城市地表水环境质量排名方法研究

嵇晓燕，孙宗光，陈亚男

中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

城市地表水环境质量排名方法研究

嵇晓燕，孙宗光，陈亚男

中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

基于现行的国家水环境质量评价标准和方法，研究建立了综合反映城市地表水环境质量的城市水质指数CWQI。方法具有普适性、可操作性和可比性，可用于城市地表水环境质量排名。应用于长三角经济圈、珠三角经济圈和京津冀经济圈的相关城市进行排名测算，3个经济圈的城市水质指数呈现不同的分布规律，总体来说长三角经济圈的城市地表水环境质量优于珠三角经济圈和京津冀经济圈。

城市；地表水；环境质量

当前我国部分地区水环境质量恶劣、水生态受损严重、水环境隐患较多等问题十分突出，为了加大水污染防治力度，保证国家的水安全，国务院于2015年4月印发了《水污染防治行动计划》(国发[2015]17号)[1]。《水污染防治行动计划》(以下简称《水十条》)第十条第三十三款依法公开环境信息中规定：综合考虑水环境质量及达标情况等因素，国家每年公布最差、最好的10个城市名单和各省(区、市)水环境状况。因此，研究城市地表水环境质量排名方法，可以为城市间水环境质量比较和排名提供方法依据。通过城市间的比较，有利于加强环境管理，督促各级政府切实加强水污染防治工作，促进环境质量持续改善。

归纳目前国内外对于地表水环境质量评价和考核方法，主要有单因子水质类别评价法、水质指数法和不确定性方法三大类[2-9]。单因子水质类别评价法是国家对水环境质量状况评价和信息公布采用的方法，简单易行，但主要适用于单个断面(点位)的评价，不适用于对整个城市的地表水环境质量进行综合评价和比较排名；不确定性方法包括模糊数学法、灰色理论法、神经网络法、物元分析法、投影寻踪法、集对分析法等，该类方法过多依靠系统的自适应性，当实测数据对系统扰动较大时评价容易失真[4]，而且还停留在理论研究层面，计算和操作复杂，应用到实际工作中需要进一步深入研究；而水质指数法种类繁多，简单易懂，结果便于比较，能满足环境管理的需要。针对以上考虑，本文研究建立针对全国城市地表水环境质量排名的城市水质指数，并针对典型城市进行实例测算。

1 建立原则和监测断面(点位)、指标选取

城市地表水环境质量排名方法应具有普适性、可操作性和可比性的原则。方法应适用于国家对全国各城市的地表水环境质量状况的排名，也应适用于区域或各省(区、市)对行政区内城市的地表水环境质量状况的排名。方法应具有科学依据，尽量与现行的标准规范相结合，同时操作简便、计算简洁。方法应根据统一的设置原则布设参加排名城市水体的水质监测断面(点位)，按照统一的排名指标和计算方法客观地进行排名；计算结果既可进行不同城市间的横向对比，也可进行同一城市不同时段的纵向对比，从而既能反映不同城市间水环境质量状况的差异，又能反映同一城市水环境质量状况的变化。

为了客观反映每个城市的地表水环境质量状况，参与排名的水体及断面(点位)选取应满足以下要求：

1)城市主要的水体，如城市内有径流量(不仅仅指天然径流量)河流，每条河流不同水质类别的水环境功能区或水功能区至少选取1个断面；城市内主要湖泊，每个湖泊至少选取1个点位，面积较大湖泊应根据不同分区每区至少选取1个点位。

2)城市所有出境河流的出境断面和界河断面；涉及上、下游城市的出入境断面，均纳入上游城市排名；涉及2个或多个城市界河的断面，同时参与所有涉及城市的排名。

为了尽量与现行的国家水环境质量评价方法结合，与《地表水环境质量评价办法(试行)》(环办[2011]22号)一致，采用《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[2]表1中除水温、总氮和粪大肠菌群以外的21项指标，具体包括pH、溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、石油类、挥发酚、氟化物、氰化物、硫化物、汞、铅、铜、锌、硒、砷、镉、铬(六价)和阴离子表面活性剂。如存在超出上述评价指标外的特征污染物，可增加特征污染物为评价项目。

2 计算方法

城市地表水环境质量排名基于城市水质指数(CWQI)。CWQI越小，说明城市地表水环境质量状况越好。城市排名时按照从小到大的顺序进行排名，排名越靠前说明城市水环境质量越好。通过同一城市不同时段CWQI的对比，也可以反映城市地表水环境质量状况的变化情况。

计算城市水质指数时，先针对城市地表水中河流断面和湖库点位评价标准的差异，分别计算城市河流的水质指数和湖库的水质指数；再根据河流断面和湖库点位数量的加权均值计算出城市的城市地表水质指数。

2.1 河流的水质指数

先计算出城市所有河流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，再综合出河流的水质指数CWQI河流。低于检出限的项目，按照1/2检出限参加计算各单项指标浓度的算术平均值。

2.1.1 单项指标的水质指数

用各项水质单项指标的浓度值除以该水质指标对应地表水Ⅲ类水浓度标准限值[2]计算单项指标的水质指数(表1)。

表1 水质指标对应的标准限值 mg/L

单项指标的水质指数计算如式(1)所示。

(1)

式中：C(i)为第i个水质指标的监测值；Cs(i)为第i个水质指标地表水Ⅲ类水浓度标准限值[2]；CWQI(i)为第i个水质指标的水质指数。

溶解氧的水质指数计算方法：

(2)

式中：C(DO)为溶解氧的监测值；Cs(DO)为溶解氧的地表水Ⅲ类水浓度标准限值[2]；CWQI(DO)为溶解氧的水质指数。

pH的水质指数计算方法[10]：

(3)

(4)

式中：pHsd为GB 3838—2002中pH的下限值[2]；pHsu为GB 3838—2002中pH的上限值[2]；CWQI(pH)为pH的水质指数。

河流断面的总磷Ⅲ类水浓度标准限值为0.2 ml/L。

2.1.2 河流的水质指数

根据各单项指标的CWQI，取其加和值即为CWQI河流：

(5)

式中n为水质指标个数。

2.2 湖库的水质指数

湖库的水质指数计算方法与河流一致，先计算出所有湖库监测点位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，再综合出湖库的水质指数CWQI湖库。低于检出限的项目，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。

另外，在计算单项指标的水质指数时，湖库总磷的Ⅲ类水浓度标准限值与河流的不同，为0.05 ml/L[2]。

2.3 城市的水质指数

根据城市辖区内河流和湖库的CWQI，取其断面(点位)数的加权均值即为该城市的CWQI：

(6)

式中：CWQI城市为排名城市的水质指数；M为城市的河流断面数；N为城市的湖库点位数。

若排名城市仅有河流断面，无湖库点位，则取城市的河流水质指数为该城市的城市水质指数。

2.4 数据统计要求

月度排名时，采用各监测断面(点位)的月监测数据；有多次监测数据时，采用多次监测结果的算术平均值计算排名。低于检出限的项目，按照1/2检出限值参与计算其算术平均值。

规定统计时段排名时，采用各监测断面(点位)统计时段的月监测数据的算术平均值计算排名；对于少数因冰封期等原因无法监测的断面(点位)，一般应保证季度排名时至少有1次以上(含1次)的监测数据；半年排名时至少有3次以上(含3次)的监测数据；年度排名时至少有6次以上(含6次)的监测数据。

数据统计结果按照《数值修约规则与极限数值的表示和判定》(GB/T 8170—2008)的要求进行修约。各项指标浓度值保留小数位数比《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[1]中的标准值多1位；各指数统一保留1位小数位数。

3 实例分析

分别以长三角经济圈30个城市、珠三角经济圈9个城市和京津冀经济圈13个城市为例，采用国控地表水环境质量监测网中各城市涉及的断面(点位)2014年月监测数据的年均值进行方法的实例研究。国控地表水环境质量监测网按照统一的设置原则布设水质监测断面(点位)，覆盖面广、代表性强，具有可比性。

按照前文计算方法测算出的CWQI如图1～图3所示。按照从小到大的顺序进行排名，排名越靠前，说明城市整体的地表水环境质量越好。

图1 长三角经济圈城市水质指数

长三角经济圈30个城市的CWQI为3.8～10.8，各城市地表水环境质量有一定的差别，但差距不大；珠三角经济圈9个城市的CWQI呈两极分化的状态，深圳和东莞分别达到44.1和33.1，而其余城市为3.6～6.0；京津冀经济圈13个城市的CWQI排序后则呈现从4.9到37.6逐级递增的变化趋势，海河水系所在的城市地表水环境质量明显差于滦河水系所在的城市，尤其石家庄市达到37.6。总体来说长三角经济圈的城市地表水环境质量优于珠三角经济圈和京津冀经济圈。

图2 珠三角经济圈城市水质指数

图3 京津冀经济圈城市水质指数

4 结论

针对《水十条》即将对城市地表水环境质量进行排名的需要，在结合现行的国家水环境质量评价标准和方法的基础上，首次研究建立了综合反映城市地表水环境质量的城市水质指数CWQI，使得不同城市间的地表水环境质量可以进行定量的比较排名，为城市地表水环境质量排名提供依据，从而有利于促进城市水环境的综合治理和水环境质量的持续改善。

该方法具有普适性、可操作性和可比性。应用于长三角经济圈30个城市、珠三角经济圈9个城市和京津冀经济圈13个城市进行排名测算，3个经济圈的城市水质指数呈现不同的分布规律，计算结果与实际的城市地表水环境质量状况基本一致。

[1] 国务院. 国务院关于印发水污染防治行动计划的通知：国发[2015]17号[A/OL].(2015-4-2)[2015-04-02]. http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-04/16/content_9613.htm.

[2] 国家环保局科技标准司. 地表水环境质量标准：GB 3838—2002 [S]. 北京：中国标准出版社，2002.

[3] 嵇晓燕，宫正宇，聂学军. 复合河流系统健康评价与预警[M]. 北京：中国市场出版社，2014：15-17.

[4] 丁冉，肖伟华，于福亮,等. 水资源质量评价方法的比较与改进[J]. 中国环境监测, 2011，27(3)：63-68.

[5] 李名升，张建辉，梁念,等. 常用水环境质量评价方法分析与比较[J]. 地理科学进展, 2012，31(5)：617-624.

[6] 李茜，张建辉，林兰钰,等. 水环境质量评价方法综述[J]. 现代农业科技, 2011，19：285-287, 290.

[7] 郭劲松，王红，龙腾锐. 水资源水质评价方法分析与进展[J]. 重庆环境科学, 1999，21(6)：1-9.

[8] 刘彩虹，徐力刚，高海鹰. 河流水质评价方法及其研究进展[J]. 河海大学学报：自然科学版,2010，38(增刊2)：290-293.

[9] 周勇，范业宽，王庆云. 湖泊水环境质量评价的研究进展[J]. 环境科学进展,1998，6(2)：50-55.

[10] 马建薇. 环境影响评价技术方法[M]. 天津：天津大学出版社，2013：74.

Method Study on Sequence of City Surface Water Environmental Quality

JI Xiaoyan, SUN Zongguang, CHEN Yanan

China National Envioronmental Monitoring Centre, State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, Beijing 100012, China

Based on national assessment standard and method of surface water environmental quality, City Water Quality Index is built to reflect the condition of the whole city surface water environment. The method is universal, operable and comparable. It can be used to sequence surface water environmental quality in different cities. City water quality indexes of every city in Yangtze River Delta, Pearl River Delta and Beijing-Tianjin-Heibei Region are calculated. Results show different distribution patterns in different regions. On the whole, the surface water environmental quality of the Yangtze River Delta city group is better than those of the other two.

city; surface water; environmental quality

2016-02-29;

2016-03-28

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07502-002)

嵇晓燕(1981-)，女，江苏淮安人，博士，高级工程师。

X824

A

1002-6002(2016)04- 0054- 04

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.04.10