地表水環境質量指數的定量分級及其適用性

裴曉龍, 丁 強, 楊玉珍, 彭功平, 楊 瑾, 王一博

(1.陜西省環境監測中心站 水環境監測室, 陜西 西安 710054； 2.力合科技(湖南)股份有限公司， 湖南 長沙 410205)

水質評價是水質管理工作的重要基礎，水質評價結果不僅需提供水質類別、主要污染指標，更應準確反映水質的時空變化情況，這就要求所采用的評價方法能夠準確地將水質狀況進行量化。同時，一種水質評價方法要想在環境管理中被廣泛應用，除了科學性和準確性外，還必須具備計算簡單，便于掌握和易于認知的特點，另外最好能夠同時解決定性和定量評價的統一[1]。

目前國內外主要使用的地表水環境質量評價方法主要有單因子評價法、綜合污染指數法、灰色評價法、主成分分析法、模糊評價法等[2]。而中國地表水環境質量評價辦法中使用單因子評價法做水質的定性評價，用綜合污染指數法做定量的趨勢分析，沒有給出能同時完成定性和定量分析評價的方法。

如果從事水環境質量評價方面時間較長，肯定會面臨以下幾個問題：①兩個斷面都是Ⅲ類，都可以定性評價為水質良好，怎么對比兩個斷面的水質優劣呢？②兩條河流Ⅰ—Ⅲ類斷面比例分別是65%，70%，劣Ⅴ類斷面比例分別為10%，13%，按照評價辦法兩條河流均定性評價為輕度污染，如何對比兩條河流的水質優劣呢？③兩個區域地表水Ⅰ—Ⅲ類斷面比例與劣Ⅴ類斷面比例之和差異不大，這時候又如何進行區域地表水環境質量的比較呢？以上幾個問題在2011年印發的《地表水環境質量評價辦法(試行)》中都不能很好解決。

使用無量綱指數[3]對實測數據進行統計定量分級，同時研究對應的評價描述可以解決上述的問題。通過對陜西省地表水監測網2015年至今的1.83×105余個監測數據進行統計分析，得到一套適用于我省的地表水環境質量指數(簡稱地表水質指數或SWQI)指數分級標準，并從斷面、河流、區域等多個層次做了大量的數據驗證。驗證結果表明：用統計的方法得到SWQI定性評價Ⅰ—Ⅵ級閾值(≤3.5,≤5,≤6.5,≤8,≤10,>10)，與現行地表水環境質量評價辦法具有良好的一致性，可以應用于陜西省地表水環境質量現狀及趨勢評價。另外SWQI指數可以實現地表水環境質量定性評價與定量評價的統一，簡化地表水環境質量評價過程，減小公眾對水質評價的認知難度，可以實現如同空氣質量指數AQI一般的功效，比現行地表水環境質量評價辦法在趨勢分析、變化程度描述等方面具有明顯的優勢，甚至具有不可替代性。目前，國內期刊及出版物中相關研究成果很少涉及。

本文從實際工作中遇到的幾個問題出發，通過數據分析得到結論，并進行了適用性驗證，以期在地表水環境質量評價方法的研究上做出探索，為環境管理提供技術方法和應用數據支撐。

1 思路及方法

1.1 研究思路

本研究從地表水環境質量評價實際工作中遇到的幾個典型問題出發，歸納總結了問題的表現形式，提出問題的解決思路，然后經過數據收集整理，使用數理統計方法，得到具有適用性的統計結果，并從監測斷面、河流(流域)及區域(地市)等3個層次進行數據驗證，并分析了影響因素(見圖1)。

圖1 SWQI定量分級和驗證性研究思路

1.2 研究方法

地表水環境質量指數[4](surface water quality index)可簡稱地表水質指數(SWQI)，計算采用《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)[5]表1中除水溫、糞大腸菌群和總氮以外的21項指標，包括：pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數、生化需氧量、氨氮、石油類、揮發酚、汞、鉛、總磷、化學需氧量、銅、鋅、氟化物、硒、砷、鎘、鉻(六價)、氰化物、陰離子表面活性劑和硫化物。

先計算出所有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，再綜合計算出斷面水質指數SWQI。低于檢出限的指標項，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。

行業全要素生產率與兩化融合呈現顯著正相關關系，兩化融合發展為行業技術進步奠定了堅實的基礎。假設檢驗結果表明，行業兩化融合發展水平與其全要素生產率整體呈現出顯著的正相關關系，分行業看，機械、紡織、輕工、交通設備、石化、電子信息和建材等7個重點行業的兩化融合發展水平與其全要素生產率之間也同樣呈現顯著的正相關關系(如圖7)，說明我國兩化融合的深入推進能夠有效促進行業技術進步發展重點的全面落實，為行業技術進步和創新發展奠定了堅實基礎。

(1) 單項指標的水質指數。單項指標的水質指數是指監測斷面某單項監測指標濃度的算術平均值與該指標對應的地表水Ⅲ類標準限值的比值。除溶解氧、pH值兩項指標外，計算單項指標的水質指數如公式(1)所示：

(1)

式中：C(i)為第i個水質指標的濃度值；Cs(i)為第i個水質指標地表水Ⅲ類標準限值； SWQI(i)為第i個水質指標的水質指數。下同。

溶解氧計算方法如公式(2)，pH值計算方法如公式(3)—(4)：

(2)

式中：C(DO)為溶解氧的濃度值；Cs(DO)為溶解氧的地表水Ⅲ類標準限值； SWQI(DO)為溶解氧的水質指數。

(3)

(4)

式中：pHsd為GB3838-2002中pH值的下限值； pHsu為GB3838-2002中pH值的上限值； SWQI(pH)為pH的水質指數。

根據各單項指標的SWQI，取其加和值即為斷面的SWQI，計算如式(5)所示：

(5)

式中：SWQI斷面為斷面水質指數； SWQI(i)為第i個水質指標的水質指數；n為水質指標個數。

(2) 河流(流域)水質指數取該河流(流域)內所有斷面水質指數SWQI的算術平均值，計算如公式(6)所示：

(6)

式中：SWQI河流為河流水質指數； SWQI斷面(i)為第i個監測斷面的水質指數；n為該河流上監測斷面總數。

(3) 區域水質指數取該區域內所有監測斷面水質指數SWQI的算術平均值，計算如式(7)所示：

(7)

式中：SWQI區域為區域水質指數； SWQI斷面(i)為區域內第i個監測斷面的水質指數；n為該區域內監測斷面總數。

2 統計結果與對比分析

基于統計樣本數量的代表性和數據計算量等方面的考慮，選取2015—2019年陜西省國、省、市控監測斷面共計1.83×105個數據，覆蓋了陜西省十市一區的107條河流。通過對SWQI指數的數學統計和散點分布分析(見圖2)，可以得到3點結論：①SWQI指數超過20的污染非常嚴重斷面是少數，只占不足1%；②SWQI指數在2.5～8區間聚集度非常高，占比超過78.7%；③樣本序號是以時間順序排列，序列靠后的樣本SWQI指數越收斂，且低值區域樣本越密集，也宏觀反映了全省地表水環境質量的改善情況。

圖2 2015-2019年陜西省十市一區SWQI樣本散點分布

為了能夠對SWQI指數進行分級，形成定性評價，我們以數據統計結果為基礎，得到SWQI指數區間與水質綜合類別的關聯矩陣(見表1)。

表1 SWQI指數各區間樣本數與水質綜合類別的關聯矩陣

關聯矩陣顯示：①結合SWQI指數各區間樣本數分布圖，各水質類別中，SWQI指數各區間樣本個數均呈現正態分布(Ⅰ類和劣Ⅴ呈現半正態分布)，且收斂區間較小，特別是Ⅲ類水質的SWQI指數近似服從N(5.73，1.04)的正態分布；②Ⅰ—Ⅱ類樣本數量與SWQI指數不大于5的樣本數量偏差率為0.95%，說明水質類別評價為優的樣本可以用SWQI指數不大于5來做數學替換，這一點也與現行的地表水環境質量評價辦法中Ⅰ—Ⅱ類水質統稱為水質優一致；③Ⅳ，Ⅴ類樣本數量與SWQI指數6.5～10的樣本數量偏差率為1.12%，說明水質類別評價為輕度及中度污染的樣本可以用SWQI指數6.5～10來做數學替換；④劣Ⅴ類樣本數量與SWQI指數大于10的樣本數量偏差率為5.38%，說明水質類別評價為重度污染的樣本基本可以用SWQI指數大于10來做數學替換(見圖3)。

圖3 SWQI指數各區間樣本數分布趨勢

基于上述分析，為了與現行的地表水環境質量標準中的水質類別對應統一，同時參考空氣質量指數相關定義，將SWQI指數分級的閾值定義如表2所示。

表2 SWQI指數分級閾值及對應的定性評價

3 數據驗證和影響因素

為了驗證SWQI指數分級閾值及對應的定性評價結論，筆者設計了斷面、河流和區域等3個不同層次的驗證，來全面評估SWQI指數在定性和定量評價上的穩定性和適用性。

3.1 斷面水質驗證

為了減小系統誤差，選擇2019年陜西省國、省、市控斷面的1 658組數據做驗證(見表3)。結果顯示：Ⅰ—Ⅱ類樣本數量與SWQI指數Ⅰ—Ⅱ級的樣本數量偏差率為2.9%；Ⅲ類樣本數量與SWQI指數Ⅲ級樣本數量偏差率為0.1%；Ⅳ類樣本數量與SWQI指數Ⅳ級的樣本數量偏差率為11.4%；Ⅴ類樣本數量與SWQI指數Ⅴ級的樣本數量偏差率為6.2%；劣Ⅴ類樣本數量與SWQI指數Ⅵ級的樣本數量偏差率為11.5%。在斷面層次，SWQI指數分級評價與現行地表水環境質量評價辦法的一致性良好。

表3 2019年SWQI指數各區間樣本數與水質綜合類別的驗證矩陣

3.2 河流水質驗證

現行的地表水環境質量評價辦法中，是以涵蓋斷面數量是否少于5個來使用不同方法確定河流的水質狀況：當斷面數量少于5個時，取斷面各指標的算術平均值，然后按照斷面的類別對應的水質狀況來作為該河流的水質狀況；當斷面數量多于5個(含5個)時，按照所有斷面中Ⅰ—Ⅲ類及劣Ⅴ類斷面的比例關系(即通常所說的優Ⅲ劣Ⅴ比例法)來確定該河流的水質狀況。SWQI指數的話，則不需如此繁瑣，直接計算河流涵蓋所有斷面的SWQI指數的算術平均值。

考慮到陜西省特殊的地理分布，陜南、關中、陜北等3個區域的河流各具特點，因此分別選擇了渭河、漢江、延河3條具有地域代表性的河流，并分別選擇2，5，9月作為枯水期、平水期、豐水期的代表月份，進行河流SWQI指數分級評價與現行地表水環境質量評價辦法的一致性驗證(結果見表4)。

表4 渭河、漢江、延河3條河流SWQI指數評價與水質類別比例法的對比驗證

結果顯示：①SWQI指數評價法與現行地表水環境質量評價辦法中水質類別比例法在漢江、延河兩條河流不同水期代表月份的評價結果完全一致，并且SWQI指數評價法可以直觀的反映出不同月份水質狀況的變化；②平水期的渭河使用SWQI指數評價法與水質類別比例法的結果一致，在枯水期和豐水期評價均高于水質類別比例法的評價結果。經過進一步的挖掘分析，枯水期渭河SWQI指數6.4137已經非常接近輕度污染的閾值下限6.5，處于輕度污染的灰色區域(鄧聚龍教授的灰色系統理論[6])。豐水期的優Ⅲ比例已經達到89.5%，已經非常接近水質優的閾值下限90%，處于水質優的灰色地帶，且灰度值非常高。SWQI指數分級評價與現行地表水環境質量評價辦法在河流層次呈現高度一致的評價結果。

3.3 區域水質驗證

現行的地表水環境質量評價辦法中，區域地表水環境質量與河流水質狀況的評價一致，不在贅述。在關中、陜南、陜北選擇咸陽、安康、延安3個地市，并選擇2，5，9月作為枯水期、平水期、豐水期的代表月份，進行區域(地市)SWQI指數分級評價與現行地表水環境質量評價辦法的一致性驗證(見表5)。

表5 咸陽、安康、延安3市SWQI指數評價與水質類別比例法的對比驗證

結果顯示：①SWQI指數評價法與水質類別比例法在安康市不同水期代表月份的評價結果完全一致，并且SWQI指數評價法可以直觀的反映出安康市不同月份水質狀況的細微變化；②豐水期的咸陽市SWQI指數評價法與水質類別比例法一致，平水期基本一致，枯水期略有差異(相差一個評價級別)；③枯水期、豐水期的延安市SWQI指數評價法與水質類別比例法一致，平水期有差異(相差一個評價級別)。綜上，SWQI指數分級評價與現行地表水環境質量評價辦法在區域(地市)層次的呈現基本一致的評價結果。

3.4 影響因素分析

3.4.1 評價標準的影響 地表水環境質量標準GB3838-2002是在2002年發布的，標準中對部分常規項目的分類不夠細(Ⅰ,Ⅱ類標準值相同的項目有11個，Ⅱ,Ⅲ類標準值相同的項目有9個，Ⅲ,Ⅵ類標準值相同的項目有5個)，跨類別同標的情況導致單因子評價時水質類別會出現跳躍式變化。例如：由于陰離子表面活性劑的Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ類標準均為0.2 mg/L，如果陰離子表面活性劑2個實測值為0.19,0.21 mg/L，用單因子評價則分別為Ⅰ類和Ⅳ類，類別差異巨大，反映被評價水體狀況明顯變化；而用SWQI指數評價是，單項分指數分別為0.95和1.05，差異很小。這也反映出單因子評價存在自身難以解決的問題。

3.4.2 評價方法統計基礎的影響 SWQI指數評價法是一種均權量化評價法，因而SWQI指數反應的是水質各項污染物質濃度水平的數學概化。現行地表水環境質量評價辦法是一種極值評價法，只關注到污染最重的指標，忽略或者弱化了其他指標的影響[7]。

3.4.3 地區差異帶來的影響 SWQI指數評價法定量分級的閾值是使用數理統計方法得到的，因此在數據區間的高值區和低值區都會存在擾動。而由于陜西省地理上差異，陜南、關中、陜北3個地理區域的地表水環境現狀有明顯不同的特點，對SWQI指數評價法的穩定性和適應性提出了很高的要求。

4 結 論

(1) 從監測數據出發，用數理統計方法得到SWQI定性評價Ⅰ—Ⅵ級閾值(≤3.5,≤5,≤6.5,≤8,≤10,>10)，經過斷面、河流、區域等3個層次的數據驗證，在不同水期、不同地理區域上均顯示了與現行地表水環境質量評價辦法良好的一致性。

(2) 在SWQI分級評價的基礎上，地表水環境質量指數SWQI可以實現地表水環境質量定性評價與定量評價的統一，簡化地表水環境質量評價過程，普及公眾對水質評價的認知度，實現如同空氣質量指數AQI一般的功效。