基于長度權重的河流質量指數計算方法及實踐

楊剛明，龐 燕

（1.湖北省生態環境廳孝感生態環境監測中心，湖北 孝感 432100；2.中國環境科學研究院 湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室，北京 100012）

我國河流水質評價起步于20世紀50年代末，近些年得到迅速發展，早期河流水環境質量評價方法可歸納為三大類，即單因子評價法、水質指數法和不確定性方法[1-11]。目前，河流水質評價一般采用《地表水環境質量評價辦法（試行）》[12]的推薦方法——斷面水質類別比例法，即根據河流中各水質類別的斷面數占河流評價斷面總數的百分比來評價水質，評價結果屬于定性評價。《地表水環境質量評價辦法（試行）》對河流的綜合評估進行規范，但從實踐來看，這種評估方法存在一定不足。一是河流水質的定性評價分類不能嚴格對應《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）[13]，二是人為操作可導致評估結果存在不確定性。按照斷面水質類別比例法，斷面的選擇將直接影響計算比例，從而決定河流水質評估結果。若去掉一些水質較差的斷面，則可使評估結果變好，這給評估帶來一定的不可靠性。從方法構建分析，該方法未將斷面水質的河段代表性納入評價，僅對斷面水質樣本進行統計分析，分析結果不能指示整體河流水質，因此存在原理缺陷。本文以水環境容量為計算原理，全面納入河流基本水文參數和環境監測統計值兩項因子，構建基本反映整體河流水質的評估方法，力求消除《地表水環境質量評價辦法（試行）》的不足。

1 計算方法

水環境容量[14]為在滿足水環境質量標準的前提下河流所能容納的污染物總量。水環境容量有多種定量評價方式。定義單元水體為水質均勻的一個水體，如一杯水。單元水體的水環境容量可以用單元水體現狀等級和體積的乘積來相對衡量，其被稱為相對環境容量，數值越大，則水體環境容量越小。單元水體的相對環境容量采用式（1）計算。河流水質及水文在流向上不是恒定的，基于單元水體的定義，可以認為河流是無限個單元水體的集合。對應單元水體相對環境容量的定義，河流的相對環境容量為無限個單元水體相對環境容量的集合，其計算公式如式（2）所示。利用式（1），可以根據式（2）計算結果推出河流現狀等級，如式（3）所示。為簡化計算，可以認為河流x處的斷面面積恒定，將式（3）轉化為式（4）。

式中：Crel為單元水體的相對環境容量，m3；Lw為單元水體的水質等級，對應《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的水質類別等級，質量次于Ⅴ類的水質類別等級定義為6；Q為單元水體的體積，m3；CRrel為河流的相對環境容量，m3；Lw(x)為河流下游x處斷面的水質等級；S(x)為河流下游x處斷面面積，m2；LRw為河流質量指數；L為河流評價區間的長度，m。

實際河流監測布點以離散斷面的形式展開，數量是有限的，因此計算需要使用基于離散的數值公式。基于式（4）的數學定義，可以推導計算公式。河流上n個斷面點位示意圖如圖1所示。其中，Lwj（j=1,2,…,n）為河流方向第j個監測斷面的水質等級，Xj（j=1,2,…,n）為河流方向第j個監測斷面距離評估源頭的距離，km。

圖1 河流監測斷面

對于各個監測斷面之間的水體水質等級，可以使用理想估值進行計算，如式（5）所示。河流質量指數采用式（6）計算，計算過程的本質是利用斷面水質，基于長度權重進行平均計算。實際計算可以采用分步驟表格，也可以編寫計算機程序完成。

2 評估案例實踐

澴河為長江二級支流，古稱澴水，發源于河南省信陽市羅山縣與湖北省孝感市大悟縣接壤的靈山。流域主要在湖北省孝感市境內，干流全長為150.8 km，流域面積為3 618 km2。澴河流經大悟縣、孝昌縣和孝南區，在孝南區臥龍鄉與府河匯合后稱府澴河，然后匯入長江。2020年，采用斷面水質類別比例法和河流質量指數，開展澴河水質評估，結果如表1所示。環境質量月報[15-18]未使用全部監測斷面進行評估，所以其評估結果和全斷面評估結果存在差別，例如，7月和9月都出現評估結果不同的情況，這也反映出《地表水環境質量評價辦法（試行）》的不足。

表1 河流質量指數評估結果

當前，地表水Ⅲ類為全國主要水體的期望類別指標，若水質劣于Ⅲ類，則可以認為水體存在不同級別的污染。以表1 數據為基礎，將劣于Ⅲ類斷面比例作為輸入，將河流質量指數作為輸出，通過一次線性擬合進行相關性分析。河流質量指數與河流劣于Ⅲ類斷面比例的相關性分析如圖2所示。經一次線性擬合，河流質量指數能夠較好地反映劣于Ⅲ類斷面比例，相關系數為0.892 5，滿足指標要求[19]。

圖2 相關性分析

從案例實踐來看，基于長度權重的河流質量指數基本能夠科學地反映整體河流水質，評估結果為純數字量值。本次計算以《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的水質等級加權得到，因此計算結果和《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的水質類別量值具有同樣的含義。當某次河流質量指數大，同時參與計算的實際監測點位較少時，根據計算原理，此河流質量指數準確性較差。此種條件下，對于上下游水質趨向變好的局部河段，如果引入新的監測點位，河流質量指數可能會減小，促進管理者實施加密監測。同時，根據計算原理，加密監測不會使結果不可靠，相反會使計算結果更加準確，這和《地表水環境質量評價辦法（試行）》中選擇斷面帶來的偏差有本質的區別，也表明該計算方法可以消除《地表水環境質量評價辦法（試行）》的缺陷。

3 指數分級

為科學利用河流質量指數進行河流水質評估，要對其進行進一步細化。指數分級有3 個基本原則。一是參考《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的類別量級分配。二是和《地表水環境質量評價辦法（試行）》的斷面水質類別比例法分類基本對應。三是量值區間基本合理。根據實踐，目前推薦的河流質量指數評估分級如表2所示。《地表水環境質量評價辦法（試行）》將水質分為5 級，而河流質量指數評估將水質分為4 級，將優和良兩級合并。當前，國家考核任務是基于保證地表水水質至少達到Ⅲ類這一目標來設置的，因此將優良兩級合并符合實際考核需求。

表2 河流質量指數評估分級

4 結論

基于長度權重的河流質量指數基本能夠科學地反映河流整體水質，其量值可以和《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）基本對應，方便驗證河流水質評價結果。該方法計算過程簡單，計算結果直觀，它可以作為河流水質評價的補充方法。要進一步精化河流質量指數分級，制定應用該方法的斷面清單規范。近年來，水環境監測的斷面覆蓋度加大，這給河流質量指數提供有力的數據支撐。為了盡可能精準獲得計算值，要規定最小監測斷面數量，要求計算斷面清單執行應納盡納的原則。未來，該方法可以用于計算湖庫水質指數，評估區域水體綜合質量。