基于頻次法與均值法的水質評價方法比較研究

馮堂武

山東省煤田地質局第一勘探隊， 山東 滕州 277500

0 引 言

水功能區是為滿足水資源合理開發利用和有效保護的需求， 在相應水域按其主導功能劃定并執行相應質量標準的特定區域［1］。 水功能區水質達標評價是落實國務院最嚴格水資源管理制度， 確定水資源開發利用“三條紅線” 的重要內容［2］。 水利部提出至2030 年我國水功能區達標率要達到95%以上， 可見水功能區水質達標評價已經迫在眉睫， 建立科學完善的水功能區水質達標評價體系意義重大［3］。 目前針對水功能區水質評價方面， 國內外相關學者進行過相關研究。 丘冬琳對某中型水庫采用單因子評價法、 綜合水質標識指數法和模糊數學評價法3 種方法進行了水質評價，并分析了3 種方法在水質類別判定上的側重點［4］。 王竹等采用單因子評價法、 內梅羅指數法、 綜合污染指數法、 模糊數學法和主成分分析5 種方法評價了海河流域灤河下游段及冀東沿海諸河17 個斷面的水質狀況， 并提出不同的水質分析方法各有優勢［5］。 劉發根和郭玉銀提出了一種全新的水功能區水質評價方法——三位水質指數法， 該方法能夠按單因子評價理念定性評價水質類別， 還可以定量反映水體綜合污染程度［6］。 張璽等利用熵權法和因子分析法對內梅羅指數法進行了改進， 并用于濟南飲用水源功能區水質評價［7］。 《地表水資源質量評價技術規程》 規定了水功能區的評價方法［8］， 包括頻次法和均值法［9］。 在我國水功能區限制納污紅線考核工作中兩種方法都在采用，兩種方法的評價成果是否一致， 從而最終影響納污紅線考核的公平性［10］。 因此， 有必要通過理論和實例分析研究兩種方法的差別。 本文在探討兩種方法評價理論的基礎上， 通過大凌河流域10 個水功能區水質監測站2011—2015 年實測數據對這兩種評價方法進行了驗證， 比較兩種方法對于水功能區達標評價的影響， 分析兩種評價方法的主要適用范圍， 為水功能區水質評價科學合理地選擇正確的評價方法提供參考。

1 頻次法與均值法的理論比較

1.1 頻次法與均值法定義

《地表水資源質量評價技術規程》 （SL395—2007） 規定： 水期評價（豐、 平、 枯水期） 應采用3次（含3 次） 以上監測數據的算術平均值； 年度評價應采用6 次（含6 次） 以上監測數據的算術平均值；即均值法。 均值法的計算公式如下：

《地表水資源質量評價技術規程》 對水期或年度水功能區達標評價方法有如下規定： 水期或年度水功能區達標評價應在各水功能區單次達標評價成果基礎上進行。 在評價水期或年度內， 達標率大于（含等于） 80%的水功能區為水期或年度達標水功能區， 即頻次法。 頻次法中水期或年度水功能區達標率按下面公式計算：

式中，FD 為水期或年度水功能區達標率； FG 為水期或年度水功能區達標次數；FN 為水期或年度水功能區評價次數。

1.2 頻次法與均值法差別理論分析

設每年采樣n 次（n 個樣品）， 每次測m 個水質指標， 形成了如下實測數據矩陣：

假設m 個水質指標的標準為S1， S2， S3， …，Sm， 均值法的計算過程是： 求各列平均得各水質指標濃度的年平均值然后將年平均值與S1， S2， S3， …， Sm進行逐個對比， 如果其中存在的情況則記為年平均值“超標”。 而頻次法評價的過程是： 依次取每一個樣品水質指標濃度Cj1， Cj2， Cj3， …， Cjm與 S1， S2， S3， …， Sm， j ＝1…n 進行比較， 若其中之一超標則為本次樣品超標，這樣的比較進行n 次， 達標率大于（含等于） 80%記為水期或年度達標。 可見均值法在計算時， 是一個將年內各次樣品值均化的過程， 消除了較大值的影響， 水質達標率較高。 而頻次法是依次將年內的每一個樣品Cj1， Cj2， Cj3， …， Cjm與標準S1， S2， S3， ＼ …， Sm， j ＝1…n 值比較， 只要有一個指標濃度大于標準值就記為本次超標， 水質達標率較低。

從兩種水質評價方法的理論分析中可以看出： 由于采用均值法時各水質指標的評價等級由均值決定，即較高的水質濃度的作用被忽略掉了， 水質達標率較高。 采用頻次法時每種水質指標的水質類別是由較高的水質濃度決定的， 即較高的水質濃度在決定水質級別時起到了關鍵性作用， 水質達標率較低。 理論和監測數據分析都顯示均值法的評價結果比頻次法的評價結果較寬松， 評價結果的水質達標率較高。

2 不同流域評價結果對比分析

大凌河流域位于遼寧西部沿海， 是遼西地區最大的河流， 在遼寧省內流域面積約占遼西沿海流域面積的61%， 大凌河水質狀況基本反映了遼西地區地表水水質情況［11］。 表1 為大凌河流域10 個水功能區信息、水質目標以及各水功能區水質代表斷面， 分別為白石水庫、 東關、 宮山嘴水庫、 建凌橋、 坤頭營子、 十家子河入河口、 四家子、 閻王鼻子水庫、 岳家街、 白石水庫。 評價數據為2011—2015 年各斷面的逐月水質監測數據， 水質指標包括溶解氧、 高錳酸鹽指數、 化學需氧量、 五日生化需氧量、 氨氮、 氯化物、 硫酸鹽、 硝酸鹽、 銅、 鋅、 汞、 砷、 鉛、 鎘、 鐵、 錳、 石油類， 共17 項。

表1 大凌河流域水功能區基本情況表Table 1 Basic situation of water function area in Daling River Basin

分別采用頻次法和平均值法對這些站點的水質數據進行評價， 并以白石水庫斷面為例進行分析。 表2 為白石水庫2012—2015 年逐月水質類別及各年的頻次法達標率， 從表2 中可以看出， 白石水庫的水質類別基本在Ⅱ類至Ⅲ類間， 2012 年和2014 年偶爾出現Ⅳ水質情況， 2012年至2015 年頻次法的達標率分別為58%、 33%、 25%和50%， 按《地表水資源質量評價技術規程》 里“達標率大于（含等于） 80%的水功能區為水期或年度達標水功能區” 的標準， 2012—2015 年白石水庫所在的大凌河白石水庫飲用水源區、 農業用水區是不達標的。 但是從表3 白石水庫年均值水質評價結果來看， 2012—2015 年白石水庫的水質濃度均值都達到了Ⅱ類水標準， 所以均值法評價出來的該水功能區的水質狀況都是達標的， 所以2012—2015 年白石水庫兩種水質評價方法評價結果存在差異。 均值法評價的結果較頻率法評價結果較寬松， 評價結果的水質達標率較高。

表2 白石水庫逐月水質類別與頻次法達標率Table 2 Monthly water quality category and frequency reaching rate of Baishi Reservoir

表3 白石水庫年均值水質評價結果Table 3 Annual average water quality evaluation results of Baishi Reservoir

應用白石水庫相同的評價方法和評價指標，對大凌河流域2012—2015 年其它監測斷面的逐月水質監測數據進行水質評價， 評價結果如4 表所示。

表4 大凌河流域各監測站年均值法與頻次法達標情況Table 4 Annual average value method and frequency method of monitoring stations in Daling River Basin

表4 中為大凌河流域10 個水功能區48 個站年的水質評價結果。 由表4 可知， 白石水庫2012—2015年兩種方法水質評價結果為均值法評價全部達標， 頻次法均不達標； 東關2011—2015 年兩種方法水質評價結果為均值法和頻次法評價均不達標， 二者相同；宮山嘴水庫2011—2015 年兩種方法水質評價結果為均值法2014 年為達標， 其它年份不達標， 頻次法評價均為不達標； 建凌橋2011—2015 年兩種方法水質評價結果為均值法均達標， 頻次法評價全2015 年為達標， 其它年份均不達標； 坤頭營子2011—2015 年兩種方法水質評價結果為均值法和頻次法評價均不達標， 二者相同； 十家子河入河口2011—2015 年兩種方法水質評價結果為均值法和頻次法評價結果相同，均為2015 年達標， 其它年份不達標； 四家子2011—2015 年兩種方法水質評價結果為均值法和頻次法評價均不達標， 二者相同； 閻王鼻子水庫2011—2015 年兩種方法水質評價結果為均值法均達標， 頻次法評價均不達標； 岳家街2011—2015 年兩種方法水質評價結果為均值法和頻次法評價均不達標， 二者相同； 白石斷面2011—2015 年兩種方法水質評價結果為均值法評價全部達標， 頻次法均不達標。 大凌河流域地表水水質狀況總體較差， 僅白石水庫、 建凌橋、 閻王鼻子水庫、 白石斷面為達標， 其余均為不達標。

對比頻次法和均值法評價結果， 按《地表水資源質量評價技術規程》 里“達標率大于（含等于） 80%的水功能區為水期或年度達標水功能區” 的標準來看， 頻次法與均值法達標評價結果相同的有30 站年，而評價結果有差異的為18 站年， 即兩種水質評價方法的評價結果有差別的占總數的37%， 且差別都是均值法是達標的， 而頻次法沒有達標。 所以從大凌河流域的10 個水功能區的評價成果來看， 頻次法與均值法的評價結果是存在差異的， 主要差異是年均法評價成果達標， 但是頻次法評價結果不達標， 所以大凌河流域水功能區水質評價的結果與理論分析是一致的，采用均值法時各水質指標的評價等級由均值決定， 這種“均化” 忽略了較高的水質濃度的作用， 而在頻次法中較高的水質指標的濃度是評價水質級別的決定性因素， 所以大凌河兩種水質評價方法的結果也證明了“均值法” 的評價結果達標率比“頻次法” 的評價結果較寬松， 評價出來的水質較優。

3 結 論

論文針對水功能區水質達標率考核中采用的平均值法和頻次法兩種評價方法， 從理論上推導了兩種評價方法的差異， 并應用大凌河的實測數據驗證了理論推導的正確性， 通過研究得出以下結論。

（1） 大凌河流域地表水水質狀況總體較差， 僅白石水庫、 建凌橋、 閻王鼻子水庫、 白石斷面為達標，其余均為不達標。

（2） 大凌河流域監測斷面水質評價結果， 兩種方法差異率達到37.5%， 均值法忽略了指標中的高值的貢獻， 評價結果達標率比頻次法的評價結果較寬松，評價出來的水質傾向于較好的水質。

（3） 在進行水功能區水質狀況評價時， 應注明采用的指標及監測數據的頻次， 應綜合考慮區域污染源和水質變化特點， 綜合選擇較為合適的評價方法。