裴曉龍, 丁 強, 楊玉珍, 彭功平, 楊 瑾, 王一博

(1.陜西省環(huán)境監(jiān)測中心站 水環(huán)境監(jiān)測室, 陜西 西安 710054； 2.力合科技(湖南)股份有限公司， 湖南 長沙 410205)

水質(zhì)評價是水質(zhì)管理工作的重要基礎(chǔ)，水質(zhì)評價結(jié)果不僅需提供水質(zhì)類別、主要污染指標，更應(yīng)準確反映水質(zhì)的時空變化情況，這就要求所采用的評價方法能夠準確地將水質(zhì)狀況進行量化。同時，一種水質(zhì)評價方法要想在環(huán)境管理中被廣泛應(yīng)用，除了科學性和準確性外，還必須具備計算簡單，便于掌握和易于認知的特點，另外最好能夠同時解決定性和定量評價的統(tǒng)一[1]。

目前國內(nèi)外主要使用的地表水環(huán)境質(zhì)量評價方法主要有單因子評價法、綜合污染指數(shù)法、灰色評價法、主成分分析法、模糊評價法等[2]。而中國地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法中使用單因子評價法做水質(zhì)的定性評價，用綜合污染指數(shù)法做定量的趨勢分析，沒有給出能同時完成定性和定量分析評價的方法。

如果從事水環(huán)境質(zhì)量評價方面時間較長，肯定會面臨以下幾個問題：①兩個斷面都是Ⅲ類，都可以定性評價為水質(zhì)良好，怎么對比兩個斷面的水質(zhì)優(yōu)劣呢？②兩條河流Ⅰ—Ⅲ類斷面比例分別是65%，70%，劣Ⅴ類斷面比例分別為10%，13%，按照評價辦法兩條河流均定性評價為輕度污染，如何對比兩條河流的水質(zhì)優(yōu)劣呢？③兩個區(qū)域地表水Ⅰ—Ⅲ類斷面比例與劣Ⅴ類斷面比例之和差異不大，這時候又如何進行區(qū)域地表水環(huán)境質(zhì)量的比較呢？以上幾個問題在2011年印發(fā)的《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》中都不能很好解決。

使用無量綱指數(shù)[3]對實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計定量分級，同時研究對應(yīng)的評價描述可以解決上述的問題。通過對陜西省地表水監(jiān)測網(wǎng)2015年至今的1.83×105余個監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到一套適用于我省的地表水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(簡稱地表水質(zhì)指數(shù)或SWQI)指數(shù)分級標準，并從斷面、河流、區(qū)域等多個層次做了大量的數(shù)據(jù)驗證。驗證結(jié)果表明：用統(tǒng)計的方法得到SWQI定性評價Ⅰ—Ⅵ級閾值(≤3.5,≤5,≤6.5,≤8,≤10,>10)，與現(xiàn)行地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法具有良好的一致性，可以應(yīng)用于陜西省地表水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及趨勢評價。另外SWQI指數(shù)可以實現(xiàn)地表水環(huán)境質(zhì)量定性評價與定量評價的統(tǒng)一，簡化地表水環(huán)境質(zhì)量評價過程，減小公眾對水質(zhì)評價的認知難度，可以實現(xiàn)如同空氣質(zhì)量指數(shù)AQI一般的功效，比現(xiàn)行地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法在趨勢分析、變化程度描述等方面具有明顯的優(yōu)勢，甚至具有不可替代性。目前，國內(nèi)期刊及出版物中相關(guān)研究成果很少涉及。

本文從實際工作中遇到的幾個問題出發(fā)，通過數(shù)據(jù)分析得到結(jié)論，并進行了適用性驗證，以期在地表水環(huán)境質(zhì)量評價方法的研究上做出探索，為環(huán)境管理提供技術(shù)方法和應(yīng)用數(shù)據(jù)支撐。

1 思路及方法

1.1 研究思路

本研究從地表水環(huán)境質(zhì)量評價實際工作中遇到的幾個典型問題出發(fā)，歸納總結(jié)了問題的表現(xiàn)形式，提出問題的解決思路，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)收集整理，使用數(shù)理統(tǒng)計方法，得到具有適用性的統(tǒng)計結(jié)果，并從監(jiān)測斷面、河流(流域)及區(qū)域(地市)等3個層次進行數(shù)據(jù)驗證，并分析了影響因素(見圖1)。

圖1 SWQI定量分級和驗證性研究思路

1.2 研究方法

地表水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)[4](surface water quality index)可簡稱地表水質(zhì)指數(shù)(SWQI)，計算采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)[5]表1中除水溫、糞大腸菌群和總氮以外的21項指標，包括：pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、生化需氧量、氨氮、石油類、揮發(fā)酚、汞、鉛、總磷、化學需氧量、銅、鋅、氟化物、硒、砷、鎘、鉻(六價)、氰化物、陰離子表面活性劑和硫化物。

先計算出所有監(jiān)測斷面各單項指標濃度的算術(shù)平均值，計算出單項指標的水質(zhì)指數(shù)，再綜合計算出斷面水質(zhì)指數(shù)SWQI。低于檢出限的指標項，按照1/2檢出限值參加計算各單項指標濃度的算術(shù)平均值。

行業(yè)全要素生產(chǎn)率與兩化融合呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，兩化融合發(fā)展為行業(yè)技術(shù)進步奠定了堅實的基礎(chǔ)。假設(shè)檢驗結(jié)果表明，行業(yè)兩化融合發(fā)展水平與其全要素生產(chǎn)率整體呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，分行業(yè)看，機械、紡織、輕工、交通設(shè)備、石化、電子信息和建材等7個重點行業(yè)的兩化融合發(fā)展水平與其全要素生產(chǎn)率之間也同樣呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系(如圖7)，說明我國兩化融合的深入推進能夠有效促進行業(yè)技術(shù)進步發(fā)展重點的全面落實，為行業(yè)技術(shù)進步和創(chuàng)新發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

(1) 單項指標的水質(zhì)指數(shù)。單項指標的水質(zhì)指數(shù)是指監(jiān)測斷面某單項監(jiān)測指標濃度的算術(shù)平均值與該指標對應(yīng)的地表水Ⅲ類標準限值的比值。除溶解氧、pH值兩項指標外，計算單項指標的水質(zhì)指數(shù)如公式(1)所示：

(1)

式中：C(i)為第i個水質(zhì)指標的濃度值；Cs(i)為第i個水質(zhì)指標地表水Ⅲ類標準限值； SWQI(i)為第i個水質(zhì)指標的水質(zhì)指數(shù)。下同。

溶解氧計算方法如公式(2)，pH值計算方法如公式(3)—(4)：

(2)

式中：C(DO)為溶解氧的濃度值；Cs(DO)為溶解氧的地表水Ⅲ類標準限值； SWQI(DO)為溶解氧的水質(zhì)指數(shù)。

(3)

(4)

式中：pHsd為GB3838-2002中pH值的下限值； pHsu為GB3838-2002中pH值的上限值； SWQI(pH)為pH的水質(zhì)指數(shù)。

根據(jù)各單項指標的SWQI，取其加和值即為斷面的SWQI，計算如式(5)所示：

(5)

式中：SWQI斷面為斷面水質(zhì)指數(shù)； SWQI(i)為第i個水質(zhì)指標的水質(zhì)指數(shù)；n為水質(zhì)指標個數(shù)。

(2) 河流(流域)水質(zhì)指數(shù)取該河流(流域)內(nèi)所有斷面水質(zhì)指數(shù)SWQI的算術(shù)平均值，計算如公式(6)所示：

(6)

式中：SWQI河流為河流水質(zhì)指數(shù)； SWQI斷面(i)為第i個監(jiān)測斷面的水質(zhì)指數(shù)；n為該河流上監(jiān)測斷面總數(shù)。

(3) 區(qū)域水質(zhì)指數(shù)取該區(qū)域內(nèi)所有監(jiān)測斷面水質(zhì)指數(shù)SWQI的算術(shù)平均值，計算如式(7)所示：

(7)

式中：SWQI區(qū)域為區(qū)域水質(zhì)指數(shù)； SWQI斷面(i)為區(qū)域內(nèi)第i個監(jiān)測斷面的水質(zhì)指數(shù)；n為該區(qū)域內(nèi)監(jiān)測斷面總數(shù)。

2 統(tǒng)計結(jié)果與對比分析

基于統(tǒng)計樣本數(shù)量的代表性和數(shù)據(jù)計算量等方面的考慮，選取2015—2019年陜西省國、省、市控監(jiān)測斷面共計1.83×105個數(shù)據(jù)，覆蓋了陜西省十市一區(qū)的107條河流。通過對SWQI指數(shù)的數(shù)學統(tǒng)計和散點分布分析(見圖2)，可以得到3點結(jié)論：①SWQI指數(shù)超過20的污染非常嚴重斷面是少數(shù)，只占不足1%；②SWQI指數(shù)在2.5～8區(qū)間聚集度非常高，占比超過78.7%；③樣本序號是以時間順序排列，序列靠后的樣本SWQI指數(shù)越收斂，且低值區(qū)域樣本越密集，也宏觀反映了全省地表水環(huán)境質(zhì)量的改善情況。

圖2 2015-2019年陜西省十市一區(qū)SWQI樣本散點分布

為了能夠?qū)WQI指數(shù)進行分級，形成定性評價，我們以數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果為基礎(chǔ)，得到SWQI指數(shù)區(qū)間與水質(zhì)綜合類別的關(guān)聯(lián)矩陣(見表1)。

表1 SWQI指數(shù)各區(qū)間樣本數(shù)與水質(zhì)綜合類別的關(guān)聯(lián)矩陣

關(guān)聯(lián)矩陣顯示：①結(jié)合SWQI指數(shù)各區(qū)間樣本數(shù)分布圖，各水質(zhì)類別中，SWQI指數(shù)各區(qū)間樣本個數(shù)均呈現(xiàn)正態(tài)分布(Ⅰ類和劣Ⅴ呈現(xiàn)半正態(tài)分布)，且收斂區(qū)間較小，特別是Ⅲ類水質(zhì)的SWQI指數(shù)近似服從N(5.73，1.04)的正態(tài)分布；②Ⅰ—Ⅱ類樣本數(shù)量與SWQI指數(shù)不大于5的樣本數(shù)量偏差率為0.95%，說明水質(zhì)類別評價為優(yōu)的樣本可以用SWQI指數(shù)不大于5來做數(shù)學替換，這一點也與現(xiàn)行的地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法中Ⅰ—Ⅱ類水質(zhì)統(tǒng)稱為水質(zhì)優(yōu)一致；③Ⅳ，Ⅴ類樣本數(shù)量與SWQI指數(shù)6.5～10的樣本數(shù)量偏差率為1.12%，說明水質(zhì)類別評價為輕度及中度污染的樣本可以用SWQI指數(shù)6.5～10來做數(shù)學替換；④劣Ⅴ類樣本數(shù)量與SWQI指數(shù)大于10的樣本數(shù)量偏差率為5.38%，說明水質(zhì)類別評價為重度污染的樣本基本可以用SWQI指數(shù)大于10來做數(shù)學替換(見圖3)。

圖3 SWQI指數(shù)各區(qū)間樣本數(shù)分布趨勢

基于上述分析，為了與現(xiàn)行的地表水環(huán)境質(zhì)量標準中的水質(zhì)類別對應(yīng)統(tǒng)一，同時參考空氣質(zhì)量指數(shù)相關(guān)定義，將SWQI指數(shù)分級的閾值定義如表2所示。

表2 SWQI指數(shù)分級閾值及對應(yīng)的定性評價

3 數(shù)據(jù)驗證和影響因素

為了驗證SWQI指數(shù)分級閾值及對應(yīng)的定性評價結(jié)論，筆者設(shè)計了斷面、河流和區(qū)域等3個不同層次的驗證，來全面評估SWQI指數(shù)在定性和定量評價上的穩(wěn)定性和適用性。

3.1 斷面水質(zhì)驗證

為了減小系統(tǒng)誤差，選擇2019年陜西省國、省、市控斷面的1 658組數(shù)據(jù)做驗證(見表3)。結(jié)果顯示：Ⅰ—Ⅱ類樣本數(shù)量與SWQI指數(shù)Ⅰ—Ⅱ級的樣本數(shù)量偏差率為2.9%；Ⅲ類樣本數(shù)量與SWQI指數(shù)Ⅲ級樣本數(shù)量偏差率為0.1%；Ⅳ類樣本數(shù)量與SWQI指數(shù)Ⅳ級的樣本數(shù)量偏差率為11.4%；Ⅴ類樣本數(shù)量與SWQI指數(shù)Ⅴ級的樣本數(shù)量偏差率為6.2%；劣Ⅴ類樣本數(shù)量與SWQI指數(shù)Ⅵ級的樣本數(shù)量偏差率為11.5%。在斷面層次，SWQI指數(shù)分級評價與現(xiàn)行地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法的一致性良好。

表3 2019年SWQI指數(shù)各區(qū)間樣本數(shù)與水質(zhì)綜合類別的驗證矩陣

3.2 河流水質(zhì)驗證

現(xiàn)行的地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法中，是以涵蓋斷面數(shù)量是否少于5個來使用不同方法確定河流的水質(zhì)狀況：當斷面數(shù)量少于5個時，取斷面各指標的算術(shù)平均值，然后按照斷面的類別對應(yīng)的水質(zhì)狀況來作為該河流的水質(zhì)狀況；當斷面數(shù)量多于5個(含5個)時，按照所有斷面中Ⅰ—Ⅲ類及劣Ⅴ類斷面的比例關(guān)系(即通常所說的優(yōu)Ⅲ劣Ⅴ比例法)來確定該河流的水質(zhì)狀況。SWQI指數(shù)的話，則不需如此繁瑣，直接計算河流涵蓋所有斷面的SWQI指數(shù)的算術(shù)平均值。

考慮到陜西省特殊的地理分布，陜南、關(guān)中、陜北等3個區(qū)域的河流各具特點，因此分別選擇了渭河、漢江、延河3條具有地域代表性的河流，并分別選擇2，5，9月作為枯水期、平水期、豐水期的代表月份，進行河流SWQI指數(shù)分級評價與現(xiàn)行地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法的一致性驗證(結(jié)果見表4)。

表4 渭河、漢江、延河3條河流SWQI指數(shù)評價與水質(zhì)類別比例法的對比驗證

結(jié)果顯示：①SWQI指數(shù)評價法與現(xiàn)行地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法中水質(zhì)類別比例法在漢江、延河兩條河流不同水期代表月份的評價結(jié)果完全一致，并且SWQI指數(shù)評價法可以直觀的反映出不同月份水質(zhì)狀況的變化；②平水期的渭河使用SWQI指數(shù)評價法與水質(zhì)類別比例法的結(jié)果一致，在枯水期和豐水期評價均高于水質(zhì)類別比例法的評價結(jié)果。經(jīng)過進一步的挖掘分析，枯水期渭河SWQI指數(shù)6.4137已經(jīng)非常接近輕度污染的閾值下限6.5，處于輕度污染的灰色區(qū)域(鄧聚龍教授的灰色系統(tǒng)理論[6])。豐水期的優(yōu)Ⅲ比例已經(jīng)達到89.5%，已經(jīng)非常接近水質(zhì)優(yōu)的閾值下限90%，處于水質(zhì)優(yōu)的灰色地帶，且灰度值非常高。SWQI指數(shù)分級評價與現(xiàn)行地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法在河流層次呈現(xiàn)高度一致的評價結(jié)果。

3.3 區(qū)域水質(zhì)驗證

現(xiàn)行的地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法中，區(qū)域地表水環(huán)境質(zhì)量與河流水質(zhì)狀況的評價一致，不在贅述。在關(guān)中、陜南、陜北選擇咸陽、安康、延安3個地市，并選擇2，5，9月作為枯水期、平水期、豐水期的代表月份，進行區(qū)域(地市)SWQI指數(shù)分級評價與現(xiàn)行地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法的一致性驗證(見表5)。

表5 咸陽、安康、延安3市SWQI指數(shù)評價與水質(zhì)類別比例法的對比驗證

結(jié)果顯示：①SWQI指數(shù)評價法與水質(zhì)類別比例法在安康市不同水期代表月份的評價結(jié)果完全一致，并且SWQI指數(shù)評價法可以直觀的反映出安康市不同月份水質(zhì)狀況的細微變化；②豐水期的咸陽市SWQI指數(shù)評價法與水質(zhì)類別比例法一致，平水期基本一致，枯水期略有差異(相差一個評價級別)；③枯水期、豐水期的延安市SWQI指數(shù)評價法與水質(zhì)類別比例法一致，平水期有差異(相差一個評價級別)。綜上，SWQI指數(shù)分級評價與現(xiàn)行地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法在區(qū)域(地市)層次的呈現(xiàn)基本一致的評價結(jié)果。

3.4 影響因素分析

3.4.1 評價標準的影響 地表水環(huán)境質(zhì)量標準GB3838-2002是在2002年發(fā)布的，標準中對部分常規(guī)項目的分類不夠細(Ⅰ,Ⅱ類標準值相同的項目有11個，Ⅱ,Ⅲ類標準值相同的項目有9個，Ⅲ,Ⅵ類標準值相同的項目有5個)，跨類別同標的情況導致單因子評價時水質(zhì)類別會出現(xiàn)跳躍式變化。例如：由于陰離子表面活性劑的Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ類標準均為0.2 mg/L，如果陰離子表面活性劑2個實測值為0.19,0.21 mg/L，用單因子評價則分別為Ⅰ類和Ⅳ類，類別差異巨大，反映被評價水體狀況明顯變化；而用SWQI指數(shù)評價是，單項分指數(shù)分別為0.95和1.05，差異很小。這也反映出單因子評價存在自身難以解決的問題。

3.4.2 評價方法統(tǒng)計基礎(chǔ)的影響 SWQI指數(shù)評價法是一種均權(quán)量化評價法，因而SWQI指數(shù)反應(yīng)的是水質(zhì)各項污染物質(zhì)濃度水平的數(shù)學概化。現(xiàn)行地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法是一種極值評價法，只關(guān)注到污染最重的指標，忽略或者弱化了其他指標的影響[7]。

3.4.3 地區(qū)差異帶來的影響 SWQI指數(shù)評價法定量分級的閾值是使用數(shù)理統(tǒng)計方法得到的，因此在數(shù)據(jù)區(qū)間的高值區(qū)和低值區(qū)都會存在擾動。而由于陜西省地理上差異，陜南、關(guān)中、陜北3個地理區(qū)域的地表水環(huán)境現(xiàn)狀有明顯不同的特點，對SWQI指數(shù)評價法的穩(wěn)定性和適應(yīng)性提出了很高的要求。

4 結(jié) 論

(1) 從監(jiān)測數(shù)據(jù)出發(fā)，用數(shù)理統(tǒng)計方法得到SWQI定性評價Ⅰ—Ⅵ級閾值(≤3.5,≤5,≤6.5,≤8,≤10,>10)，經(jīng)過斷面、河流、區(qū)域等3個層次的數(shù)據(jù)驗證，在不同水期、不同地理區(qū)域上均顯示了與現(xiàn)行地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法良好的一致性。

(2) 在SWQI分級評價的基礎(chǔ)上，地表水環(huán)境質(zhì)量指數(shù)SWQI可以實現(xiàn)地表水環(huán)境質(zhì)量定性評價與定量評價的統(tǒng)一，簡化地表水環(huán)境質(zhì)量評價過程，普及公眾對水質(zhì)評價的認知度，實現(xiàn)如同空氣質(zhì)量指數(shù)AQI一般的功效。