葫蘆島市沿海地區地表水評價

費卓越

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引 言

在全面推行河長制工作、深入實施最嚴格水資源管理制度的時代背景下，轄區河湖管控主體責任被河長和地方黨委政府層層壓實。水質監測評價作為考核河湖管控效果的依據以及情報渠道，越來越引起廣大學者的高度重視，如何有效地向黨政領導傳遞能夠反映河湖健康狀況的監測數據，為做出科學合理的決策提供支持，現已成為水環境監測工作者亟待解決的關鍵問題。因此，選擇科學合理的水質評價方法顯得特別重要。

近年來，水質標識指數法、綜合污染指數法、單因子評價法逐漸引起水資源研究人員和環境保護工作者的廣泛關注。其中，水質標識指數法有機結合了指數法與標識法的優點，既能定量分析又可標識內容，現已較好地應用于阜新市主要河流、潘陽湖、清潩河流域等水質評價，但該方法對于水質指數的表達與計算，特別是接近水質類別上限時具有較大的難度，加之其連續性差、標識內容冗余，取均值無法客觀的反映嚴重污染指標的貢獻率，所以使用時受到一定的限制；綜合污染指數雖然能夠定量的判別水環境狀況，但一般不適用于無明確管理目標的水域，也無法實現水質類別的判定；單因子評價法能夠直觀的表明水質類別，但無法判定劣Ⅴ類水體的優劣程度，也無法實現科學的水質預警和連續定量分析，多用于定性的水質分析。此外，還有很多方法也可用于水質評價，例如李詳等[1]以上海淀山湖和南水北調中線水源區為例，對其水質利用層次分析法進行了評價；樊引琴等[2]以黃河為例，對其水質狀況利用物元分析法做了評價；王晴晴等[3]以臺州市河網水系為例，將熵值法與主成分分析法相結合科學評價了河流水質；夏凡等[4]以丹江口16條入庫河流為例，采用主成分分析法評價了水質狀況，并對比分析了綜合污染指數法、單因子評價法與主成分法的評價結果；姜莉莉等[5]以青龍河為例，對其水質現狀利用模糊數學法進行了分析；王俊等[6]研究了原水水質評價與預測中灰色系統理論的適用性。然而，由于法定標準與評價結果存在差異，以及計算過程較復雜，這些方法較少應用于水質管控決策實踐領域，主要是研究所或高校的學者做了相應的探究。

文章結合跨行政區界斷面水質監測與基層水文部門水功能區評價的實踐經歷，借鑒標識指數法、污染指數法和單因子評價法等方法優點提出了改進的水質級別指數法，并將其應用于葫蘆島市水質月報編報、水質預警和評價等領域，驗證了該方法的可行性與適用性，對于服務好河長、當地主管部門和做好新時期水質預警評價工作具有積極意義。

1 水質評價方法

現階段，被廣泛應用于水資源管理和環境監測的水質評價方法有水質標識指數法、綜合污染指數法、單因子評價法。實質上，各種評價方法就是對水質監測結果的解釋，使得抽象、單調的數據變得更加可讀、形象，但是無論哪種方法的評價成果都是反映了水質濃度。所以，關于水質濃度(C)所構造的監測分析成果(Y)可表示成函數的形式，即：

Y=f(C)

(1)

1.1 單因子評價法

單因子評價法是標準規定的以各監測指標所屬最差類別為依據，從而確定水質類別的方法，其表達式為：

WL=max(WLi)

(2)

式中：WLi為水質指標i的分段單值函數，以CODMn為例，其分段單值函數為：

(3)

水質類別與水質濃度關系圖，見圖1。

圖1 水質類別與水質濃度關系圖

從圖1可知，能分段定性反映水質狀況的單因子評價法存在直觀簡單、便于公眾和行政主管單位理解的優點，并已廣泛應用于水環境管理。同時，該方法的缺點也比較突出：①無法定量反映同一類別內的水質優劣程度，評價劣Ⅴ類水體時具有較大的缺陷，如16mg/L和160mg/L高錳酸鹽指數濃度的水體，其受污染程度存在明顯的差距，但該方法均判定為劣Ⅴ類，無法準確區分兩者的差異；②分段間有突變點、不連續，對于有水質預警要求的適用性較差，如監測值為6mg/L的高錳酸鹽指數，對于Ⅲ類管理目標的水域其評價結果為Ⅲ類達標水體，而實際上濃度再增加一點就超標了，對此該方法無法給出預警。

1.2 綜合污染指數法

綜合污染指數法是通過對比水域管理目標濃度限制與單項水質指標濃度，經標準化處理各項指標值確定單項污染指數。然后采用加權平均、算術平均等方法按照單項指標的貢獻率，計算出1個能反映綜合污染程度和水質達標情況的綜合污染指數。一般地，可利用以下公式確定綜合污染指數，即：

(4)

式中：Si、Ci、WPIi為第i項指標的管理目標濃度限制、實測濃度值及污染指數；n為水質指標個數。由此可知，該方法就是比較管理目標限制與實測濃度的大小，實際計算出的污染指數WPI就是一個倍數值，WPI>1代表水質超標，其值越大則污染程度越高。該方法不適用于無管理目標的水域，并且無法表明能夠被廣大群眾和主管部門接受的水質類別信息。

1.3 水質標識指數法

水質標識指數法是一種既能定量分析，又能標識水質類別的方法，計算方法為：

WSI=X1·X2X3X4

(5)

(6)

式中：WSI、WSIi為綜合水質標識指數和水質指標i的單因子標識指數；X1、X1i為綜合水質類別和指標i的水質類別；X2、X2i為綜合水質處于X1類和指標i處于X1i類水質變化區間內的位置；X3、X4為超過水域管理目標限制的水質指標數以及管理目標類別與綜合水質類別的比較結果。

由于非污染因子會拉平以n個水質指標平均值確定的綜合水質類別，減少嚴重污染指標對水質的貢獻程度，并導致國家標準與評價結果出現差異的情況。因此，對于有特定污染物的突發性水污染事件取平均值的做法并不合理。此外，X3、X4實質上就是以數字的形式標識文本內容，這并不存在數學邏輯上的連續性與定量計算，按照該方式也可增加X5、X6及其它要表達的內容，僅僅是復雜化、數字化了文本標識內容，難以直觀認知且易形成信息冗余。

實際上只有X2這一小數位數起到定量連續的作用，并影響到評價的連續性，水質指數的計算與表示在遇到濃度接近水質類別上限時存在疑難。例如，氨氮濃度為接近Ⅲ類水上限濃度值1mg/L的0.98mg/L時，經計算有X1=3、X2=(0.98-0.5)/(1-0.5)=0.96，按以上分析則有X1·X2=3.96≈4.0，識別出的X1屬于Ⅳ類水質類別，很顯然這與實際情況不相符。有學者在研究太湖流域水質時提出了修正的計算公式，其表達式為：

WSI=X1·X2(X3)

(7)

式中：X3為對應于首要污染因子的指標項，在括號內直接標識出該項指標；其它字母含義同上。可見，與式(5)相比式(7)減少了標識位數，并對要表達的內容直接改用文字標識，這更大的損害了連續性與定量計算，在數值處理和數值比較過程中還需再次一一去除文字標識的內容(X3)。

綜上所述，被廣泛應用的水質標識指數法、綜合污染指數法和單因子評價法都各有優缺點，并為新型評價方法的改進與設計提供了思路。

2 水質級別指數法

對于公眾的公益性事業監測結構、擔任河長的黨政領導和直接服務于主管部門而言，應考慮以下要求優化改進水質評價方法：①符合標準要求，能夠識別主要污染因子及準確判定水質類別；②能夠對比分析多時空尺度上的水質優劣狀況，以揭示隨時間、空間或流域的水質變化規律；③實現連續定量分析以更好的服務于水質預警預報，準確判定劣Ⅴ類水體的優劣程度，為黑臭水體治理、突發性水污染事件應急處置及評判等提供有針對性的依據；④滿足操作簡單、實用性強、易于掌握等要求。文章結合以上要求，借鑒標識指數法、污染指數法和單因子評價法的優點，提出一種改進的水質級別指數法。

2.1 函數方程

與其它方法類似，結合水質濃度(C)構造水質級別指數(WLI)的函數方程：WLI=f(C)，則指標i的水質級別指數可利用公式WLIi=f(Ci)來確定；然后結合國家標準規定的評價規則確定水體的最終水質級別指數為所有參評指標的最大值，即：

WLI=maxf(WLIi)

(8)

函數的已知點為標準規定的水質類別WL及其所對應的限值濃度CS，即(CS，WL)，如高錳酸鹽指數有6個已知的點，即(15，5)、(10，4)、(6，3)、(4，2)、(2，1)、(0，0)。根據已知點可采取曲線或直線擬合的方式，對函數進行求解，對于2點確定一條直線的推薦選用分段直線擬合的方法，具有操作簡單的優點；在合理確定函數關系式的基礎上，可以從圖中讀取或利用公式(8)計算水樣水質級別指數(WLI)。水質級別指數與溶解氧濃度、高錳酸鹽指數的對應關系，水質級別指數關系圖，見圖2。所以濃度為Cx的水樣可讀取其水質級別指數WLIx值。

(a)COD Mn (b)DO

2.2 直線方程求解

針對6個已知點前后相接的Ⅰ-Ⅴ類水質情況，其確定的水質級別指數(WLI)曲線共有Ⅰ-Ⅴ類水5個區間段，輸入直線方程經一系列轉換計算則有：

WLIx=(WLm-WLm-1)/[(Cm,S-Cm-1,S)×(Cx-Cm-1,S)]+WLm-1

(9)

式中：Cx、CS為水質指標監測值和相應水質類別的限值濃度；WL為水質類別；m、m-1為Cx濃度水所屬的水質類別序號及其前一個水質類別序號。

對劣Ⅴ類水質建議每增加一個設定濃度Cd水質級別指數(WLI)相應增加1，按照該方式計算直線斜率k，由此以來就可以將水質級別指數(WLI)利用已知前端點一起求解，并實現劣Ⅴ類水質的定量連續評價與延伸，將其輸入點斜式方程可有：

WLIx=1/Cd·(Cx-CV,S)+5

(10)

式中：CV,S、C為Ⅴ類水限值濃度和所選擇的設定濃度，其它字母含義同上。

2.3 指數與級別關系

在時間序列上，確定水質級別的單因子評價法表現為水質級別間突變點分成多段，從而實現水質級別指數的連續化和定量化，年內水質畸變及水質級別指數變化，見圖3。

由圖3可知，采用單因子評價法確定的某斷面水質類別屬于跳躍式，并且難以科學表示劣于Ⅴ類的水質。顯然，能夠反映天然水體水質實際漸變過程的連續水質級別指數(WLI)法具有更強的適用性。根據其數值大小能夠實現水質級別的直接判定，水質級別(WL)與水質級別指數(WLI)之間的對應關系，WL與WLI的對應關系表，見表1。

圖3 年內水質畸變及水質級別指數變化

表1 WL與WLI的對應關系表

3 實例應用

3.1 主要污染指標

主要污染指標，見圖4。從月尺度上葫蘆島市近岸水域監測點位燈塔山東的水質指標污染程度為：化學需氧量<高錳酸鹽指數<5d生化需氧量<氨氮<總磷；而監測點位二河口的水質指標污染程度為；化學需氧量<高錳酸鹽指數<氨氮<5d生化需氧量<總磷。燈塔山東監測點位有5d生化需氧量、氨氮、總磷等污染指標超過Ⅲ類水質標準，二河口監測點位有5d生化需氧量、總磷等指標超過Ⅲ類水質標準。

(a)燈塔山東點位 (b)二河口點位

3.2 水質隨時間變化分析

3.2.1 短時間序列變化

2018年汛后，葫蘆島市近岸水域月亮灣點位的水質變化趨勢，水質預警分析實例，見圖5。從圖5可知，月尺度上該點位水質逐漸變差[7-8]，雖然2019年1月水質仍然符合Ⅲ類水要求，但已超出目標線的80%(預警線)，能夠精準地發出預警。因此，水質級別指數法可以揭示中短時間序列水質變化趨勢并及時快捷地做出分析，對于水質預警較強的適用性。

圖5 水質預警分析實例

3.2.2 長時間序列變化趨勢

近20a葫蘆島市近岸水域點位氨氮、高錳酸鹽指數的水質級別指數(WLI)的變化規律，近岸水域點位的水質級別指數(WLI)，見圖6。改革開放初期以經濟增長為首要任務，因此沿海地區的環境管制相對滯后，可見1990s初水質指標超標較為嚴重。隨后，環境保護八項管理制度和三大政策的提出加快了環境管制的規范化，這反映在1993年以后水質開始趨好穩定。此后，隨著城鎮的快速擴張及經濟的跨越式增長，加之未能及時匹配環境基礎設施，使得環境承載能力擴增有限以及環境質量問題的反彈，即2004年起水質再次出現惡化。

近年來，在最嚴格水資源管理政策的監管下以及生態文明理念的指引下水質已趨于穩定達標。將環境管制政策、經濟社會發展數據與水質級別指數法相結合，能夠較好地應用于環境質量與經濟社會發展的長序列關系的分析。

圖6 近岸水域點位的水質級別指數(WLI)

3.3 水質隨空間變異分析

3.3.1 同一河流的變化規律

近岸水域沿程各季度水質變化，見圖7，近岸水域點位菊花島東南、菊花島西、月亮灣的水質均超過管理目標，其中水質最差時段為非汛期后半段。隨水域岸線第1、3、4季度水質有所好轉，這表明水體自凈功能發揮有重要的作用，而順流而下第2季度水質開始惡化，這是由于地表徑流在除汛期帶來了大量面源污染，從而使得水質逐漸惡化。

圖7 近岸水域沿程各季度水質變化

3.3.2 主要污染點位

主要點位水質監測結果，見圖8。圖8反映了沿海地區2018年的主要點位水質監測結果，可見主要污染點位有菊花島東南、月亮灣、張建生港東北等。

圖8 主要點位水質監測結果

3.3.3 不同河流污染狀況

主要河流水質變化情況，見圖9。圖9反映了葫蘆島市3條主要入海河流2018年的水質狀況，可見全年污染最嚴重的為大凌河，六股河也存在一定程度的污染，尤其是初汛期和旱季比較容易出現污；受污染較輕的為連山河，水質總體能夠達到標準。

圖9 主要河流水質變化情況

3.4 劣Ⅴ類水體整治效果

對于劣Ⅴ類水體的優劣程度利用單因子評價法無法實現準確判定，故難以應用于黑臭水體整治、水污染應急處置等情況。以某塘壩污染死魚事件為例，結合水質級別指數在應急處置過程中的變化規律，分析劣Ⅴ類水體的整治效果。結果顯示，在1個月時間內該塘壩水質均劣于Ⅴ類，單因子評價法未能揭示劣Ⅴ類水的變化程度，對于應急處置措施的實施效果也無法給予準確的判定。然而，采用水質級別指數法能夠較好的反映劣Ⅴ類水體的變化情況，即采取應急處置措施后約15d化學需氧量、氨氮指標逐步開始下降，水質和溶解氧逐漸開始好轉。

4 結 語

1)單因子評級法無法實現連續定量分析，對于劣Ⅴ類水體變化情況的判定其實用性較差。綜合污染指數(WPI)法雖然能夠進行定量的計算，但是無法應用于沒有明確管理目標的水域且無法判定水質類別。綜合考慮指數法和標識法有點的水質標識指數法，既能實現定量分析又可標識內容，但由于標識內容冗余使得連續性較差，在標識和計算水質指數，特別是接近類別上限時存在較大難度，而取平均值又在一定程度上減少了嚴重污染指標的貢獻率。因此，文章提出了能夠實現連續定量分析、明確標識水質類別的水質級別指數法。

2)實例表明，水質級別指數法真正實現了連續化、定量化，通過標準化處理水質指標濃度可以有效地分析空間上、時間上的水質變化情況以及對比分析。

3)水質級別指數法有利于精準、快速的提取預警情報信息和水質評價結果，該方法可操作性強、原理清晰，能夠為河長和當地主管部門及時的提供決策信息，該方法的應用前景較為廣泛。