城市地表水環境質量排名方法研究

嵇曉燕，孫宗光，陳亞男

中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

城市地表水環境質量排名方法研究

嵇曉燕，孫宗光，陳亞男

中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

基于現行的國家水環境質量評價標準和方法，研究建立了綜合反映城市地表水環境質量的城市水質指數CWQI。方法具有普適性、可操作性和可比性，可用于城市地表水環境質量排名。應用于長三角經濟圈、珠三角經濟圈和京津冀經濟圈的相關城市進行排名測算，3個經濟圈的城市水質指數呈現不同的分布規律，總體來說長三角經濟圈的城市地表水環境質量優于珠三角經濟圈和京津冀經濟圈。

城市；地表水；環境質量

當前我國部分地區水環境質量惡劣、水生態受損嚴重、水環境隱患較多等問題十分突出，為了加大水污染防治力度，保證國家的水安全，國務院于2015年4月印發了《水污染防治行動計劃》(國發[2015]17號)[1]。《水污染防治行動計劃》(以下簡稱《水十條》)第十條第三十三款依法公開環境信息中規定：綜合考慮水環境質量及達標情況等因素，國家每年公布最差、最好的10個城市名單和各省(區、市)水環境狀況。因此，研究城市地表水環境質量排名方法，可以為城市間水環境質量比較和排名提供方法依據。通過城市間的比較，有利于加強環境管理，督促各級政府切實加強水污染防治工作，促進環境質量持續改善。

歸納目前國內外對于地表水環境質量評價和考核方法，主要有單因子水質類別評價法、水質指數法和不確定性方法三大類[2-9]。單因子水質類別評價法是國家對水環境質量狀況評價和信息公布采用的方法，簡單易行，但主要適用于單個斷面(點位)的評價，不適用于對整個城市的地表水環境質量進行綜合評價和比較排名；不確定性方法包括模糊數學法、灰色理論法、神經網絡法、物元分析法、投影尋蹤法、集對分析法等，該類方法過多依靠系統的自適應性，當實測數據對系統擾動較大時評價容易失真[4]，而且還停留在理論研究層面，計算和操作復雜，應用到實際工作中需要進一步深入研究；而水質指數法種類繁多，簡單易懂，結果便于比較，能滿足環境管理的需要。針對以上考慮，本文研究建立針對全國城市地表水環境質量排名的城市水質指數，并針對典型城市進行實例測算。

1 建立原則和監測斷面(點位)、指標選取

城市地表水環境質量排名方法應具有普適性、可操作性和可比性的原則。方法應適用于國家對全國各城市的地表水環境質量狀況的排名，也應適用于區域或各省(區、市)對行政區內城市的地表水環境質量狀況的排名。方法應具有科學依據，盡量與現行的標準規范相結合，同時操作簡便、計算簡潔。方法應根據統一的設置原則布設參加排名城市水體的水質監測斷面(點位)，按照統一的排名指標和計算方法客觀地進行排名；計算結果既可進行不同城市間的橫向對比，也可進行同一城市不同時段的縱向對比，從而既能反映不同城市間水環境質量狀況的差異，又能反映同一城市水環境質量狀況的變化。

為了客觀反映每個城市的地表水環境質量狀況，參與排名的水體及斷面(點位)選取應滿足以下要求：

1)城市主要的水體，如城市內有徑流量(不僅僅指天然徑流量)河流，每條河流不同水質類別的水環境功能區或水功能區至少選取1個斷面；城市內主要湖泊，每個湖泊至少選取1個點位，面積較大湖泊應根據不同分區每區至少選取1個點位。

2)城市所有出境河流的出境斷面和界河斷面；涉及上、下游城市的出入境斷面，均納入上游城市排名；涉及2個或多個城市界河的斷面，同時參與所有涉及城市的排名。

為了盡量與現行的國家水環境質量評價方法結合，與《地表水環境質量評價辦法(試行)》(環辦[2011]22號)一致，采用《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)[2]表1中除水溫、總氮和糞大腸菌群以外的21項指標，具體包括pH、溶解氧、高錳酸鹽指數、化學需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、石油類、揮發酚、氟化物、氰化物、硫化物、汞、鉛、銅、鋅、硒、砷、鎘、鉻(六價)和陰離子表面活性劑。如存在超出上述評價指標外的特征污染物，可增加特征污染物為評價項目。

2 計算方法

城市地表水環境質量排名基于城市水質指數(CWQI)。CWQI越小，說明城市地表水環境質量狀況越好。城市排名時按照從小到大的順序進行排名，排名越靠前說明城市水環境質量越好。通過同一城市不同時段CWQI的對比，也可以反映城市地表水環境質量狀況的變化情況。

計算城市水質指數時，先針對城市地表水中河流斷面和湖庫點位評價標準的差異，分別計算城市河流的水質指數和湖庫的水質指數；再根據河流斷面和湖庫點位數量的加權均值計算出城市的城市地表水質指數。

2.1 河流的水質指數

先計算出城市所有河流監測斷面各單項指標濃度的算術平均值，計算出單項指標的水質指數，再綜合出河流的水質指數CWQI河流。低于檢出限的項目，按照1/2檢出限參加計算各單項指標濃度的算術平均值。

2.1.1 單項指標的水質指數

用各項水質單項指標的濃度值除以該水質指標對應地表水Ⅲ類水濃度標準限值[2]計算單項指標的水質指數(表1)。

表1 水質指標對應的標準限值 mg/L

單項指標的水質指數計算如式(1)所示。

(1)

式中：C(i)為第i個水質指標的監測值；Cs(i)為第i個水質指標地表水Ⅲ類水濃度標準限值[2]；CWQI(i)為第i個水質指標的水質指數。

溶解氧的水質指數計算方法：

(2)

式中：C(DO)為溶解氧的監測值；Cs(DO)為溶解氧的地表水Ⅲ類水濃度標準限值[2]；CWQI(DO)為溶解氧的水質指數。

pH的水質指數計算方法[10]：

(3)

(4)

式中：pHsd為GB 3838—2002中pH的下限值[2]；pHsu為GB 3838—2002中pH的上限值[2]；CWQI(pH)為pH的水質指數。

河流斷面的總磷Ⅲ類水濃度標準限值為0.2 ml/L。

2.1.2 河流的水質指數

根據各單項指標的CWQI，取其加和值即為CWQI河流：

(5)

式中n為水質指標個數。

2.2 湖庫的水質指數

湖庫的水質指數計算方法與河流一致，先計算出所有湖庫監測點位各單項指標濃度的算術平均值，計算出單項指標的水質指數，再綜合出湖庫的水質指數CWQI湖庫。低于檢出限的項目，按照1/2檢出限值參加計算各單項指標濃度的算術平均值。

另外，在計算單項指標的水質指數時，湖庫總磷的Ⅲ類水濃度標準限值與河流的不同，為0.05 ml/L[2]。

2.3 城市的水質指數

根據城市轄區內河流和湖庫的CWQI，取其斷面(點位)數的加權均值即為該城市的CWQI：

(6)

式中：CWQI城市為排名城市的水質指數；M為城市的河流斷面數；N為城市的湖庫點位數。

若排名城市僅有河流斷面，無湖庫點位，則取城市的河流水質指數為該城市的城市水質指數。

2.4 數據統計要求

月度排名時，采用各監測斷面(點位)的月監測數據；有多次監測數據時，采用多次監測結果的算術平均值計算排名。低于檢出限的項目，按照1/2檢出限值參與計算其算術平均值。

規定統計時段排名時，采用各監測斷面(點位)統計時段的月監測數據的算術平均值計算排名；對于少數因冰封期等原因無法監測的斷面(點位)，一般應保證季度排名時至少有1次以上(含1次)的監測數據；半年排名時至少有3次以上(含3次)的監測數據；年度排名時至少有6次以上(含6次)的監測數據。

數據統計結果按照《數值修約規則與極限數值的表示和判定》(GB/T 8170—2008)的要求進行修約。各項指標濃度值保留小數位數比《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)[1]中的標準值多1位；各指數統一保留1位小數位數。

3 實例分析

分別以長三角經濟圈30個城市、珠三角經濟圈9個城市和京津冀經濟圈13個城市為例，采用國控地表水環境質量監測網中各城市涉及的斷面(點位)2014年月監測數據的年均值進行方法的實例研究。國控地表水環境質量監測網按照統一的設置原則布設水質監測斷面(點位)，覆蓋面廣、代表性強，具有可比性。

按照前文計算方法測算出的CWQI如圖1～圖3所示。按照從小到大的順序進行排名，排名越靠前，說明城市整體的地表水環境質量越好。

圖1 長三角經濟圈城市水質指數

長三角經濟圈30個城市的CWQI為3.8～10.8，各城市地表水環境質量有一定的差別，但差距不大；珠三角經濟圈9個城市的CWQI呈兩極分化的狀態，深圳和東莞分別達到44.1和33.1，而其余城市為3.6～6.0；京津冀經濟圈13個城市的CWQI排序后則呈現從4.9到37.6逐級遞增的變化趨勢，海河水系所在的城市地表水環境質量明顯差于灤河水系所在的城市，尤其石家莊市達到37.6。總體來說長三角經濟圈的城市地表水環境質量優于珠三角經濟圈和京津冀經濟圈。

圖2 珠三角經濟圈城市水質指數

圖3 京津冀經濟圈城市水質指數

4 結論

針對《水十條》即將對城市地表水環境質量進行排名的需要，在結合現行的國家水環境質量評價標準和方法的基礎上，首次研究建立了綜合反映城市地表水環境質量的城市水質指數CWQI，使得不同城市間的地表水環境質量可以進行定量的比較排名，為城市地表水環境質量排名提供依據，從而有利于促進城市水環境的綜合治理和水環境質量的持續改善。

該方法具有普適性、可操作性和可比性。應用于長三角經濟圈30個城市、珠三角經濟圈9個城市和京津冀經濟圈13個城市進行排名測算，3個經濟圈的城市水質指數呈現不同的分布規律，計算結果與實際的城市地表水環境質量狀況基本一致。

[1] 國務院. 國務院關于印發水污染防治行動計劃的通知：國發[2015]17號[A/OL].(2015-4-2)[2015-04-02]. http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-04/16/content_9613.htm.

[2] 國家環保局科技標準司. 地表水環境質量標準：GB 3838—2002 [S]. 北京：中國標準出版社，2002.

[3] 嵇曉燕，宮正宇，聶學軍. 復合河流系統健康評價與預警[M]. 北京：中國市場出版社，2014：15-17.

[4] 丁冉，肖偉華，于福亮,等. 水資源質量評價方法的比較與改進[J]. 中國環境監測, 2011，27(3)：63-68.

[5] 李名升，張建輝，梁念,等. 常用水環境質量評價方法分析與比較[J]. 地理科學進展, 2012，31(5)：617-624.

[6] 李茜，張建輝，林蘭鈺,等. 水環境質量評價方法綜述[J]. 現代農業科技, 2011，19：285-287, 290.

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[10] 馬建薇. 環境影響評價技術方法[M]. 天津：天津大學出版社，2013：74.

Method Study on Sequence of City Surface Water Environmental Quality

JI Xiaoyan, SUN Zongguang, CHEN Yanan

China National Envioronmental Monitoring Centre, State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, Beijing 100012, China

Based on national assessment standard and method of surface water environmental quality, City Water Quality Index is built to reflect the condition of the whole city surface water environment. The method is universal, operable and comparable. It can be used to sequence surface water environmental quality in different cities. City water quality indexes of every city in Yangtze River Delta, Pearl River Delta and Beijing-Tianjin-Heibei Region are calculated. Results show different distribution patterns in different regions. On the whole, the surface water environmental quality of the Yangtze River Delta city group is better than those of the other two.

city; surface water; environmental quality

2016-02-29;

2016-03-28

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07502-002)

嵇曉燕(1981-)，女，江蘇淮安人，博士，高級工程師。

X824

A

1002-6002(2016)04- 0054- 04

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.10