地表水环境质量排名方法研究
——以青岛市为例

赵 璐魏志强张 烜刘岳峰

(1、山东省青岛生态环境监测中心,山东 青岛260003 2、青岛市生态环境局市南分局,山东 青岛266003 3、青岛市环境保护科学研究院,山东 青岛260003)

目前国内各省市逐步开展地表水环境质量排名工作及探讨,现有排名办法及探讨可大致分为三类,一是城市水质指数法[4-6],二是综合指数法[7],三是水质类别权重指数法[8]等其它[9]。本文采用城市水质指数法、水质类别权重指数法和改进的综合指数法三种方法对青岛市部分区域主要河流断面水质指数进行计算,分析不同方法的优缺点,为区域地表水环境质量排名工作提供一定参考。

1 研究方法

1.1 城市水质指数法

依照《城市地表水环境质量排名技术规定(试行)》,地表水环境综合排名情况基于城市水质指数法,区域水质指数CWQI区域由河流水质指数CWQI河流和湖库水质指数CWQI湖库按断面数加权计算得出。区域地表水环境质量状况排名按照区域水质指数从小到大的顺序进行排名,排名越靠前说明地表水环境质量状况越好。

1.2 水质类别权重指数法

对各区域断面水质类别进行权重赋值:ⅠⅡ类水质断面指数为1,Ⅲ类水质断面指数为0.8 ,Ⅳ类水质断面水质指数为0.6 ,Ⅴ类水质断面指数为0.4,劣Ⅴ类水质断面指数为0。水质类别权重指数为各区域所有断面指数和与区域断面总数的比值。按照水质类别权重指数从大到小进行排名,排名越靠前说明地表水环境质量状况越好。

1.3 改进的综合指数法

本文采用的综合指数法,根据青岛水环境特点,采用青岛市往年地表水中高频超标项目化学需氧量、高锰酸钾指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷、石油类和氟化物等7项指标参与综合指数计算,并按河流湖库断面加权计算得出最终指数。该方法计算原理、过程和排名方式与水质指数法大致相同(详见1.1)。

2 研究区域及特点

青岛市地处山东半岛东南部海滨丘陵地区,东、南濒临黄海,东北与烟台市毗邻,西与潍坊市相连,西南与日照市接壤。辖七区三市,总面积11293平方公里。本文选取青岛市部分区域的重点地表河流/湖库断面为例,其中河流断面占64.9 %,湖库断面占35.1 %,各区域断面数量在2～20个之间不等,其中部分断面为跨区域断面,E、F、H区域断面数量较多,I、D、C区域断面数量较少。

3 结果

本文选取2020年青岛市重点地表水体断面年均值监测数据参与计算,按照三种方法对各区域水质情况进行核算,数据来源于《青岛市环境质量报告书》(2016-2020年度)。

3.1 结果及排名情况

根据计算结果,最终指数值及排名如表1所示。其中,城市水质指数法和改进的综合指数法按指数值从小到大排名,指数越小水质越好；权重指数按从大到小排名,数值越大水质越好。

表1 三种排名方法统计结果及排名情况

从统计结果来看,水质较好的前三名为A、B和C,二、三名水质指数及综合指数法一致,并与类别权重法略有区别；水质较差前三名为J、I和H,三种方法排名大致相同。而三种指数方法排名与Ⅲ类以上水质比例排名略有区别,比如B区域三种指数法排名在第2、3位,而Ⅲ类以上比例排在第4位,原因或在于该区域超Ⅲ类断面的超标指标较少,或相关超标指标的超标倍数较低。

3.2 指数差值分析

城市水质指数法统计区域指数范围在4.66 ～8.42 之间,改进的综合指数法指数在3.05 ～6.82 之间,水质类别权重法在0.42 ～0.84 之间。从三种方法的极差值来看,城市水质指数法和改进的综合指数法极差值为3.76 和3.77 ,说明21项指标中产生断面间水质差异的项目主要为上述化学需氧量等7项,其它14项指标对断面间水质差异影响较小；水质类别权重法极差值为0.42,相对于其它两种指数法范围较小,断面间水质差异较小,或造成相关断面和区域排名结果相近。

3.3 相关性分析

用SPSS软件将区域内断流断面数、河流断面数、湖库断面数、三种方法指数结果以及Ⅲ类以上断面比例及劣Ⅴ类断面比例进行相关性分析,相关系数r范围-1～1,绝对值越大,相关性越强,绝对值越接近于0,相关性越弱[10]。相关性分析结果显示,三种方法与Ⅲ类以上比例之间的相关关系系数值均呈现出0.01 水平的显著性,具体来看,城市水质指数、改进的综合指数法与Ⅲ类以上比例的相关系数值为分别为-0.953 和-0.958 ,说明城市水质指数、改进的综合指数法分别与Ⅲ类以上比例之间有着显著的负相关关系；水质类别权重指数法和Ⅲ类以上比例的相关系数值为0.952,说明水质类别权重指数法和Ⅲ类以上比例之间有着显著的正相关关系,另外,河流断面数与劣Ⅴ类断面比例也较为显著,相关系数也达到了0.775,说明河流断面的数量和劣Ⅴ类断面比例有着较显著的正相关关系,原因在于该市劣Ⅴ类水体多出现在河流断面中。三种方法之间的相关性也较为显著,其它项目两两相关性不显著。

用SPSS软件将三种方法统计指数值与各区(市)Ⅲ类以上断面比例做线性回归相关性分析,回归方程显著性检验采用F检验,显著性检验水平α=0.01 ,P<0.01 为分析参数有统计学意义[11]。统计结果如表2所示,三种方法与Ⅲ类以上断面比例相关性较好,水质指数法呈线性负相关,水质类别权重法呈线性正相关。且改进的综合指数法R2最高,相关性检验结果相对其他两种方法较好。

表2 三种方法与Ⅲ类以上断面比例线性回归分析

4 讨论

上述三种方法水质指数结果与该区域内断流断面数,河流、湖库断面个数等相关性不显著,与Ⅲ类以上水质比例等有较显著的相关性,能较好的反映现阶段青岛市水质状况及区域水质差异,需针对青岛市水环境特点选择更适合的排名方法,现对三种方法的优缺点进行进一步讨论如下:

4.1 城市水质指数法

城市水质指数法的优势在于:一是评价指标全面,根据现阶段国家采测分离监测的全部21项指标参与评价,充分利用了每个监测指标对水质的贡献；二是淡化了标准值硬杠杆对水质定性评价的影响,比如水质指数为8.42 和8.07 排在最后两位的J、I区域,Ⅲ类以上比例排名正好相反,原因在于I区域断面较少,Ⅲ类及以上断面及劣Ⅴ类断面均为0,而J区域虽Ⅲ类以上断面比例为9.1 %,但劣Ⅴ类断面比例达到18.2 %,较差水质断面浓度水平拉低了水质指数,排到了最后一名,该方法强调了绝对水质的优劣,淡化了水质类别硬杠杆衡量；三是强调了区域水质共同影响的概念,水质禀赋好的区域水环境质量相对较好,比如A区域,Ⅲ类以上断面比例最高,水质指数排名也在首位；水质较好和较差的断面,通过断面数量的加权均会将影响放大。不足之处在于,对于青岛市水环境现状,多数指标常年未检出或痕量检出,同样计算在水质指数里面,凸显不出主要污染指标对水质的影响,自然禀赋好的区域就算某项指标超标对最终得出的水质指数影响不大。

4.2 水质类别权重指数法

水质类别权重指数法的优势是强化了水质类别对水质的影响因素,将水质类别量化统计,更简单明了的区分水质差异。不足之处在于指数值较依赖水质类别评价结果,无法衡量相同水质类别内的水质差异,与Ⅲ类以上断面比例的相关性也略低于其它两种方法。该方法统计指数区域极差值0.42 ,较之另外两种方法均小出近一个数量级,并且区域间最小差值为0.01 ,在水环境管理不断深入,水质渐趋稳定向好的大环境下,断面及区域间指数差异越来越小,难以区分同相似水质状态下的水质差异。

4.3 改进的综合指数法

改进的综合指数法的优势与城市水质指数法类似,创新点在于优选了区域水质的主要指标参与统计,更有针对性的反映主要水质问题,从极差值来看,各项指标对指数的贡献主要在于优选的7项指标；从与Ⅲ类以上断面比例相关性来看,较之其它两种方法显著性略高,更加科学有效的服务水环境管理。该方法的不足之处在于因为参评项目较少,其它项目若有突变则无法兼顾,需与单因子评价结合反映水质状况。

5 结论

综上所述,城市水质指数法充分利用了每个监测指标对水质状况的影响,全面反映断面间水质差异,强调绝对水质优劣,但多数指标常年未检出或痕量检出,导致重点超标因子对结果的贡献不够突出,自然禀赋好的断面若有个别项目超标对总体水质指数影响较小。水质类别权重法将水质类别评价附以权重定量化的反映区域间水质差异,但在水污染防治工作不断深入的大环境下,断面及区域间指数差异越来越小,难以区分相似水质类别的断面水质差异。而改进的综合指数法,优选青岛市地表水环境中高频超标项目参与核算,简化了水质指标,更有针对性的比较断面间、区域间水质差异,最终统计结果与三类水质比例有较好的相关性,建议以单因子评价法与改进的综合指数法排名相结合,先通过单因子评价法过筛重点超标因子,再用改进的综合指数法进行区域排名,进而明确水环境现状和区域水质差异,为下一步水污染治理提供技术支撑。