摘 要： 现行的水质标识指数法存在的缺陷包括溶解氧计算有遗漏，数字修约不恰当，水质级别易被误导，评价指标选择不全面。针对以上问题提出建议：（1）增加溶解氧的计算公式；（2）通过单因子水质标识指数小数点后第一位数字9的尾数只舍不入的办法解决因数字修约导致跨水质类别问题；（3）综合水质级别不一定代表水质类别；（4）利用主成分分析法可以弥补综合水质标识指数受单因子指标数量影响的缺陷。选取20年时间间隔的相同监测点位数据进行验证分析，使修正后的水质标识指数法计算方法更为严谨，分析结果更为直观，评价结论更为合理。

关键词： 水质评价； 水质标识指数； 方法缺陷； 修正

 

环境监测是生态环境保护中重要的技术支撑[1]，为确保数据的准确性、可比性[2]，需要统一监测技术方法，运用合理评价方法。水质评价是使用一定方法对水体质量的优劣程度做出的定量描述，是表征水系中污染物动态变化的主要技术手段。GB 3838—2002《地表水环境质量标准》规定“地表水环境质量评价应根据应实现的水域功能类别，选取相应类别标准，进行单因子评价，评价结果应说明水质达标情况，超标的应说明超标项目和超标倍数。”标准规定的水质评价方法是选择水质最差的单因子指标所属的类别来确定水体的综合水质类别。该方法是现行水质评价通用方法，但是存在技术上的不足，即不能对同一类别的水进行品质相对优劣的评价，使同一类别的水体水质改善不能得到反映。基于上述问题，同济大学徐祖信教授对我国河流提出了单因子水质标识指数评价方法[3]和综合水质标识指数评价方法[4]，并选取上海市典型城市河流断面进行方法验证，取得了较好验证结果。之后，水质标识指数法在地表水水质评价中得到了广泛应用[5‒9]。水质标识指数法提出背景是21世纪初我国江南地区河流以氨氮和总磷污染为主，依据水质评价标准，均为劣Ⅴ类。随着20年来环境污染治理，我国环境质量得到明显改善，主要河流断面水质已消除劣Ⅴ类，同时，由于分析测试技术的进步和监测业务经费的保障，监测指标日趋完善，再利用水质标识指数法进行河流水质评价时，该方法的缺陷逐渐显现。为了科学反映水质改善成果，笔者对水质标识指数法进行了修正完善，同时选取典型监测数据进行验证分析，使其能够更加科学合理地进行水环境质量状况评价，为生态环境管理决策提供技术支持。

 

1、 水质标识指数法

 

1.1 单因子水质标识指数前两位数的确定

单因子水质标识指数前两位数Ii由一位整数和小数点后一位数字组成，即X1.X2 (X2按四舍五入原则计算确定，逢9只舍不入)，其中，整数部分X1代表第i项水质指标的水质类别，小数部分X2代表监测数据在此类水质类别变化区间内所处的位置。

GB 3838—2002中除水温、pH值和溶解氧外的21项指标(质量浓度随水质类别数的增大而增大)的水质标识指数前两位数，按式(1)计算；溶解氧指标(质量浓度随水质类别数的增大而减小)的水质标识指数前两位数，按式(2)计算。

 

(1)

 

(2)

式中：Ii——第i因子水质标识指数前两位数；

Ki——第i项水质指标所处的水质类别，Ki=1，2，…，5；

ρi——第i项水质指标的质量浓度；

ρiKd——第i项水质指标第Ki类水质区间质量浓度的下限值；

ρiKt——第i项水质指标第Ki类水质区间质量浓度的上限值；

IO——溶解氧水质标识指数前两位数；

KO——溶解氧指标所处的水质类别，KO=1，2，…，5；

ρO——溶解氧指标的质量浓度；

ρOKd——溶解氧指标第KO类水质区间质量浓度的下限值；

ρOKt——溶解氧指标第KO类水质区间质量浓度的上限值。

当水质类别差于Ⅴ类(劣Ⅴ类)时，21项指标和溶解氧指标的水质标识指数前两位数分别用式(3)和式(4)计算：

 

(3)

 

(4)

式中：ρi5t——第i项水质指标第Ⅴ类水质质量浓度的上限值；

ρOd——溶解氧指标第Ⅴ类水质质量浓度的下限值；

m——计算公式修正系数，m=4。

通过单因子水质标识指数前两位数Ii的整数位和小数点后一位数字，可以判定单项指标水质级别和污染程度，判断关系见表1。

表1   基于单因子水质标识指数的单项指标水质类别判定

Tab. 1   Single factor water quality assessment standard for water level based on single factor water quality identification index

 

1.2 综合水质标识指数前两位数的确定

综合水质标识指数前两位数I由单因子水质标识指数前两位数Ii的平均值计算，计算公式如式(5)所示。

(5)

通过综合水质标识指数前两位数I的整数位和小数点后一位数字，可以判定综合水质级别和污染程度，判断关系见表2。

表2   基于综合水质标识指数的综合水质级别判定

Tab. 2   Comprehensive water quality assessment standard for water level based on comprehensive water quality identification index

1.3 水质标识指数的确定

水质标识指数包括单因子水质标识指数Pi和综合水质标识指数P，单因子水质标识指数Pi由整数位和二位小数位组成，综合水质标识指数P由整数位和三位小数位组成，其结构为：

 

Pi=X1.X2X3 (6)

 

P=Y1.Y2Y3Y4 (7)

式中：X1.X2——Ii，Ii按式(1)～式(4)计算；

X1——第i项水质指标的水质类别；

X2——第i项水质指标在X1类水质变化区间所处的位置；

X3——第i项水质指标的水质类别(X1)与水环境功能区类别的差值；

Y1.Y2——I，I按式(5)计算；

Y1——综合水质类别；

Y2——综合水质在Y1类水质变化区间所处的位置；

Y3——参与综合水质评价的水质指标中，劣于水环境功能区的单项指标个数；

Y4——综合水质类别(Y1)与水环境功能区类别的差值。

 

2、 结果与讨论

 

2.1 水质标识指数法存在的缺陷

2.1.1 溶解氧计算存在缺项

溶解氧按式(2)和式(4)计算，但是当溶解氧指标ρO＞7.5 mg/L (Ⅰ类水)时，上述公式无法计算。鉴于此，建议当溶解氧指标ρO＞7.5 mg/L时，溶解氧指标的水质标识指数前两位数按式(8)计算：

(8)

式中：n——计算修正系数，依据测定方法和监测数据统计分析，确定n=20。

2.1.2 水质标识指数小数点后第一位数四舍五入法缺陷

表述指标在水质类别变化区间所处的位置，单因子水质标识指数为X2，综合水质标识指数为Y2。为方便识别，在计算后X2、Y2均四舍五入后保留一位数字，但当某指标的0.95＜0.1X2 (或0.1Y2)＜1时，按照规则保留成数字1，这会导致该指标跨越水质类别，造成错误。为避免此类情况发生，当0.9＜0.1X2 (或0.1Y2)＜1时，全部舍去尾数，只保留0.9。

2.1.3 水质标识指数前两位数易表述错误

水质标识指数的核心是计算前二位数，即单因子水质标识指数的Ii=X1.X2和综合水质标识指数的I=Y1.Y2。前二位数本应是小数，但是在一些文献[10‒11]中表述成了乘数，这种表述错误会对初次接触的读者造成很大困惑。

2.1.4 综合水质标识指数第一位数Y1不一定是综合水质类别

综合水质标识指数法的提出者认为综合水质标识指数第一位数Y1代表综合水质类别[4]，在2003年上海河流水质综合评价中的应用也得到验证。值得注意的是当时所选河流断面各项指标水质均较差，综合水质标识指数法计算出的第一位数Y1确实代表河流所属水质类别，但是当河流水质某项指标较差、其余指标较好时，平均值拉低了Y1，出现Y1不代表综合水质类别的情况出现。

2.1.5 综合水质级别存在误导

通过综合水质标识指数前二位数I (Y1.Y2)，可以判定综合水质级别，见表2。但是，综合水质级别并不必然反映水质类别，对此方法不够熟悉的读者很容易将综合水质级别Ⅲ类，误认为该水体就是Ⅲ类水。实际上，当综合水质级别为Ⅲ类时，该水体可能为Ⅲ类水，也可能为Ⅳ类水，甚至是Ⅴ类，原因是受单因子指标数量、水质类别影响，如果某水体点位(断面)1项指标为Ⅴ类，其余多项指标为Ⅱ类、Ⅲ类，那么综合水质级别可能是Ⅲ类，但是水质类别为Ⅴ类。

2.1.6 综合水质标识指标评价的局限性

综合水质标识指标可以判定某点位(断面)是否满足水环境功能区目标要求，可以判定劣于水环境功能区水质类别的指标数量，可以判定某水体相同水质类别下各点位(断面)的水质优劣。但是，综合水质标识指数的计算受到单因子指标数量的影响，原因是评价指标中如果有多项单因子水质类别较好，可大幅降低平均值Y1，如果删减水质类别较好的单因子，又可提高平均值Y1。

2.2 实例验证分析

2.2.1 筛选验证数据

为了更好地利用不同水质类别的地表水监测数据，分别选取山东省烟台市辖区某河流2001年和2021年相同监测断面的监测资料，进行水质标识指数法验证分析。2001年监测指标为水温、pH值、溶解氧(DO)、高锰酸盐指数(CODMn)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、石油类、挥发酚、化学需氧量(CODCr)、砷(As)、氰化物11项，2021年监测指标在上述11项基础上增加了电导率、总氮(TN)、总磷(TP)、汞(Hg)、铅(Pb)、铜(Cu)、锌(Zn)、硒(Se)、镉(Cd)、六价铬(Cr6+)、氟化物、阴离子表面活性剂(LAS)、硫化物，共计24项。监测频次均为每月1次，监测断面为6个，为使监测数据更具有代表性和可比性，以每个断面每项指标12个月份的平均值作为年均值进行水质评价。同时，为便于水质标识指数法计算，剔除水温、pH值和电导率3项指标。

2.2.2 验证分析

选取某河流6个监测断面，由上游至下游分别标记为S1～S6。2001年该河流水质监测结果统计见表3，水质类别见表4，水质标识指数前两位数见表5，水质情况统计见表6。

表3   2001年某河流水质结果

Tab. 3   Results of water quality in a certain river in 2001

表4   2001年某河流水质类别

Tab. 4   Categories of water quality in a certain river in 2001

表5   2001年某河流水质标识指数前两位数

Tab. 5   First two digits of water quality identification index in a certain river in 2001

 

表6   2001年某河流水质统计结果

Tab. 6   Statistical results of water quality in a certain river in 2001

注：1）实际综合水质标识指数P由式（5）计算出I，不能满足功能类目标的再增加Y3、Y4；2）理论综合水质标识指数P由式（5）计算出I，根据综合水质类别替换I中的Y1，其余同实际综合水质标识指数。

 

由表4可知，按照GB 3838—2002水质评价方法判定，2001年某河流断面S1～S6综合水质类别依次为Ⅱ类、Ⅰ类、Ⅴ类、Ⅲ类、劣Ⅴ类、劣Ⅴ类。由表5可知，按照水质标识指数法判定，断面水质从优到劣依次为S2、S1、S4、S3、S6、S5。由表6可知，断面S1、S2、S4满足功能区水质目标，该河流水质功能区达标率为50.0%；按照参与评价的9项指标计算出的综合水质识别指数P，与理论值在Y1上有较大差别，只有断面S2一致，符合率只有16.7%，这验证了综合水质标识指数第一位数Y1不必然反映综合水质类别，原因是评价指标的单因子水质类别差异较大，如S3断面，9项指标中只有BOD5一项为Ⅴ类，而石油类、挥发酚、As、氰化物4项指标为Ⅰ类，平均值计算降低了Y1，因此，Y1实际代表综合水质级别而不能反映水质类别，这验证了综合水质级别存在误导的问题。

2021年某河流水质监测结果统计见表7，水质类别见表8，水质标识指数前两位数表9，水质情况统计见表10。由表8可知，按照GB 3838—2002水质评价方法判定，2021年某河流断面S1～S6综合水质类别依次为Ⅲ类、Ⅲ类、Ⅴ类、Ⅱ类、Ⅳ类、Ⅳ类。由表9可知，按照水质标识指数法判定，断面水质从优到劣依次为S4、S1、S2、S6、S5、S3。由表10可知，6个断面中有5个满足功能区水质目标，该河流水质功能区达标率83.3%；按照参与评价的20项指标计算出的综合水质识别指数P，与理论值在Y1上有较大差别，原因是评价的20项指标中有14项单因子水质类别全部为Ⅰ类，大幅降低了平均值Y1。如果将14项Ⅰ类指标移除，利用剩余6项参与评价，计算出各断面综合水质标识指数，并与20项指标类比，结果见表11。

表7   2021年某河流水质结果

Tab. 7   Results of water quality in a certain river in 2021 ( mg/L )

表8   2021年某河流水质类别

Tab. 8   Categories of water quality in a certain river in 2021

 

表9   2021年某河流水质标识指数前两位数

Tab. 9   First two digits of water quality identification index in a certain river in 2021

 

表10   2021年某河流水质情况统计结果

Tab. 10   Statistics of water quality in a certain river in 2021

 

 

注：1）实际综合水质标识指数P由式（5）计算出I，不能满足功能类目标的再增加Y3、Y4；2）理论综合水质标识指数P由式（5）计算出I，根据综合水质类别替换I中的Y1，其余同实际综合水质标识指数。

 

表11   2021年某河流不同指标综合水质标识指数

Tab. 11   Comprehensive water quality identification index of different targets in a certain river in 2021

 

由表11可知，6项指标计算出的各断面综合水质标识指数均比20项指标高，说明剔除了Ⅰ类指标后，平均值增大，更接近理论值，表明综合水质标识指数的计算受单因子指标数量的影响，所以选择河流水质主要影响指标是做好水质标识指数法评价的重要前提，采用主成分分析法[12‒15]筛选出主要影响指标是解决上述问题切实可行的办法。

 

3、 结语

 

水质标识指数法标识了水质类别、水质状况、水质是否达标等内容，解决了同一水质类别下进行水质优劣评价的问题，但该方法的主要表现为溶解氧指标计算有缺项、数字修约不恰当、水质级别易误导、评价指标选择不全面。修正后的水质标识指数法计算方法更为严谨，分析结果更为直观，评价结论更为合理，是对现行标准规定的水质评价方法的有益补充，值得推广应用。

 

 

 

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引用本文： 李明，王左栋，张凯，等 . 水质标识指数法的缺陷分析及修正［J］. 化学分析计量，2024，33（9）：105. (LI Ming, WANG Zuodong, ZHANG Kai, et al. Defect analysis and correction of water quality identification index[J]. Chemical Analysis and Meterage, 2024, 33(9): 105.)

 

 

来源：化学分析计量

关键词： 水质