典型城市地表水質(zhì)綜合評價方法研究

高紅杰，鄭利杰,2，嵇曉燕，宋永會，韓 璐，呂純劍

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地,北京 1000122.沈陽化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,遼寧 沈陽 1101423.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

典型城市地表水質(zhì)綜合評價方法研究

高紅杰1，鄭利杰1,2，嵇曉燕3，宋永會1，韓 璐1，呂純劍1

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境科技創(chuàng)新基地,北京 1000122.沈陽化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,遼寧 沈陽 1101423.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

以中國10個典型城市2013年實(shí)測地表水水質(zhì)資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用內(nèi)梅羅指數(shù)法、均值法、地表水質(zhì)指數(shù)法(SWQI)3種評價方法對城市地表水質(zhì)進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明：就評價指標(biāo)而言，3套指標(biāo)方案評價結(jié)果顯著相關(guān)，最佳指標(biāo)為DO、CODCr、NH3-N、TP；就評價方法而言，內(nèi)梅羅指數(shù)法是3種方法中的首選方法，SWQI法評價結(jié)果表現(xiàn)為過保護(hù)，均值法不能突出較差水質(zhì)指標(biāo)的影響。

城市地表水；評價指標(biāo)；評價方法；內(nèi)梅羅指數(shù)法

隨著中國城市化和工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市規(guī)模和人口急劇增加，水污染不斷加劇，水環(huán)境持續(xù)惡化，城市水環(huán)境問題已成為城市快速發(fā)展過程中新的挑戰(zhàn)[1]。加強(qiáng)城市水污染控制，改善城市水環(huán)境質(zhì)量迫在眉睫。

在城市水環(huán)境綜合治理過程中，水質(zhì)評價是一項基礎(chǔ)性工作[2]。客觀的評價結(jié)果有賴于科學(xué)的評價體系[3]。要實(shí)現(xiàn)水質(zhì)評價方法的推廣應(yīng)用，水質(zhì)評價方法應(yīng)具備合理性、準(zhǔn)確性、可行性等特點(diǎn)[4]。自20世紀(jì)60、70年代，國內(nèi)外相繼建立了許多與水環(huán)境相關(guān)的評價方法，常用的有單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)評價法、灰色系統(tǒng)評價法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、水質(zhì)標(biāo)識指數(shù)法等[5]。每種方法都有一定的合理性，但由于水環(huán)境系統(tǒng)是一個不斷變化、極其復(fù)雜、具有不確定性的大系統(tǒng)，目前為止仍無一種統(tǒng)一的、確定的多地區(qū)城市評價模型[6]。根據(jù)區(qū)域環(huán)境特征、評價目的和水質(zhì)特性選擇有代表性的評價指標(biāo)和合適的評價方法，使評價結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確，是對城市水環(huán)境進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確評價的關(guān)鍵所在。

研究基于10個典型城市監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用目前常用的均值法、內(nèi)梅羅指數(shù)法、地表水質(zhì)指數(shù)法(SWQI)，分別對該城市地表水進(jìn)行評價。根據(jù)評價結(jié)果，優(yōu)化水質(zhì)評價指標(biāo)，篩選評價方法，建立一套合理、準(zhǔn)確和可行的適用于典型城市地表水的評價模型，以期為中國典型城市地表水水質(zhì)狀況評估提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與評價方法

1.1 城市樣本選擇

研究綜合考慮了地理區(qū)位、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、典型環(huán)境特征、城市區(qū)域重要性以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性，選擇全國10個重點(diǎn)城市共計214個斷面作為評價對象，各城市、斷面的分布及基本情況見表1。

表1 評價信息表Table 1 Evaluation information

注：數(shù)據(jù)來源為各市環(huán)保局。

1.2 評價方法簡介

1.2.1 內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法是當(dāng)前國內(nèi)外進(jìn)行綜合污染指數(shù)計算最常用的方法之一。該方法是對斷面內(nèi)梅羅指數(shù)求均值，得出所在城市綜合污染指數(shù)，如公式(1)所示：

(1)

式中：Ii為第i個斷面內(nèi)綜合污染指數(shù)；D為城市綜合污染指數(shù)。

1.2.2 均值法

均值法是綜合污染指數(shù)法的一種特殊計算方法。城市均值水質(zhì)指數(shù)上同內(nèi)梅羅城市水質(zhì)指數(shù)，即對斷面均值指數(shù)(I)求均值。

1.2.3SWQI法

SWQI法基于單因子評價法的評價原則，依據(jù)水質(zhì)類別與SWQI值對應(yīng)表(表2)，用內(nèi)插方法計算得出某一斷面每個參加水質(zhì)評價項目的SWQI值，如公式(2)所示，取最高SWQI值作為該斷面的SWQI指數(shù)，如公式(3)所示，再對斷面水質(zhì)指數(shù)(SWQI)求均值，計算城市地表水質(zhì)指數(shù)，如公式(4)所示。計算如下：

表2 水質(zhì)類別與評分值對應(yīng)表Table 2 Water quality categories and score values

(2)

SWQIj=MAX(SWQI)

(3)

(4)

式中：C為水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測值；Cl為水質(zhì)指標(biāo)所在類別標(biāo)準(zhǔn)的下限值；Ch為水質(zhì)指標(biāo)所在類別標(biāo)準(zhǔn)的上限值；SWQIl為水質(zhì)指標(biāo)所在類別標(biāo)準(zhǔn)下限值所對應(yīng)的評分值；SWQIh為水質(zhì)指標(biāo)所在類別標(biāo)準(zhǔn)上限值所對應(yīng)的評分值；SWQI為水質(zhì)指標(biāo)所在類別對應(yīng)的評分值；SWQIj為第j個斷面的地表水質(zhì)指數(shù)；SWQI城市為排名城市的地表水質(zhì)指數(shù)；N為排名城市的斷面?zhèn)€數(shù)。

2 體系建立

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

水質(zhì)評價指標(biāo)體系是用來全面衡量水質(zhì)的尺度，是衡量水中雜質(zhì)的標(biāo)識。從水質(zhì)評價過程以及相關(guān)評價實(shí)例來看，單個指標(biāo)不能準(zhǔn)確、合理的表征水質(zhì)實(shí)際狀況，卻能直接影響評價結(jié)果，那么由評價結(jié)果來篩選指標(biāo)體系會更加科學(xué)、合理。

2.1.1 指標(biāo)體系方案建立

方案1：中國地表水河流評價指標(biāo)，即《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中除水溫、TN、糞大腸菌群以外的21項指標(biāo)。

方案2：各省政府考核指標(biāo)(表3)。

表3 省政府考核指標(biāo)Table 3 Provincial government assessment indicators

注：“—”表示未找到相關(guān)文件；“*”表示全國城市環(huán)境綜合整治定量考核。

鑒于各地區(qū)自動監(jiān)測站監(jiān)測指標(biāo)，考慮將DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N、TP 6項指標(biāo)體系作為城市地表水第2套方案。

方案3：利用單因子評價對10個典型城市2013年監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，共12項指標(biāo)有超標(biāo)現(xiàn)象，主要超標(biāo)項(超標(biāo)率大于10%)有TN、NH3-N、TP、CODCr、BOD5、CODMn，如表4所示。

表4 超標(biāo)指標(biāo)Table 4 Exceeded indicators

結(jié)合省政府考核指標(biāo)中自動監(jiān)測站監(jiān)測指標(biāo)，地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(環(huán)辦[2011]22號文件)規(guī)定，TN不參與河流水質(zhì)評估，提出第3套指標(biāo)方案，包括DO、CODCr、NH3-N、TP 4項指標(biāo)。

方案1指標(biāo)多，具有綜合性、代表性等優(yōu)點(diǎn)，但評價參數(shù)量大，可操作性、可行性較差，通過3種指標(biāo)方案計算結(jié)果相關(guān)性分析，選出指標(biāo)最少、最有代表性的指標(biāo)體系，進(jìn)而對指標(biāo)體系進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.2 評價指標(biāo)體系相關(guān)性分析

用內(nèi)梅羅指數(shù)法、均值法、SWQI法3種評價方法，采用以上3種指標(biāo)方案，分別對中國10個典型城市水質(zhì)進(jìn)行評價，結(jié)果見表5。

表 5 不同指標(biāo)方案評價結(jié)果Table 5 Evaluation results of different index schemes

將每組評價結(jié)果作為變量，導(dǎo)入SPSS統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行定量相關(guān)性分析，計算Person相關(guān)性系數(shù)r(r>0時為正相關(guān)，r<0時為負(fù)相關(guān)，其絕對值大小反映變量相關(guān)程度高低)，見表6。若某2個變量的r接近1或-1，即P<0.01時，說明2個變量(指標(biāo)方案)可互相替代。

表 6 水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性系數(shù)Table 6 Correlation coefficient of water quality index

注：“**”表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表6顯示，SPSS軟件Pearson相關(guān)性分析，在0.01的顯著水平下，3種評價方法指標(biāo)方案2、3與指標(biāo)方案1具有明顯的正相關(guān)性，r>0.8以上，P<0.01，均呈相關(guān)性高度顯著。根據(jù)SPSS軟件Pearson相關(guān)性原理，r接近1或-1時，變量可相互代替。方案2水質(zhì)評價結(jié)果和方案3水質(zhì)評價結(jié)果與方案1水質(zhì)評價結(jié)果顯著相關(guān)，因此指標(biāo)方案2、3可代替指標(biāo)方案1。指標(biāo)方案1，指標(biāo)全，最能代表水質(zhì)狀況，但評價參數(shù)多，工作量和經(jīng)費(fèi)隨之增加，根據(jù)評價指標(biāo)原則，3種評價方法最佳指標(biāo)方案為方案3， 即DO、CODCr、NH3-N、TP 4項指標(biāo)。

2.2 評價方法比較研究

2.2.1 3種指數(shù)法之間的比較

由于3種指數(shù)法所得結(jié)果閾值不同，評價等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)不同，3個指數(shù)之間并無可比性，不能直接比較，為比較3種指數(shù)方法的評價結(jié)果，對每個城市進(jìn)行排名，結(jié)果見表7。

表 7 3種評價方法評價結(jié)果表Table 7 Evaluation results of three evaluation methods

表7可以看出，3種代表性水質(zhì)評價方法均從不同程度上反映了10個典型城市的水質(zhì)情況。評價結(jié)果顯示：W1排名第一，水質(zhì)最好，M3排名最后，水質(zhì)最差。

均值法反映的是水質(zhì)平均超標(biāo)程度，對于某種污染物污染水平不能被該指數(shù)有效識別。內(nèi)梅羅指數(shù)法不僅考慮平均污染值的影響，還特別兼顧最大超標(biāo)污染物的影響。以M2和N1城市為例，2個城市均值水質(zhì)指數(shù)均為0.57，從指數(shù)上看，2個城市污染程度相同，但是M2城市NH3-N嚴(yán)重超標(biāo)，僅滿足Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而N1雖有超標(biāo)項目，但參與評估斷面滿足Ⅳ類水質(zhì)。從實(shí)際情況來看，M2超標(biāo)因子對生態(tài)環(huán)境影響要大于N1。內(nèi)梅羅指數(shù)法評價結(jié)果恰能反映這一事實(shí)：M2和N1內(nèi)梅羅指數(shù)分別為0.85和0.62，M2污染程度高于N1。SWQI法以最差水質(zhì)指標(biāo)所屬類別作為綜合水質(zhì)類別，以W1和W2為例，各項參與評估指標(biāo)均未超標(biāo)，W1和W2參與評估斷面均為Ⅱ類水質(zhì)。從實(shí)際情況看，2個城市水質(zhì)相當(dāng)，但是W1的最大項污染指數(shù)MAX(SWQI)為DO=34.56，W2的最大項污染指數(shù)MAX(SWQI)為DO=20.00，SWQI法將MAX(SWQI)平均值作為評價結(jié)果，表現(xiàn)為過保護(hù)。

2.2.2 單因子評價法與3種指數(shù)評價法比較

單因子評價法對城市進(jìn)行水質(zhì)評價時，低水質(zhì)等級斷面所占比例越大，相應(yīng)城市水質(zhì)就越差。單因子評價結(jié)果(圖1)顯示，劣Ⅴ類水質(zhì)斷面比例最大的城市為M3，為100%，水質(zhì)最差，其內(nèi)梅羅污染指數(shù)最大，為8.36。斷面水質(zhì)等級為Ⅱ、Ⅲ類水體的城市包括W1、W2、M1，水質(zhì)較好，內(nèi)梅羅污染指數(shù)較小，分別為0.38、0.66、0.50。由于SWQI法以最差水質(zhì)指標(biāo)所屬類別作為綜合水質(zhì)類別，與單因子評價法評價原理相同，2種評價方法評價結(jié)果更為吻合。單因子評價各城市斷面污染情況與以上3種指數(shù)評價法評價結(jié)果大體相當(dāng)，說明這些方法一定程度上均可用于水質(zhì)評價。

圖1 斷面水質(zhì)等級百分比Fig.1 Percentage of water quality grade

2.2.3 3種評價方法科學(xué)性研究

一種水質(zhì)評價方法要想在水環(huán)境管理工作中得到廣泛應(yīng)用，除了具備可操作性之外，還必須滿足計算科學(xué)合理，評價客觀事實(shí)。3種水質(zhì)評價方法計算過程均較為簡便，但是SWQI法以最差水質(zhì)指標(biāo)所屬類別作為綜合水質(zhì)類別，評價結(jié)果表現(xiàn)過保護(hù)，不能科學(xué)合理地評判水體的綜合水質(zhì)類別。均值法是對n個水質(zhì)指標(biāo)污染指數(shù)算術(shù)平均，計算結(jié)果容易掩蓋高濃度的水質(zhì)指標(biāo)污染影響。內(nèi)梅羅指數(shù)法，是國家技術(shù)監(jiān)督局于1994年實(shí)施的《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—1993)中推薦的方法，適用于地下水、飲用水水源地、湖泊、河流、土壤重金屬[7-10]等評價，是一種兼顧極值或突出最大值的計權(quán)型多因子環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，在加權(quán)過程中避免了權(quán)系數(shù)中主觀因素的影響，在評價時綜合考慮所有評價參數(shù)，在面對大量樣品時，能給出科學(xué)的評價結(jié)論，可以滿足管理部門要求，適用于中國部分典型城市地表水質(zhì)評價。

2.3 內(nèi)梅羅指數(shù)法水質(zhì)分級標(biāo)準(zhǔn)建立

根據(jù)計算所得綜合污染指數(shù)值，對水質(zhì)進(jìn)行評價等級的劃分[11]，水質(zhì)等級劃分是相對性的，分級原則與標(biāo)準(zhǔn)見表8。

表8 內(nèi)梅羅水質(zhì)指數(shù)法分級表Table 8 Classification of Nemerow index method

3 結(jié)論

3套評價指標(biāo)方案通過實(shí)例分析得出：21項指標(biāo)參數(shù)多，代表性強(qiáng)，但是評價參數(shù)較多，可操作性差；4項指標(biāo)具有較好的代表性，可操作性好，是一套科學(xué)合理的評價指標(biāo)體系。

3種評價方法通過實(shí)例分析得出：SWQI法評價結(jié)果表現(xiàn)為過保護(hù)，算數(shù)平均模式不能突出高濃度水質(zhì)指標(biāo)的影響；內(nèi)梅羅污染指數(shù)法評價結(jié)果科學(xué)合理，數(shù)學(xué)過程簡潔，物理概念清晰，是一種首選評價方法。

由內(nèi)梅羅指數(shù)法計算可知，城市污染指數(shù)是對斷面水質(zhì)指數(shù)求均值，內(nèi)梅羅指數(shù)法適用于評價城市水質(zhì)，同樣也適用于評價斷面水質(zhì)。

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Study on Comprehensive Evaluation Methods for Surface Water of Typical Cities

GAO Hongjie1,ZHENG Lijie1,2,JI Xiaoyan3,SONG Yonghui1,HAN Lu1,LYU Chunjian1

1.Scientific and Technological Innovation Base for Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China2.College of Environmental and Safety Engineering, Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang 110142,China3.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre,Beijing 100012,China

Based on the monthly water quality data of 10 typical cities in 2013, the status of urban surface water quality was comprehensively evaluated with three assessment methods, including Nemerow index method, mean value method, and surface water quality index (SWQI) method. The research results showed that for evaluating indicator, there was a significant correlation in the evaluate results by the three methods, and the best evaluation indexes were DO, CODCr, NH3-N and TP. In terms of evaluation method, Nemerow index method was the best one among these methods; the results evaluated bySWQImethod represented as overprotection, which could not reflect the real status; and the water quality assessed by mean value method could not highlight the effect of bad water quality index.

urban surface water;evaluation index;evaluation method;Nemerow index method

2015-12-26;

2016-03-02

重點(diǎn)流域環(huán)境保護(hù)監(jiān)管項目(2110302)；國家水體污染控制與治理科技重大專項“渾河中游水污染控制與水環(huán)境綜合整治技術(shù)集成與示范”(2012ZX07202-005)；科技支撐計劃(2015BAK16B01-1)

高紅杰(1981-)，男，遼寧鐵嶺人，博士，副研究員。

宋永會

X824

A

1002-6002(2017)02- 0055- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.09