典型城市地表水質綜合評價方法研究

高紅杰，鄭利杰,2，嵇曉燕，宋永會，韓 璐，呂純劍

1.中國環境科學研究院城市水環境科技創新基地,北京 1000122.沈陽化工大學環境與安全工程學院,遼寧 沈陽 1101423.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

典型城市地表水質綜合評價方法研究

高紅杰1，鄭利杰1,2，嵇曉燕3，宋永會1，韓 璐1，呂純劍1

1.中國環境科學研究院城市水環境科技創新基地,北京 1000122.沈陽化工大學環境與安全工程學院,遼寧 沈陽 1101423.中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

以中國10個典型城市2013年實測地表水水質資料為基礎，運用內梅羅指數法、均值法、地表水質指數法(SWQI)3種評價方法對城市地表水質進行綜合評價。結果表明：就評價指標而言，3套指標方案評價結果顯著相關，最佳指標為DO、CODCr、NH3-N、TP；就評價方法而言，內梅羅指數法是3種方法中的首選方法，SWQI法評價結果表現為過保護，均值法不能突出較差水質指標的影響。

城市地表水；評價指標；評價方法；內梅羅指數法

隨著中國城市化和工業化進程的不斷推進，城市規模和人口急劇增加，水污染不斷加劇，水環境持續惡化，城市水環境問題已成為城市快速發展過程中新的挑戰[1]。加強城市水污染控制，改善城市水環境質量迫在眉睫。

在城市水環境綜合治理過程中，水質評價是一項基礎性工作[2]。客觀的評價結果有賴于科學的評價體系[3]。要實現水質評價方法的推廣應用，水質評價方法應具備合理性、準確性、可行性等特點[4]。自20世紀60、70年代，國內外相繼建立了許多與水環境相關的評價方法，常用的有單因子評價法、綜合污染指數法、模糊數學評價法、灰色系統評價法、層次分析法、人工神經網絡法、水質標識指數法等[5]。每種方法都有一定的合理性，但由于水環境系統是一個不斷變化、極其復雜、具有不確定性的大系統，目前為止仍無一種統一的、確定的多地區城市評價模型[6]。根據區域環境特征、評價目的和水質特性選擇有代表性的評價指標和合適的評價方法，使評價結果真實準確，是對城市水環境進行科學準確評價的關鍵所在。

研究基于10個典型城市監測數據，采用目前常用的均值法、內梅羅指數法、地表水質指數法(SWQI)，分別對該城市地表水進行評價。根據評價結果，優化水質評價指標，篩選評價方法，建立一套合理、準確和可行的適用于典型城市地表水的評價模型，以期為中國典型城市地表水水質狀況評估提供科學依據。

1 數據來源與評價方法

1.1 城市樣本選擇

研究綜合考慮了地理區位、經濟發展水平、典型環境特征、城市區域重要性以及監測數據的完整性，選擇全國10個重點城市共計214個斷面作為評價對象，各城市、斷面的分布及基本情況見表1。

表1 評價信息表Table 1 Evaluation information

注：數據來源為各市環保局。

1.2 評價方法簡介

1.2.1 內梅羅指數法

內梅羅指數法是當前國內外進行綜合污染指數計算最常用的方法之一。該方法是對斷面內梅羅指數求均值，得出所在城市綜合污染指數，如公式(1)所示：

(1)

式中：Ii為第i個斷面內綜合污染指數；D為城市綜合污染指數。

1.2.2 均值法

均值法是綜合污染指數法的一種特殊計算方法。城市均值水質指數上同內梅羅城市水質指數，即對斷面均值指數(I)求均值。

1.2.3SWQI法

SWQI法基于單因子評價法的評價原則，依據水質類別與SWQI值對應表(表2)，用內插方法計算得出某一斷面每個參加水質評價項目的SWQI值，如公式(2)所示，取最高SWQI值作為該斷面的SWQI指數，如公式(3)所示，再對斷面水質指數(SWQI)求均值，計算城市地表水質指數，如公式(4)所示。計算如下：

表2 水質類別與評分值對應表Table 2 Water quality categories and score values

(2)

SWQIj=MAX(SWQI)

(3)

(4)

式中：C為水質指標的監測值；Cl為水質指標所在類別標準的下限值；Ch為水質指標所在類別標準的上限值；SWQIl為水質指標所在類別標準下限值所對應的評分值；SWQIh為水質指標所在類別標準上限值所對應的評分值；SWQI為水質指標所在類別對應的評分值；SWQIj為第j個斷面的地表水質指數；SWQI城市為排名城市的地表水質指數；N為排名城市的斷面個數。

2 體系建立

2.1 評價指標體系構建

水質評價指標體系是用來全面衡量水質的尺度，是衡量水中雜質的標識。從水質評價過程以及相關評價實例來看，單個指標不能準確、合理的表征水質實際狀況，卻能直接影響評價結果，那么由評價結果來篩選指標體系會更加科學、合理。

2.1.1 指標體系方案建立

方案1：中國地表水河流評價指標，即《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中除水溫、TN、糞大腸菌群以外的21項指標。

方案2：各省政府考核指標(表3)。

表3 省政府考核指標Table 3 Provincial government assessment indicators

注：“—”表示未找到相關文件；“*”表示全國城市環境綜合整治定量考核。

鑒于各地區自動監測站監測指標，考慮將DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N、TP 6項指標體系作為城市地表水第2套方案。

方案3：利用單因子評價對10個典型城市2013年監測數據分析，共12項指標有超標現象，主要超標項(超標率大于10%)有TN、NH3-N、TP、CODCr、BOD5、CODMn，如表4所示。

表4 超標指標Table 4 Exceeded indicators

結合省政府考核指標中自動監測站監測指標，地表水環境質量評價辦法(環辦[2011]22號文件)規定，TN不參與河流水質評估，提出第3套指標方案，包括DO、CODCr、NH3-N、TP 4項指標。

方案1指標多，具有綜合性、代表性等優點，但評價參數量大，可操作性、可行性較差，通過3種指標方案計算結果相關性分析，選出指標最少、最有代表性的指標體系，進而對指標體系進行優化。

2.1.2 評價指標體系相關性分析

用內梅羅指數法、均值法、SWQI法3種評價方法，采用以上3種指標方案，分別對中國10個典型城市水質進行評價，結果見表5。

表 5 不同指標方案評價結果Table 5 Evaluation results of different index schemes

將每組評價結果作為變量，導入SPSS統計分析軟件進行定量相關性分析，計算Person相關性系數r(r>0時為正相關，r<0時為負相關，其絕對值大小反映變量相關程度高低)，見表6。若某2個變量的r接近1或-1，即P<0.01時，說明2個變量(指標方案)可互相替代。

表 6 水質指標相關性系數Table 6 Correlation coefficient of water quality index

注：“**”表示在0.01水平(雙側)上顯著相關。

表6顯示，SPSS軟件Pearson相關性分析，在0.01的顯著水平下，3種評價方法指標方案2、3與指標方案1具有明顯的正相關性，r>0.8以上，P<0.01，均呈相關性高度顯著。根據SPSS軟件Pearson相關性原理，r接近1或-1時，變量可相互代替。方案2水質評價結果和方案3水質評價結果與方案1水質評價結果顯著相關，因此指標方案2、3可代替指標方案1。指標方案1，指標全，最能代表水質狀況，但評價參數多，工作量和經費隨之增加，根據評價指標原則，3種評價方法最佳指標方案為方案3， 即DO、CODCr、NH3-N、TP 4項指標。

2.2 評價方法比較研究

2.2.1 3種指數法之間的比較

由于3種指數法所得結果閾值不同，評價等級的劃分標準不同，3個指數之間并無可比性，不能直接比較，為比較3種指數方法的評價結果，對每個城市進行排名，結果見表7。

表 7 3種評價方法評價結果表Table 7 Evaluation results of three evaluation methods

表7可以看出，3種代表性水質評價方法均從不同程度上反映了10個典型城市的水質情況。評價結果顯示：W1排名第一，水質最好，M3排名最后，水質最差。

均值法反映的是水質平均超標程度，對于某種污染物污染水平不能被該指數有效識別。內梅羅指數法不僅考慮平均污染值的影響，還特別兼顧最大超標污染物的影響。以M2和N1城市為例，2個城市均值水質指數均為0.57，從指數上看，2個城市污染程度相同，但是M2城市NH3-N嚴重超標，僅滿足Ⅴ類水質標準，而N1雖有超標項目，但參與評估斷面滿足Ⅳ類水質。從實際情況來看，M2超標因子對生態環境影響要大于N1。內梅羅指數法評價結果恰能反映這一事實：M2和N1內梅羅指數分別為0.85和0.62，M2污染程度高于N1。SWQI法以最差水質指標所屬類別作為綜合水質類別，以W1和W2為例，各項參與評估指標均未超標，W1和W2參與評估斷面均為Ⅱ類水質。從實際情況看，2個城市水質相當，但是W1的最大項污染指數MAX(SWQI)為DO=34.56，W2的最大項污染指數MAX(SWQI)為DO=20.00，SWQI法將MAX(SWQI)平均值作為評價結果，表現為過保護。

2.2.2 單因子評價法與3種指數評價法比較

單因子評價法對城市進行水質評價時，低水質等級斷面所占比例越大，相應城市水質就越差。單因子評價結果(圖1)顯示，劣Ⅴ類水質斷面比例最大的城市為M3，為100%，水質最差，其內梅羅污染指數最大，為8.36。斷面水質等級為Ⅱ、Ⅲ類水體的城市包括W1、W2、M1，水質較好，內梅羅污染指數較小，分別為0.38、0.66、0.50。由于SWQI法以最差水質指標所屬類別作為綜合水質類別，與單因子評價法評價原理相同，2種評價方法評價結果更為吻合。單因子評價各城市斷面污染情況與以上3種指數評價法評價結果大體相當，說明這些方法一定程度上均可用于水質評價。

圖1 斷面水質等級百分比Fig.1 Percentage of water quality grade

2.2.3 3種評價方法科學性研究

一種水質評價方法要想在水環境管理工作中得到廣泛應用，除了具備可操作性之外，還必須滿足計算科學合理，評價客觀事實。3種水質評價方法計算過程均較為簡便，但是SWQI法以最差水質指標所屬類別作為綜合水質類別，評價結果表現過保護，不能科學合理地評判水體的綜合水質類別。均值法是對n個水質指標污染指數算術平均，計算結果容易掩蓋高濃度的水質指標污染影響。內梅羅指數法，是國家技術監督局于1994年實施的《地下水質量標準》(GB/T 14848—1993)中推薦的方法，適用于地下水、飲用水水源地、湖泊、河流、土壤重金屬[7-10]等評價，是一種兼顧極值或突出最大值的計權型多因子環境質量指數，在加權過程中避免了權系數中主觀因素的影響，在評價時綜合考慮所有評價參數，在面對大量樣品時，能給出科學的評價結論，可以滿足管理部門要求，適用于中國部分典型城市地表水質評價。

2.3 內梅羅指數法水質分級標準建立

根據計算所得綜合污染指數值，對水質進行評價等級的劃分[11]，水質等級劃分是相對性的，分級原則與標準見表8。

表8 內梅羅水質指數法分級表Table 8 Classification of Nemerow index method

3 結論

3套評價指標方案通過實例分析得出：21項指標參數多，代表性強，但是評價參數較多，可操作性差；4項指標具有較好的代表性，可操作性好，是一套科學合理的評價指標體系。

3種評價方法通過實例分析得出：SWQI法評價結果表現為過保護，算數平均模式不能突出高濃度水質指標的影響；內梅羅污染指數法評價結果科學合理，數學過程簡潔，物理概念清晰，是一種首選評價方法。

由內梅羅指數法計算可知，城市污染指數是對斷面水質指數求均值，內梅羅指數法適用于評價城市水質，同樣也適用于評價斷面水質。

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Study on Comprehensive Evaluation Methods for Surface Water of Typical Cities

GAO Hongjie1,ZHENG Lijie1,2,JI Xiaoyan3,SONG Yonghui1,HAN Lu1,LYU Chunjian1

1.Scientific and Technological Innovation Base for Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China2.College of Environmental and Safety Engineering, Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang 110142,China3.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre,Beijing 100012,China

Based on the monthly water quality data of 10 typical cities in 2013, the status of urban surface water quality was comprehensively evaluated with three assessment methods, including Nemerow index method, mean value method, and surface water quality index (SWQI) method. The research results showed that for evaluating indicator, there was a significant correlation in the evaluate results by the three methods, and the best evaluation indexes were DO, CODCr, NH3-N and TP. In terms of evaluation method, Nemerow index method was the best one among these methods; the results evaluated bySWQImethod represented as overprotection, which could not reflect the real status; and the water quality assessed by mean value method could not highlight the effect of bad water quality index.

urban surface water;evaluation index;evaluation method;Nemerow index method

2015-12-26;

2016-03-02

重點流域環境保護監管項目(2110302)；國家水體污染控制與治理科技重大專項“渾河中游水污染控制與水環境綜合整治技術集成與示范”(2012ZX07202-005)；科技支撐計劃(2015BAK16B01-1)

高紅杰(1981-)，男，遼寧鐵嶺人，博士，副研究員。

宋永會

X824

A

1002-6002(2017)02- 0055- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.09