地表水环境质量指数的定量分级及其适用性

裴晓龙, 丁 强, 杨玉珍, 彭功平, 杨 瑾, 王一博

(1.陕西省环境监测中心站 水环境监测室, 陕西 西安 710054； 2.力合科技(湖南)股份有限公司， 湖南 长沙 410205)

水质评价是水质管理工作的重要基础，水质评价结果不仅需提供水质类别、主要污染指标，更应准确反映水质的时空变化情况，这就要求所采用的评价方法能够准确地将水质状况进行量化。同时，一种水质评价方法要想在环境管理中被广泛应用，除了科学性和准确性外，还必须具备计算简单，便于掌握和易于认知的特点，另外最好能够同时解决定性和定量评价的统一[1]。

目前国内外主要使用的地表水环境质量评价方法主要有单因子评价法、综合污染指数法、灰色评价法、主成分分析法、模糊评价法等[2]。而中国地表水环境质量评价办法中使用单因子评价法做水质的定性评价，用综合污染指数法做定量的趋势分析，没有给出能同时完成定性和定量分析评价的方法。

如果从事水环境质量评价方面时间较长，肯定会面临以下几个问题：①两个断面都是Ⅲ类，都可以定性评价为水质良好，怎么对比两个断面的水质优劣呢？②两条河流Ⅰ—Ⅲ类断面比例分别是65%，70%，劣Ⅴ类断面比例分别为10%，13%，按照评价办法两条河流均定性评价为轻度污染，如何对比两条河流的水质优劣呢？③两个区域地表水Ⅰ—Ⅲ类断面比例与劣Ⅴ类断面比例之和差异不大，这时候又如何进行区域地表水环境质量的比较呢？以上几个问题在2011年印发的《地表水环境质量评价办法(试行)》中都不能很好解决。

使用无量纲指数[3]对实测数据进行统计定量分级，同时研究对应的评价描述可以解决上述的问题。通过对陕西省地表水监测网2015年至今的1.83×105余个监测数据进行统计分析，得到一套适用于我省的地表水环境质量指数(简称地表水质指数或SWQI)指数分级标准，并从断面、河流、区域等多个层次做了大量的数据验证。验证结果表明：用统计的方法得到SWQI定性评价Ⅰ—Ⅵ级阈值(≤3.5,≤5,≤6.5,≤8,≤10,>10)，与现行地表水环境质量评价办法具有良好的一致性，可以应用于陕西省地表水环境质量现状及趋势评价。另外SWQI指数可以实现地表水环境质量定性评价与定量评价的统一，简化地表水环境质量评价过程，减小公众对水质评价的认知难度，可以实现如同空气质量指数AQI一般的功效，比现行地表水环境质量评价办法在趋势分析、变化程度描述等方面具有明显的优势，甚至具有不可替代性。目前，国内期刊及出版物中相关研究成果很少涉及。

本文从实际工作中遇到的几个问题出发，通过数据分析得到结论，并进行了适用性验证，以期在地表水环境质量评价方法的研究上做出探索，为环境管理提供技术方法和应用数据支撑。

1 思路及方法

1.1 研究思路

本研究从地表水环境质量评价实际工作中遇到的几个典型问题出发，归纳总结了问题的表现形式，提出问题的解决思路，然后经过数据收集整理，使用数理统计方法，得到具有适用性的统计结果，并从监测断面、河流(流域)及区域(地市)等3个层次进行数据验证，并分析了影响因素(见图1)。

图1 SWQI定量分级和验证性研究思路

1.2 研究方法

地表水环境质量指数[4](surface water quality index)可简称地表水质指数(SWQI)，计算采用《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)[5]表1中除水温、粪大肠菌群和总氮以外的21项指标，包括：pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、生化需氧量、氨氮、石油类、挥发酚、汞、铅、总磷、化学需氧量、铜、锌、氟化物、硒、砷、镉、铬(六价)、氰化物、阴离子表面活性剂和硫化物。

先计算出所有监测断面各单项指标浓度的算术平均值，计算出单项指标的水质指数，再综合计算出断面水质指数SWQI。低于检出限的指标项，按照1/2检出限值参加计算各单项指标浓度的算术平均值。

行业全要素生产率与两化融合呈现显著正相关关系，两化融合发展为行业技术进步奠定了坚实的基础。假设检验结果表明，行业两化融合发展水平与其全要素生产率整体呈现出显著的正相关关系，分行业看，机械、纺织、轻工、交通设备、石化、电子信息和建材等7个重点行业的两化融合发展水平与其全要素生产率之间也同样呈现显著的正相关关系(如图7)，说明我国两化融合的深入推进能够有效促进行业技术进步发展重点的全面落实，为行业技术进步和创新发展奠定了坚实基础。

(1) 单项指标的水质指数。单项指标的水质指数是指监测断面某单项监测指标浓度的算术平均值与该指标对应的地表水Ⅲ类标准限值的比值。除溶解氧、pH值两项指标外，计算单项指标的水质指数如公式(1)所示：

(1)

式中：C(i)为第i个水质指标的浓度值；Cs(i)为第i个水质指标地表水Ⅲ类标准限值； SWQI(i)为第i个水质指标的水质指数。下同。

溶解氧计算方法如公式(2)，pH值计算方法如公式(3)—(4)：

(2)

式中：C(DO)为溶解氧的浓度值；Cs(DO)为溶解氧的地表水Ⅲ类标准限值； SWQI(DO)为溶解氧的水质指数。

(3)

(4)

式中：pHsd为GB3838-2002中pH值的下限值； pHsu为GB3838-2002中pH值的上限值； SWQI(pH)为pH的水质指数。

根据各单项指标的SWQI，取其加和值即为断面的SWQI，计算如式(5)所示：

(5)

式中：SWQI断面为断面水质指数； SWQI(i)为第i个水质指标的水质指数；n为水质指标个数。

(2) 河流(流域)水质指数取该河流(流域)内所有断面水质指数SWQI的算术平均值，计算如公式(6)所示：

(6)

式中：SWQI河流为河流水质指数； SWQI断面(i)为第i个监测断面的水质指数；n为该河流上监测断面总数。

(3) 区域水质指数取该区域内所有监测断面水质指数SWQI的算术平均值，计算如式(7)所示：

(7)

式中：SWQI区域为区域水质指数； SWQI断面(i)为区域内第i个监测断面的水质指数；n为该区域内监测断面总数。

2 统计结果与对比分析

基于统计样本数量的代表性和数据计算量等方面的考虑，选取2015—2019年陕西省国、省、市控监测断面共计1.83×105个数据，覆盖了陕西省十市一区的107条河流。通过对SWQI指数的数学统计和散点分布分析(见图2)，可以得到3点结论：①SWQI指数超过20的污染非常严重断面是少数，只占不足1%；②SWQI指数在2.5～8区间聚集度非常高，占比超过78.7%；③样本序号是以时间顺序排列，序列靠后的样本SWQI指数越收敛，且低值区域样本越密集，也宏观反映了全省地表水环境质量的改善情况。

图2 2015-2019年陕西省十市一区SWQI样本散点分布

为了能够对SWQI指数进行分级，形成定性评价，我们以数据统计结果为基础，得到SWQI指数区间与水质综合类别的关联矩阵(见表1)。

表1 SWQI指数各区间样本数与水质综合类别的关联矩阵

关联矩阵显示：①结合SWQI指数各区间样本数分布图，各水质类别中，SWQI指数各区间样本个数均呈现正态分布(Ⅰ类和劣Ⅴ呈现半正态分布)，且收敛区间较小，特别是Ⅲ类水质的SWQI指数近似服从N(5.73，1.04)的正态分布；②Ⅰ—Ⅱ类样本数量与SWQI指数不大于5的样本数量偏差率为0.95%，说明水质类别评价为优的样本可以用SWQI指数不大于5来做数学替换，这一点也与现行的地表水环境质量评价办法中Ⅰ—Ⅱ类水质统称为水质优一致；③Ⅳ，Ⅴ类样本数量与SWQI指数6.5～10的样本数量偏差率为1.12%，说明水质类别评价为轻度及中度污染的样本可以用SWQI指数6.5～10来做数学替换；④劣Ⅴ类样本数量与SWQI指数大于10的样本数量偏差率为5.38%，说明水质类别评价为重度污染的样本基本可以用SWQI指数大于10来做数学替换(见图3)。

图3 SWQI指数各区间样本数分布趋势

基于上述分析，为了与现行的地表水环境质量标准中的水质类别对应统一，同时参考空气质量指数相关定义，将SWQI指数分级的阈值定义如表2所示。

表2 SWQI指数分级阈值及对应的定性评价

3 数据验证和影响因素

为了验证SWQI指数分级阈值及对应的定性评价结论，笔者设计了断面、河流和区域等3个不同层次的验证，来全面评估SWQI指数在定性和定量评价上的稳定性和适用性。

3.1 断面水质验证

为了减小系统误差，选择2019年陕西省国、省、市控断面的1 658组数据做验证(见表3)。结果显示：Ⅰ—Ⅱ类样本数量与SWQI指数Ⅰ—Ⅱ级的样本数量偏差率为2.9%；Ⅲ类样本数量与SWQI指数Ⅲ级样本数量偏差率为0.1%；Ⅳ类样本数量与SWQI指数Ⅳ级的样本数量偏差率为11.4%；Ⅴ类样本数量与SWQI指数Ⅴ级的样本数量偏差率为6.2%；劣Ⅴ类样本数量与SWQI指数Ⅵ级的样本数量偏差率为11.5%。在断面层次，SWQI指数分级评价与现行地表水环境质量评价办法的一致性良好。

表3 2019年SWQI指数各区间样本数与水质综合类别的验证矩阵

3.2 河流水质验证

现行的地表水环境质量评价办法中，是以涵盖断面数量是否少于5个来使用不同方法确定河流的水质状况：当断面数量少于5个时，取断面各指标的算术平均值，然后按照断面的类别对应的水质状况来作为该河流的水质状况；当断面数量多于5个(含5个)时，按照所有断面中Ⅰ—Ⅲ类及劣Ⅴ类断面的比例关系(即通常所说的优Ⅲ劣Ⅴ比例法)来确定该河流的水质状况。SWQI指数的话，则不需如此繁琐，直接计算河流涵盖所有断面的SWQI指数的算术平均值。

考虑到陕西省特殊的地理分布，陕南、关中、陕北等3个区域的河流各具特点，因此分别选择了渭河、汉江、延河3条具有地域代表性的河流，并分别选择2，5，9月作为枯水期、平水期、丰水期的代表月份，进行河流SWQI指数分级评价与现行地表水环境质量评价办法的一致性验证(结果见表4)。

表4 渭河、汉江、延河3条河流SWQI指数评价与水质类别比例法的对比验证

结果显示：①SWQI指数评价法与现行地表水环境质量评价办法中水质类别比例法在汉江、延河两条河流不同水期代表月份的评价结果完全一致，并且SWQI指数评价法可以直观的反映出不同月份水质状况的变化；②平水期的渭河使用SWQI指数评价法与水质类别比例法的结果一致，在枯水期和丰水期评价均高于水质类别比例法的评价结果。经过进一步的挖掘分析，枯水期渭河SWQI指数6.4137已经非常接近轻度污染的阈值下限6.5，处于轻度污染的灰色区域(邓聚龙教授的灰色系统理论[6])。丰水期的优Ⅲ比例已经达到89.5%，已经非常接近水质优的阈值下限90%，处于水质优的灰色地带，且灰度值非常高。SWQI指数分级评价与现行地表水环境质量评价办法在河流层次呈现高度一致的评价结果。

3.3 区域水质验证

现行的地表水环境质量评价办法中，区域地表水环境质量与河流水质状况的评价一致，不在赘述。在关中、陕南、陕北选择咸阳、安康、延安3个地市，并选择2，5，9月作为枯水期、平水期、丰水期的代表月份，进行区域(地市)SWQI指数分级评价与现行地表水环境质量评价办法的一致性验证(见表5)。

表5 咸阳、安康、延安3市SWQI指数评价与水质类别比例法的对比验证

结果显示：①SWQI指数评价法与水质类别比例法在安康市不同水期代表月份的评价结果完全一致，并且SWQI指数评价法可以直观的反映出安康市不同月份水质状况的细微变化；②丰水期的咸阳市SWQI指数评价法与水质类别比例法一致，平水期基本一致，枯水期略有差异(相差一个评价级别)；③枯水期、丰水期的延安市SWQI指数评价法与水质类别比例法一致，平水期有差异(相差一个评价级别)。综上，SWQI指数分级评价与现行地表水环境质量评价办法在区域(地市)层次的呈现基本一致的评价结果。

3.4 影响因素分析

3.4.1 评价标准的影响 地表水环境质量标准GB3838-2002是在2002年发布的，标准中对部分常规项目的分类不够细(Ⅰ,Ⅱ类标准值相同的项目有11个，Ⅱ,Ⅲ类标准值相同的项目有9个，Ⅲ,Ⅵ类标准值相同的项目有5个)，跨类别同标的情况导致单因子评价时水质类别会出现跳跃式变化。例如：由于阴离子表面活性剂的Ⅰ,Ⅱ和Ⅲ类标准均为0.2 mg/L，如果阴离子表面活性剂2个实测值为0.19,0.21 mg/L，用单因子评价则分别为Ⅰ类和Ⅳ类，类别差异巨大，反映被评价水体状况明显变化；而用SWQI指数评价是，单项分指数分别为0.95和1.05，差异很小。这也反映出单因子评价存在自身难以解决的问题。

3.4.2 评价方法统计基础的影响 SWQI指数评价法是一种均权量化评价法，因而SWQI指数反应的是水质各项污染物质浓度水平的数学概化。现行地表水环境质量评价办法是一种极值评价法，只关注到污染最重的指标，忽略或者弱化了其他指标的影响[7]。

3.4.3 地区差异带来的影响 SWQI指数评价法定量分级的阈值是使用数理统计方法得到的，因此在数据区间的高值区和低值区都会存在扰动。而由于陕西省地理上差异，陕南、关中、陕北3个地理区域的地表水环境现状有明显不同的特点，对SWQI指数评价法的稳定性和适应性提出了很高的要求。

4 结 论

(1) 从监测数据出发，用数理统计方法得到SWQI定性评价Ⅰ—Ⅵ级阈值(≤3.5,≤5,≤6.5,≤8,≤10,>10)，经过断面、河流、区域等3个层次的数据验证，在不同水期、不同地理区域上均显示了与现行地表水环境质量评价办法良好的一致性。

(2) 在SWQI分级评价的基础上，地表水环境质量指数SWQI可以实现地表水环境质量定性评价与定量评价的统一，简化地表水环境质量评价过程，普及公众对水质评价的认知度，实现如同空气质量指数AQI一般的功效。