葫芦岛市沿海地区地表水评价

费卓越

(辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛 125000)

0 引 言

在全面推行河长制工作、深入实施最严格水资源管理制度的时代背景下，辖区河湖管控主体责任被河长和地方党委政府层层压实。水质监测评价作为考核河湖管控效果的依据以及情报渠道，越来越引起广大学者的高度重视，如何有效地向党政领导传递能够反映河湖健康状况的监测数据，为做出科学合理的决策提供支持，现已成为水环境监测工作者亟待解决的关键问题。因此，选择科学合理的水质评价方法显得特别重要。

近年来，水质标识指数法、综合污染指数法、单因子评价法逐渐引起水资源研究人员和环境保护工作者的广泛关注。其中，水质标识指数法有机结合了指数法与标识法的优点，既能定量分析又可标识内容，现已较好地应用于阜新市主要河流、潘阳湖、清潩河流域等水质评价，但该方法对于水质指数的表达与计算，特别是接近水质类别上限时具有较大的难度，加之其连续性差、标识内容冗余，取均值无法客观的反映严重污染指标的贡献率，所以使用时受到一定的限制；综合污染指数虽然能够定量的判别水环境状况，但一般不适用于无明确管理目标的水域，也无法实现水质类别的判定；单因子评价法能够直观的表明水质类别，但无法判定劣Ⅴ类水体的优劣程度，也无法实现科学的水质预警和连续定量分析，多用于定性的水质分析。此外，还有很多方法也可用于水质评价，例如李详等[1]以上海淀山湖和南水北调中线水源区为例，对其水质利用层次分析法进行了评价；樊引琴等[2]以黄河为例，对其水质状况利用物元分析法做了评价；王晴晴等[3]以台州市河网水系为例，将熵值法与主成分分析法相结合科学评价了河流水质；夏凡等[4]以丹江口16条入库河流为例，采用主成分分析法评价了水质状况，并对比分析了综合污染指数法、单因子评价法与主成分法的评价结果；姜莉莉等[5]以青龙河为例，对其水质现状利用模糊数学法进行了分析；王俊等[6]研究了原水水质评价与预测中灰色系统理论的适用性。然而，由于法定标准与评价结果存在差异，以及计算过程较复杂，这些方法较少应用于水质管控决策实践领域，主要是研究所或高校的学者做了相应的探究。

文章结合跨行政区界断面水质监测与基层水文部门水功能区评价的实践经历，借鉴标识指数法、污染指数法和单因子评价法等方法优点提出了改进的水质级别指数法，并将其应用于葫芦岛市水质月报编报、水质预警和评价等领域，验证了该方法的可行性与适用性，对于服务好河长、当地主管部门和做好新时期水质预警评价工作具有积极意义。

1 水质评价方法

现阶段，被广泛应用于水资源管理和环境监测的水质评价方法有水质标识指数法、综合污染指数法、单因子评价法。实质上，各种评价方法就是对水质监测结果的解释，使得抽象、单调的数据变得更加可读、形象，但是无论哪种方法的评价成果都是反映了水质浓度。所以，关于水质浓度(C)所构造的监测分析成果(Y)可表示成函数的形式，即：

Y=f(C)

(1)

1.1 单因子评价法

单因子评价法是标准规定的以各监测指标所属最差类别为依据，从而确定水质类别的方法，其表达式为：

WL=max(WLi)

(2)

式中：WLi为水质指标i的分段单值函数，以CODMn为例，其分段单值函数为：

(3)

水质类别与水质浓度关系图，见图1。

图1 水质类别与水质浓度关系图

从图1可知，能分段定性反映水质状况的单因子评价法存在直观简单、便于公众和行政主管单位理解的优点，并已广泛应用于水环境管理。同时，该方法的缺点也比较突出：①无法定量反映同一类别内的水质优劣程度，评价劣Ⅴ类水体时具有较大的缺陷，如16mg/L和160mg/L高锰酸盐指数浓度的水体，其受污染程度存在明显的差距，但该方法均判定为劣Ⅴ类，无法准确区分两者的差异；②分段间有突变点、不连续，对于有水质预警要求的适用性较差，如监测值为6mg/L的高锰酸盐指数，对于Ⅲ类管理目标的水域其评价结果为Ⅲ类达标水体，而实际上浓度再增加一点就超标了，对此该方法无法给出预警。

1.2 综合污染指数法

综合污染指数法是通过对比水域管理目标浓度限制与单项水质指标浓度，经标准化处理各项指标值确定单项污染指数。然后采用加权平均、算术平均等方法按照单项指标的贡献率，计算出1个能反映综合污染程度和水质达标情况的综合污染指数。一般地，可利用以下公式确定综合污染指数，即：

(4)

式中：Si、Ci、WPIi为第i项指标的管理目标浓度限制、实测浓度值及污染指数；n为水质指标个数。由此可知，该方法就是比较管理目标限制与实测浓度的大小，实际计算出的污染指数WPI就是一个倍数值，WPI>1代表水质超标，其值越大则污染程度越高。该方法不适用于无管理目标的水域，并且无法表明能够被广大群众和主管部门接受的水质类别信息。

1.3 水质标识指数法

水质标识指数法是一种既能定量分析，又能标识水质类别的方法，计算方法为：

WSI=X1·X2X3X4

(5)

(6)

式中：WSI、WSIi为综合水质标识指数和水质指标i的单因子标识指数；X1、X1i为综合水质类别和指标i的水质类别；X2、X2i为综合水质处于X1类和指标i处于X1i类水质变化区间内的位置；X3、X4为超过水域管理目标限制的水质指标数以及管理目标类别与综合水质类别的比较结果。

由于非污染因子会拉平以n个水质指标平均值确定的综合水质类别，减少严重污染指标对水质的贡献程度，并导致国家标准与评价结果出现差异的情况。因此，对于有特定污染物的突发性水污染事件取平均值的做法并不合理。此外，X3、X4实质上就是以数字的形式标识文本内容，这并不存在数学逻辑上的连续性与定量计算，按照该方式也可增加X5、X6及其它要表达的内容，仅仅是复杂化、数字化了文本标识内容，难以直观认知且易形成信息冗余。

实际上只有X2这一小数位数起到定量连续的作用，并影响到评价的连续性，水质指数的计算与表示在遇到浓度接近水质类别上限时存在疑难。例如，氨氮浓度为接近Ⅲ类水上限浓度值1mg/L的0.98mg/L时，经计算有X1=3、X2=(0.98-0.5)/(1-0.5)=0.96，按以上分析则有X1·X2=3.96≈4.0，识别出的X1属于Ⅳ类水质类别，很显然这与实际情况不相符。有学者在研究太湖流域水质时提出了修正的计算公式，其表达式为：

WSI=X1·X2(X3)

(7)

式中：X3为对应于首要污染因子的指标项，在括号内直接标识出该项指标；其它字母含义同上。可见，与式(5)相比式(7)减少了标识位数，并对要表达的内容直接改用文字标识，这更大的损害了连续性与定量计算，在数值处理和数值比较过程中还需再次一一去除文字标识的内容(X3)。

综上所述，被广泛应用的水质标识指数法、综合污染指数法和单因子评价法都各有优缺点，并为新型评价方法的改进与设计提供了思路。

2 水质级别指数法

对于公众的公益性事业监测结构、担任河长的党政领导和直接服务于主管部门而言，应考虑以下要求优化改进水质评价方法：①符合标准要求，能够识别主要污染因子及准确判定水质类别；②能够对比分析多时空尺度上的水质优劣状况，以揭示随时间、空间或流域的水质变化规律；③实现连续定量分析以更好的服务于水质预警预报，准确判定劣Ⅴ类水体的优劣程度，为黑臭水体治理、突发性水污染事件应急处置及评判等提供有针对性的依据；④满足操作简单、实用性强、易于掌握等要求。文章结合以上要求，借鉴标识指数法、污染指数法和单因子评价法的优点，提出一种改进的水质级别指数法。

2.1 函数方程

与其它方法类似，结合水质浓度(C)构造水质级别指数(WLI)的函数方程：WLI=f(C)，则指标i的水质级别指数可利用公式WLIi=f(Ci)来确定；然后结合国家标准规定的评价规则确定水体的最终水质级别指数为所有参评指标的最大值，即：

WLI=maxf(WLIi)

(8)

函数的已知点为标准规定的水质类别WL及其所对应的限值浓度CS，即(CS，WL)，如高锰酸盐指数有6个已知的点，即(15，5)、(10，4)、(6，3)、(4，2)、(2，1)、(0，0)。根据已知点可采取曲线或直线拟合的方式，对函数进行求解，对于2点确定一条直线的推荐选用分段直线拟合的方法，具有操作简单的优点；在合理确定函数关系式的基础上，可以从图中读取或利用公式(8)计算水样水质级别指数(WLI)。水质级别指数与溶解氧浓度、高锰酸盐指数的对应关系，水质级别指数关系图，见图2。所以浓度为Cx的水样可读取其水质级别指数WLIx值。

(a)COD Mn (b)DO

2.2 直线方程求解

针对6个已知点前后相接的Ⅰ-Ⅴ类水质情况，其确定的水质级别指数(WLI)曲线共有Ⅰ-Ⅴ类水5个区间段，输入直线方程经一系列转换计算则有：

WLIx=(WLm-WLm-1)/[(Cm,S-Cm-1,S)×(Cx-Cm-1,S)]+WLm-1

(9)

式中：Cx、CS为水质指标监测值和相应水质类别的限值浓度；WL为水质类别；m、m-1为Cx浓度水所属的水质类别序号及其前一个水质类别序号。

对劣Ⅴ类水质建议每增加一个设定浓度Cd水质级别指数(WLI)相应增加1，按照该方式计算直线斜率k，由此以来就可以将水质级别指数(WLI)利用已知前端点一起求解，并实现劣Ⅴ类水质的定量连续评价与延伸，将其输入点斜式方程可有：

WLIx=1/Cd·(Cx-CV,S)+5

(10)

式中：CV,S、C为Ⅴ类水限值浓度和所选择的设定浓度，其它字母含义同上。

2.3 指数与级别关系

在时间序列上，确定水质级别的单因子评价法表现为水质级别间突变点分成多段，从而实现水质级别指数的连续化和定量化，年内水质畸变及水质级别指数变化，见图3。

由图3可知，采用单因子评价法确定的某断面水质类别属于跳跃式，并且难以科学表示劣于Ⅴ类的水质。显然，能够反映天然水体水质实际渐变过程的连续水质级别指数(WLI)法具有更强的适用性。根据其数值大小能够实现水质级别的直接判定，水质级别(WL)与水质级别指数(WLI)之间的对应关系，WL与WLI的对应关系表，见表1。

图3 年内水质畸变及水质级别指数变化

表1 WL与WLI的对应关系表

3 实例应用

3.1 主要污染指标

主要污染指标，见图4。从月尺度上葫芦岛市近岸水域监测点位灯塔山东的水质指标污染程度为：化学需氧量<高锰酸盐指数<5d生化需氧量<氨氮<总磷；而监测点位二河口的水质指标污染程度为；化学需氧量<高锰酸盐指数<氨氮<5d生化需氧量<总磷。灯塔山东监测点位有5d生化需氧量、氨氮、总磷等污染指标超过Ⅲ类水质标准，二河口监测点位有5d生化需氧量、总磷等指标超过Ⅲ类水质标准。

(a)灯塔山东点位 (b)二河口点位

3.2 水质随时间变化分析

3.2.1 短时间序列变化

2018年汛后，葫芦岛市近岸水域月亮湾点位的水质变化趋势，水质预警分析实例，见图5。从图5可知，月尺度上该点位水质逐渐变差[7-8]，虽然2019年1月水质仍然符合Ⅲ类水要求，但已超出目标线的80%(预警线)，能够精准地发出预警。因此，水质级别指数法可以揭示中短时间序列水质变化趋势并及时快捷地做出分析，对于水质预警较强的适用性。

图5 水质预警分析实例

3.2.2 长时间序列变化趋势

近20a葫芦岛市近岸水域点位氨氮、高锰酸盐指数的水质级别指数(WLI)的变化规律，近岸水域点位的水质级别指数(WLI)，见图6。改革开放初期以经济增长为首要任务，因此沿海地区的环境管制相对滞后，可见1990s初水质指标超标较为严重。随后，环境保护八项管理制度和三大政策的提出加快了环境管制的规范化，这反映在1993年以后水质开始趋好稳定。此后，随着城镇的快速扩张及经济的跨越式增长，加之未能及时匹配环境基础设施，使得环境承载能力扩增有限以及环境质量问题的反弹，即2004年起水质再次出现恶化。

近年来，在最严格水资源管理政策的监管下以及生态文明理念的指引下水质已趋于稳定达标。将环境管制政策、经济社会发展数据与水质级别指数法相结合，能够较好地应用于环境质量与经济社会发展的长序列关系的分析。

图6 近岸水域点位的水质级别指数(WLI)

3.3 水质随空间变异分析

3.3.1 同一河流的变化规律

近岸水域沿程各季度水质变化，见图7，近岸水域点位菊花岛东南、菊花岛西、月亮湾的水质均超过管理目标，其中水质最差时段为非汛期后半段。随水域岸线第1、3、4季度水质有所好转，这表明水体自净功能发挥有重要的作用，而顺流而下第2季度水质开始恶化，这是由于地表径流在除汛期带来了大量面源污染，从而使得水质逐渐恶化。

图7 近岸水域沿程各季度水质变化

3.3.2 主要污染点位

主要点位水质监测结果，见图8。图8反映了沿海地区2018年的主要点位水质监测结果，可见主要污染点位有菊花岛东南、月亮湾、张建生港东北等。

图8 主要点位水质监测结果

3.3.3 不同河流污染状况

主要河流水质变化情况，见图9。图9反映了葫芦岛市3条主要入海河流2018年的水质状况，可见全年污染最严重的为大凌河，六股河也存在一定程度的污染，尤其是初汛期和旱季比较容易出现污；受污染较轻的为连山河，水质总体能够达到标准。

图9 主要河流水质变化情况

3.4 劣Ⅴ类水体整治效果

对于劣Ⅴ类水体的优劣程度利用单因子评价法无法实现准确判定，故难以应用于黑臭水体整治、水污染应急处置等情况。以某塘坝污染死鱼事件为例，结合水质级别指数在应急处置过程中的变化规律，分析劣Ⅴ类水体的整治效果。结果显示，在1个月时间内该塘坝水质均劣于Ⅴ类，单因子评价法未能揭示劣Ⅴ类水的变化程度，对于应急处置措施的实施效果也无法给予准确的判定。然而，采用水质级别指数法能够较好的反映劣Ⅴ类水体的变化情况，即采取应急处置措施后约15d化学需氧量、氨氮指标逐步开始下降，水质和溶解氧逐渐开始好转。

4 结 语

1)单因子评级法无法实现连续定量分析，对于劣Ⅴ类水体变化情况的判定其实用性较差。综合污染指数(WPI)法虽然能够进行定量的计算，但是无法应用于没有明确管理目标的水域且无法判定水质类别。综合考虑指数法和标识法有点的水质标识指数法，既能实现定量分析又可标识内容，但由于标识内容冗余使得连续性较差，在标识和计算水质指数，特别是接近类别上限时存在较大难度，而取平均值又在一定程度上减少了严重污染指标的贡献率。因此，文章提出了能够实现连续定量分析、明确标识水质类别的水质级别指数法。

2)实例表明，水质级别指数法真正实现了连续化、定量化，通过标准化处理水质指标浓度可以有效地分析空间上、时间上的水质变化情况以及对比分析。

3)水质级别指数法有利于精准、快速的提取预警情报信息和水质评价结果，该方法可操作性强、原理清晰，能够为河长和当地主管部门及时的提供决策信息，该方法的应用前景较为广泛。