典型城市地表水质综合评价方法研究

高红杰，郑利杰,2，嵇晓燕，宋永会，韩 璐，吕纯剑

1.中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地,北京 1000122.沈阳化工大学环境与安全工程学院,辽宁 沈阳 1101423.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

典型城市地表水质综合评价方法研究

高红杰1，郑利杰1,2，嵇晓燕3，宋永会1，韩 璐1，吕纯剑1

1.中国环境科学研究院城市水环境科技创新基地,北京 1000122.沈阳化工大学环境与安全工程学院,辽宁 沈阳 1101423.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

以中国10个典型城市2013年实测地表水水质资料为基础，运用内梅罗指数法、均值法、地表水质指数法(SWQI)3种评价方法对城市地表水质进行综合评价。结果表明：就评价指标而言，3套指标方案评价结果显著相关，最佳指标为DO、CODCr、NH3-N、TP；就评价方法而言，内梅罗指数法是3种方法中的首选方法，SWQI法评价结果表现为过保护，均值法不能突出较差水质指标的影响。

城市地表水；评价指标；评价方法；内梅罗指数法

随着中国城市化和工业化进程的不断推进，城市规模和人口急剧增加，水污染不断加剧，水环境持续恶化，城市水环境问题已成为城市快速发展过程中新的挑战[1]。加强城市水污染控制，改善城市水环境质量迫在眉睫。

在城市水环境综合治理过程中，水质评价是一项基础性工作[2]。客观的评价结果有赖于科学的评价体系[3]。要实现水质评价方法的推广应用，水质评价方法应具备合理性、准确性、可行性等特点[4]。自20世纪60、70年代，国内外相继建立了许多与水环境相关的评价方法，常用的有单因子评价法、综合污染指数法、模糊数学评价法、灰色系统评价法、层次分析法、人工神经网络法、水质标识指数法等[5]。每种方法都有一定的合理性，但由于水环境系统是一个不断变化、极其复杂、具有不确定性的大系统，目前为止仍无一种统一的、确定的多地区城市评价模型[6]。根据区域环境特征、评价目的和水质特性选择有代表性的评价指标和合适的评价方法，使评价结果真实准确，是对城市水环境进行科学准确评价的关键所在。

研究基于10个典型城市监测数据，采用目前常用的均值法、内梅罗指数法、地表水质指数法(SWQI)，分别对该城市地表水进行评价。根据评价结果，优化水质评价指标，筛选评价方法，建立一套合理、准确和可行的适用于典型城市地表水的评价模型，以期为中国典型城市地表水水质状况评估提供科学依据。

1 数据来源与评价方法

1.1 城市样本选择

研究综合考虑了地理区位、经济发展水平、典型环境特征、城市区域重要性以及监测数据的完整性，选择全国10个重点城市共计214个断面作为评价对象，各城市、断面的分布及基本情况见表1。

表1 评价信息表Table 1 Evaluation information

注：数据来源为各市环保局。

1.2 评价方法简介

1.2.1 内梅罗指数法

内梅罗指数法是当前国内外进行综合污染指数计算最常用的方法之一。该方法是对断面内梅罗指数求均值，得出所在城市综合污染指数，如公式(1)所示：

(1)

式中：Ii为第i个断面内综合污染指数；D为城市综合污染指数。

1.2.2 均值法

均值法是综合污染指数法的一种特殊计算方法。城市均值水质指数上同内梅罗城市水质指数，即对断面均值指数(I)求均值。

1.2.3SWQI法

SWQI法基于单因子评价法的评价原则，依据水质类别与SWQI值对应表(表2)，用内插方法计算得出某一断面每个参加水质评价项目的SWQI值，如公式(2)所示，取最高SWQI值作为该断面的SWQI指数，如公式(3)所示，再对断面水质指数(SWQI)求均值，计算城市地表水质指数，如公式(4)所示。计算如下：

表2 水质类别与评分值对应表Table 2 Water quality categories and score values

(2)

SWQIj=MAX(SWQI)

(3)

(4)

式中：C为水质指标的监测值；Cl为水质指标所在类别标准的下限值；Ch为水质指标所在类别标准的上限值；SWQIl为水质指标所在类别标准下限值所对应的评分值；SWQIh为水质指标所在类别标准上限值所对应的评分值；SWQI为水质指标所在类别对应的评分值；SWQIj为第j个断面的地表水质指数；SWQI城市为排名城市的地表水质指数；N为排名城市的断面个数。

2 体系建立

2.1 评价指标体系构建

水质评价指标体系是用来全面衡量水质的尺度，是衡量水中杂质的标识。从水质评价过程以及相关评价实例来看，单个指标不能准确、合理的表征水质实际状况，却能直接影响评价结果，那么由评价结果来筛选指标体系会更加科学、合理。

2.1.1 指标体系方案建立

方案1：中国地表水河流评价指标，即《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中除水温、TN、粪大肠菌群以外的21项指标。

方案2：各省政府考核指标(表3)。

表3 省政府考核指标Table 3 Provincial government assessment indicators

注：“—”表示未找到相关文件；“*”表示全国城市环境综合整治定量考核。

鉴于各地区自动监测站监测指标，考虑将DO、CODCr、CODMn、BOD5、NH3-N、TP 6项指标体系作为城市地表水第2套方案。

方案3：利用单因子评价对10个典型城市2013年监测数据分析，共12项指标有超标现象，主要超标项(超标率大于10%)有TN、NH3-N、TP、CODCr、BOD5、CODMn，如表4所示。

表4 超标指标Table 4 Exceeded indicators

结合省政府考核指标中自动监测站监测指标，地表水环境质量评价办法(环办[2011]22号文件)规定，TN不参与河流水质评估，提出第3套指标方案，包括DO、CODCr、NH3-N、TP 4项指标。

方案1指标多，具有综合性、代表性等优点，但评价参数量大，可操作性、可行性较差，通过3种指标方案计算结果相关性分析，选出指标最少、最有代表性的指标体系，进而对指标体系进行优化。

2.1.2 评价指标体系相关性分析

用内梅罗指数法、均值法、SWQI法3种评价方法，采用以上3种指标方案，分别对中国10个典型城市水质进行评价，结果见表5。

表 5 不同指标方案评价结果Table 5 Evaluation results of different index schemes

将每组评价结果作为变量，导入SPSS统计分析软件进行定量相关性分析，计算Person相关性系数r(r>0时为正相关，r<0时为负相关，其绝对值大小反映变量相关程度高低)，见表6。若某2个变量的r接近1或-1，即P<0.01时，说明2个变量(指标方案)可互相替代。

表 6 水质指标相关性系数Table 6 Correlation coefficient of water quality index

注：“**”表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

表6显示，SPSS软件Pearson相关性分析，在0.01的显著水平下，3种评价方法指标方案2、3与指标方案1具有明显的正相关性，r>0.8以上，P<0.01，均呈相关性高度显著。根据SPSS软件Pearson相关性原理，r接近1或-1时，变量可相互代替。方案2水质评价结果和方案3水质评价结果与方案1水质评价结果显著相关，因此指标方案2、3可代替指标方案1。指标方案1，指标全，最能代表水质状况，但评价参数多，工作量和经费随之增加，根据评价指标原则，3种评价方法最佳指标方案为方案3， 即DO、CODCr、NH3-N、TP 4项指标。

2.2 评价方法比较研究

2.2.1 3种指数法之间的比较

由于3种指数法所得结果阈值不同，评价等级的划分标准不同，3个指数之间并无可比性，不能直接比较，为比较3种指数方法的评价结果，对每个城市进行排名，结果见表7。

表 7 3种评价方法评价结果表Table 7 Evaluation results of three evaluation methods

表7可以看出，3种代表性水质评价方法均从不同程度上反映了10个典型城市的水质情况。评价结果显示：W1排名第一，水质最好，M3排名最后，水质最差。

均值法反映的是水质平均超标程度，对于某种污染物污染水平不能被该指数有效识别。内梅罗指数法不仅考虑平均污染值的影响，还特别兼顾最大超标污染物的影响。以M2和N1城市为例，2个城市均值水质指数均为0.57，从指数上看，2个城市污染程度相同，但是M2城市NH3-N严重超标，仅满足Ⅴ类水质标准，而N1虽有超标项目，但参与评估断面满足Ⅳ类水质。从实际情况来看，M2超标因子对生态环境影响要大于N1。内梅罗指数法评价结果恰能反映这一事实：M2和N1内梅罗指数分别为0.85和0.62，M2污染程度高于N1。SWQI法以最差水质指标所属类别作为综合水质类别，以W1和W2为例，各项参与评估指标均未超标，W1和W2参与评估断面均为Ⅱ类水质。从实际情况看，2个城市水质相当，但是W1的最大项污染指数MAX(SWQI)为DO=34.56，W2的最大项污染指数MAX(SWQI)为DO=20.00，SWQI法将MAX(SWQI)平均值作为评价结果，表现为过保护。

2.2.2 单因子评价法与3种指数评价法比较

单因子评价法对城市进行水质评价时，低水质等级断面所占比例越大，相应城市水质就越差。单因子评价结果(图1)显示，劣Ⅴ类水质断面比例最大的城市为M3，为100%，水质最差，其内梅罗污染指数最大，为8.36。断面水质等级为Ⅱ、Ⅲ类水体的城市包括W1、W2、M1，水质较好，内梅罗污染指数较小，分别为0.38、0.66、0.50。由于SWQI法以最差水质指标所属类别作为综合水质类别，与单因子评价法评价原理相同，2种评价方法评价结果更为吻合。单因子评价各城市断面污染情况与以上3种指数评价法评价结果大体相当，说明这些方法一定程度上均可用于水质评价。

图1 断面水质等级百分比Fig.1 Percentage of water quality grade

2.2.3 3种评价方法科学性研究

一种水质评价方法要想在水环境管理工作中得到广泛应用，除了具备可操作性之外，还必须满足计算科学合理，评价客观事实。3种水质评价方法计算过程均较为简便，但是SWQI法以最差水质指标所属类别作为综合水质类别，评价结果表现过保护，不能科学合理地评判水体的综合水质类别。均值法是对n个水质指标污染指数算术平均，计算结果容易掩盖高浓度的水质指标污染影响。内梅罗指数法，是国家技术监督局于1994年实施的《地下水质量标准》(GB/T 14848—1993)中推荐的方法，适用于地下水、饮用水水源地、湖泊、河流、土壤重金属[7-10]等评价，是一种兼顾极值或突出最大值的计权型多因子环境质量指数，在加权过程中避免了权系数中主观因素的影响，在评价时综合考虑所有评价参数，在面对大量样品时，能给出科学的评价结论，可以满足管理部门要求，适用于中国部分典型城市地表水质评价。

2.3 内梅罗指数法水质分级标准建立

根据计算所得综合污染指数值，对水质进行评价等级的划分[11]，水质等级划分是相对性的，分级原则与标准见表8。

表8 内梅罗水质指数法分级表Table 8 Classification of Nemerow index method

3 结论

3套评价指标方案通过实例分析得出：21项指标参数多，代表性强，但是评价参数较多，可操作性差；4项指标具有较好的代表性，可操作性好，是一套科学合理的评价指标体系。

3种评价方法通过实例分析得出：SWQI法评价结果表现为过保护，算数平均模式不能突出高浓度水质指标的影响；内梅罗污染指数法评价结果科学合理，数学过程简洁，物理概念清晰，是一种首选评价方法。

由内梅罗指数法计算可知，城市污染指数是对断面水质指数求均值，内梅罗指数法适用于评价城市水质，同样也适用于评价断面水质。

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Study on Comprehensive Evaluation Methods for Surface Water of Typical Cities

GAO Hongjie1,ZHENG Lijie1,2,JI Xiaoyan3,SONG Yonghui1,HAN Lu1,LYU Chunjian1

1.Scientific and Technological Innovation Base for Urban Water Environmental Research, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China2.College of Environmental and Safety Engineering, Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang 110142,China3.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre,Beijing 100012,China

Based on the monthly water quality data of 10 typical cities in 2013, the status of urban surface water quality was comprehensively evaluated with three assessment methods, including Nemerow index method, mean value method, and surface water quality index (SWQI) method. The research results showed that for evaluating indicator, there was a significant correlation in the evaluate results by the three methods, and the best evaluation indexes were DO, CODCr, NH3-N and TP. In terms of evaluation method, Nemerow index method was the best one among these methods; the results evaluated bySWQImethod represented as overprotection, which could not reflect the real status; and the water quality assessed by mean value method could not highlight the effect of bad water quality index.

urban surface water;evaluation index;evaluation method;Nemerow index method

2015-12-26;

2016-03-02

重点流域环境保护监管项目(2110302)；国家水体污染控制与治理科技重大专项“浑河中游水污染控制与水环境综合整治技术集成与示范”(2012ZX07202-005)；科技支撑计划(2015BAK16B01-1)

高红杰(1981-)，男，辽宁铁岭人，博士，副研究员。

宋永会

X824

A

1002-6002(2017)02- 0055- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.09