江蘇省城市水源地水質指數評價

王姍姍，董圓媛，尤佳藝，高逸飛，崔嘉宇，梁 悅

(1.江蘇省環境監測中心，江蘇南京 210019；2.江蘇省太湖水質監測中心站，江蘇南京 210019；3.江蘇省蘇力環境科技有限責任公司，江蘇南京 210036)

水源地環境質量與人體健康息息相關，保障水源地水質是水環境管理中的核心工作。我國對水源地保護日益重視，水源地水質監測和水污染防治工作也不斷加強，并取得了一定成效。然而，水源地水質狀況仍然不容樂觀，問題突出，如：水庫型水源地水質達標率較低，甚至成為威脅我國飲用水安全的首要問題[1]；部分地區水體富營養化情況普遍，對飲用水安全造成影響[2]；銻、鐵、錳等重金屬或石油類特征因子超標[3-4]等。分析江蘇省水源地歷史監測數據發現：一方面，江蘇省水源地水質頻繁波動，根據江蘇省環境狀況公報，“十三五”期間(2016年—2020年)，江蘇省縣級及以上城市集中式飲用水水源地達標率分別為88.7%、96.2%、90.6%、83.6%和92.2%，其中，2018年和2019年水源地達標率連續兩年下滑；另一方面，水源地水質超標指標多樣，常規項目和特征項目超標的問題兼有，部分應急備用水源地水質甚至持續超標。

水源地管理相關制度和政策的制定均以目標為導向，而水源地水質評價是管理部門有的放矢、精準施策的基礎。本文研究分析了國內外水源地水質評價方法，結合城市水質指數(city water quality index，CWQI)[5]方法的優點及其已應用于地表水環境質量城市排名的實際情況，將該方法應用于江蘇省縣級及以上城市飲用水水源地評價中，根據水源地CWQI對各市縣(區)進行排名，從時間和空間角度分別反映江蘇省水源地水質變化趨勢和特征，以期為管理部門加強水源地精細化管控、提高水源地信息公開力度提供思路和支撐。

1 水源地評價方法概況

1.1 國內

我國水源地水質評價根據《地表水環境質量評價辦法(試行)》進行單因子評價，水質評價根據《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)[6]和《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)[7]的Ⅲ類水質標準或標準限值判斷達標與否[8]。

單因子評價法的實質是一票否決原則，用最差的單項指標水質代表整體水質，結論簡潔單一，較為片面。例如，某水源地只因pH超標便被判定為劣Ⅴ類水質，但能通過自來水廠常規處理工藝即能達到出廠水標準。

1.2 國外

相關國際組織和歐美發達國家往往是根據水源地的生物、化學等綜合指標的情況和對人體健康影響程度進行分級評價，例如：世界衛生組織(WHO)發布的《飲用水水質準則》中規定飲用水水質評價應進行優先性確定[9]；美國環保署(EPA)結合水體功能評價水源地水質[10]；歐盟委員會(EC)制定的《飲用水水質指令》，以飲用水達到飲用程度的處理措施和取水的適宜度為評價依據[11-12]；加拿大環境部長理事會(CCME)使用加拿大水質指數法(CCME WQI)對水源地水質進行評價[13]，該方法也被聯合國環境署(UNEP)用于不同國家飲用水水質的評價[14]；新西蘭環境部(MENZ)根據飲用水標準相關指標的最大可接受值和指導值評價水體水質[15-16]。

2 評價方法

對比分析國內外水源地水質評價方法(表1)，水質指數法適用范圍廣、評價結果全面，在區域或流域水源地水質評價中已有成熟應用：范燦鵬等[17]采用綜合污染指數法分析了珠海市金灣區水源地2016年—2020年的水質變化特征；費娟等[18]運用內梅羅法、最差因子判別法、加權平均法計算水質綜合指數，發現江蘇省城市生活飲用水枯水期綜合指數優于豐水期；袁麗艷等[19]采用單因子評價和CCME WQI對比、結合的方式，對酒泉市“千噸萬人”飲用水水源地進行分析，結果表明CCME WQI綜合評價效果更客觀。

表1 國內外水源地水質評價方法Tab.1 Drinking Water Sources Quality Assessment Methods at Home and Abroad

目前，CWQI法已廣泛應用于全國及各省地表水環境質量排名工作，具有評價指標全面且能夠反映時空變化特征等優點。為了綜合考慮水源地各項監測指標對水體水質的影響，本文采用CWQI法對“十三五”期間(2016年—2020年)江蘇省縣級及以上城市集中式飲用水水源地水質進行評價。

2.1 評價指標

根據江蘇省縣級及以上集中式飲用水水源地例行監測方案，監測指標和評價指標包含基本項目、補充項目和特定項目共計53項，即《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中pH、溶解氧、高錳酸鹽指數等20項基本項目指標(除水溫、化學需氧量、糞大腸菌群和總氮外),硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽、鐵、錳5項補充項目指標，以及三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯等28項特定項目指標。

2.2 評價對象

選取江蘇省縣級及以上城市集中式飲用水水源地作為評價對象，縣級及以上城市集中式飲用水水源地一直以來都是環保部門例行監測的內容，監測斷面(點位)相對固定。由于江蘇省縣級及以上城市集中式飲用水以地表型水源為主，本文僅針對江蘇省地表水型水源地進行研究分析。

2.3 數據來源

基礎監測數據來源于江蘇省生態環境廳及江蘇省環境監測中心公布的全省縣級及以上城市集中式飲用水水源地水質數據，該數據每月進行信息公開，監測數據具有權威性、連續性和可靠性。

2.4 計算方法

第一步：用平均值法分別計算出排名區縣水源地的各單項指標濃度均值，低于檢出限的項目，統一按1/2檢出限值參加各單項指標濃度的算術平均值計算。

第二步：常規項目指標依據各單項指標的濃度值除以該指標對應《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準值計算單項指標的水質指數，補充項目和特定項目指標依據各單項指標的濃度值除以該指標對應《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)的標準限值，計算單項指標的水質指數。單項指標的水質指數計算如式(1)。

(1)

其中：C(i)——第i個單項指標的監測值；

Cs(i)——第i個單項指標地表水Ⅲ類標準值或標準限值；

CWQI(i)——第i個單項指標的水質指數。

第三步：根據各單項指標的CWQI值采用加和值法分別綜合出區縣河流型和湖庫型水源地的CWQI值，計算如式(2)。

(2)

其中： CWQI河流或湖庫——河流型或湖庫型水源地的水質指數；

n——指標個數。

第四步：用河流型和湖庫型水源地數量的加權均值計算出排名區縣水源地的CWQI值，計算如式(3)。

(3)

其中： CWQI區縣——排名區縣的水質指數；

CWQI河流——排名區縣河流型水源地的水質指數；

CWQI湖庫——排名區縣湖庫型水源地的水質指數；

M——排名區縣的河流型水源地個數；

N——排名區縣的湖庫型水源地個數。

第五步：以CWQI結果為依據，以市縣(區)為單位，按水質指數從小到大的順序對江蘇省各區縣水源地水質指數進行排名。

3 評價及排名

3.1 總體情況

根據2.4小節的計算方法對江蘇省各區縣水源地水質指數進行計算，CWQI越低，水源地水質越好。統計2016年—2020年江蘇省各市縣級及以上城市集中式飲用水水源地水質指數，如圖1所示。2016年—2020年，江蘇省水源地水質指數在4.678 1～9.324 4，其中，蘇州、常州、鎮江和泰州4市5年水質指數波動范圍較小，南通、徐州、鹽城和宿遷4市5年水質指數波動范圍較大。南京市5年水質指數在4.678 1～5.130 2，均處于最低水平且波動不大；徐州、鹽城和宿遷3市5年平均水質指數分別為8.085 3、7.847 4和8.138 1，長期在高位波動。總體來看，全省水源地水質指數呈現蘇南、蘇中地區較低而蘇北地區較高的特點，即蘇南、蘇中地區水源地水質整體好于蘇北地區；此外，水源地水質指數波動范圍也呈現蘇南、蘇中地區小于蘇北地區的特征。

圖1 2016年—2020年江蘇省各市飲用水水源地水質指數變化Fig.1 Changes of CQWI Values of Drinking Water Sources in Each City in Jiangsu Province during 2016 to 2020

3.2 時間變化趨勢

2016年—2020年江蘇省縣級及以上城市集中式飲用水水源地水質指數年度變化如圖2所示。2016年—2020年，江蘇省各區縣水源地水質指數平均值分別為7.243 1、6.987 9、6.958 4、6.280 4和6.481 1，整體呈波浪型變化趨勢，前4年均呈現連續下降的趨勢，2020年稍有回升，“十三五”末期(2020年)水質指數較初期(2016年)降低了10.5%，表明江蘇省水污染防治工作取得了初步成效。值得關注的是，2016年—2020年，超出全省各區縣水源地水質指數均值的區縣個數分別為25、24、25、29、30個，前3年處于穩定波動狀態，2019年和2020年有明顯上升的趨勢，水污染防治成果有待進一步鞏固和穩定。

圖2 2016年—2020年江蘇省縣級及以上城市集中式飲用水水源地水質指數變化Fig.2 Changes of CQWI Values of Drinking Water Source of Cities in Jiangsu Province during 2016 to 2020

3.3 空間分布特征

2016年—2020年江蘇省各市縣(區)水源地CWQI排名結果如圖3所示。排序在前10名的市縣(區)均位于蘇南或者蘇中地區，排序在后10名的市縣(區)在蘇北、蘇中和蘇南地區均有分布。前10名市縣(區)中，南京市所占比例連續5年均為最高，為30%～40%；揚州市2016年—2019年所占比例次之，分別為20%、10%、20%和20%；“十三五”期間，蘇州市前10名區縣增加數量最多，2020年前10名區縣蘇州市占3個(常熟市、張家港市和太倉市)，較2016年增加了2個；鎮江市和泰州市2016年—2018年前10名區縣占比為10%～20%，但2019年—2020年均無前10名市縣(區)；常州市2016年—2020年連續5年保持前10名市縣(區)占比10%，均為溧陽市；南通市2017年、2019年、2020年前10名市縣(區)占比分別為10%、20%和10%，波動較為頻繁；無錫市2020年前10名區縣破0(江陰市)。后10名市縣(區)中，鹽城市5年占比分別為40%、50%、30%、0和40%，呈現較大波動趨勢；宿遷市5年占比分別為10%、10%、20%、20%和20%，泗陽縣和泗洪縣近3年時間均處于后10名水平；徐州市5年占比分別為10%、10%、20%、30%和10%，水質指數整體呈先升后降的趨勢；南通市5年占比分別為20%、20%、20%、20%和0，2016年—2019年4年中穩定占據2席，至2020年已退出后10名的行列，其中，海安縣2016年—2018年連年位列最末，2019年位列倒數第8位，至2020年已脫離后10名的范圍。

圖3 2016年—2020年江蘇省縣級及以上城市集中式飲用水水源地水質指數區縣排名Fig.3 CQWI Values Ranking of Drinking Water Source of Cities in Jiangsu Province during 2016 to 2020

3.4 主要污染指標

2016年—2020年江蘇省水源地主要污染指標水質指數年度變化情況如圖4所示。2016年—2020年，總磷水質指數為0.575 2～0.659 5，總體呈波動下降趨勢；溶解氧水質指數為0.591 2～0.650 3，呈先降后升趨勢；高錳酸鹽指數水質指數為0.572 4～0.612 5，呈連續波動狀態。從各單項指標的水質指數來看，總磷對江蘇省水源地水質指數的貢獻最大，其次分別為溶解氧和高錳酸鹽指數，總體與江蘇省地表水水質首要污染指標為總磷的特點具有一致性。

圖4 總磷、溶解氧和高錳酸鹽指數水質指數2016年—2020年變化Fig.4 Changes of CWQI Values of Total Phosphorus, Dissolved Oxygen and Potassium Permanganate during 2016 to 2020

4 結論與探討

4.1 結論

CWQI法對水源地水質評價具有較好的應用效果，可以基于不同時間尺度或空間范圍進行縱向或橫向的比較分析。

(1)江蘇省水源地水質指數總體上呈現中南部地區較低、北部地區較高的特點，且中南部地區波動范圍較北部地區小。

(2)從水質指數時間變化趨勢來看，江蘇省水源地水質指數總體呈下降趨勢，但2020年略有回升，超過全省平均水質指數的區縣近兩年有上升趨勢。

(3)從排名結果的空間分布特征來看，排名靠前的水源地主要分布在中南部地區，排名居后的水源地無明顯區域性差異，在江蘇北部、中部和南部均有分布。

(4)從江蘇省水源地主要污染指標水質指數來看，對水源地水質指數影響最大的指標分別為總磷、溶解氧和高錳酸鹽指數。

4.2 探討

由于CWQI可基于時間和空間反映水源地水質變化情況，且指標覆蓋廣泛，較單因子評價法的“一票否決”更加全面客觀，具有較大的應用空間，具體如下。

(1)參考CWQI的計算思路可評估飲用水處理措施的有效性。如計算水廠處理前后某項或某幾項特征污染物指標的水質指數變化，ΔCWQI為負值說明該水廠工藝對于該項或該幾項特征污染物的去除有效；如為正值，表明該水廠工藝對于該項或該幾項特征污染物的去除缺乏針對性，需進一步優化。

(2)應用于飲用水風險級別的預警預報。以水源地不同時間序列的CWQI為預警線參考值，可以月為單位進行日常監控管理，或以年為單位進行風險預警。