水质级别指数法在水质评价和预警方面的应用——以桂南沿海地区地表水评价为例

邓 建 明

(广西沿海水文中心，广西 钦州 535000)

在最严格水资源管理制度深入实施、河长制工作全面推行的当下，地方党委政府和河长被层层压实了辖区河湖管控的主体责任。作为河湖管控效果的情报渠道和考核依据，水质监测评价工作愈发受到重视[1]。如何将监测数据反映的河湖健康状况有效地传递到党政领导，协助他们及时做出正确的决策，是水资源环境监测工作者需要认真思考的问题。选用科学实用的评价方法，就显得特别重要。

几十年来，得到我国水资源环境保护工作者和研究人员广泛关注和应用的水质评价方法主要有单因子评价法、综合污染指数法和水质标识指数法。单因子评价法[2]实际上是一种定性标识法，直观表明了水质类别，但无法开展连续定量分析，无法有效进行水质预警，也无法对劣Ⅴ类水体进行优劣判定。综合污染指数(WPI)法实现了定量分析[3]，但无法判定水质类别，且对没有明确管理目标的水域无法应用。水质标识指数法由徐祖信提出[4]，一定程度上结合了标识法和指数法的优点，既有标识内容又可定量分析，在清潩河流域[5]、鄱阳湖[6]、阜阳市主要河流[7]等水域水质评价中均得到较好应用，但该方法由于标识内容冗余，影响了连续性，且在接近水质类别上限时水质指数的计算和表示存在疑难，取均值的做法还会屏蔽掉严重污染指标的恶劣影响。

其他的水质评价方法也还有很多，如樊引琴等应用物元分析法对黄河水质进行评价[8]，庞振凌等[9]和李祥等[10]分别将层次分析法应用于南水北调中线水源区和上海淀山湖的水质评价，王晴晴等结合主成分分析法与熵值法对台州市河网水质开展了评价[11]，夏凡等则采用主成分分析法对丹江口水库16条入库河流开展了评价并与单因子评价法、综合污染指数法评价结果进行了对比分析[12]，王俊对灰色系统理论在原水水质预测与评价中的应用开展了研究[13]，姜莉莉等应用模糊数学评价法对青龙河水质现状开展了评价[14]，薛建军等则应用人工神经网络进行了水质评价研究[15]。但这些方法由于计算复杂，且评价结果与国家法定标准往往存在一定差异，主要是高校和科研院所的专业研究者作了一些探索，而在支撑水质管控决策实践过程中应用较少。

本文结合近年来在基层水文部门开展水功能区和跨行政区界断面水质监测评价的实践经历，在参考单因子评价法、污染指数法和标识指数法等经典方法优点的基础上，改进设计了水质级别指数法，在桂南沿海地区水质评价、预警和水质月(专)报编报过程中得到了较好应用。该方法简便易行，具有一定推广价值，对做好新时代水质评价和预警工作，服务好当地主管部门和河长，有一定积极意义。

1 经典水质评价方法概述

在我国，单因子评价法、综合污染指数法和水质标识指数法等3种经典水质评价方法，在政府水资源环境监测和管理部门得到广泛应用。各种水质评价方法，归根结底是对水质监测结果的解释，使得单调、抽象的数据变得形象、可读。无论应用何种评价方法，评价成果皆是水质浓度的反映。因此，评价成果(Y)是监测分析所得水质浓度(C)的一个函数，即：

Y=f(C)

(1)

1.1 单因子评价法

单因子评价法是GB3838 2002《地表水环境质量标准》规定的方法[2]，以各监测指标所属最差类别作为水质类别。

WL=max(WLi)

(2)

式中：WLi为第i项指标的水质类别。

WLi是一个对应第i项指标的分段单值函数，以高锰酸盐指数为例，计算公式如下：

(3)

水质类别与水质指标浓度的对应关系参见图1。由图1可见，单因子评价法分段定性描述了水质状况，直观简单，便于行政主管部门、非专业党政领导和公众理解，在我国水资源环境日常管理中得到了广泛的应用。但其缺点也显而易见：① 无法定量，在同一类别内无法区分水质优劣，对于劣于Ⅴ类水体的评价缺陷较大。例如高锰酸盐指数浓度分别为160 mg/L和16 mg/L的水体受污染状况显然差距很大，但单因子评价法皆评价为劣Ⅴ类水，不能判别二者的污染程度。② 不连续，分段间存在突变点，不适用于水质预警工作。例如，管理目标为Ⅲ类的水域，高锰酸盐指数监测值为6 mg/L时，依然评价为Ⅲ类达标水体，而实际上高锰酸盐指数浓度若再增加一点就超标了，单因子评价法无法及时作出预警。

图1 水质浓度与水质类别的关系示意Fig.1 Relations of water quality constituent concentrations to water quality level

1.2 综合污染指数法

综合污染指数法首先是将单项水质指标浓度与水域管理目标浓度限值相比，将指标浓度去量纲化得出单项污染指数。然后考虑各单项指标对水质的贡献，通过算术平均、加权平均等得出一个综合污染指数，来评价综合水质达标情况和污染程度。如算术平均综合污染指数计算公式为

(4)

式中：Ci为第i项指标的浓度值，Si为第i项指标的管理目标浓度限值，WPIi为第i项指标的污染指数，n为参与评价的水质指标个数。

可见，污染指数法就是将实测浓度与管理目标限值比大小，得出的污染指数WPI就是实测浓度与管理目标限值的倍数关系，若WPI>1，表明超标，WPI越大表明污染越严重。该方法的缺点是无法表明主管部门和公众已经广泛接受的水质类别方面信息，且对没有明确管理目标的水域不适用。

1.3 水质标识指数法

徐祖信提出了既能标识水质类别，又能一定程度上实现定量分析的水质标识指数法[4]。综合水质标识指数结构为

WSI=X1.X2X3X4

(5)

式中：X1为综合水质类别，X2为综合水质在X1类水质变化区间内所处位置，X3为超过水域管理目标限值的水质指标个数；X4为综合水质类别与管理目标类别的比较结果。

其中：

(6)

式中：WSIi为第i项水质指标的单因子标识指数，X1i为第i项指标水质类别，X2为第i项指标在X1i类水质变化区间内所处位置，n为参与评价的水质指标个数。

由于综合水质类别取n个水质指标的平均值，非污染因子会拉平水质类别，造成评价结果与依据国家标准得出的评价结果不一致，屏蔽严重污染指标的恶劣影响。对于一般情况下都有特定污染物的突发性水污染事件，如龙江镉污染事件、贺江镉铊污染事件等，取平均值的做法是不可取的。

另外，由于X3，X4不过是文本标识内容的数字表示，本质还是文本标记，并没有数学逻辑上的定量和连续意义。依此方法还可以在后面加X5，X6甚至更多以标识想表达的内容，不过是将文本标识内容数字化复杂化，造成信息冗余，难以直观认知。

张涛等[16]在对太湖流域开展水质评价研究时，提出如下经修正的水质标识指数计算公式

WSI=X1.X2(X3)

(7)

式中：X1、X2同前，X3为首要污染因子对应的指标项，直接将该指标名称标识在括号内。

式(7)相对式(5)减少了标识位数，且直接改用文字来标识想表达的内容，这也使得定量和连续性受到更大损害，在进行数值比较和数值处理时需要再次将文字标识内容(X3)一一去除。

综上，单因子评价法、综合污染指数法和水质标识指数法等得到广泛应用的3种经典水质评价方法各有优缺点，这为改进设计新的评价方法提供了方向。

2 水质级别指数法

对于直接服务于主管部门、担任河长的党政领导和公众的公益性事业监测机构来说，采用的水质评价方法应满足以下要求：

(1) 符合国家标准要求，准确判定水质类别，并能识别主要污染因子；

(2) 可以实现不同时空尺度上的水质优劣的对比分析，以分析报告水质随时间变化趋势，和随空间或流程的变化规律；

(3) 可以实现连续定量分析，从而开展水质预警预报服务；

(4) 可以对水质较差的劣Ⅴ类水体进行优劣判定，从而为评判突发性水污染事件应急处置、黑臭水体治理等过程中方法措施的有效性提供依据；

(5) 简单实用，易于掌握和应用。

基于以上需求，在参考单因子评价法、污染指数法和标识指数法等经典方法优点的基础上，改进设计了一种水质级别指数评价法。

2.1 水质级别指数函数方程

类同于其他评价方法，将水质级别指数(WLI)视作对应水质浓度(C)的函数，即有：

WLI=f(C)

(8)

对于第i项指标的水质级别指数，则相应有：

WLIi=f(Ci)

(9)

对应国家标准规定的评价规则，取参评指标水质级别指数最大值作为水体的最终水质级别指数：

WLI=max(WLIi)

(10)

函数的已知点为(CS，WL)，即国家标准规定的各水质类别的限值浓度CS及相应类别WL组成一个数据，例如对于高锰酸盐指数来说，(0，0)，(2，1)，(4，2)，(6，3)，(10，4)和(15，5)等是已知的6个点。在已知点的基础上，可以通过直线或曲线拟合的方式来求解函数。由2个点就可以确定一条直线，推荐采用分段直线拟合的方式，简单易行。函数关系式确定后，就可以通过式(9)和式(10)计算或从图中读取所监测水样的水质级别指数(WLI)值。如图2(a)和图2(b)分别为高锰酸盐指数、溶解氧浓度与水质级别指数的对应关系，可见，浓度为Cx的水样，可对应读取水质级别指数WLIx的值。

图2 高锰酸盐指数、溶解氧浓度与水质级别指数示意Fig.2 Relations of water quality constituent concentrations(CODMn and DO)to Water Quality Level Index(WLI)

2.2 水质级别指数直线方程求解

对于水质属于Ⅰ～Ⅴ类的情况，6个已知点前后相接，可以确定Ⅰ～Ⅴ类水共5个区间段的水质级别指数(WLI)计算曲线。代入两点式直线方程，有：

(WLIx-WL(m-1))/(WLm-WL(m-1))

=(Cx-C(m-1)，S)/(Cm，S-C(m-1)，S)

(11)

即：

WLIx=(WLm-WL(m-1))/[(Cm，S-C(m-1)，S)

×(Cx-C(m-1)，S)]+WL(m-1)

(12)

式中：Cx为水质指标的监测值，m指Cx浓度水所属的水质类别序号，m-1为前一个水质类别序号，WL为相应水质类别，CS为相应水质类别的限值浓度。

对于劣Ⅴ类的情况，建议以每增加一个设定浓度Cd(Ⅲ类限值、Ⅴ类限值、或管理目标限值等)，水质级别指数(WLI)相应增加1的方式确定直线的斜率k，从而与已知的前端点一起求解水质级别指数(WLI)计算曲线，实现劣Ⅴ类情况下的延伸和连续定量评价。代入点斜式直线方程，有：

WLIx-WLV=k.(Cx-CV，S)

(13)

即：

WLIx=1/Cd.(Cx-CV，S)+5

(14)

式中：k为曲线斜率，WLV指Ⅴ类水质类别的阿拉伯数字表示(即为5)，CV，S为Ⅴ类水限值浓度，Cd为所选择的设定浓度，其他符号同前。

2.3 水质级别指数与水质级别的关系

单因子评价确定水质级别的方法在时间序列上表现为，由水质级别间突变点分成多段，而水质级别指数(WLI)则实现了定量和连续化。如图3所示，某水质断面居于单因子评价得出的水质类别月间变化是跳跃式的，且当水质劣于Ⅴ类时难以科学表示(图中以虚线示意)。显然，实现了连续的水质级别指数(WLI)法更符合天然水体水质渐变的实际过程。通过其大小也可以直接判定水质级别，水质级别指数(WLI)与水质级别(WL)的关系见表1。

图3 某断面水质级别指数及水质级别的年内变化Fig.3 Annual variation of Water Quality Level Index and Water Quality Level at one site

表1 水质级别指数(WLI)与水质级别(WL)的关系Tab.1 Relations between Water Quality Level Index(WLI)and Water Quality Level(WL)

3 水质级别指数法在桂南沿海地区的应用

3.1 指标间比较分析与主要污染指标筛选

如图4所示，从全年共12个月来看，南流江中游跨设区市界断面马口的水质指标污染严重程度为：总磷>氨氮>五日生化需氧量>高锰酸盐指数>化学需氧量；而南流江下游入海口断面钦北铁路桥的水质指标污染严重程度为：总磷>五日生化需氧量>氨氮>高锰酸盐指数>化学需氧量。马口断面超过Ⅲ类水质标准的主要污染指标有总磷、氨氮、五日生化需氧量，钦北铁路桥断面为总磷、五日生化需氧量。

图4 主要污染指标筛选Fig.4 Sketch of main pollutants screening

3.2 水质随时间变化的趋势分析

3.2.1长时间序列上变化趋势

图5显示的是20多年里钦江钦州市城区永福广场断面主要污染指标高锰酸盐指数和氨氮的水质级别指数(WLI)变化情况。改革开放初期，经济增长排在第一位，环境管制政策趋软，图5可见，20世纪90年代初该断面水质严重超标。1989年，第三次全国环境保护会议提出环境保护三大政策和八项管理制度，1992年继联合国环境与发展会议之后，中国发布《环境与发展十大对策》，环境管制逐步规范化，图5中显示，断面水质在1993年以后趋于好转和稳定。速补发展课程始终是重要议题，经济跨越式增长、城镇快速扩张，而扩增环境承载能力的环境基础设施未能及时匹配到位，导致欠发达地区的环境质量问题存在反复性。10余年后的2004年起，水质又再次恶化。

图5 钦江钦州市城区永福广场河段主要污染指标水质级别指数(WLI)变化情况Fig.5 Change of Water Quality Level Index of critical pollution indicators in a section of Qinjiang river

近年来在生态文明理念的指引下，在最严格的水资源环境管制政策的严格监管下，水质已经趋于稳定达标。这表明，水质级别指数法结合经济社会发展数据、环境管制政策等，可以很好地应用于长时期内经济社会发展与环境质量的关系分析。

3.2.2短时间序列上变化趋势

如图6所示，洪湖江库中监控断面在2017年汛后(4～9月为汛期)水质呈现逐月变差趋势，虽然至2018年1月时水质还是Ⅲ类依然达标，但已经超出了设定的预警线(目标线的80%)，于是较为精准地发出了预警信息。可见，水质级别指数法可以及时快捷地分析并给出中短时间序列的水质趋势，因而在水质预警方面也具有应用潜力。

图6 WLI应用于水质预警分析实例Fig.6 Application of WLI in water quality early warning

3.3 水质随空间或流程变异的情况分析

3.3.1同一河流的衰变规律分析

从图7可见，南流江中下游钦州-北海河段第1～4季度水质皆超过管理目标存在污染现象，处于非汛期后半段的第1季度水质最差。第1，3，4季度水质随河道径流沿程而下皆有所好转，说明河流自净能力在发挥作用。而第2季度水质顺流而下逐步恶化，应该是受到了初汛期地面径流引入大量面源污染物质的影响。

图7 南流江中下游河段各季度水质沿程变化趋势分析Fig.7 Trends of water quality along the middle and lower reaches of the Nanliu River in different seasons

3.3.2主要污染河段筛选

如图8所示，2017年初汛期钦州市主要河流水库水质监测评价结果显示，钦江的灵山县城区河段(灵山)、钦州城区河段(钦州下)、入海口河段(横丰)、南流江的跨界入境河段(马口断面)、马江的浦北城区河段(西塘下)、茅岭江的那蒙镇河段(那蒙)等，为该市的主要受污染河段。

图8 2017年初汛期钦州市监控河段水质情况Fig.8 Water quality of monitoring reaches of Qinzhou City at the beginning of the 2017 flood season

3.3.3不同地区间河流污染状况对比分析

如图9所示，从桂南沿海地区三大主要河流入海口2017年全年水质状况比对来看，南流江污染最严重全年基本处于超标状态；钦江也存在一定污染，旱季和初汛期水质容易超标；防城河所受污染相对较轻，全年水质基本达标。

图9 桂南沿海地区3条主要入海河流入海口水质变化情况比较Fig.9 Comparison of water quality variations of the three main coastal rivers in southern Guangxi

3.4 劣Ⅴ类水体整治效果分析

由于单因子评价法无法对劣Ⅴ类水体进行优劣判定，在水污染应急处置、黑臭水体整治等情况下难以应用。图10为钦州市钦北区水浸洞某塘坝污染死鱼事件前期应急处置过程的水质级别指数变化过程。在近1个月的时间内，该塘坝水质皆劣于Ⅴ类，单因子评价法无法表明水质的优劣变化，无法评判污染应急处置措施的效果。但由图10所示水质级别指数变化过程明显可见，10 d左右时溶解氧开始好转，17 d后氨氮和化学需氧量皆开始稳步下降。

图10 MLI应用于劣Ⅴ类水体整治效果分析Fig.10 Application of MLI in the effect assessment of inferior-V water bodies remediation

4 结 论

(1) 单因子评价法是一种定性标识法，无法开展连续定量分析，无法对劣Ⅴ类水体进行优劣判定。综合污染指数(WPI)法实现了定量分析，但无法判定水质类别，且对没有明确管理目标的水域无法应用。水质标识指数法一定程度上结合了标识法和指数法的优点，既有标识内容又可定量分析，但标识内容冗余，影响了连续性，在接近类别上限时水质指数的计算和表示存在疑难，取均值的做法还会屏蔽掉严重污染指标的恶劣影响。本文提出和应用的水质级别指数法，明确标识了水质类别，同时可有效地开展连续定量分析。

(2) 在桂南沿海地区水质评价和预警工作的应用情况表明，水质级别指数法对水质指标浓度作了去量纲的标准化处理，真正实现了定量和连续化，可以有效地开展水质指标间对比分析、时间上变化趋势分析和空间上变异情况分析。

(3) 水质级别指数法简便易行，有助于快速、精准提炼水质评价和预警情报信息，以便及时报告当地主管部门和河长，具有一定推广应用价值。