水質評價方法改進研究

王 哲，邢西剛，閆 峰，李 宇

（1.海河水利委員會水文局，天津 300170；2.水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120；3.南昌大學建筑工程學院，江西 南昌 330031）

1 引言

河湖健康評價是水資源管理的重要內容，也是保障“河長制”“湖長制”貫徹落實的重要手段[1-3]。為了保障河湖健康評價的順利實施，我國于2020年8月頒布了《河湖健康評價指南（試行）》（以下簡稱《指南》），以指導各地開展河流和湖泊的健康評估工作[4-7]。

在河湖健康評價中，水質狀況是其中最重要的評價因子之一[8-10]。為了準確地量化河流和湖泊的水環境質量，《指南》中提出了“水質優劣程度”指標[11，12]。該指標通過對照評價閾值和污染物在研究時段內的均值，依據線性內插模型和最劣值原則對水質狀況展開評估[13，14]。

然而本課題組通過大量的實踐發現，當污染物年內分布不均勻且不同污染物的時程分布有較大差異時，年均值通常不能準確反映污染物的實際超標狀況，《指南》中的水質優劣程度評價結果往往過于樂觀。本研究將通過一個簡單而直觀的反例，揭示目前水質優劣程度算法的缺點，并在此基礎上提出相應的改進對策與建議。

2 傳統水質優劣程度評價方法及其缺點

2.1 傳統水質優劣程度模型

按照《指南》的要求，水質優劣程度的評價周期為每年1次，且月水質監測期應覆蓋一年四季；有多次監測數據時應采用多次監測結果的平均值進行計算；由評價時段內最差水質項目的水質類別代表該河流（湖泊）的水質類別，當有多個水質項目濃度均為最差水質類別時，分別進行評分計算，取最低值；評分值采用線性插值法，即根據各指標的實測濃度值和文獻[14]中的水質類別標準值，對照表1中的評分閾值進行線性內插得到[5]。

表1 水質優劣程度賦分標準

《指南》中的水質優劣程度計算方法可以概括為如下數學模型。

設某河流∕湖泊共有m項水質指標參評，每年進行n次監測（其中n≥4），并將第i項指標在第j次監測中的實測值記作xij。依據文獻[14]和各地的水質考核要求，將第i個指標對應于第k個等級的理想最優值和理想最劣值分別記作opti（k）和infi（k），其中k=6對應著劣V類。

首先，根據式（1）計算評價指標i的年均值。

而后，根據各計算指標的分段線性函數，計算指標i的評分值yi。對于越大越好的指標，如溶解氧的計算公式為：

對于越小越好的指標，如高錳酸鹽指數的計算公式為：

最后，該河流∕湖泊的水質評分值z根據最差的水質指標進行計算，即：

2.2 傳統水質優劣程度模型的缺點

在本節中，結合如下簡單而直觀的反例，揭示目前水質優劣程度算法的缺點。設某河流的水質目標為Ⅲ類，且控制性污染物為高錳酸鹽指數（CODMn）和總氮（TN）。該河流的水質監測頻率為每季度1次，且實測值見表2，水質等級見表3。

表2 評價河流控制性污染物的實測值 mg∕L

表3 評價河流控制性污染物的水質等級

由表2 可知，該河流不同污染物的時程分布具有顯著差異。其中，CODMn在春季和冬季含量較高，而在夏季和秋季含量較低。經過水環境調查發現，這是由于春季和冬季水量較小，流速和溫度均較低，水體的稀釋降解能力弱；而夏季和秋季水量較大，流速和溫度均較高，水體的稀釋降解能力較強所致。而TN 的時程分布與CODMn剛好相反，其在春季和冬季含量較低，而在夏季和秋季含量較高。水文調查發現，TN 的主要來源是流域內的農業面源污染，且該河流流域內的降水主要集中在夏季和秋季，這一時期坡面匯流較大，由攜帶的氮負荷較多所致。

由表3 可知，污染物的時程分布差異造成不同季節的最劣水質指標也有所區別。其中，春季和冬季的最劣指標為CODMn，僅為Ⅳ類；而同期的TN 均能達到Ⅱ類。夏季和秋季的最劣指標為TN，僅為Ⅳ類或Ⅴ類；而同期的CODMn均能達到Ⅲ類。根據文獻[14]計算，該河流在春季、夏季、秋季、冬季的水質等級分別為Ⅳ類、Ⅴ類、Ⅳ類、Ⅳ類。由此可見，該河流全年的水質狀況均不能達到水質保護目標Ⅲ類的要求。

根據傳統模型，評估該河流的水質優劣程度，結果詳見表4。

表4 傳統水質優劣程度模型評價結果

根據傳統模型，表4 中CODMn和TN 的評分值分別為76.88 和76.50。因此，TN 為最劣指標。相應地，該河流的水質評分值也為76.50。對照表1、表3、表4可知，雖然該河流4個季度的水質狀況均無法達到Ⅲ類，而根據傳統的水質優劣程度模型，該河流的水質狀況能夠達到Ⅲ類，屬于“健康”等級。由此可見，《指南》中的水質優劣程度模型無法反映該河流實際的污染狀況，評價結果過于樂觀。

由表3 可知，造成這一問題的根源是，當污染物的年內分布不均勻且不同污染物的時程分布有較大差異時，年均值不能準確反映污染物的實際超標狀況。比如，在該河流中，CODMn雖然在春季和冬季均超標，但由于其在夏季和秋季含量較低，因此年均值為5.75 mg∕L，仍能達到Ⅲ類。TN雖然在夏季和秋季均超標，但由于其在春季和冬季含量較低，因此年均值為0.95 mg∕L，也能達到Ⅲ類。

3 水質優劣程度評價模型的改進方法研究

針對傳統模型的缺點，本研究提出了如下改進的水質優劣程度評價模型。設某河流∕湖泊共有m項水質指標參評，每年進行n次監測（其中n≥4），并將第i項指標在第j次監測中的實測值記作xij。依據文獻[14]和各地的水質考核要求，將第i個指標對應于第k個等級的理想最優值和理想最劣值分別記作opti（k）和infi（k），其中k=6對應著劣Ⅴ類。

首先，根據評分指標的分段線性函數，計算污染物在各次監測中的評分值yij。對于越大越好的指標，如溶解氧計算公式為：

對于越小越好的指標，如高錳酸鹽指數計算公式為：

對于第j次監測，其水質評分值zj根據最差的水質指標進行計算，即：

將第j次監測的代表時長記作tj，河流∕湖泊的水質綜合評分值Z根據各次監測評分按代表時長的加權平均值進行計算，即：

根據改進的水質優劣程度評價模型，對該河流進行評價，結果詳見表5。

表5 改進的水質優劣程度模型評分值

由表5 可知，改進的水質優劣程度模型中，春季和冬季的水質監測評分值根據CODMn進行評估，夏季和秋季的水質監測評分值根據TN 進行評估。由于4次監測的代表時長一致（均為1個季度），因此河流水質的綜合評分值根據均值計算，為65.85，屬于“亞健康”等級。由2.2節討論可知，該河流全年水質均不達標，其中春季和冬季CODMn超標、夏季和秋季TN超標。

對比表4—5 可知，改進后的水質優劣程度模型首先計算各次水質監測的評分值，而后按代表時長加權平均，計算水質綜合評分值，這有效地解決了年均值不能準確反映污染物實際超標狀況的問題。

4 結論

《指南》中的水質優劣程度模型直接根據年均值進行水質評估。當污染物年內分布不均勻且不同污染物的時程分布有較大差異時，這種算法不能準確反映污染物的實際超標狀況，評價結果過于樂觀。

改進后的水質優劣程度模型首先計算各次水質監測的評分值，而后按代表時長加權平均，計算水質綜合評分值，有效地解決了年均值不能準確反映污染物的實際超標狀況的問題。