基于综合指数法的城市河流水环境质量排名探讨

安国安，林兰钰，邹世英

1.河南省环境监测中心，河南 郑州 450004 2.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 3.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012

基于综合指数法的城市河流水环境质量排名探讨

安国安1，林兰钰2，邹世英3

1.河南省环境监测中心，河南 郑州 450004 2.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 3.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012

依据城市河流水环境质量状况进行定期排名，是目前环境管理者为促进地表水环境质量改善的一种政策措施，采用正确的排名方法是保障排名结果是否合理的关键。研究选用综合污染指数法、水质类别法两种常用的评价方法，同时结合城市河流黑臭、浑浊等特点，筛选出pH、溶解氧、色度、化学需氧量、悬浮物、氨氮、总磷7项因子参与评价并对河南省辖内的城市河流进行排名。结果表明，选用的排名方法基本满足城市河流水环境质量排名的需求，具有广泛的应用价值。

城市河流；水环境质量排名；水环境质量综合指数

国务院于2015年4月2日印发了《水污染防治行动计划》(国发〔2015〕17号)。行动计划中明确指出“整治城市黑臭水体”、“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个城市名单和各省辖市(区、市)水环境状况”[1]。为落实此政策，河南省于2014年提前开展城市河流排名工作。

城市河流一般指城市中自然或人工形成的河流、河道和小型湖泊等观景水体。因其受规划不合理、排污集中、截污不够、流量不足等影响，普遍污染较重，有的甚至发黑发臭，人民群众反映强烈。为切实加强水污染防治工作，改善包括城市河流水环境质量在内的地表水环境质量，河南省对流经城市河流水环境质量进行监测评价工作。目前，国内使用较多的水环境质量评价方法有单因子评价法[2]、综合污染指数法[3]、模糊综合评判法[4]、主成分分析法[5-6]、水污染指数法[7]等，由于模糊综合评判法、主成分分析法受影响的因素较多，计算过程较为复杂。在一般情况下，进行不同河流水环境质量比较时，使用较多的是综合污染指数法、水污染指数法，而水污染指数法在污染最重因子相同时的比较有较好的可比性，当所比较河流污染较重因子不同时，就具有局限性。而综合污染指数法是其中应用范围最广、较为成熟的一种评价方法。本文运用综合污染指数法、水质类别法，结合环保部《城市环境空气质量排名技术规定》(环办〔2014〕64号)，尝试性的提出河南省城市河流水环境质量排名办法，以期为同行业内城市河流排名工作提供借鉴。

1 研究方法

1.1 监测断面的设置

合理的监测断面设置是对建城区域河流边界城市河流管理的首要条件，监测断面应具有代表性，并能划清责任，它应反映河流城区水环境质量的基本情况。文章所涉及的监测断面主要设置在河流下游靠近城市跨建城区处。

1.2 城市河流水环境质量综合指数计算

综合指数评价法是对各污染指标的相对污染指数进行统计，得出代表水体污染程度的数值，该方法用以确定污染程度和主要污染物，并对水污染状况进行综合判断。在一般情况下综合污染指数评价方法的应用，是假设各参与评价因子对水环境质量的贡献基本相同，采用各评价因子标准指数加和的算术平均值进行计算，同时也反映了多个水环境质量参数与相应标准之间的综合对应关系。综合污染指数数值越大，表示污染程度越严重，环境质量较差；反之，综合污染指数数值越小，表示污染程度较轻，环境质量较好。

城市河流水环境质量综合指数综合考虑了pH、溶解氧(DO)、色度、化学需氧量、悬浮物、氨氮、总磷7项污染物的浓度水平，将各污染物的浓度进行无量纲化处理，得到各项污染物的单项质量指数，然后将各单项质量指数相加得到河流水环境质量综合指数。河流水环境质量综合指数的计算方式见式(1)～式(7)。

(1)

式中：Ii为指标i的单项质量指数，Ci为污染物i的浓度值，Si为污染物i对应的标准限值。对于pH、DO、化学需氧量、氨氮、总磷 5项因子为《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)[8]Ⅴ类标准限值，由于GB 3838—2002标准中缺少悬浮物、色度两项因子标准限值，因此悬浮物选取《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T 18921—2002)[9]观赏性景观环境用水(河道类)标准限值(20 mg/L)，色度指数采用当时监测的全省城市河流中最大稀释倍数参与比值计算。

其中，对于DO质量指数[10]为

(2)

(3)

(4)

式中：DOf为饱和溶解氧浓度，DOj为断面溶解氧浓度，DOs为溶解氧地表水环境质量标准，T为水温，℃。

对于pH质量指数[11]为

(5)

(6)

式中：pHsd为地表水环境质量标准中规定的pH下限，pHsu为地表水环境质量标准中规定的pH上限，pHj为现状pH。

(7)

式中：Isumr为城市河流水环境质量综合指数，Ii为指标i的单项质量指数，包括pH、DO、色度、化学需氧量、悬浮物、氨氮、总磷。

1.3 参与排名的水质指标筛选

为使排名评价结果具有可比性，同时又尽可能反映河流的污染状况，更有利于决策者及时了解该市的河流污染情况，采取有力措施保护流域水环境，拟对河流常规监测项目进行分析，筛选出相对较少、污染分担率较高、又能较好反映污染实际情况的污染因子作为评价指标。进行城市水环境质量排名主要涵盖两方面内容：一是评价黑臭污染物项目的确定，二是不同河流水环境质量定量比较方法的确定。GB 3838—2002标准中基本项目有24项，评价因子应主要在其中选定。文章采用查找文献和污染分担率相结合的方法筛选城市河流排名指标。

1.3.1 查找文献法

通过在中国知网查找相关文献100余篇可知，有关评价黑臭水体项目的选择，郝英群等[12]对城市河流黑臭的形成机理及其黑臭评价指标进行了探讨[11]。研究证明，目前条件下与水体黑臭有关的指标主要有：DO、五日生化需氧量、化学需氧量、氨氮、硝酸盐氮、有机污染物、水温、 pH等。其中前4项含量与水体黑臭有较好的相关性[12-14]。影响国内城市河流水质的主要污染指标为两类：一类是有机污染指标，包括DO、氨氮、高锰酸盐指数、五日生化需氧量；另一类是富营养化指标(特别是总磷(T P))[15]。目前，国内外水体黑臭评价中选用频率最高的指标也是DO、氨氮、高锰酸盐指数和五日生化需氧量，在程江等[16]调研的10种方法中，他们被采用的频率分别为90%、70%、50%、40%，表明其为控制水体黑臭的关键性指标。

1.3.2 河流各项污染因子分担率计算

利用城市河流24项评价因子分别所占污染负荷的百分比，可以分析各项因子污染程度，即河流污染物分担率，从而可以确定主要污染因子。其计算公式如下：

(8)

式中：fi为第i种污染物的污染分担率。

以河南省58条主要河流2014—2015年2年水质监测数据为基础，选取监测的高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总磷、铜、砷、汞、镉、六价铬、铅、氰化物、挥发酚、石油类、硫化物15个指标为筛选对象，分别计算出每年每条河流的年度综合污染指数和各项指标的污染分担率，在此基础上通过分析比较，筛选出适合河南省城市河流排名指标。

应用公式(1)～公式(8)计算15项指标的污染分担率。结果表明，58条河流中，有17条河流达到Ⅱ、Ⅲ类，为较清洁河流；41条河流为Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ，为受到污染的河流。进行每条河流污染分担率统计发现，在较清洁的17条河流中，不同污染因子分担率超过20%的河流条数分别为pH为11条、悬浮物为6条、色度1条、DO 2条、化学需氧量为4条、总磷为3条，氨氮为零条，说明在水环境质量较清洁的城市河流中氨氮、色度、DO、总磷、化学需氧量所占污染负荷较低，相应pH、悬浮物污染负荷较高，其中pH分担率最高达到55.4%。在受到污染的41条中，不同污染因子分担率超过20%的河流条数分别为pH为6条、悬浮物为6条、色度为3条、DO为1条、化学需氧量为9条、氨氮为23条，总磷为19条，说明在受污染的河流中，氨氮污染范围较普遍、较重，最高分担率达到52.5%；其次为总磷，最高分担率达到46.4%；再次为化学需氧量，最高分担率达到45.8%。58条城市河流中污染分担率较高的3项因子为氨氮、总磷、化学需氧量，分担率依次为20.6%、17.1%、15.5%。因此，受污染的城市河流主要污染因子为氨氮、总磷、化学需氧量。pH、DO、色度、化学需氧量、悬浮物、氨氮、总磷分担率之和大于90%。详见表1。

表1 2014—2015年不同类别河流污染因子分担率20%以上河流条数统计

结合《河南省城市河流清洁行动计划》[17]要求，河流整治目标以实现水清、消除黑臭、城市规划区内河流达到一般景观用水标准为目标，以及《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T 18921—2002)，确定河南省城市河流进行监测和排名的监测因子为pH、DO、色度、化学需氧量、悬浮物、氨氮、总磷，共7项监测因子。

2 结果与讨论

2.1 计算结果

采用河南省18个省辖市60条城市河流(表2)，2014年第3季度至2015年第3季度监测数据进行统计。

以城市河流环境质量综合指数法对不同河流水环境质量进行排名，综合考虑了基本反映河流黑臭、浑浊程度、景观等方面的主要污染因子的污染贡献，可以综合反映各项指标的整体污染情况。所有城市河流均采用7项污染因子进行综合指数计算，河流之间可比性较好。为兼顾地表水环境质量类别与质量综合指数两者关系，城市河流水环境质量由好到差排名首先按照河流水环境质量类别由好到劣排序，相同类别中按照水环境质量综合指数由小到大排序，质量综合指数保留3位小数。水质类别和首要污染物采用pH、DO、化学需氧量、氨氮、总磷5项指标，按GB 3838—2002标准进行评价。当水环境质量类别在Ⅲ类以内时不进行首要污染物评价，当水环境质量类别劣于Ⅲ类标准时以超标倍数最高的污染因子作为首要污染物。水环境质量综合指数相同的按省辖市行政区划先后顺序排名。城市河流断流无水的，不参与排名。以2015年第1季度河南省60条河流监测数据为例，部分城市河流水环境质量排名详见表3。

表2 河南省18个省辖市参与排名的60条城市河流情况

表3 2015年第1季度河南省部分主要城市河流水质排名结果

注：本季度有2条河流断流，不参与排名;“—”表示水质类别为Ⅰ～Ⅲ，无首要污染物。

由表3可以看出，存在水环境质量排在前面的河流综合指数大于后面的河流情况，如位于第8名的洛阳市洛阳城中渠、第9名的焦作市龙源湖、第10名开封市黄汴河3条河流水环境质量综合指数均低于排名较靠前的第7名洛阳伊河，这主要是由于进行水质类别评价使用pH、DO、化学需氧量、氨氮、总磷5项因子，而水环境质量综合指数的计算是在此前5项因子基础上增加了GB 3838—2002标准中所缺少的悬浮物、色度两项监测因子，而后两项因子是恰逢污染较重时引起的。2种评价方法因评价所选用因子数不同导致结果不同，有时会出现水质类别较好，而综合指数较高的情况。

2.2 结果验证

2.2.1 污染较重的城市河流排名靠后

2015年第1季度城市河流中7项因子污染较重河流进入城市排名后10名情况统计，如表4～表10所示。由表4～表10可以看出，评价因子污染较重的城市河流排名将靠后，悬浮物浓度较重的10条河流中有6条位于城市排名后10名，色度污染较重的10条河流中有6条位于城市排名后10名，DO污染较重的10条河流中有8条位于城市排名后10名，化学需氧量污染较重的10条河流中有9条位于城市排名后10名，氨氮污染较重的10条河流中有8条位于城市排名后10名，总磷污染较重的10条河流中有8条位于城市排名后10名。但pH较高的10河流没有进入城市排名后10名。说明除pH外其他6项污染因子污染较重的城市河流在总体排名比较靠后。

表4 2015年第1季度城市河流中pH污染较重河流进入城市排名后10名情况统计

注：本季度城市排名中第49名至58名为后10名。下同。

表5 2015年第1季度城市河流中悬浮物污染较重河流进入城市排名后10名情况统计

表6 2015年第1季度城市河流中色度污染较重河流进入城市排名后10名情况统计

表7 2015年第1季度城市河流中DO污染较重河流进入城市排名后10名情况统计

表8 2015年第1季度城市河流中化学需氧量污染较重河流进入城市排名后10名情况统计

表9 2015年第1季度城市河流中氨氮污染较重河流进入城市排名后10名情况统计

表10 2015年第1季度城市河流中总磷污染较重河流进入城市排名后10名情况统计

2.2.2 水质明显改善的河流，排名明显前移

污染物浓度降低较多、水质明显改善的河流在城市排名中将明显前移。以三门峡青龙涧河为例统计，河南省首次公布18个省辖市城市河流2014年第3季度水环境质量排名中，三门峡市城市河流青龙涧河排名为第47名，比较靠后，位于倒数第9名(该季度有5条河流断流)，市政府高度重视，变压力为动力，对唯一参与全省排名的青龙涧河进行截污、清淤、引水等治理措施，通过整治到2015年第1季度河流水环境质量明显改善，污染物浓度明显下降，其中，悬浮物浓度降幅达94.6%，色度降幅达87.5%，化学需氧量浓度降幅达91.0%，氨氮浓度降幅达91.0%，总磷浓度降幅达95.2%，pH由弱碱性变为中性，溶解氧浓度升幅达48.3%，综合指数降幅达92.3%，水环境质量类别由劣Ⅴ类变为Ⅱ类，在全省城市河流排名中由第47名变为第2名，前移45名。见表11。

表11 三门峡市青龙涧河2015年第1季度与2014年第3季度水环境质量变化情况统计

注：除pH、色度外，悬浮物、DO、化学需氧量、氨氮、总磷单位为mg/L。

2.2.3 排名制度加快城市河流水环境质量改善

随着落实城市河流排名制度，河南省污染较重河流(劣Ⅴ类)条数随季度在逐步减少。从2014年第3季度到2015年第3季度河南省60条城市河流中，劣Ⅴ类河流条数依次为34、31、28、26、24条。见表12。

表12 2014年第3季度以来河流水环境质量类别条数统计

在可比的51条河流中(不同季度出现断流而导致9条河流不可比)，与2014年第3季度相比，2015年第3季度主要污染物浓度在多条河流中出现了较明显的改善趋势。其中，悬浮物有23条下降，降幅均超过了25%；色度有37条下降，降幅均超过了50%；DO上升有31条，23条升幅超过了20%；化学需氧量有33条下降，25条降幅超过了20%；氨氮有29条下降，23条降幅超过了20%；总磷有39条下降，34条降幅超过了20%。见表13。

表13 与2014年第3季度比2015年部分污染物浓度改善河流条数统计

3 结论

通过对影响城市河流黑臭、景观程度的监测因子进行研究，确定pH、DO、色度、化学需氧量、悬浮物、氨氮、总磷7项污染因子进行监测评价，可以基本反映城市河流黑臭、浑浊污染现状。

1)结合目前水环境质量分析方法现状，提出水环境质量综合指数概念，基于综合污染指数法基础上全面兼顾了各项污染物对水环境质量的贡献，可以进行不同河流之间定量比较，对于不同河流来说各项污染物因子均参与评价，避免了水污染指数法仅突出最重污染因子比较的局限性，河流之间可比性强，能够比较客观、准确、公平反映城市河流水环境质量状况差异，能够满足当前城市河流质量排名工作的需要。

2)由于在排名中所选取的7项因子中有2项在地表水环境质量标准中没有标准限值，导致在水环境质量类别评价时评价因子为5项，按照先进行类别排序，然后再在同一类别中按水环境质量综合指数由低到高排序，会出现水环境质量综合指数略高河流排在水环境质量综合指数低河流前面现象。

3)污染较重河流排名会比较靠后，污染较轻河流排名比较靠前，能够较好反映城市河流污染程度差异。河流水环境质量改善后，城市河流排名会相应前移。污染负荷分析发现，目前城市河流污染范围较广、较重的因子依次为氨氮、总磷、化学需氧量。实施城市河流水环境质量排名制度后，全省劣Ⅴ类城市河流条数随季度在逐步减少，多条河流主要污染物浓度在改善。

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

[2] 王梦.水环境质量评价中几种方法的比较[J].渤海大学学报(自然科学版),2008,29(1)：34-37.

[3] 陆卫军，张涛.几种河流水质评价方法的比较分析[J].环境科学与管理,2009,34(6)：174-176.

[4] 吴琳娜.红枫湖富营养化模糊评价[J].中国环境监测,2011,27(3)：58-62.

[5] 商博，于光金，王桂勋，等.基于PCA的区域环境质量综合评价及应用实例研究[J].中国环境监测,2013,29(5)：12-15.

[6] 杜乔乔，颜坤.基于PCA的于桥水库富营养化因子分析[J].水资源与水工程学报,2013,24(2)：212-214.

[7] 刘琰，郑丙辉，付青，等.水污染指数法在河流水质评价中的应用研究[J].中国环境监测,2013,29(3)：49-55.

[8] 原国家环境保护局.地表水环境质量标准：GB 3838—2002[S].北京：中国环境科学出版社，2002.

[9] 国家质量监督检验检疫总局.城市污水再生利用景观环境用水水质：GB/T 18921—2002 [S/OL].(2011-12-13)[2015-11-25].http://www.shuigongye.com/standard/201112/2011121315353300001.html

[10] 原国家环境保护局.环境影响评价技术导则 地面水环境：HJ/T 2.3—93[S/OL].(1994-04-01)[2015-11-25].http://kjs.mep.gov.cn/hjbhbz/bzwb/other/pjjsdz/199404/t19940401_68474.shtml

[11] 郝英群,张璘,孙成,等.江苏省城市河流黑臭评价标准研究[J].环境科技，2013,26(6):46-50.

[12] 陈振楼，许世远，徐启新，等.长江三角洲地表水环境污染规律及调控对策[J].长江流域资源与环境，2001，10(4):353-359.

[13] 钱嫦萍，陈振楼，王东启.城市河流黑臭的原因分析及生态危害[J].城市环境,2002,6(3):21-23.

[14] 冯奇秀，谢骏，刘军.底泥生物氧化与城市黑臭河涌治理[J].水利渔业，2003,130:42-44.

[15] 陈振楼，许世远，徐启新，等.长江三角洲地表水环境污染规律初探[J].福建地理,2000,15(3):16-22.

[16] 程江，吴阿娜,车越,等.平原河网地区水体黑臭预测评价关键指标研究[J].中国给水排水,2006,22(9)：18-22.

[17] 河南省人民政府.关于印发河南省城市河流清洁行动计划的通知[EB/OL].[2014-06-23].http://www.henan.gov.cn/zwgk/system/2014/07/23/010486614.shtml.

Discussion on Quality Ranking of Urban River Water Environment Based on Comprehensive Pollution Index

AN Guoan1, LIN Lanyu2, ZOU Shiying3

1.Environmental Monitoring Centr of Henan Province， Zhengzhou 450004, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China 3.Assessment center of Environmental Engineering Department of Environmental Protection, Beijing 100012, China

According to the water quality to proceed the unban river ranking at fixed period is a policy measure that the environmental administrator adopt for promoting the improvement of surface water quality. The corrected ranking way is the key safeguard for the reasonable ranking results. This study selected two common evaluation methodology such as the comprehensive pollution index and water quality category, and combined with the characteristics of urban river such as black bad smell and turbid, to screen out seven pollutants including pH, dissolved oxygen, chroma, chemical oxygen demand (COD), suspended solids, ammonia nitrogen, total phosphorus to participate in ranking the river quality in Henan province. The results showed that the ranking way could basicallied satisfied the needs of ranking the urban river water quality, which has extensive application value.

urban river；the water environment quality ranking；comprehensive pollution index

2015-11-02;

2015-12-31

国家科技支撑计划“南水北调中线工程水源地及沿线水质监测预警关键技术研究与示范”(2011BAC12801-01,2011BAC12B02-01)

安国安(1963-)，男，河南孟州人，学士，高级工程师。

邹世英

X824

A

1002-6002(2016)06- 0050- 08

10.19316/j.issn.1002-6002.2016.06.08