江蘇省城市水源地水質(zhì)指數(shù)評價

王姍姍，董圓媛，尤佳藝，高逸飛，崔嘉宇，梁 悅

(1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇南京 210019；2.江蘇省太湖水質(zhì)監(jiān)測中心站，江蘇南京 210019；3.江蘇省蘇力環(huán)境科技有限責任公司，江蘇南京 210036)

水源地環(huán)境質(zhì)量與人體健康息息相關，保障水源地水質(zhì)是水環(huán)境管理中的核心工作。我國對水源地保護日益重視，水源地水質(zhì)監(jiān)測和水污染防治工作也不斷加強，并取得了一定成效。然而，水源地水質(zhì)狀況仍然不容樂觀，問題突出，如：水庫型水源地水質(zhì)達標率較低，甚至成為威脅我國飲用水安全的首要問題[1]；部分地區(qū)水體富營養(yǎng)化情況普遍，對飲用水安全造成影響[2]；銻、鐵、錳等重金屬或石油類特征因子超標[3-4]等。分析江蘇省水源地歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：一方面，江蘇省水源地水質(zhì)頻繁波動，根據(jù)江蘇省環(huán)境狀況公報，“十三五”期間(2016年—2020年)，江蘇省縣級及以上城市集中式飲用水水源地達標率分別為88.7%、96.2%、90.6%、83.6%和92.2%，其中，2018年和2019年水源地達標率連續(xù)兩年下滑；另一方面，水源地水質(zhì)超標指標多樣，常規(guī)項目和特征項目超標的問題兼有，部分應急備用水源地水質(zhì)甚至持續(xù)超標。

水源地管理相關制度和政策的制定均以目標為導向，而水源地水質(zhì)評價是管理部門有的放矢、精準施策的基礎。本文研究分析了國內(nèi)外水源地水質(zhì)評價方法，結合城市水質(zhì)指數(shù)(city water quality index，CWQI)[5]方法的優(yōu)點及其已應用于地表水環(huán)境質(zhì)量城市排名的實際情況，將該方法應用于江蘇省縣級及以上城市飲用水水源地評價中，根據(jù)水源地CWQI對各市縣(區(qū))進行排名，從時間和空間角度分別反映江蘇省水源地水質(zhì)變化趨勢和特征，以期為管理部門加強水源地精細化管控、提高水源地信息公開力度提供思路和支撐。

1 水源地評價方法概況

1.1 國內(nèi)

我國水源地水質(zhì)評價根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法(試行)》進行單因子評價，水質(zhì)評價根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)[6]和《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)[7]的Ⅲ類水質(zhì)標準或標準限值判斷達標與否[8]。

單因子評價法的實質(zhì)是一票否決原則，用最差的單項指標水質(zhì)代表整體水質(zhì)，結論簡潔單一，較為片面。例如，某水源地只因pH超標便被判定為劣Ⅴ類水質(zhì)，但能通過自來水廠常規(guī)處理工藝即能達到出廠水標準。

1.2 國外

相關國際組織和歐美發(fā)達國家往往是根據(jù)水源地的生物、化學等綜合指標的情況和對人體健康影響程度進行分級評價，例如：世界衛(wèi)生組織(WHO)發(fā)布的《飲用水水質(zhì)準則》中規(guī)定飲用水水質(zhì)評價應進行優(yōu)先性確定[9]；美國環(huán)保署(EPA)結合水體功能評價水源地水質(zhì)[10]；歐盟委員會(EC)制定的《飲用水水質(zhì)指令》，以飲用水達到飲用程度的處理措施和取水的適宜度為評價依據(jù)[11-12]；加拿大環(huán)境部長理事會(CCME)使用加拿大水質(zhì)指數(shù)法(CCME WQI)對水源地水質(zhì)進行評價[13]，該方法也被聯(lián)合國環(huán)境署(UNEP)用于不同國家飲用水水質(zhì)的評價[14]；新西蘭環(huán)境部(MENZ)根據(jù)飲用水標準相關指標的最大可接受值和指導值評價水體水質(zhì)[15-16]。

2 評價方法

對比分析國內(nèi)外水源地水質(zhì)評價方法(表1)，水質(zhì)指數(shù)法適用范圍廣、評價結果全面，在區(qū)域或流域水源地水質(zhì)評價中已有成熟應用：范燦鵬等[17]采用綜合污染指數(shù)法分析了珠海市金灣區(qū)水源地2016年—2020年的水質(zhì)變化特征；費娟等[18]運用內(nèi)梅羅法、最差因子判別法、加權平均法計算水質(zhì)綜合指數(shù)，發(fā)現(xiàn)江蘇省城市生活飲用水枯水期綜合指數(shù)優(yōu)于豐水期；袁麗艷等[19]采用單因子評價和CCME WQI對比、結合的方式，對酒泉市“千噸萬人”飲用水水源地進行分析，結果表明CCME WQI綜合評價效果更客觀。

表1 國內(nèi)外水源地水質(zhì)評價方法Tab.1 Drinking Water Sources Quality Assessment Methods at Home and Abroad

目前，CWQI法已廣泛應用于全國及各省地表水環(huán)境質(zhì)量排名工作，具有評價指標全面且能夠反映時空變化特征等優(yōu)點。為了綜合考慮水源地各項監(jiān)測指標對水體水質(zhì)的影響，本文采用CWQI法對“十三五”期間(2016年—2020年)江蘇省縣級及以上城市集中式飲用水水源地水質(zhì)進行評價。

2.1 評價指標

根據(jù)江蘇省縣級及以上集中式飲用水水源地例行監(jiān)測方案，監(jiān)測指標和評價指標包含基本項目、補充項目和特定項目共計53項，即《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中pH、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)等20項基本項目指標(除水溫、化學需氧量、糞大腸菌群和總氮外),硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽、鐵、錳5項補充項目指標，以及三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯等28項特定項目指標。

2.2 評價對象

選取江蘇省縣級及以上城市集中式飲用水水源地作為評價對象，縣級及以上城市集中式飲用水水源地一直以來都是環(huán)保部門例行監(jiān)測的內(nèi)容，監(jiān)測斷面(點位)相對固定。由于江蘇省縣級及以上城市集中式飲用水以地表型水源為主，本文僅針對江蘇省地表水型水源地進行研究分析。

2.3 數(shù)據(jù)來源

基礎監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于江蘇省生態(tài)環(huán)境廳及江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心公布的全省縣級及以上城市集中式飲用水水源地水質(zhì)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)每月進行信息公開，監(jiān)測數(shù)據(jù)具有權威性、連續(xù)性和可靠性。

2.4 計算方法

第一步：用平均值法分別計算出排名區(qū)縣水源地的各單項指標濃度均值，低于檢出限的項目，統(tǒng)一按1/2檢出限值參加各單項指標濃度的算術平均值計算。

第二步：常規(guī)項目指標依據(jù)各單項指標的濃度值除以該指標對應《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準值計算單項指標的水質(zhì)指數(shù)，補充項目和特定項目指標依據(jù)各單項指標的濃度值除以該指標對應《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)的標準限值，計算單項指標的水質(zhì)指數(shù)。單項指標的水質(zhì)指數(shù)計算如式(1)。

(1)

其中：C(i)——第i個單項指標的監(jiān)測值；

Cs(i)——第i個單項指標地表水Ⅲ類標準值或標準限值；

CWQI(i)——第i個單項指標的水質(zhì)指數(shù)。

第三步：根據(jù)各單項指標的CWQI值采用加和值法分別綜合出區(qū)縣河流型和湖庫型水源地的CWQI值，計算如式(2)。

(2)

其中： CWQI河流或湖庫——河流型或湖庫型水源地的水質(zhì)指數(shù)；

n——指標個數(shù)。

第四步：用河流型和湖庫型水源地數(shù)量的加權均值計算出排名區(qū)縣水源地的CWQI值，計算如式(3)。

(3)

其中： CWQI區(qū)縣——排名區(qū)縣的水質(zhì)指數(shù)；

CWQI河流——排名區(qū)縣河流型水源地的水質(zhì)指數(shù)；

CWQI湖庫——排名區(qū)縣湖庫型水源地的水質(zhì)指數(shù)；

M——排名區(qū)縣的河流型水源地個數(shù)；

N——排名區(qū)縣的湖庫型水源地個數(shù)。

第五步：以CWQI結果為依據(jù)，以市縣(區(qū))為單位，按水質(zhì)指數(shù)從小到大的順序?qū)K省各區(qū)縣水源地水質(zhì)指數(shù)進行排名。

3 評價及排名

3.1 總體情況

根據(jù)2.4小節(jié)的計算方法對江蘇省各區(qū)縣水源地水質(zhì)指數(shù)進行計算，CWQI越低，水源地水質(zhì)越好。統(tǒng)計2016年—2020年江蘇省各市縣級及以上城市集中式飲用水水源地水質(zhì)指數(shù)，如圖1所示。2016年—2020年，江蘇省水源地水質(zhì)指數(shù)在4.678 1～9.324 4，其中，蘇州、常州、鎮(zhèn)江和泰州4市5年水質(zhì)指數(shù)波動范圍較小，南通、徐州、鹽城和宿遷4市5年水質(zhì)指數(shù)波動范圍較大。南京市5年水質(zhì)指數(shù)在4.678 1～5.130 2，均處于最低水平且波動不大；徐州、鹽城和宿遷3市5年平均水質(zhì)指數(shù)分別為8.085 3、7.847 4和8.138 1，長期在高位波動?？傮w來看，全省水源地水質(zhì)指數(shù)呈現(xiàn)蘇南、蘇中地區(qū)較低而蘇北地區(qū)較高的特點，即蘇南、蘇中地區(qū)水源地水質(zhì)整體好于蘇北地區(qū)；此外，水源地水質(zhì)指數(shù)波動范圍也呈現(xiàn)蘇南、蘇中地區(qū)小于蘇北地區(qū)的特征。

圖1 2016年—2020年江蘇省各市飲用水水源地水質(zhì)指數(shù)變化Fig.1 Changes of CQWI Values of Drinking Water Sources in Each City in Jiangsu Province during 2016 to 2020

3.2 時間變化趨勢

2016年—2020年江蘇省縣級及以上城市集中式飲用水水源地水質(zhì)指數(shù)年度變化如圖2所示。2016年—2020年，江蘇省各區(qū)縣水源地水質(zhì)指數(shù)平均值分別為7.243 1、6.987 9、6.958 4、6.280 4和6.481 1，整體呈波浪型變化趨勢，前4年均呈現(xiàn)連續(xù)下降的趨勢，2020年稍有回升，“十三五”末期(2020年)水質(zhì)指數(shù)較初期(2016年)降低了10.5%，表明江蘇省水污染防治工作取得了初步成效。值得關注的是，2016年—2020年，超出全省各區(qū)縣水源地水質(zhì)指數(shù)均值的區(qū)縣個數(shù)分別為25、24、25、29、30個，前3年處于穩(wěn)定波動狀態(tài)，2019年和2020年有明顯上升的趨勢，水污染防治成果有待進一步鞏固和穩(wěn)定。

圖2 2016年—2020年江蘇省縣級及以上城市集中式飲用水水源地水質(zhì)指數(shù)變化Fig.2 Changes of CQWI Values of Drinking Water Source of Cities in Jiangsu Province during 2016 to 2020

3.3 空間分布特征

2016年—2020年江蘇省各市縣(區(qū))水源地CWQI排名結果如圖3所示。排序在前10名的市縣(區(qū))均位于蘇南或者蘇中地區(qū)，排序在后10名的市縣(區(qū))在蘇北、蘇中和蘇南地區(qū)均有分布。前10名市縣(區(qū))中，南京市所占比例連續(xù)5年均為最高，為30%～40%；揚州市2016年—2019年所占比例次之，分別為20%、10%、20%和20%；“十三五”期間，蘇州市前10名區(qū)縣增加數(shù)量最多，2020年前10名區(qū)縣蘇州市占3個(常熟市、張家港市和太倉市)，較2016年增加了2個；鎮(zhèn)江市和泰州市2016年—2018年前10名區(qū)縣占比為10%～20%，但2019年—2020年均無前10名市縣(區(qū))；常州市2016年—2020年連續(xù)5年保持前10名市縣(區(qū))占比10%，均為溧陽市；南通市2017年、2019年、2020年前10名市縣(區(qū))占比分別為10%、20%和10%，波動較為頻繁；無錫市2020年前10名區(qū)縣破0(江陰市)。后10名市縣(區(qū))中，鹽城市5年占比分別為40%、50%、30%、0和40%，呈現(xiàn)較大波動趨勢；宿遷市5年占比分別為10%、10%、20%、20%和20%，泗陽縣和泗洪縣近3年時間均處于后10名水平；徐州市5年占比分別為10%、10%、20%、30%和10%，水質(zhì)指數(shù)整體呈先升后降的趨勢；南通市5年占比分別為20%、20%、20%、20%和0，2016年—2019年4年中穩(wěn)定占據(jù)2席，至2020年已退出后10名的行列，其中，海安縣2016年—2018年連年位列最末，2019年位列倒數(shù)第8位，至2020年已脫離后10名的范圍。

圖3 2016年—2020年江蘇省縣級及以上城市集中式飲用水水源地水質(zhì)指數(shù)區(qū)縣排名Fig.3 CQWI Values Ranking of Drinking Water Source of Cities in Jiangsu Province during 2016 to 2020

3.4 主要污染指標

2016年—2020年江蘇省水源地主要污染指標水質(zhì)指數(shù)年度變化情況如圖4所示。2016年—2020年，總磷水質(zhì)指數(shù)為0.575 2～0.659 5，總體呈波動下降趨勢；溶解氧水質(zhì)指數(shù)為0.591 2～0.650 3，呈先降后升趨勢；高錳酸鹽指數(shù)水質(zhì)指數(shù)為0.572 4～0.612 5，呈連續(xù)波動狀態(tài)。從各單項指標的水質(zhì)指數(shù)來看，總磷對江蘇省水源地水質(zhì)指數(shù)的貢獻最大，其次分別為溶解氧和高錳酸鹽指數(shù)，總體與江蘇省地表水水質(zhì)首要污染指標為總磷的特點具有一致性。

圖4 總磷、溶解氧和高錳酸鹽指數(shù)水質(zhì)指數(shù)2016年—2020年變化Fig.4 Changes of CWQI Values of Total Phosphorus, Dissolved Oxygen and Potassium Permanganate during 2016 to 2020

4 結論與探討

4.1 結論

CWQI法對水源地水質(zhì)評價具有較好的應用效果，可以基于不同時間尺度或空間范圍進行縱向或橫向的比較分析。

(1)江蘇省水源地水質(zhì)指數(shù)總體上呈現(xiàn)中南部地區(qū)較低、北部地區(qū)較高的特點，且中南部地區(qū)波動范圍較北部地區(qū)小。

(2)從水質(zhì)指數(shù)時間變化趨勢來看，江蘇省水源地水質(zhì)指數(shù)總體呈下降趨勢，但2020年略有回升，超過全省平均水質(zhì)指數(shù)的區(qū)縣近兩年有上升趨勢。

(3)從排名結果的空間分布特征來看，排名靠前的水源地主要分布在中南部地區(qū)，排名居后的水源地無明顯區(qū)域性差異，在江蘇北部、中部和南部均有分布。

(4)從江蘇省水源地主要污染指標水質(zhì)指數(shù)來看，對水源地水質(zhì)指數(shù)影響最大的指標分別為總磷、溶解氧和高錳酸鹽指數(shù)。

4.2 探討

由于CWQI可基于時間和空間反映水源地水質(zhì)變化情況，且指標覆蓋廣泛，較單因子評價法的“一票否決”更加全面客觀，具有較大的應用空間，具體如下。

(1)參考CWQI的計算思路可評估飲用水處理措施的有效性。如計算水廠處理前后某項或某幾項特征污染物指標的水質(zhì)指數(shù)變化，ΔCWQI為負值說明該水廠工藝對于該項或該幾項特征污染物的去除有效；如為正值，表明該水廠工藝對于該項或該幾項特征污染物的去除缺乏針對性，需進一步優(yōu)化。

(2)應用于飲用水風險級別的預警預報。以水源地不同時間序列的CWQI為預警線參考值，可以月為單位進行日常監(jiān)控管理，或以年為單位進行風險預警。