地表水環境質量排名方法研究
——以青島市為例

趙 璐魏志強張 烜劉岳峰

(1、山東省青島生態環境監測中心,山東 青島260003 2、青島市生態環境局市南分局,山東 青島266003 3、青島市環境保護科學研究院,山東 青島260003)

目前國內各省市逐步開展地表水環境質量排名工作及探討,現有排名辦法及探討可大致分為三類,一是城市水質指數法[4-6],二是綜合指數法[7],三是水質類別權重指數法[8]等其它[9]。本文采用城市水質指數法、水質類別權重指數法和改進的綜合指數法三種方法對青島市部分區域主要河流斷面水質指數進行計算,分析不同方法的優缺點,為區域地表水環境質量排名工作提供一定參考。

1 研究方法

1.1 城市水質指數法

依照《城市地表水環境質量排名技術規定(試行)》,地表水環境綜合排名情況基于城市水質指數法,區域水質指數CWQI區域由河流水質指數CWQI河流和湖庫水質指數CWQI湖庫按斷面數加權計算得出。區域地表水環境質量狀況排名按照區域水質指數從小到大的順序進行排名,排名越靠前說明地表水環境質量狀況越好。

1.2 水質類別權重指數法

對各區域斷面水質類別進行權重賦值:ⅠⅡ類水質斷面指數為1,Ⅲ類水質斷面指數為0.8 ,Ⅳ類水質斷面水質指數為0.6 ,Ⅴ類水質斷面指數為0.4,劣Ⅴ類水質斷面指數為0。水質類別權重指數為各區域所有斷面指數和與區域斷面總數的比值。按照水質類別權重指數從大到小進行排名,排名越靠前說明地表水環境質量狀況越好。

1.3 改進的綜合指數法

本文采用的綜合指數法,根據青島水環境特點,采用青島市往年地表水中高頻超標項目化學需氧量、高錳酸鉀指數、五日生化需氧量、氨氮、總磷、石油類和氟化物等7項指標參與綜合指數計算,并按河流湖庫斷面加權計算得出最終指數。該方法計算原理、過程和排名方式與水質指數法大致相同(詳見1.1)。

2 研究區域及特點

青島市地處山東半島東南部海濱丘陵地區,東、南瀕臨黃海,東北與煙臺市毗鄰,西與濰坊市相連,西南與日照市接壤。轄七區三市,總面積11293平方公里。本文選取青島市部分區域的重點地表河流/湖庫斷面為例,其中河流斷面占64.9 %,湖庫斷面占35.1 %,各區域斷面數量在2～20個之間不等,其中部分斷面為跨區域斷面,E、F、H區域斷面數量較多,I、D、C區域斷面數量較少。

3 結果

本文選取2020年青島市重點地表水體斷面年均值監測數據參與計算,按照三種方法對各區域水質情況進行核算,數據來源于《青島市環境質量報告書》(2016-2020年度)。

3.1 結果及排名情況

根據計算結果,最終指數值及排名如表1所示。其中,城市水質指數法和改進的綜合指數法按指數值從小到大排名,指數越小水質越好；權重指數按從大到小排名,數值越大水質越好。

表1 三種排名方法統計結果及排名情況

從統計結果來看,水質較好的前三名為A、B和C,二、三名水質指數及綜合指數法一致,并與類別權重法略有區別；水質較差前三名為J、I和H,三種方法排名大致相同。而三種指數方法排名與Ⅲ類以上水質比例排名略有區別,比如B區域三種指數法排名在第2、3位,而Ⅲ類以上比例排在第4位,原因或在于該區域超Ⅲ類斷面的超標指標較少,或相關超標指標的超標倍數較低。

3.2 指數差值分析

城市水質指數法統計區域指數范圍在4.66 ～8.42 之間,改進的綜合指數法指數在3.05 ～6.82 之間,水質類別權重法在0.42 ～0.84 之間。從三種方法的極差值來看,城市水質指數法和改進的綜合指數法極差值為3.76 和3.77 ,說明21項指標中產生斷面間水質差異的項目主要為上述化學需氧量等7項,其它14項指標對斷面間水質差異影響較小；水質類別權重法極差值為0.42,相對于其它兩種指數法范圍較小,斷面間水質差異較小,或造成相關斷面和區域排名結果相近。

3.3 相關性分析

用SPSS軟件將區域內斷流斷面數、河流斷面數、湖庫斷面數、三種方法指數結果以及Ⅲ類以上斷面比例及劣Ⅴ類斷面比例進行相關性分析,相關系數r范圍-1～1,絕對值越大,相關性越強,絕對值越接近于0,相關性越弱[10]。相關性分析結果顯示,三種方法與Ⅲ類以上比例之間的相關關系系數值均呈現出0.01 水平的顯著性,具體來看,城市水質指數、改進的綜合指數法與Ⅲ類以上比例的相關系數值為分別為-0.953 和-0.958 ,說明城市水質指數、改進的綜合指數法分別與Ⅲ類以上比例之間有著顯著的負相關關系；水質類別權重指數法和Ⅲ類以上比例的相關系數值為0.952,說明水質類別權重指數法和Ⅲ類以上比例之間有著顯著的正相關關系,另外,河流斷面數與劣Ⅴ類斷面比例也較為顯著,相關系數也達到了0.775,說明河流斷面的數量和劣Ⅴ類斷面比例有著較顯著的正相關關系,原因在于該市劣Ⅴ類水體多出現在河流斷面中。三種方法之間的相關性也較為顯著,其它項目兩兩相關性不顯著。

用SPSS軟件將三種方法統計指數值與各區(市)Ⅲ類以上斷面比例做線性回歸相關性分析,回歸方程顯著性檢驗采用F檢驗,顯著性檢驗水平α=0.01 ,P<0.01 為分析參數有統計學意義[11]。統計結果如表2所示,三種方法與Ⅲ類以上斷面比例相關性較好,水質指數法呈線性負相關,水質類別權重法呈線性正相關。且改進的綜合指數法R2最高,相關性檢驗結果相對其他兩種方法較好。

表2 三種方法與Ⅲ類以上斷面比例線性回歸分析

4 討論

上述三種方法水質指數結果與該區域內斷流斷面數,河流、湖庫斷面個數等相關性不顯著,與Ⅲ類以上水質比例等有較顯著的相關性,能較好的反映現階段青島市水質狀況及區域水質差異,需針對青島市水環境特點選擇更適合的排名方法,現對三種方法的優缺點進行進一步討論如下:

4.1 城市水質指數法

城市水質指數法的優勢在于:一是評價指標全面,根據現階段國家采測分離監測的全部21項指標參與評價,充分利用了每個監測指標對水質的貢獻；二是淡化了標準值硬杠桿對水質定性評價的影響,比如水質指數為8.42 和8.07 排在最后兩位的J、I區域,Ⅲ類以上比例排名正好相反,原因在于I區域斷面較少,Ⅲ類及以上斷面及劣Ⅴ類斷面均為0,而J區域雖Ⅲ類以上斷面比例為9.1 %,但劣Ⅴ類斷面比例達到18.2 %,較差水質斷面濃度水平拉低了水質指數,排到了最后一名,該方法強調了絕對水質的優劣,淡化了水質類別硬杠桿衡量；三是強調了區域水質共同影響的概念,水質稟賦好的區域水環境質量相對較好,比如A區域,Ⅲ類以上斷面比例最高,水質指數排名也在首位；水質較好和較差的斷面,通過斷面數量的加權均會將影響放大。不足之處在于,對于青島市水環境現狀,多數指標常年未檢出或痕量檢出,同樣計算在水質指數里面,凸顯不出主要污染指標對水質的影響,自然稟賦好的區域就算某項指標超標對最終得出的水質指數影響不大。

4.2 水質類別權重指數法

水質類別權重指數法的優勢是強化了水質類別對水質的影響因素,將水質類別量化統計,更簡單明了的區分水質差異。不足之處在于指數值較依賴水質類別評價結果,無法衡量相同水質類別內的水質差異,與Ⅲ類以上斷面比例的相關性也略低于其它兩種方法。該方法統計指數區域極差值0.42 ,較之另外兩種方法均小出近一個數量級,并且區域間最小差值為0.01 ,在水環境管理不斷深入,水質漸趨穩定向好的大環境下,斷面及區域間指數差異越來越小,難以區分同相似水質狀態下的水質差異。

4.3 改進的綜合指數法

改進的綜合指數法的優勢與城市水質指數法類似,創新點在于優選了區域水質的主要指標參與統計,更有針對性的反映主要水質問題,從極差值來看,各項指標對指數的貢獻主要在于優選的7項指標；從與Ⅲ類以上斷面比例相關性來看,較之其它兩種方法顯著性略高,更加科學有效的服務水環境管理。該方法的不足之處在于因為參評項目較少,其它項目若有突變則無法兼顧,需與單因子評價結合反映水質狀況。

5 結論

綜上所述,城市水質指數法充分利用了每個監測指標對水質狀況的影響,全面反映斷面間水質差異,強調絕對水質優劣,但多數指標常年未檢出或痕量檢出,導致重點超標因子對結果的貢獻不夠突出,自然稟賦好的斷面若有個別項目超標對總體水質指數影響較小。水質類別權重法將水質類別評價附以權重定量化的反映區域間水質差異,但在水污染防治工作不斷深入的大環境下,斷面及區域間指數差異越來越小,難以區分相似水質類別的斷面水質差異。而改進的綜合指數法,優選青島市地表水環境中高頻超標項目參與核算,簡化了水質指標,更有針對性的比較斷面間、區域間水質差異,最終統計結果與三類水質比例有較好的相關性,建議以單因子評價法與改進的綜合指數法排名相結合,先通過單因子評價法過篩重點超標因子,再用改進的綜合指數法進行區域排名,進而明確水環境現狀和區域水質差異,為下一步水污染治理提供技術支撐。