基于长度权重的河流质量指数计算方法及实践

杨刚明，庞 燕

（1.湖北省生态环境厅孝感生态环境监测中心，湖北 孝感 432100；2.中国环境科学研究院 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，北京 100012）

我国河流水质评价起步于20世纪50年代末，近些年得到迅速发展，早期河流水环境质量评价方法可归纳为三大类，即单因子评价法、水质指数法和不确定性方法[1-11]。目前，河流水质评价一般采用《地表水环境质量评价办法（试行）》[12]的推荐方法——断面水质类别比例法，即根据河流中各水质类别的断面数占河流评价断面总数的百分比来评价水质，评价结果属于定性评价。《地表水环境质量评价办法（试行）》对河流的综合评估进行规范，但从实践来看，这种评估方法存在一定不足。一是河流水质的定性评价分类不能严格对应《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）[13]，二是人为操作可导致评估结果存在不确定性。按照断面水质类别比例法，断面的选择将直接影响计算比例，从而决定河流水质评估结果。若去掉一些水质较差的断面，则可使评估结果变好，这给评估带来一定的不可靠性。从方法构建分析，该方法未将断面水质的河段代表性纳入评价，仅对断面水质样本进行统计分析，分析结果不能指示整体河流水质，因此存在原理缺陷。本文以水环境容量为计算原理，全面纳入河流基本水文参数和环境监测统计值两项因子，构建基本反映整体河流水质的评估方法，力求消除《地表水环境质量评价办法（试行）》的不足。

1 计算方法

水环境容量[14]为在满足水环境质量标准的前提下河流所能容纳的污染物总量。水环境容量有多种定量评价方式。定义单元水体为水质均匀的一个水体，如一杯水。单元水体的水环境容量可以用单元水体现状等级和体积的乘积来相对衡量，其被称为相对环境容量，数值越大，则水体环境容量越小。单元水体的相对环境容量采用式（1）计算。河流水质及水文在流向上不是恒定的，基于单元水体的定义，可以认为河流是无限个单元水体的集合。对应单元水体相对环境容量的定义，河流的相对环境容量为无限个单元水体相对环境容量的集合，其计算公式如式（2）所示。利用式（1），可以根据式（2）计算结果推出河流现状等级，如式（3）所示。为简化计算，可以认为河流x处的断面面积恒定，将式（3）转化为式（4）。

式中：Crel为单元水体的相对环境容量，m3；Lw为单元水体的水质等级，对应《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的水质类别等级，质量次于Ⅴ类的水质类别等级定义为6；Q为单元水体的体积，m3；CRrel为河流的相对环境容量，m3；Lw(x)为河流下游x处断面的水质等级；S(x)为河流下游x处断面面积，m2；LRw为河流质量指数；L为河流评价区间的长度，m。

实际河流监测布点以离散断面的形式展开，数量是有限的，因此计算需要使用基于离散的数值公式。基于式（4）的数学定义，可以推导计算公式。河流上n个断面点位示意图如图1所示。其中，Lwj（j=1,2,…,n）为河流方向第j个监测断面的水质等级，Xj（j=1,2,…,n）为河流方向第j个监测断面距离评估源头的距离，km。

图1 河流监测断面

对于各个监测断面之间的水体水质等级，可以使用理想估值进行计算，如式（5）所示。河流质量指数采用式（6）计算，计算过程的本质是利用断面水质，基于长度权重进行平均计算。实际计算可以采用分步骤表格，也可以编写计算机程序完成。

2 评估案例实践

澴河为长江二级支流，古称澴水，发源于河南省信阳市罗山县与湖北省孝感市大悟县接壤的灵山。流域主要在湖北省孝感市境内，干流全长为150.8 km，流域面积为3 618 km2。澴河流经大悟县、孝昌县和孝南区，在孝南区卧龙乡与府河汇合后称府澴河，然后汇入长江。2020年，采用断面水质类别比例法和河流质量指数，开展澴河水质评估，结果如表1所示。环境质量月报[15-18]未使用全部监测断面进行评估，所以其评估结果和全断面评估结果存在差别，例如，7月和9月都出现评估结果不同的情况，这也反映出《地表水环境质量评价办法（试行）》的不足。

表1 河流质量指数评估结果

当前，地表水Ⅲ类为全国主要水体的期望类别指标，若水质劣于Ⅲ类，则可以认为水体存在不同级别的污染。以表1 数据为基础，将劣于Ⅲ类断面比例作为输入，将河流质量指数作为输出，通过一次线性拟合进行相关性分析。河流质量指数与河流劣于Ⅲ类断面比例的相关性分析如图2所示。经一次线性拟合，河流质量指数能够较好地反映劣于Ⅲ类断面比例，相关系数为0.892 5，满足指标要求[19]。

图2 相关性分析

从案例实践来看，基于长度权重的河流质量指数基本能够科学地反映整体河流水质，评估结果为纯数字量值。本次计算以《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的水质等级加权得到，因此计算结果和《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的水质类别量值具有同样的含义。当某次河流质量指数大，同时参与计算的实际监测点位较少时，根据计算原理，此河流质量指数准确性较差。此种条件下，对于上下游水质趋向变好的局部河段，如果引入新的监测点位，河流质量指数可能会减小，促进管理者实施加密监测。同时，根据计算原理，加密监测不会使结果不可靠，相反会使计算结果更加准确，这和《地表水环境质量评价办法（试行）》中选择断面带来的偏差有本质的区别，也表明该计算方法可以消除《地表水环境质量评价办法（试行）》的缺陷。

3 指数分级

为科学利用河流质量指数进行河流水质评估，要对其进行进一步细化。指数分级有3 个基本原则。一是参考《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）的类别量级分配。二是和《地表水环境质量评价办法（试行）》的断面水质类别比例法分类基本对应。三是量值区间基本合理。根据实践，目前推荐的河流质量指数评估分级如表2所示。《地表水环境质量评价办法（试行）》将水质分为5 级，而河流质量指数评估将水质分为4 级，将优和良两级合并。当前，国家考核任务是基于保证地表水水质至少达到Ⅲ类这一目标来设置的，因此将优良两级合并符合实际考核需求。

表2 河流质量指数评估分级

4 结论

基于长度权重的河流质量指数基本能够科学地反映河流整体水质，其量值可以和《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）基本对应，方便验证河流水质评价结果。该方法计算过程简单，计算结果直观，它可以作为河流水质评价的补充方法。要进一步精化河流质量指数分级，制定应用该方法的断面清单规范。近年来，水环境监测的断面覆盖度加大，这给河流质量指数提供有力的数据支撑。为了尽可能精准获得计算值，要规定最小监测断面数量，要求计算断面清单执行应纳尽纳的原则。未来，该方法可以用于计算湖库水质指数，评估区域水体综合质量。