几种地表水环境考核评价方法的比较研究——以南京市为例.pdf

第42 卷第4期2023年8 月水环境几种地表水环境考核评价方法的比较研究以南京市为例谢鑫苗，陈明，柏松，郑玉涛，李敏（江苏省南京环境监测中心，南京2 10 0 13）摘要：为比较水环境考核评价方法的适用性及优缺点，在分析几种常用评价方法的基础上，根据2 0 2 1年110 月南京市地表水例行监测数据，针对南京市地表水水质特点，采用单因子评价法、水质指数法和水环境综合评价指数法对南京市各行政区水环境质量进行评价，对不同方法评价结果进行比较分析。结果表明：水质指数法与水环境综合评价指数法排名结果基本相同，指数法与单因子评价法排名略有区别；单因子评价法与水质指数法、水环境综合评价指数法均呈显著相关，线性回归分析水环境综合评价指数法与单因子评价法相关性高于水质指数法；综合三种评价方法理论上的优缺点并结合环境管理需求，组合使用单因子评价法和水环境综合评价指数法进行水质评价，为进一步识别区域地表水水质差异，评价水环境治理成效等工作提供技术支撑。关?键词：地表水；水环境质量；考核评价中图分类号：X824Comparative Study of Several Assessment Method of Surface Water EnvironmentXIE Xin-miao,CHEN Ming,BO Song,ZHENG Yu-tao,LI Min(Jiangsu Nanjing Enwironmental Monitoring Center,Nanjing 210013,China)Abstract:In order to compare the applicability,advantages and disadvantages of some common methods for water environmentalquality assessment,based on the analysis of several commonly used assessment methods,according to the monitoring data andcharacteristics in the surface water of Nanjing from January to October 2021,the single factor assessment method,water qualityindex method and water environment comprehensive evaluation index method were used to evaluate Water Environment quality ofeach administrative region of Nanjing.The evaluation results of dfferent methods were compared and analyzed.The resultsshowed that the ranking results of water quality index method and water environment comprehensive evaluation index method werebasically the same,but the ranking of index method and single factor evaluation method were slightly different.The single factorevaluation method was significantly correlated with the water quality index method and the water environment comprehensiveevaluation index method.Linear regression analysis showed that the correlation between the single factor evaluation mehtod andwater environment comprehensive evaluation index method is higher than that of the water quality index method.Based on anoverall consideration of the advantages and disadvantages of three methods,and combining with the requirement of environmentalmanagement,the single factor evaluation method and the water environment comprehensive evaluation index method could beused in combination to evaluate water quality,which provides technical support for further identification of regional surface waterquality dfferences and evaluation of effectiveness of water environmental governance.Keywords:Surface water;water environment quality;examination and evaluation四川环境SICHUAN ENVIRONMENTD0I:10.14034/ki.schj.2023.04.028文献标识码：A文章编号：10 0 1-36 44(2 0 2 3)0 4-0 2 0 5-0 6-Take Nanjing City as an ExampleVol.42,No.4August 2023前言伴随经济社会的高速发展，水环境问题日益凸显。近年来不断加大的水污染防治力度，对水环境管理的精细化、科学化提出新要求。水质评价与考收稿日期：2 0 2 2-0 6-2 0基金项目：南京市环保科研基金资助项目（2 0 2 0 0 9）。作者简介：谢鑫苗（19 8 8），女，湖北建始县人，毕业于南京大学环境工程专业，硕士研究生,工程师，主要研究方向为水环境质量监测与评价。核是提高水环境管理成效的一项重要基础工作，其不仅依托于“真准全”的监测数据，也需要科学的评价方法。客观合理的评价水质监测数据，以此反映水体污染程度及特征，为水环境管理提供技术支撑。206科学的水质评价方法应具有合理性、准确性、可行性等特点 。常用的方法有单因子评价法、模糊数学法、水质标识指数、污染指数法等 2 6 。目前我们主要根据地表水环境质量标准GB3838-2002进行水质评价，然而水环境系统复杂且具有不确定性，同时行政区在水环境质量状况和水环境治理工作成效等方面存在差异，根据区域环境特征、评价目的及水质特点选择具有代表性的评价指标和合适的评价方法，使评价结果准确真实，是城市水环境科学评价的关键。本文通过采用单因子评价法、水质指数法和水环境综合评价指数法三种评价方法对南京市各行政区水质进行评价考核，进一步分析三种方法的相关性及优缺点，为地表水环境质量管理考核工作提供参考。1材料与方法1.1研究区域概况南京市位于我国长江下游中部地区，地理坐标为3114N3237N，118 2 2 E 11914E，全市总面积6 58 7.0 2 km，拥有11个市辖区及1个国家级新区。南京市”十四五”地表水手工监测网络覆盖全市12 个行政区，涉及7 0 条河流，8 个湖库，共114个监测点位（图1）。图1南京市地表水水系分布图Fig.1 Distribution of river system in Nanjing四川环境1.2数据来源本研究的数据依托南京环保科技项目南京市地表水手工监测网调整与管理及预警考核办法研究，江苏省南京环境监测中心对南京市114个地表水监测点位开展监测，收集2 0 2 1年110 月份的月平均监测数据。根据已有监测资料，结合南京水环境特点及主要污染指标，采用溶解氧、氨氮、总磷、化学需氧量、生化需氧量、高锰酸盐指数、氟化物、阴离子表面活性剂等8 项指标参与本次水质考核评价计算。1.3评价方法采用单因子评价法、水质指数法和水环境综合评价指数法。1.3.1单因子评价法单因子评价法是地表水环境质量标准（G B38 38-2 0 0 2）中的规定的方法,是目前广泛使用的水质评价方法之一，是将断面参评指标与评价标准比较，根据参评指标中水质类别最差项作为断面综合水质类别的评价结果 7-8 。根据各断面水质类别及“十四五”南京市地表水环境质量考核目标，计算各区域达标率，按从大到小排名，达标率越高水质越好。1.3.2水质指数法N根据城市地表水环境质量排名技术规定（试行)，区域地表水环境质量排名基于城市水质Km指数法 9-10 ，分别计算出城市河流的水质指数CWQI河流和湖库的水质指数CWQI湖库，再根据河流断面及湖库断面数量进行加权平均得出区域水质指数CWQI区域，按照从小到大的顺序进行排序，排名越靠前说明该区域地表水环境质量情况越好。（1）单项指标的水质指数CWQle=C)C(i)式中,C(i)为第i个水质指标的监测值;Cs(i)为第i个水质指标地表水类水标准限值；CWQI(i)为第i个水质指标的水质指数。(2)河流、湖库水质指数CWQI 河流/潮库=Z-CWQI(i)式中：CWQI河流/湖库为河流、湖库水质指数；为第i个水质指标的水质指数;n为水质指标个数。(3)区域水质指数CWQI河流 M+CWQI 潮库 NCWQI区域=M+N式中，CWQI区域为排名区域的水质指数；42卷4期CWQI河流为河流水质指数；CWQI湖库为湖库水质指数;M为区域内河流断面数;N为区域内的湖库点位数。1.3.3水环境综合评价指数对区域水质指数、水质改善率和水质达标率进行标准化计算，再进行加权平均，计算得到水环境综合评价指数 1，公式为：I=I,a+I,a2+I,a3式中：I为水环境综合评价指数；I，为区域水质指数标准化值；I2为水质改善率标准化值；I，为水质达标率标准化值；ai，a，a,分别为I、I、I3的权重系数，初设值分别为40%、40%、2 0%，可根据具体工作要求进行调整。（1）区域水质指数标准化值ICWOIm-CWOII.=CwOL-CWoL100%式中：CWQI为区域水质指数；CWQImx为区域水质指数上限值；CWQImin为区域水质指数下限值，两者基于2 0 2 1年110 月南京市各区每月区域水质指数统计而来。（2）水质改善率标准化值I2如果G0，计算公式为：I2=40如果G0，计算公式为：I2=40式中：水质改善率G是区域水质指数的变化程度，G0，说明水环境质量变好，G0表示水水质指数法区域指数值XW4.2QH5.03JY3.9CL4.46YH3.86QX3.85JN4.05PK4.36LH4.32LS4.03GC3.51XQ3.89谢鑫苗等：几种地表水环境考核评价方法的比较研究一以南京市为例环境质量变差，公式为G=100%，其中CWQI区域o为区域前一时段水质指数；CWQI区域为区域水质指数；Gmax取10 0%，Gmm取-100%。为巩固水环境质量改善成果，当G=0%时,I,=40。（3）水质达标率标准值I3水质达标率标准化值I，计算公式为：I,=D100式中：D为水质达标率，D=达标断面数/总断面数10 0%2结果与讨论2.1结果及排名情况采用水质指数法、水环境综合评价指数法、单因子评价法，选取2 0 2 1年110 月南京市“十四五”地表水考核断面月均值监测数据，基于溶解氧、氨氮、总磷、化学需氧量、生化需氧量、高锰酸盐指数、氟化物、阴离子表面活性剂8 项指标参与计算，对南京市各区域水质情况进行核算。根据计算结果，南京市各行政区地表水考核评Gx60;GmGGmin40;表1三种排名方法统计及排名结果Tab.1 Ranking results of three methods水环境综合评价指数排名指数值855.511239.58564.541153.26365.2265.51761.421053.06955.7659.95171.55464.46207CWQlko-CWQIkm xCWQI区域0价最终结果及排名如表1所示，各行政区名称以首字母组合替代。其中水质指数法按从小到大排名，数值越小水质越好；水环境综合评价指数、单因子评价法（达标率）按从大到小排名，数值越大水质越好。排名912410326118715单因子评价法（达标率）比例（%）排名87.51187.511100110011001100110019010100191.710010011208从统计结果看，3种方法均从不同角度反映了南京市各行政区的水质情况。水质较好的前三名GC、Q X和YH水质指数和水环境综合评价法一致，达标率并列第一。水质较差的前三位PK、GL、Q H，水质指数法与水环境综合评价法大致相同，指数法与单因子评价法排名略有区别，比如GL指数法排在第10、11位，而单因子评价法排在第1位，主要和该区域断面设置的目标类别，以及区域水环境本底值有关。2.2评价方法比较研究2.2.1两种指数法之间的比较由于水质指数法与水环境综合评价指数法结果所得阈值不同，通过对南京市12 个行政区指数结果排名结果进行比较，评估两种指数方法对评价结果的影响。结果表明，两种方法所得排序结果具有141264200图2 水环境综合评价指数法与水质指数法结果排名散点图Fig.2Ranking scatter plot between water environmentcomprehensive evaluation index and water quality index methods四川环境明显的正相关性，相关系数为0.97（图2），排序位次平均相差1。由表1可以看出，水环境综合评价指数法与水质指数法针对前三名 GC、Q X和YH及末位QH的排名结果一致。其他行政区排名位次略有区别。与水质指数排名结果相比，由于JY、G L、JN、LH水质有一定改善，排名分别上升1位，LH水质达标率达10 0%，其排名上升了1位，而LH、PK、XW由于受达标率影响，排名相比水质指数下降1位。其他区域受水质改善和水质达标率影响，排名稍有变化。2.2.2单因子评价法法与两种指数评价法比较单因子评价法评价水质时，低等级水质类别占比越大，区域水质越差 12 。如图3，QH劣V类水质比例最大，其水质综合指数及水环境综合评价指数结果也最高。优比例最高的GH，其水质指数及水环境综合评价指数结果也最好，分别为3.51、71.55。根据相应水质目标，基于单因子评价法得出各区域断面达标率，可以直接判断出各区域水质的达标情况，但其反映的各区域水质区别及差距不y=0.972x+0.1818及水质指数及水环境综合评价指数的结果清晰。以R2=0.9448LH及GC为例，两区域水质达标率均为10 0%，均24水质指数法排名10042卷681012II类类IV类V类劣V类14第一，而水质指数法LH排第8，水环境综合指数法Ih排第9，究其原因，GC中IV类以下水体占比8.3%，LH 占比2 0%，较差水质断面浓度影响水质指数计算，进而影响排名结果。806040200XWQHJY图3南京市各区域水质类别百分比Fig.3Water quality grade proportion in various regions of Nanjing2.2.3不同评价方法的关联性使用SPSS软件将区域内断面单因子评价法、GLYHQXJNXQPKLHLSGC水质指数法及水环境综合评价指数结果进行相关性分析（表2）。结果显示两种指数法与单因子评价4期法均存在显著的相关性。具体来看，水质指数法与水环境综合评价指数法呈负相关关系，且为0.0 1水平的显著性，相关系数值为0.9 9 3。水质指数法、水环境综合评价指数法与单因子评价法的相关水质指数法水环境综合评价指数法单因子评价法注：*在0.0 1级别（双尾），相关性显著；*在0.0 5级别（双尾），相关性显著。对两种指数法统计结果与基于单因子评价法得出的各区达标率进行线性回归分析，回归方程显著性检验采用F检验，P0.05说明构建的回归方程具有统计学意义。统计结果如表3所示，水质指数Tab.3 Liner regression analysis between two index methods and standard-reaching rate因变量-自变量水质指数-达标率水环境综合评价指数一达标率谢鑫苗等：几种地表水环境考核评价方法的比较研究一以南京市为例表2 三种评价方法结果相关性Tab.2 Correlation of three assessment methods水质指数法1一一表3两种指数法与达标率线性回归分析回归方程y=0.043x+8.259y=1.058x 42.885209系数值为-0.59 8 和0.6 8 6，说明单因子评价法与水质指数法存在显著的负相关关系，与水环境综合评价指数法有着显著的正相关关系，且均为0.0 5水平的显著性。水环境综合评价指数法-0.993*1一法与达标率呈线性负相关，水环境综合指数法与达标率呈线性正相关，且水环境综合指数法R相对更好，相关性检验结果也相对较好。R20.3580.471单因子评价法-0.598*0.686*1FP5.5690.0408.8970.0142.3三种方法优缺点讨论2.3.1单因子评价法单因子评价法以各监测指标所属最差类别作为水质类别，结果过于保守。它定性描述水质状况，直观简单，便于管理部门及公众理解。其评价过程采用变权来处理评价因子，对污染最严重因子给予100%权重 13。因此该法也没有充分利用水质监测信息。它无需复杂计算，但也无法定量，同一等级无法区分水质优劣。例如氨氮浓度为2 5mg/L和2.5mg/L水体但单因子评价均为劣V类，但二者实际受污染程度相差很大。同理，基于单因子评价法统计而来达标率等结果，将水质类别量化统计，但如果判断区域达标率相同时，无法判别两区域的污染程度差异。2.3.2水质指数法水质指数法充分利用监测指标对水质的贡献，淡化标准值对水质定性评价的影响，比如LH、LS达标率分别排在第一、第九名，但水质指数法结果LH排在LS之后，为第九名，而LS排第六位，原因在于虽然LS达标率低于LH，但LS中V类以下断面比例为O，而LH中V类以下断面比例达到10%。较差的水质断面浓度水平拉低了水质指数，使LH水质指数结果排名下降，因此该方法强调绝对水质的优劣，淡化水质类别的硬要求，通过断面数量的加权平均放大较好及较差断面对水质的影响，强调水环境共同体的概念。而其不足之处在于未能综合考量区域水质的改善成效等因素，从而可能一定程度上削弱地方持续改善水环境质量的积极性。2.3.3水环境综合评价指数水环境综合评价指数是以水质指数、水质改善率及水质达标率三个参数为基础的综合评价指标，充分考虑单个指标评价时存在结果差异问题，比如XQ、JY水质指数排名分别为第四、五名（表4），而水环境综合评价指数结果正好相反，原因在于JY水质改善率为3.0 5%，而XQ水质改善率为1.15%，而两区域水质达标率相同，水质指数结果相近，积极有效的管控措施使较高的水质改善率成为JY水环境综合评价指数的加分项，从而提高其区域考核名次。该方法区域间极差值为31.9 7，较之另外两种方法高出一个数量级以上（图4），在水质逐步稳定向好的大趋势下，断面及区域间指数差异也会越来越小，水环境综合评价指数更有利于区别相似水质状态下的水质差异。从与单因子评价法相关性分析看，与其他两种方法相比，水环境综合评价法显著性略高，从线性回归结果看，水环境综合评价指数法与达标率拟合度也高于其他方法，210R相对更好，能够更加科学有效的服务水环境管理。该法不足之处在于无法兼顾反映水质类别，可Tab.4 Results of water environment comprehensive evaluation Index in JY、XQ行政区CWQIJY3.90XQ3.89四川环境与单因子评价结合反映水质状况表4JY、XQ 水环境综合评价指数结果G(%)D(%)3.051001.1510042卷12170.1441.2370.6940.4610010064.5464.4676573855.033.511.520水质指数法图4三种方法下区域间极差值比较Fig.4Comparison of inter-regional range valuesunder for three methods3 结 论（1）根据三种评价方法的统计及排名结果表明，水质较好的前三名GC、Q X和YH水质指数和水环境综合评价法一致，达标率并列第一；末三位PK、G L、Q X的水质指数法与水环境综合评价法大致相同，指数法与基于单因子评价法的达标率排名结果略有区别。（2）通过相关性分析可知，三种方法间存在显著的相关性，其中水环境综合评价指数法与水质指数法呈负相关关系，与单因子评价法呈正相关关系；水质指数与单因子评价法呈负相关关系。两种指数法统计结果与单因子评价法结果线性回归分析表明水环境综合评价指数法与单因子评价法相关性高于水质指数法。（3）综合评价三种评价方法优缺点，单因子评价法过程简单，但结果保守，无法定量，无法区分同一等级水质的优劣。水质指数法充分利用监测指标对水质的贡献，区域水质共同影响的概念，通过加权平均会放大较好及较差断面对水质的影响，但未将水质的改善程度纳入考核评价范围。水环境综合评价指数法优势在于考虑了水质指数、水质达标率、水质改善率，并对3个指标进行了较好的统一，统计结果与其他方法具有较好的相关性。（4）基于水环境综合评价指数的优势，同时伴随水质的不断改善，南京市区域间水质差异将逐71.5539.5831.97水环境综合评价指数法步缩小的背景下，且单因子评价法又是目前最为常最大值最小值极差1.000.880.12单因子评价法用且成熟的方法，在环境管理中具有较强的指导性。建议以单因子评价法为基础，筛选重点超标因子同时定性水质类别，联合使用水环境综合评价指数法进行区域排名，从而明确水质现状和区域差异，为区域水环境治理的定量考核、绩效评价等工作供技术支撑。参考文献：【1刘欢，吴金甲.水污染指数法在河流水质评价中应用分析J.安徽农业科学,2 0 14,42（2 1）：7 16 4-7 16 5.2丛铭，阳辉，张晓静，等.单因子法与可变模糊法在水质评价中的应用 J.南水北调与水利科技,2 0 2 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