CCME WQI在入海河流(鰲江)感潮河段水質評價中的應用

王 珅，黃 晶，馮孫林，萬哲慧，王 奇

1.溫州市環境監測中心站，浙江 溫州 325000 2.棗莊市環境監測站，山東 棗莊 277000 3.溫州大學生命與環境科學學院，浙江 溫州 325000

水質評價理論已經歷了半個世紀的發展，國內外誕生了諸多水質評價方法，如水質指數法[1]、灰色關聯法[2]、TOPSIS多目標決策法[3]、主成分分析法[4]、層次分析法[5]和貝葉斯法[6]等。各種方法的原理不同，評價結果亦有出入。大部分水質評價方法有其自身的適用范圍，仍停留在科研階段，離實際應用仍有一定的距離[7]。

加拿大環境部長理事會水質指數(Canadian Council of Ministers of the Environment Water Qaulity Index，CCME WQI)為水質指數法的一種，在加拿大及巴西、摩洛哥、阿根廷、韓國、比利時、波蘭、瑞士、南非、印度、巴基斯坦和俄羅斯等國家和地區水環境質量評價工作中得到了廣泛應用，認可度較高[8]。近些年來，在國外學者[9-14]對CCME WQI從不同角度進行深入研究的同時，中國學者也對其進行了不同程度的探索：GAO等[15]運用CCME WQI對三峽水庫2008—2013年水質狀況進行了分析評價；YAN等[16-18]在CCME WQI的基礎上開發出動態水質評價模型，用灰色關聯法改進了CCME WQI，并應用于新通揚運河，之后將生物評價因子引入模糊CCME WQI，評價了五里湖水質；XIA等[19]運用聚類CCME WQI評價了三峽大壩175 m蓄水試驗后水質的時空分布；ZHANG等[20]研究第二松花江盆地的地表水與地下水相互關系時使用了CCME WQI；楊婷婷等[21]初步比較了3種水質評價指數，認為CCME WQI適用于中國各水質功能區水質評價?，F階段，國內對CCME WQI水質評價集中在中大型水庫、內陸湖泊等，入海河流感潮河段應用的報道較少，筆者選擇中國東部沿海典型入海河流(鰲江)為研究對象，討論CCME WQI與最差因子判別法評價結果差異，為水環境質量評價方法的選用提供參考。

1 研究區域概況

1.1 鰲江概況

鰲江位于浙江省溫州市，干流長為82 km，匯入東海，流域面積為1.5×103km2。低潮時平均水深約為0.8 m。年徑流量約為2.0×1010m3，年平均含沙量約為0.1 kg/m3。自詹家埠起至河口為鰲江下游，長為48.7 km，此河段水體與河床受潮汐影響與控制，地勢西高東低，平均坡降為0.1‰。

1.2 監測布點、采樣與分析

溫州市環境監測中心站依據《水質 采樣方案設計技術規定》(HJ 495—2009)設置監測斷面，經上級主管部門批準后實施，埭頭、江嶼、方巖渡、江口渡4個監測斷面位置(地理坐標為120°17′～120°36′E，27°35′～27°38′N)見圖1。功能區水質目標分別為Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅲ類、Ⅲ類。江口渡為國控斷面，其余為省控斷面；除埭頭監測斷面外，其余監測斷面處于感潮河段，潮汐往復作用對上覆水水環境質量影響顯著。平陽縣環境監測站依據《水質 采樣技術指導》(HJ 494—2009)承擔監測斷面采樣與項目分析作業，部分未形成能力的監測項目，委托溫州市環境監測中心站分析。

溫州市環境監測中心站與平陽縣環境監測站嚴格按照國家相關部門頒布的現行有效水質分析標準方法開展各項目分析操作。

圖1 鰲江水質采樣布點示意圖Fig.1 Distribution of sampling sites in the Aojiang River

2 CCME WQI評價方法

CCME WQI由加拿大英屬哥倫比亞大學(UBC)提出的水質指數改進而來。CCME WQI已在加拿大國內廣泛使用，聯合國環境署(UNEP)也使用CCME WQI方法對世界各國進行水質現狀評價。CCME WQI的計算方法如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

從式(1)變形后可以看出，CCME WQI為3個變量的調和平方和。式(2)中參數F1代表選用水質評價項目超過其標準限值的百分比，P為超標水質參數的個數；N為水質監測項目總數。式(3)中參數F2代表在一定時間范圍內，某監測項目超過標準限值的次數所占百分比，q為全部水質監測數據中超標數據的個數；M為水質監測數據總數。式(5)中參數S為在某監測項目超標時，該監測項目的超標倍數，S為超標水質指標實測值與標準值之比；Q為歸一化參數，即各監測項目超標倍數加和與水質監測數據總數之比。CCME WQI的取值范圍為0～100閉區間，各種水質級別的范圍及釋義如表1所示。

表1 CCME WQI水質等級劃分及釋義Table 1 Classification and explaination of CCME water qualtiy index

3 結果與討論

3.1 監測項目相關性分析

CCME WQI使用手冊2017版中的相關說明指出：應根據水質功能目標來選擇參與評價的水質監測參數，選用參與評價的水質參數個數應大于8個，小于20個。水質參數間不應存在高度相關性，避免相關性水質參數重復選擇對CCME WQI計算結果產生影響[9]。參考《平陽年鑒2013》《蒼南年鑒2013》和CCME WQI 2017附錄2中相關行業推薦監測參數，選取pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(CODMn)、氨氮、總氮、總磷、石油類、氟化物、陰離子表面活性劑、糞大腸菌群共10項水質監測參數。

選用江口渡斷面10組監測數據計算P值與r值(表2)。從表2可以看出，總氮與CODMn，氟化物與總磷，陰離子與pH、氨氮具有統計學意義上的極顯著相關性(P<0.01)。但上述各組參數間|r|均小于0.8，因此可以認為各組參數未達到高度相關的條件。可將10項監測參數納入CCME WQI評價參數中。

表2 江口渡斷面CCME WQI水質參數相關性分析Table 2 The correlation analysis of CCME WQI water quality parameters in Jiangkoudu section from Jan to Dec 2014

注：P<0.05統計學顯著相關,P<0.01為極顯著相關；|r|≥0.8變量高度相關。

3.2 鰲江監測斷面CCME WQI水質評價

由于數據量較大，為了方便比較，用Origin8.5繪制了2014年鰲江4個監測斷面10項監測項目逐月濃度箱線圖，如圖2所示。箱圖上端和下端分別代表上下四分位，箱圖中線為中位數。箱圖兩端表示離群值，coef為1，“×”表示最大與最小百分比，“□”表示平均值。pH為無量綱，糞大腸菌群用MPN表估計值，個/L，其他項目單位為mg/L。

根據《地表水環境質量評價辦法(試行)》(環辦[2011]22號)單因子法評價水質排除了總氮、糞大腸菌群項目。

表3顯示了2014年1—12月江口渡斷面CCME WQI與單因子評價結果。

從表3可以看出，江口渡斷面(水質目標為Ⅲ類)CCME WQI指數為67.5～89.1。1、2、12月水質良好，其他月份水質中等。而單因子評價結果顯示，江口渡監測斷面在3—11月處于Ⅳ類水質，超標定類因子為溶解氧。比較2種評價結果，CCME WQI與單因子水質評價結果相吻合，相對于部分超標的監測項目，CCME WQI考慮了溶解氧、總氮、糞大腸菌群3個超標項目的超標范圍(F1)、超標頻率(F2)和超標幅度(F3)，因此得出的水質評價結果較合理。

表4顯示了2014年1—12月江嶼斷面CCME WQI與單因子評價結果。

月份F1F2F3CCME WQI水質等級單因子法評價結果單因子法超標定類因子1101023.984.0良好Ⅲ—2101019.686.1良好Ⅲ—3202030.875.9中等Ⅳ溶解氧4202025.977.9中等Ⅳ溶解氧5202032.375.2中等Ⅳ溶解氧6202028.476.9中等Ⅳ溶解氧7202031.175.7中等Ⅳ溶解氧8202022.479.2中等Ⅳ溶解氧9303037.067.5中等Ⅳ溶解氧10202025.777.9中等Ⅳ溶解氧11202032.375.2中等Ⅳ溶解氧12101012.489.1良好Ⅲ—

注：“—”表示無超標定類因子。

表4 2014年1—12月江嶼斷面CCME WQI與單因子評價結果Table 4 CCME WQI and single factor method assessment result of Jiangyu section from Jan to Dec 2014

注：“—”表示無超標定類因子。

從表4可以看出，江嶼斷面(水質目標為Ⅳ類)與單因子評價結果有較大差別，1、8、12月個別水質監測項目嚴重超標對F3的貢獻并未導致CCME WQI的水質評價結果落入很差級別，若將江嶼斷面水質目標設定為Ⅲ類，7個月份的水質評價結果下降一級，與單因子法評價結果接近。究其原因，江嶼斷面的水質目標設定為Ⅳ類，顯著影響了CCME WQI的評價結果，使得F1、F2、F3計算結果偏樂觀。

結合表3和表4，江口渡、江嶼斷面分屬不同水質功能區域，因此，盡管2個監測斷面的監測項目相同，得到了CCME WQI數值，但兩者的評價結果不能進行橫向比較。

以月為單位，考察江口渡斷面F1、F2、F3取值對CCME WQI的影響時，發現F3的權重較高，因此，江口渡斷面嚴重超標項目對CCME WQI評價結果起決定性作用。

以年為單位，在F3的計算中，M值為全年各項目監測數據總數。M值的擴大稀釋了F3對CCME WQI計算的貢獻，2014年江口渡斷面評價結果為中等。

3.3 鰲江監測斷面CCME WQI沿程分布

2014年鰲江監測斷面CCME WQI水質沿程分布如圖3所示。

圖3 2014年鰲江斷面CCME WQI沿程分布Fig.3 The spatial distribution of CCME WQI along the Aojiang River，2014

為方便比較，將江嶼斷面水質目標設定為Ⅲ類。從圖3可以看出，鰲江潮水未影響到埭頭斷面，同時上游來水水質較好，因此埭頭斷面水質較好。江嶼斷面受河段上覆水潮汐作用影響，也受到周邊工業、農業等生產、生活點源、面源污染影響，同時水文地質條件不利于污染物稀釋擴散，因此江嶼斷面水質較差。

4 CCME WQI評價水質的優點及制約因素

CCME WQI評價監測斷面水質狀況具有明顯優點。首先，相對于最差因子評價法，CCME WQI同時給出了超標范圍、超標頻率、超標幅度及三者調和平方和的形式計算獲得水質狀況并進行評價。公眾更容易理解CCME WQI所代表的含義，生態環境管理部門更容易從相應數據中掌握相關監測斷面的水質狀況并采取相應措施。其次，在相同水質目標斷面，CCME WQI提供的量化水質等級為生態環境管理提供的數據排序比較便利，易于量化考核。最后，“機器換人”的時代背景下，CCME WQI運算相對容易，便于實際操作，減少人工差錯率，提高工作效率，同時CCME WQI可預留端口連接GIS及環境保護大數據平臺，為區域、流域、海域環境保護分析研判提供便利。基于以上考慮，CCME WQI在中國具有較大應用價值。

CCME WQI在實際運用過程中，存在如下問題需要解決。第一，評價標準的選取對CCME WQI評價結果起決定作用。中國幅員遼闊，各地水文地質條件不同，水環境背景值差異較大。水質功能區目標的設定對水質評價結果影響較大。第二，水質評價項目及個數的選擇對CCME WQI評價結果影響較大。盡管加拿大環境部長理事會已經給出了水質評價項目選取辦法，但中國《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)各種屬性的監測項目達109項，如何選取相應的評價項目，降低監測成本，結合水質在線自動監測等還需要深入研究。

5 結論

利用CCME WQI評價了2014年鰲江干流感潮河段4個監測斷面的水環境質量狀況，與最差因子評價法進行比較。評價結果顯示，2014年鰲江干流感潮河段4個監測斷面埭頭、江嶼、方巖渡、江口渡水質分別為良好、較差、中等、中等；江口渡斷面有9個月處于中等級別，1、2、12月為良好。與最差因子水質評價法相比，CCME WQI更利于屬地生態環境部門對水資源分類管理，具有巨大的應用價值。CCME WQI在實際運用過程中存在評價標準選用與評價項目選取2個方面的制約因素，仍需要深入研究。