水質級別指數法在水質評價和預警方面的應用
——以桂南沿海地區地表水評價為例

鄧 建 明

(廣西沿海水文中心，廣西 欽州 535000)

在最嚴格水資源管理制度深入實施、河長制工作全面推行的當下，地方黨委政府和河長被層層壓實了轄區河湖管控的主體責任。作為河湖管控效果的情報渠道和考核依據，水質監測評價工作愈發受到重視[1]。如何將監測數據反映的河湖健康狀況有效地傳遞到黨政領導，協助他們及時做出正確的決策，是水資源環境監測工作者需要認真思考的問題。選用科學實用的評價方法，就顯得特別重要。

幾十年來，得到我國水資源環境保護工作者和研究人員廣泛關注和應用的水質評價方法主要有單因子評價法、綜合污染指數法和水質標識指數法。單因子評價法[2]實際上是一種定性標識法，直觀表明了水質類別，但無法開展連續定量分析，無法有效進行水質預警，也無法對劣Ⅴ類水體進行優劣判定。綜合污染指數(WPI)法實現了定量分析[3]，但無法判定水質類別，且對沒有明確管理目標的水域無法應用。水質標識指數法由徐祖信提出[4]，一定程度上結合了標識法和指數法的優點，既有標識內容又可定量分析，在清潩河流域[5]、鄱陽湖[6]、阜陽市主要河流[7]等水域水質評價中均得到較好應用，但該方法由于標識內容冗余，影響了連續性，且在接近水質類別上限時水質指數的計算和表示存在疑難，取均值的做法還會屏蔽掉嚴重污染指標的惡劣影響。

其他的水質評價方法也還有很多，如樊引琴等應用物元分析法對黃河水質進行評價[8]，龐振凌等[9]和李祥等[10]分別將層次分析法應用于南水北調中線水源區和上海淀山湖的水質評價，王晴晴等結合主成分分析法與熵值法對臺州市河網水質開展了評價[11]，夏凡等則采用主成分分析法對丹江口水庫16條入庫河流開展了評價并與單因子評價法、綜合污染指數法評價結果進行了對比分析[12]，王俊對灰色系統理論在原水水質預測與評價中的應用開展了研究[13]，姜莉莉等應用模糊數學評價法對青龍河水質現狀開展了評價[14]，薛建軍等則應用人工神經網絡進行了水質評價研究[15]。但這些方法由于計算復雜，且評價結果與國家法定標準往往存在一定差異，主要是高校和科研院所的專業研究者作了一些探索，而在支撐水質管控決策實踐過程中應用較少。

本文結合近年來在基層水文部門開展水功能區和跨行政區界斷面水質監測評價的實踐經歷，在參考單因子評價法、污染指數法和標識指數法等經典方法優點的基礎上，改進設計了水質級別指數法，在桂南沿海地區水質評價、預警和水質月(專)報編報過程中得到了較好應用。該方法簡便易行，具有一定推廣價值，對做好新時代水質評價和預警工作，服務好當地主管部門和河長，有一定積極意義。

1 經典水質評價方法概述

在我國，單因子評價法、綜合污染指數法和水質標識指數法等3種經典水質評價方法，在政府水資源環境監測和管理部門得到廣泛應用。各種水質評價方法，歸根結底是對水質監測結果的解釋，使得單調、抽象的數據變得形象、可讀。無論應用何種評價方法，評價成果皆是水質濃度的反映。因此，評價成果(Y)是監測分析所得水質濃度(C)的一個函數，即：

Y=f(C)

(1)

1.1 單因子評價法

單因子評價法是GB3838 2002《地表水環境質量標準》規定的方法[2]，以各監測指標所屬最差類別作為水質類別。

WL=max(WLi)

(2)

式中：WLi為第i項指標的水質類別。

WLi是一個對應第i項指標的分段單值函數，以高錳酸鹽指數為例，計算公式如下：

(3)

水質類別與水質指標濃度的對應關系參見圖1。由圖1可見，單因子評價法分段定性描述了水質狀況，直觀簡單，便于行政主管部門、非專業黨政領導和公眾理解，在我國水資源環境日常管理中得到了廣泛的應用。但其缺點也顯而易見：① 無法定量，在同一類別內無法區分水質優劣，對于劣于Ⅴ類水體的評價缺陷較大。例如高錳酸鹽指數濃度分別為160 mg/L和16 mg/L的水體受污染狀況顯然差距很大，但單因子評價法皆評價為劣Ⅴ類水，不能判別二者的污染程度。② 不連續，分段間存在突變點，不適用于水質預警工作。例如，管理目標為Ⅲ類的水域，高錳酸鹽指數監測值為6 mg/L時，依然評價為Ⅲ類達標水體，而實際上高錳酸鹽指數濃度若再增加一點就超標了，單因子評價法無法及時作出預警。

圖1 水質濃度與水質類別的關系示意Fig.1 Relations of water quality constituent concentrations to water quality level

1.2 綜合污染指數法

綜合污染指數法首先是將單項水質指標濃度與水域管理目標濃度限值相比，將指標濃度去量綱化得出單項污染指數。然后考慮各單項指標對水質的貢獻，通過算術平均、加權平均等得出一個綜合污染指數，來評價綜合水質達標情況和污染程度。如算術平均綜合污染指數計算公式為

(4)

式中：Ci為第i項指標的濃度值，Si為第i項指標的管理目標濃度限值，WPIi為第i項指標的污染指數，n為參與評價的水質指標個數。

可見，污染指數法就是將實測濃度與管理目標限值比大小，得出的污染指數WPI就是實測濃度與管理目標限值的倍數關系，若WPI>1，表明超標，WPI越大表明污染越嚴重。該方法的缺點是無法表明主管部門和公眾已經廣泛接受的水質類別方面信息，且對沒有明確管理目標的水域不適用。

1.3 水質標識指數法

徐祖信提出了既能標識水質類別，又能一定程度上實現定量分析的水質標識指數法[4]。綜合水質標識指數結構為

WSI=X1.X2X3X4

(5)

式中：X1為綜合水質類別，X2為綜合水質在X1類水質變化區間內所處位置，X3為超過水域管理目標限值的水質指標個數；X4為綜合水質類別與管理目標類別的比較結果。

其中：

(6)

式中：WSIi為第i項水質指標的單因子標識指數，X1i為第i項指標水質類別，X2為第i項指標在X1i類水質變化區間內所處位置，n為參與評價的水質指標個數。

由于綜合水質類別取n個水質指標的平均值，非污染因子會拉平水質類別，造成評價結果與依據國家標準得出的評價結果不一致，屏蔽嚴重污染指標的惡劣影響。對于一般情況下都有特定污染物的突發性水污染事件，如龍江鎘污染事件、賀江鎘鉈污染事件等，取平均值的做法是不可取的。

另外，由于X3，X4不過是文本標識內容的數字表示，本質還是文本標記，并沒有數學邏輯上的定量和連續意義。依此方法還可以在后面加X5，X6甚至更多以標識想表達的內容，不過是將文本標識內容數字化復雜化，造成信息冗余，難以直觀認知。

張濤等[16]在對太湖流域開展水質評價研究時，提出如下經修正的水質標識指數計算公式

WSI=X1.X2(X3)

(7)

式中：X1、X2同前，X3為首要污染因子對應的指標項，直接將該指標名稱標識在括號內。

式(7)相對式(5)減少了標識位數，且直接改用文字來標識想表達的內容，這也使得定量和連續性受到更大損害，在進行數值比較和數值處理時需要再次將文字標識內容(X3)一一去除。

綜上，單因子評價法、綜合污染指數法和水質標識指數法等得到廣泛應用的3種經典水質評價方法各有優缺點，這為改進設計新的評價方法提供了方向。

2 水質級別指數法

對于直接服務于主管部門、擔任河長的黨政領導和公眾的公益性事業監測機構來說，采用的水質評價方法應滿足以下要求：

(1) 符合國家標準要求，準確判定水質類別，并能識別主要污染因子；

(2) 可以實現不同時空尺度上的水質優劣的對比分析，以分析報告水質隨時間變化趨勢，和隨空間或流程的變化規律；

(3) 可以實現連續定量分析，從而開展水質預警預報服務；

(4) 可以對水質較差的劣Ⅴ類水體進行優劣判定，從而為評判突發性水污染事件應急處置、黑臭水體治理等過程中方法措施的有效性提供依據；

(5) 簡單實用，易于掌握和應用。

基于以上需求，在參考單因子評價法、污染指數法和標識指數法等經典方法優點的基礎上，改進設計了一種水質級別指數評價法。

2.1 水質級別指數函數方程

類同于其他評價方法，將水質級別指數(WLI)視作對應水質濃度(C)的函數，即有：

WLI=f(C)

(8)

對于第i項指標的水質級別指數，則相應有：

WLIi=f(Ci)

(9)

對應國家標準規定的評價規則，取參評指標水質級別指數最大值作為水體的最終水質級別指數：

WLI=max(WLIi)

(10)

函數的已知點為(CS，WL)，即國家標準規定的各水質類別的限值濃度CS及相應類別WL組成一個數據，例如對于高錳酸鹽指數來說，(0，0)，(2，1)，(4，2)，(6，3)，(10，4)和(15，5)等是已知的6個點。在已知點的基礎上，可以通過直線或曲線擬合的方式來求解函數。由2個點就可以確定一條直線，推薦采用分段直線擬合的方式，簡單易行。函數關系式確定后，就可以通過式(9)和式(10)計算或從圖中讀取所監測水樣的水質級別指數(WLI)值。如圖2(a)和圖2(b)分別為高錳酸鹽指數、溶解氧濃度與水質級別指數的對應關系，可見，濃度為Cx的水樣，可對應讀取水質級別指數WLIx的值。

圖2 高錳酸鹽指數、溶解氧濃度與水質級別指數示意Fig.2 Relations of water quality constituent concentrations(CODMn and DO)to Water Quality Level Index(WLI)

2.2 水質級別指數直線方程求解

對于水質屬于Ⅰ～Ⅴ類的情況，6個已知點前后相接，可以確定Ⅰ～Ⅴ類水共5個區間段的水質級別指數(WLI)計算曲線。代入兩點式直線方程，有：

(WLIx-WL(m-1))/(WLm-WL(m-1))

=(Cx-C(m-1)，S)/(Cm，S-C(m-1)，S)

(11)

即：

WLIx=(WLm-WL(m-1))/[(Cm，S-C(m-1)，S)

×(Cx-C(m-1)，S)]+WL(m-1)

(12)

式中：Cx為水質指標的監測值，m指Cx濃度水所屬的水質類別序號，m-1為前一個水質類別序號，WL為相應水質類別，CS為相應水質類別的限值濃度。

對于劣Ⅴ類的情況，建議以每增加一個設定濃度Cd(Ⅲ類限值、Ⅴ類限值、或管理目標限值等)，水質級別指數(WLI)相應增加1的方式確定直線的斜率k，從而與已知的前端點一起求解水質級別指數(WLI)計算曲線，實現劣Ⅴ類情況下的延伸和連續定量評價。代入點斜式直線方程，有：

WLIx-WLV=k.(Cx-CV，S)

(13)

即：

WLIx=1/Cd.(Cx-CV，S)+5

(14)

式中：k為曲線斜率，WLV指Ⅴ類水質類別的阿拉伯數字表示(即為5)，CV，S為Ⅴ類水限值濃度，Cd為所選擇的設定濃度，其他符號同前。

2.3 水質級別指數與水質級別的關系

單因子評價確定水質級別的方法在時間序列上表現為，由水質級別間突變點分成多段，而水質級別指數(WLI)則實現了定量和連續化。如圖3所示，某水質斷面居于單因子評價得出的水質類別月間變化是跳躍式的，且當水質劣于Ⅴ類時難以科學表示(圖中以虛線示意)。顯然，實現了連續的水質級別指數(WLI)法更符合天然水體水質漸變的實際過程。通過其大小也可以直接判定水質級別，水質級別指數(WLI)與水質級別(WL)的關系見表1。

圖3 某斷面水質級別指數及水質級別的年內變化Fig.3 Annual variation of Water Quality Level Index and Water Quality Level at one site

表1 水質級別指數(WLI)與水質級別(WL)的關系Tab.1 Relations between Water Quality Level Index(WLI)and Water Quality Level(WL)

3 水質級別指數法在桂南沿海地區的應用

3.1 指標間比較分析與主要污染指標篩選

如圖4所示，從全年共12個月來看，南流江中游跨設區市界斷面馬口的水質指標污染嚴重程度為：總磷>氨氮>五日生化需氧量>高錳酸鹽指數>化學需氧量；而南流江下游入海口斷面欽北鐵路橋的水質指標污染嚴重程度為：總磷>五日生化需氧量>氨氮>高錳酸鹽指數>化學需氧量。馬口斷面超過Ⅲ類水質標準的主要污染指標有總磷、氨氮、五日生化需氧量，欽北鐵路橋斷面為總磷、五日生化需氧量。

圖4 主要污染指標篩選Fig.4 Sketch of main pollutants screening

3.2 水質隨時間變化的趨勢分析

3.2.1長時間序列上變化趨勢

圖5顯示的是20多年里欽江欽州市城區永福廣場斷面主要污染指標高錳酸鹽指數和氨氮的水質級別指數(WLI)變化情況。改革開放初期，經濟增長排在第一位，環境管制政策趨軟，圖5可見，20世紀90年代初該斷面水質嚴重超標。1989年，第三次全國環境保護會議提出環境保護三大政策和八項管理制度，1992年繼聯合國環境與發展會議之后，中國發布《環境與發展十大對策》，環境管制逐步規范化，圖5中顯示，斷面水質在1993年以后趨于好轉和穩定。速補發展課程始終是重要議題，經濟跨越式增長、城鎮快速擴張，而擴增環境承載能力的環境基礎設施未能及時匹配到位，導致欠發達地區的環境質量問題存在反復性。10余年后的2004年起，水質又再次惡化。

圖5 欽江欽州市城區永福廣場河段主要污染指標水質級別指數(WLI)變化情況Fig.5 Change of Water Quality Level Index of critical pollution indicators in a section of Qinjiang river

近年來在生態文明理念的指引下，在最嚴格的水資源環境管制政策的嚴格監管下，水質已經趨于穩定達標。這表明，水質級別指數法結合經濟社會發展數據、環境管制政策等，可以很好地應用于長時期內經濟社會發展與環境質量的關系分析。

3.2.2短時間序列上變化趨勢

如圖6所示，洪湖江庫中監控斷面在2017年汛后(4～9月為汛期)水質呈現逐月變差趨勢，雖然至2018年1月時水質還是Ⅲ類依然達標，但已經超出了設定的預警線(目標線的80%)，于是較為精準地發出了預警信息。可見，水質級別指數法可以及時快捷地分析并給出中短時間序列的水質趨勢，因而在水質預警方面也具有應用潛力。

圖6 WLI應用于水質預警分析實例Fig.6 Application of WLI in water quality early warning

3.3 水質隨空間或流程變異的情況分析

3.3.1同一河流的衰變規律分析

從圖7可見，南流江中下游欽州-北海河段第1～4季度水質皆超過管理目標存在污染現象，處于非汛期后半段的第1季度水質最差。第1，3，4季度水質隨河道徑流沿程而下皆有所好轉，說明河流自凈能力在發揮作用。而第2季度水質順流而下逐步惡化，應該是受到了初汛期地面徑流引入大量面源污染物質的影響。

圖7 南流江中下游河段各季度水質沿程變化趨勢分析Fig.7 Trends of water quality along the middle and lower reaches of the Nanliu River in different seasons

3.3.2主要污染河段篩選

如圖8所示，2017年初汛期欽州市主要河流水庫水質監測評價結果顯示，欽江的靈山縣城區河段(靈山)、欽州城區河段(欽州下)、入海口河段(橫豐)、南流江的跨界入境河段(馬口斷面)、馬江的浦北城區河段(西塘下)、茅嶺江的那蒙鎮河段(那蒙)等，為該市的主要受污染河段。

圖8 2017年初汛期欽州市監控河段水質情況Fig.8 Water quality of monitoring reaches of Qinzhou City at the beginning of the 2017 flood season

3.3.3不同地區間河流污染狀況對比分析

如圖9所示，從桂南沿海地區三大主要河流入海口2017年全年水質狀況比對來看，南流江污染最嚴重全年基本處于超標狀態；欽江也存在一定污染，旱季和初汛期水質容易超標；防城河所受污染相對較輕，全年水質基本達標。

圖9 桂南沿海地區3條主要入海河流入海口水質變化情況比較Fig.9 Comparison of water quality variations of the three main coastal rivers in southern Guangxi

3.4 劣Ⅴ類水體整治效果分析

由于單因子評價法無法對劣Ⅴ類水體進行優劣判定，在水污染應急處置、黑臭水體整治等情況下難以應用。圖10為欽州市欽北區水浸洞某塘壩污染死魚事件前期應急處置過程的水質級別指數變化過程。在近1個月的時間內，該塘壩水質皆劣于Ⅴ類，單因子評價法無法表明水質的優劣變化，無法評判污染應急處置措施的效果。但由圖10所示水質級別指數變化過程明顯可見，10 d左右時溶解氧開始好轉，17 d后氨氮和化學需氧量皆開始穩步下降。

圖10 MLI應用于劣Ⅴ類水體整治效果分析Fig.10 Application of MLI in the effect assessment of inferior-V water bodies remediation

4 結 論

(1) 單因子評價法是一種定性標識法，無法開展連續定量分析，無法對劣Ⅴ類水體進行優劣判定。綜合污染指數(WPI)法實現了定量分析，但無法判定水質類別，且對沒有明確管理目標的水域無法應用。水質標識指數法一定程度上結合了標識法和指數法的優點，既有標識內容又可定量分析，但標識內容冗余，影響了連續性，在接近類別上限時水質指數的計算和表示存在疑難，取均值的做法還會屏蔽掉嚴重污染指標的惡劣影響。本文提出和應用的水質級別指數法，明確標識了水質類別，同時可有效地開展連續定量分析。

(2) 在桂南沿海地區水質評價和預警工作的應用情況表明，水質級別指數法對水質指標濃度作了去量綱的標準化處理，真正實現了定量和連續化，可以有效地開展水質指標間對比分析、時間上變化趨勢分析和空間上變異情況分析。

(3) 水質級別指數法簡便易行，有助于快速、精準提煉水質評價和預警情報信息，以便及時報告當地主管部門和河長，具有一定推廣應用價值。