排名模型應用實例與討論

3.1 模型應用計算步驟

（1）在Excel表格中，水質(zhì)指標按pH、F-、Oils、LAS、Cu、……、S2-、DO、BOD5、CODCr、CODMn、NH3-N和TP次序左右排列，斷面按上下排列，測值按河流與湖庫排序；對每個測值按地表水Ⅲ類標準限值（湖庫總磷為0.05）計算Pi（顯示兩位小數(shù)）；再計算PmaxA并將PmaxA按升序排列。

（2）在PmaxA數(shù)據(jù)列前插入空白列并分別計算對應PmaxA≤1.00與1.00＜PmaxA≤2.00及PmaxA＞2.00的PmaxE。

（3）對達標水質(zhì)、污染水質(zhì)和惡劣水質(zhì)分別采用公式計算ADYi，顯示一位小數(shù)，若需比較相同ADYi值者的差異，可將ADYi值增加一至多位小數(shù)，即可區(qū)分高低差異。

（4）由每個縣域的ADYi值即可獲得縣域的Axy分數(shù)值，可進行縣域或流域或片區(qū)的分數(shù)值高低比較及排名。

3.2 模型在南充市9個縣（市、區(qū)）應用舉例與討論

所設模型經(jīng)多分類數(shù)據(jù)檢驗，均顯示出良好的合理性。表4為南充市9個縣（市、區(qū)）62個水質(zhì)斷面單月4項常見指標監(jiān)測值及模型驗證情況。該市每季度首月開展一次21項指標監(jiān)測，其中17項其它指標均達標。

由表4可見以下結(jié)果：

（1）斷面達標率排名有3個縣并列第1，這便是以斷面達標率排名的弊端，三個縣域水質(zhì)考核成績模型的排名結(jié)果仍為前三，但能對其做出誰優(yōu)誰次的明確區(qū)分，其中達Ⅱ類斷面高的縣域排名在前。

（2）斷面達標率排名依次從第4到第9的縣域，水質(zhì)評判值排名結(jié)果卻不一致，這和各縣域未達標斷面的比例及其具體測值高低有關(guān)，過劣的水質(zhì)對整個縣域的水質(zhì)影響最大，PA縣出現(xiàn)了2次劣Ⅴ類水質(zhì)，導致總體排名為最末位的第9名；而斷面達標率排名第9的最末的XC縣，按ADY分值卻能排名第8，因其沒有出現(xiàn)劣Ⅴ類水質(zhì)，說明ADY分值是恰當?shù)摹?/p>

（3）ADY分值均為384的兩個縣，增加一位小數(shù)也能區(qū)分和排名。從9個縣域排名與及斷面水質(zhì)類別分布及每一斷面水質(zhì)狀況與分值看，斷面和縣域水質(zhì)成績都是恰當?shù)模琶行Ф煽?。由于理論設定分值已經(jīng)界定分值段和最極端水質(zhì)狀況，且模型檢驗具有顯著性，因此模型是可靠的。

4 結(jié)論

（1）目前還沒有適應若干年內(nèi)監(jiān)測能力極其有限的縣級等行政區(qū)管轄區(qū)域內(nèi)地表水水質(zhì)的評判考核排名模型，本文建立的縣域單斷面月度水質(zhì)模型和縣域月度水質(zhì)模型，在開展“碧水保衛(wèi)戰(zhàn)”期間是適用和較為可靠的。

（2）科學的縣域水質(zhì)評判排名方法是推動“碧水保衛(wèi)戰(zhàn)”的重要基礎性方法，適應當前眾多監(jiān)測能力極其有限的縣域水質(zhì)評判排名方法，更是該戰(zhàn)役所必須和急需的。