基于綜合指數法的城市河流水環境質量排名探討

安國安，林蘭鈺，鄒世英

1.河南省環境監測中心，河南 鄭州 450004 2.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 3.環境保護部環境工程評估中心，北京 100012

基于綜合指數法的城市河流水環境質量排名探討

安國安1，林蘭鈺2，鄒世英3

1.河南省環境監測中心，河南 鄭州 450004 2.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 3.環境保護部環境工程評估中心，北京 100012

依據城市河流水環境質量狀況進行定期排名，是目前環境管理者為促進地表水環境質量改善的一種政策措施，采用正確的排名方法是保障排名結果是否合理的關鍵。研究選用綜合污染指數法、水質類別法兩種常用的評價方法，同時結合城市河流黑臭、渾濁等特點，篩選出pH、溶解氧、色度、化學需氧量、懸浮物、氨氮、總磷7項因子參與評價并對河南省轄內的城市河流進行排名。結果表明，選用的排名方法基本滿足城市河流水環境質量排名的需求，具有廣泛的應用價值。

城市河流；水環境質量排名；水環境質量綜合指數

國務院于2015年4月2日印發了《水污染防治行動計劃》(國發〔2015〕17號)。行動計劃中明確指出“整治城市黑臭水體”、“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個城市名單和各省轄市(區、市)水環境狀況”[1]。為落實此政策，河南省于2014年提前開展城市河流排名工作。

城市河流一般指城市中自然或人工形成的河流、河道和小型湖泊等觀景水體。因其受規劃不合理、排污集中、截污不夠、流量不足等影響，普遍污染較重，有的甚至發黑發臭，人民群眾反映強烈。為切實加強水污染防治工作，改善包括城市河流水環境質量在內的地表水環境質量，河南省對流經城市河流水環境質量進行監測評價工作。目前，國內使用較多的水環境質量評價方法有單因子評價法[2]、綜合污染指數法[3]、模糊綜合評判法[4]、主成分分析法[5-6]、水污染指數法[7]等，由于模糊綜合評判法、主成分分析法受影響的因素較多，計算過程較為復雜。在一般情況下，進行不同河流水環境質量比較時，使用較多的是綜合污染指數法、水污染指數法，而水污染指數法在污染最重因子相同時的比較有較好的可比性，當所比較河流污染較重因子不同時，就具有局限性。而綜合污染指數法是其中應用范圍最廣、較為成熟的一種評價方法。本文運用綜合污染指數法、水質類別法，結合環保部《城市環境空氣質量排名技術規定》(環辦〔2014〕64號)，嘗試性的提出河南省城市河流水環境質量排名辦法，以期為同行業內城市河流排名工作提供借鑒。

1 研究方法

1.1 監測斷面的設置

合理的監測斷面設置是對建城區域河流邊界城市河流管理的首要條件，監測斷面應具有代表性，并能劃清責任，它應反映河流城區水環境質量的基本情況。文章所涉及的監測斷面主要設置在河流下游靠近城市跨建城區處。

1.2 城市河流水環境質量綜合指數計算

綜合指數評價法是對各污染指標的相對污染指數進行統計，得出代表水體污染程度的數值，該方法用以確定污染程度和主要污染物，并對水污染狀況進行綜合判斷。在一般情況下綜合污染指數評價方法的應用，是假設各參與評價因子對水環境質量的貢獻基本相同，采用各評價因子標準指數加和的算術平均值進行計算，同時也反映了多個水環境質量參數與相應標準之間的綜合對應關系。綜合污染指數數值越大，表示污染程度越嚴重，環境質量較差；反之，綜合污染指數數值越小，表示污染程度較輕，環境質量較好。

城市河流水環境質量綜合指數綜合考慮了pH、溶解氧(DO)、色度、化學需氧量、懸浮物、氨氮、總磷7項污染物的濃度水平，將各污染物的濃度進行無量綱化處理，得到各項污染物的單項質量指數，然后將各單項質量指數相加得到河流水環境質量綜合指數。河流水環境質量綜合指數的計算方式見式(1)～式(7)。

(1)

式中：Ii為指標i的單項質量指數，Ci為污染物i的濃度值，Si為污染物i對應的標準限值。對于pH、DO、化學需氧量、氨氮、總磷 5項因子為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)[8]Ⅴ類標準限值，由于GB 3838—2002標準中缺少懸浮物、色度兩項因子標準限值，因此懸浮物選取《城市污水再生利用景觀環境用水水質》(GB/T 18921—2002)[9]觀賞性景觀環境用水(河道類)標準限值(20 mg/L)，色度指數采用當時監測的全省城市河流中最大稀釋倍數參與比值計算。

其中，對于DO質量指數[10]為

(2)

(3)

(4)

式中：DOf為飽和溶解氧濃度，DOj為斷面溶解氧濃度，DOs為溶解氧地表水環境質量標準，T為水溫，℃。

對于pH質量指數[11]為

(5)

(6)

式中：pHsd為地表水環境質量標準中規定的pH下限，pHsu為地表水環境質量標準中規定的pH上限，pHj為現狀pH。

(7)

式中：Isumr為城市河流水環境質量綜合指數，Ii為指標i的單項質量指數，包括pH、DO、色度、化學需氧量、懸浮物、氨氮、總磷。

1.3 參與排名的水質指標篩選

為使排名評價結果具有可比性，同時又盡可能反映河流的污染狀況，更有利于決策者及時了解該市的河流污染情況，采取有力措施保護流域水環境，擬對河流常規監測項目進行分析，篩選出相對較少、污染分擔率較高、又能較好反映污染實際情況的污染因子作為評價指標。進行城市水環境質量排名主要涵蓋兩方面內容：一是評價黑臭污染物項目的確定，二是不同河流水環境質量定量比較方法的確定。GB 3838—2002標準中基本項目有24項，評價因子應主要在其中選定。文章采用查找文獻和污染分擔率相結合的方法篩選城市河流排名指標。

1.3.1 查找文獻法

通過在中國知網查找相關文獻100余篇可知，有關評價黑臭水體項目的選擇，郝英群等[12]對城市河流黑臭的形成機理及其黑臭評價指標進行了探討[11]。研究證明，目前條件下與水體黑臭有關的指標主要有：DO、五日生化需氧量、化學需氧量、氨氮、硝酸鹽氮、有機污染物、水溫、 pH等。其中前4項含量與水體黑臭有較好的相關性[12-14]。影響國內城市河流水質的主要污染指標為兩類：一類是有機污染指標，包括DO、氨氮、高錳酸鹽指數、五日生化需氧量；另一類是富營養化指標(特別是總磷(T P))[15]。目前，國內外水體黑臭評價中選用頻率最高的指標也是DO、氨氮、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量，在程江等[16]調研的10種方法中，他們被采用的頻率分別為90%、70%、50%、40%，表明其為控制水體黑臭的關鍵性指標。

1.3.2 河流各項污染因子分擔率計算

利用城市河流24項評價因子分別所占污染負荷的百分比，可以分析各項因子污染程度，即河流污染物分擔率，從而可以確定主要污染因子。其計算公式如下：

(8)

式中：fi為第i種污染物的污染分擔率。

以河南省58條主要河流2014—2015年2年水質監測數據為基礎，選取監測的高錳酸鹽指數、化學需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、銅、砷、汞、鎘、六價鉻、鉛、氰化物、揮發酚、石油類、硫化物15個指標為篩選對象，分別計算出每年每條河流的年度綜合污染指數和各項指標的污染分擔率，在此基礎上通過分析比較，篩選出適合河南省城市河流排名指標。

應用公式(1)～公式(8)計算15項指標的污染分擔率。結果表明，58條河流中，有17條河流達到Ⅱ、Ⅲ類，為較清潔河流；41條河流為Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ，為受到污染的河流。進行每條河流污染分擔率統計發現，在較清潔的17條河流中，不同污染因子分擔率超過20%的河流條數分別為pH為11條、懸浮物為6條、色度1條、DO 2條、化學需氧量為4條、總磷為3條，氨氮為零條，說明在水環境質量較清潔的城市河流中氨氮、色度、DO、總磷、化學需氧量所占污染負荷較低，相應pH、懸浮物污染負荷較高，其中pH分擔率最高達到55.4%。在受到污染的41條中，不同污染因子分擔率超過20%的河流條數分別為pH為6條、懸浮物為6條、色度為3條、DO為1條、化學需氧量為9條、氨氮為23條，總磷為19條，說明在受污染的河流中，氨氮污染范圍較普遍、較重，最高分擔率達到52.5%；其次為總磷，最高分擔率達到46.4%；再次為化學需氧量，最高分擔率達到45.8%。58條城市河流中污染分擔率較高的3項因子為氨氮、總磷、化學需氧量，分擔率依次為20.6%、17.1%、15.5%。因此，受污染的城市河流主要污染因子為氨氮、總磷、化學需氧量。pH、DO、色度、化學需氧量、懸浮物、氨氮、總磷分擔率之和大于90%。詳見表1。

表1 2014—2015年不同類別河流污染因子分擔率20%以上河流條數統計

結合《河南省城市河流清潔行動計劃》[17]要求，河流整治目標以實現水清、消除黑臭、城市規劃區內河流達到一般景觀用水標準為目標，以及《城市污水再生利用景觀環境用水水質》(GB/T 18921—2002)，確定河南省城市河流進行監測和排名的監測因子為pH、DO、色度、化學需氧量、懸浮物、氨氮、總磷，共7項監測因子。

2 結果與討論

2.1 計算結果

采用河南省18個省轄市60條城市河流(表2)，2014年第3季度至2015年第3季度監測數據進行統計。

以城市河流環境質量綜合指數法對不同河流水環境質量進行排名，綜合考慮了基本反映河流黑臭、渾濁程度、景觀等方面的主要污染因子的污染貢獻，可以綜合反映各項指標的整體污染情況。所有城市河流均采用7項污染因子進行綜合指數計算，河流之間可比性較好。為兼顧地表水環境質量類別與質量綜合指數兩者關系，城市河流水環境質量由好到差排名首先按照河流水環境質量類別由好到劣排序，相同類別中按照水環境質量綜合指數由小到大排序，質量綜合指數保留3位小數。水質類別和首要污染物采用pH、DO、化學需氧量、氨氮、總磷5項指標，按GB 3838—2002標準進行評價。當水環境質量類別在Ⅲ類以內時不進行首要污染物評價，當水環境質量類別劣于Ⅲ類標準時以超標倍數最高的污染因子作為首要污染物。水環境質量綜合指數相同的按省轄市行政區劃先后順序排名。城市河流斷流無水的，不參與排名。以2015年第1季度河南省60條河流監測數據為例，部分城市河流水環境質量排名詳見表3。

表2 河南省18個省轄市參與排名的60條城市河流情況

表3 2015年第1季度河南省部分主要城市河流水質排名結果

注：本季度有2條河流斷流，不參與排名;“—”表示水質類別為Ⅰ～Ⅲ，無首要污染物。

由表3可以看出，存在水環境質量排在前面的河流綜合指數大于后面的河流情況，如位于第8名的洛陽市洛陽城中渠、第9名的焦作市龍源湖、第10名開封市黃汴河3條河流水環境質量綜合指數均低于排名較靠前的第7名洛陽伊河，這主要是由于進行水質類別評價使用pH、DO、化學需氧量、氨氮、總磷5項因子，而水環境質量綜合指數的計算是在此前5項因子基礎上增加了GB 3838—2002標準中所缺少的懸浮物、色度兩項監測因子，而后兩項因子是恰逢污染較重時引起的。2種評價方法因評價所選用因子數不同導致結果不同，有時會出現水質類別較好，而綜合指數較高的情況。

2.2 結果驗證

2.2.1 污染較重的城市河流排名靠后

2015年第1季度城市河流中7項因子污染較重河流進入城市排名后10名情況統計，如表4～表10所示。由表4～表10可以看出，評價因子污染較重的城市河流排名將靠后，懸浮物濃度較重的10條河流中有6條位于城市排名后10名，色度污染較重的10條河流中有6條位于城市排名后10名，DO污染較重的10條河流中有8條位于城市排名后10名，化學需氧量污染較重的10條河流中有9條位于城市排名后10名，氨氮污染較重的10條河流中有8條位于城市排名后10名，總磷污染較重的10條河流中有8條位于城市排名后10名。但pH較高的10河流沒有進入城市排名后10名。說明除pH外其他6項污染因子污染較重的城市河流在總體排名比較靠后。

表4 2015年第1季度城市河流中pH污染較重河流進入城市排名后10名情況統計

注：本季度城市排名中第49名至58名為后10名。下同。

表5 2015年第1季度城市河流中懸浮物污染較重河流進入城市排名后10名情況統計

表6 2015年第1季度城市河流中色度污染較重河流進入城市排名后10名情況統計

表7 2015年第1季度城市河流中DO污染較重河流進入城市排名后10名情況統計

表8 2015年第1季度城市河流中化學需氧量污染較重河流進入城市排名后10名情況統計

表9 2015年第1季度城市河流中氨氮污染較重河流進入城市排名后10名情況統計

表10 2015年第1季度城市河流中總磷污染較重河流進入城市排名后10名情況統計

2.2.2 水質明顯改善的河流，排名明顯前移

污染物濃度降低較多、水質明顯改善的河流在城市排名中將明顯前移。以三門峽青龍澗河為例統計，河南省首次公布18個省轄市城市河流2014年第3季度水環境質量排名中，三門峽市城市河流青龍澗河排名為第47名，比較靠后，位于倒數第9名(該季度有5條河流斷流)，市政府高度重視，變壓力為動力，對唯一參與全省排名的青龍澗河進行截污、清淤、引水等治理措施，通過整治到2015年第1季度河流水環境質量明顯改善，污染物濃度明顯下降，其中，懸浮物濃度降幅達94.6%，色度降幅達87.5%，化學需氧量濃度降幅達91.0%，氨氮濃度降幅達91.0%，總磷濃度降幅達95.2%，pH由弱堿性變為中性，溶解氧濃度升幅達48.3%，綜合指數降幅達92.3%，水環境質量類別由劣Ⅴ類變為Ⅱ類，在全省城市河流排名中由第47名變為第2名，前移45名。見表11。

表11 三門峽市青龍澗河2015年第1季度與2014年第3季度水環境質量變化情況統計

注：除pH、色度外，懸浮物、DO、化學需氧量、氨氮、總磷單位為mg/L。

2.2.3 排名制度加快城市河流水環境質量改善

隨著落實城市河流排名制度，河南省污染較重河流(劣Ⅴ類)條數隨季度在逐步減少。從2014年第3季度到2015年第3季度河南省60條城市河流中，劣Ⅴ類河流條數依次為34、31、28、26、24條。見表12。

表12 2014年第3季度以來河流水環境質量類別條數統計

在可比的51條河流中(不同季度出現斷流而導致9條河流不可比)，與2014年第3季度相比，2015年第3季度主要污染物濃度在多條河流中出現了較明顯的改善趨勢。其中，懸浮物有23條下降，降幅均超過了25%；色度有37條下降，降幅均超過了50%；DO上升有31條，23條升幅超過了20%；化學需氧量有33條下降，25條降幅超過了20%；氨氮有29條下降，23條降幅超過了20%；總磷有39條下降，34條降幅超過了20%。見表13。

表13 與2014年第3季度比2015年部分污染物濃度改善河流條數統計

3 結論

通過對影響城市河流黑臭、景觀程度的監測因子進行研究，確定pH、DO、色度、化學需氧量、懸浮物、氨氮、總磷7項污染因子進行監測評價，可以基本反映城市河流黑臭、渾濁污染現狀。

1)結合目前水環境質量分析方法現狀，提出水環境質量綜合指數概念，基于綜合污染指數法基礎上全面兼顧了各項污染物對水環境質量的貢獻，可以進行不同河流之間定量比較，對于不同河流來說各項污染物因子均參與評價，避免了水污染指數法僅突出最重污染因子比較的局限性，河流之間可比性強，能夠比較客觀、準確、公平反映城市河流水環境質量狀況差異，能夠滿足當前城市河流質量排名工作的需要。

2)由于在排名中所選取的7項因子中有2項在地表水環境質量標準中沒有標準限值，導致在水環境質量類別評價時評價因子為5項，按照先進行類別排序，然后再在同一類別中按水環境質量綜合指數由低到高排序，會出現水環境質量綜合指數略高河流排在水環境質量綜合指數低河流前面現象。

3)污染較重河流排名會比較靠后，污染較輕河流排名比較靠前，能夠較好反映城市河流污染程度差異。河流水環境質量改善后，城市河流排名會相應前移。污染負荷分析發現，目前城市河流污染范圍較廣、較重的因子依次為氨氮、總磷、化學需氧量。實施城市河流水環境質量排名制度后，全省劣Ⅴ類城市河流條數隨季度在逐步減少，多條河流主要污染物濃度在改善。

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[17] 河南省人民政府.關于印發河南省城市河流清潔行動計劃的通知[EB/OL].[2014-06-23].http://www.henan.gov.cn/zwgk/system/2014/07/23/010486614.shtml.

Discussion on Quality Ranking of Urban River Water Environment Based on Comprehensive Pollution Index

AN Guoan1, LIN Lanyu2, ZOU Shiying3

1.Environmental Monitoring Centr of Henan Province， Zhengzhou 450004, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China 3.Assessment center of Environmental Engineering Department of Environmental Protection, Beijing 100012, China

According to the water quality to proceed the unban river ranking at fixed period is a policy measure that the environmental administrator adopt for promoting the improvement of surface water quality. The corrected ranking way is the key safeguard for the reasonable ranking results. This study selected two common evaluation methodology such as the comprehensive pollution index and water quality category, and combined with the characteristics of urban river such as black bad smell and turbid, to screen out seven pollutants including pH, dissolved oxygen, chroma, chemical oxygen demand (COD), suspended solids, ammonia nitrogen, total phosphorus to participate in ranking the river quality in Henan province. The results showed that the ranking way could basicallied satisfied the needs of ranking the urban river water quality, which has extensive application value.

urban river；the water environment quality ranking；comprehensive pollution index

2015-11-02;

2015-12-31

國家科技支撐計劃“南水北調中線工程水源地及沿線水質監測預警關鍵技術研究與示范”(2011BAC12801-01,2011BAC12B02-01)

安國安(1963-)，男，河南孟州人，學士，高級工程師。

鄒世英

X824

A

1002-6002(2016)06- 0050- 08

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.08