基于長度權(quán)重的河流質(zhì)量指數(shù)計算方法及實踐

楊剛明，龐 燕

（1.湖北省生態(tài)環(huán)境廳孝感生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，湖北 孝感 432100；2.中國環(huán)境科學研究院 湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實驗室，北京 100012）

我國河流水質(zhì)評價起步于20世紀50年代末，近些年得到迅速發(fā)展，早期河流水環(huán)境質(zhì)量評價方法可歸納為三大類，即單因子評價法、水質(zhì)指數(shù)法和不確定性方法[1-11]。目前，河流水質(zhì)評價一般采用《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》[12]的推薦方法——斷面水質(zhì)類別比例法，即根據(jù)河流中各水質(zhì)類別的斷面數(shù)占河流評價斷面總數(shù)的百分比來評價水質(zhì)，評價結(jié)果屬于定性評價。《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》對河流的綜合評估進行規(guī)范，但從實踐來看，這種評估方法存在一定不足。一是河流水質(zhì)的定性評價分類不能嚴格對應(yīng)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）[13]，二是人為操作可導致評估結(jié)果存在不確定性。按照斷面水質(zhì)類別比例法，斷面的選擇將直接影響計算比例，從而決定河流水質(zhì)評估結(jié)果。若去掉一些水質(zhì)較差的斷面，則可使評估結(jié)果變好，這給評估帶來一定的不可靠性。從方法構(gòu)建分析，該方法未將斷面水質(zhì)的河段代表性納入評價，僅對斷面水質(zhì)樣本進行統(tǒng)計分析，分析結(jié)果不能指示整體河流水質(zhì)，因此存在原理缺陷。本文以水環(huán)境容量為計算原理，全面納入河流基本水文參數(shù)和環(huán)境監(jiān)測統(tǒng)計值兩項因子，構(gòu)建基本反映整體河流水質(zhì)的評估方法，力求消除《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》的不足。

1 計算方法

水環(huán)境容量[14]為在滿足水環(huán)境質(zhì)量標準的前提下河流所能容納的污染物總量。水環(huán)境容量有多種定量評價方式。定義單元水體為水質(zhì)均勻的一個水體，如一杯水。單元水體的水環(huán)境容量可以用單元水體現(xiàn)狀等級和體積的乘積來相對衡量，其被稱為相對環(huán)境容量，數(shù)值越大，則水體環(huán)境容量越小。單元水體的相對環(huán)境容量采用式（1）計算。河流水質(zhì)及水文在流向上不是恒定的，基于單元水體的定義，可以認為河流是無限個單元水體的集合。對應(yīng)單元水體相對環(huán)境容量的定義，河流的相對環(huán)境容量為無限個單元水體相對環(huán)境容量的集合，其計算公式如式（2）所示。利用式（1），可以根據(jù)式（2）計算結(jié)果推出河流現(xiàn)狀等級，如式（3）所示。為簡化計算，可以認為河流x處的斷面面積恒定，將式（3）轉(zhuǎn)化為式（4）。

式中：Crel為單元水體的相對環(huán)境容量，m3；Lw為單元水體的水質(zhì)等級，對應(yīng)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）的水質(zhì)類別等級，質(zhì)量次于Ⅴ類的水質(zhì)類別等級定義為6；Q為單元水體的體積，m3；CRrel為河流的相對環(huán)境容量，m3；Lw(x)為河流下游x處斷面的水質(zhì)等級；S(x)為河流下游x處斷面面積，m2；LRw為河流質(zhì)量指數(shù)；L為河流評價區(qū)間的長度，m。

實際河流監(jiān)測布點以離散斷面的形式展開，數(shù)量是有限的，因此計算需要使用基于離散的數(shù)值公式?；谑剑?）的數(shù)學定義，可以推導計算公式。河流上n個斷面點位示意圖如圖1所示。其中，Lwj（j=1,2,…,n）為河流方向第j個監(jiān)測斷面的水質(zhì)等級，Xj（j=1,2,…,n）為河流方向第j個監(jiān)測斷面距離評估源頭的距離，km。

圖1 河流監(jiān)測斷面

對于各個監(jiān)測斷面之間的水體水質(zhì)等級，可以使用理想估值進行計算，如式（5）所示。河流質(zhì)量指數(shù)采用式（6）計算，計算過程的本質(zhì)是利用斷面水質(zhì)，基于長度權(quán)重進行平均計算。實際計算可以采用分步驟表格，也可以編寫計算機程序完成。

2 評估案例實踐

澴河為長江二級支流，古稱澴水，發(fā)源于河南省信陽市羅山縣與湖北省孝感市大悟縣接壤的靈山。流域主要在湖北省孝感市境內(nèi)，干流全長為150.8 km，流域面積為3 618 km2。澴河流經(jīng)大悟縣、孝昌縣和孝南區(qū)，在孝南區(qū)臥龍鄉(xiāng)與府河匯合后稱府澴河，然后匯入長江。2020年，采用斷面水質(zhì)類別比例法和河流質(zhì)量指數(shù)，開展?jié)缀铀|(zhì)評估，結(jié)果如表1所示。環(huán)境質(zhì)量月報[15-18]未使用全部監(jiān)測斷面進行評估，所以其評估結(jié)果和全斷面評估結(jié)果存在差別，例如，7月和9月都出現(xiàn)評估結(jié)果不同的情況，這也反映出《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》的不足。

表1 河流質(zhì)量指數(shù)評估結(jié)果

當前，地表水Ⅲ類為全國主要水體的期望類別指標，若水質(zhì)劣于Ⅲ類，則可以認為水體存在不同級別的污染。以表1 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將劣于Ⅲ類斷面比例作為輸入，將河流質(zhì)量指數(shù)作為輸出，通過一次線性擬合進行相關(guān)性分析。河流質(zhì)量指數(shù)與河流劣于Ⅲ類斷面比例的相關(guān)性分析如圖2所示。經(jīng)一次線性擬合，河流質(zhì)量指數(shù)能夠較好地反映劣于Ⅲ類斷面比例，相關(guān)系數(shù)為0.892 5，滿足指標要求[19]。

圖2 相關(guān)性分析

從案例實踐來看，基于長度權(quán)重的河流質(zhì)量指數(shù)基本能夠科學地反映整體河流水質(zhì)，評估結(jié)果為純數(shù)字量值。本次計算以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）的水質(zhì)等級加權(quán)得到，因此計算結(jié)果和《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）的水質(zhì)類別量值具有同樣的含義。當某次河流質(zhì)量指數(shù)大，同時參與計算的實際監(jiān)測點位較少時，根據(jù)計算原理，此河流質(zhì)量指數(shù)準確性較差。此種條件下，對于上下游水質(zhì)趨向變好的局部河段，如果引入新的監(jiān)測點位，河流質(zhì)量指數(shù)可能會減小，促進管理者實施加密監(jiān)測。同時，根據(jù)計算原理，加密監(jiān)測不會使結(jié)果不可靠，相反會使計算結(jié)果更加準確，這和《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》中選擇斷面帶來的偏差有本質(zhì)的區(qū)別，也表明該計算方法可以消除《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》的缺陷。

3 指數(shù)分級

為科學利用河流質(zhì)量指數(shù)進行河流水質(zhì)評估，要對其進行進一步細化。指數(shù)分級有3 個基本原則。一是參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）的類別量級分配。二是和《地表水環(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》的斷面水質(zhì)類別比例法分類基本對應(yīng)。三是量值區(qū)間基本合理。根據(jù)實踐，目前推薦的河流質(zhì)量指數(shù)評估分級如表2所示?！兜乇硭h(huán)境質(zhì)量評價辦法（試行）》將水質(zhì)分為5 級，而河流質(zhì)量指數(shù)評估將水質(zhì)分為4 級，將優(yōu)和良兩級合并。當前，國家考核任務(wù)是基于保證地表水水質(zhì)至少達到Ⅲ類這一目標來設(shè)置的，因此將優(yōu)良兩級合并符合實際考核需求。

表2 河流質(zhì)量指數(shù)評估分級

4 結(jié)論

基于長度權(quán)重的河流質(zhì)量指數(shù)基本能夠科學地反映河流整體水質(zhì)，其量值可以和《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）基本對應(yīng)，方便驗證河流水質(zhì)評價結(jié)果。該方法計算過程簡單，計算結(jié)果直觀，它可以作為河流水質(zhì)評價的補充方法。要進一步精化河流質(zhì)量指數(shù)分級，制定應(yīng)用該方法的斷面清單規(guī)范。近年來，水環(huán)境監(jiān)測的斷面覆蓋度加大，這給河流質(zhì)量指數(shù)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。為了盡可能精準獲得計算值，要規(guī)定最小監(jiān)測斷面數(shù)量，要求計算斷面清單執(zhí)行應(yīng)納盡納的原則。未來，該方法可以用于計算湖庫水質(zhì)指數(shù)，評估區(qū)域水體綜合質(zhì)量。