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嘉峪檢測網 2024-10-30 20:26
摘 要： 現行的水質標識指數法存在的缺陷包括溶解氧計算有遺漏，數字修約不恰當，水質級別易被誤導，評價指標選擇不全面。針對以上問題提出建議：（1）增加溶解氧的計算公式；（2）通過單因子水質標識指數小數點后第一位數字9的尾數只舍不入的辦法解決因數字修約導致跨水質類別問題；（3）綜合水質級別不一定代表水質類別；（4）利用主成分分析法可以彌補綜合水質標識指數受單因子指標數量影響的缺陷。選取20年時間間隔的相同監測點位數據進行驗證分析，使修正后的水質標識指數法計算方法更為嚴謹，分析結果更為直觀，評價結論更為合理。
關鍵詞： 水質評價； 水質標識指數； 方法缺陷； 修正
環境監測是生態環境保護中重要的技術支撐[1]，為確保數據的準確性、可比性[2]，需要統一監測技術方法，運用合理評價方法。水質評價是使用一定方法對水體質量的優劣程度做出的定量描述，是表征水系中污染物動態變化的主要技術手段。GB 3838—2002《地表水環境質量標準》規定“地表水環境質量評價應根據應實現的水域功能類別，選取相應類別標準，進行單因子評價，評價結果應說明水質達標情況，超標的應說明超標項目和超標倍數。”標準規定的水質評價方法是選擇水質最差的單因子指標所屬的類別來確定水體的綜合水質類別。該方法是現行水質評價通用方法，但是存在技術上的不足，即不能對同一類別的水進行品質相對優劣的評價，使同一類別的水體水質改善不能得到反映。基于上述問題，同濟大學徐祖信教授對我國河流提出了單因子水質標識指數評價方法[3]和綜合水質標識指數評價方法[4]，并選取上海市典型城市河流斷面進行方法驗證，取得了較好驗證結果。之后，水質標識指數法在地表水水質評價中得到了廣泛應用[5?9]。水質標識指數法提出背景是21世紀初我國江南地區河流以氨氮和總磷污染為主，依據水質評價標準，均為劣Ⅴ類。隨著20年來環境污染治理，我國環境質量得到明顯改善，主要河流斷面水質已消除劣Ⅴ類，同時，由于分析測試技術的進步和監測業務經費的保障，監測指標日趨完善，再利用水質標識指數法進行河流水質評價時，該方法的缺陷逐漸顯現。為了科學反映水質改善成果，筆者對水質標識指數法進行了修正完善，同時選取典型監測數據進行驗證分析，使其能夠更加科學合理地進行水環境質量狀況評價，為生態環境管理決策提供技術支持。
1、 水質標識指數法
1.1 單因子水質標識指數前兩位數的確定
單因子水質標識指數前兩位數Ii由一位整數和小數點后一位數字組成，即X1.X2 (X2按四舍五入原則計算確定，逢9只舍不入)，其中，整數部分X1代表第i項水質指標的水質類別，小數部分X2代表監測數據在此類水質類別變化區間內所處的位置。
GB 3838—2002中除水溫、pH值和溶解氧外的21項指標(質量濃度隨水質類別數的增大而增大)的水質標識指數前兩位數，按式(1)計算；溶解氧指標(質量濃度隨水質類別數的增大而減小)的水質標識指數前兩位數，按式(2)計算。
(1)
(2)
式中：Ii——第i因子水質標識指數前兩位數；
Ki——第i項水質指標所處的水質類別，Ki=1，2，…，5；
ρi——第i項水質指標的質量濃度；
ρiKd——第i項水質指標第Ki類水質區間質量濃度的下限值；
ρiKt——第i項水質指標第Ki類水質區間質量濃度的上限值；
IO——溶解氧水質標識指數前兩位數；
KO——溶解氧指標所處的水質類別，KO=1，2，…，5；
ρO——溶解氧指標的質量濃度；
ρOKd——溶解氧指標第KO類水質區間質量濃度的下限值；
ρOKt——溶解氧指標第KO類水質區間質量濃度的上限值。
當水質類別差于Ⅴ類(劣Ⅴ類)時，21項指標和溶解氧指標的水質標識指數前兩位數分別用式(3)和式(4)計算：
(3)
(4)
式中：ρi5t——第i項水質指標第Ⅴ類水質質量濃度的上限值；
ρOd——溶解氧指標第Ⅴ類水質質量濃度的下限值；
m——計算公式修正系數，m=4。
通過單因子水質標識指數前兩位數Ii的整數位和小數點后一位數字，可以判定單項指標水質級別和污染程度，判斷關系見表1。
表1 基于單因子水質標識指數的單項指標水質類別判定
Tab. 1 Single factor water quality assessment standard for water level based on single factor water quality identification index
1.2 綜合水質標識指數前兩位數的確定
綜合水質標識指數前兩位數I由單因子水質標識指數前兩位數Ii的平均值計算，計算公式如式(5)所示。
(5)
通過綜合水質標識指數前兩位數I的整數位和小數點后一位數字，可以判定綜合水質級別和污染程度，判斷關系見表2。
表2 基于綜合水質標識指數的綜合水質級別判定
Tab. 2 Comprehensive water quality assessment standard for water level based on comprehensive water quality identification index
1.3 水質標識指數的確定
水質標識指數包括單因子水質標識指數Pi和綜合水質標識指數P，單因子水質標識指數Pi由整數位和二位小數位組成，綜合水質標識指數P由整數位和三位小數位組成，其結構為：
Pi=X1.X2X3 (6)
P=Y1.Y2Y3Y4 (7)
式中：X1.X2——Ii，Ii按式(1)～式(4)計算；
X1——第i項水質指標的水質類別；
X2——第i項水質指標在X1類水質變化區間所處的位置；
X3——第i項水質指標的水質類別(X1)與水環境功能區類別的差值；
Y1.Y2——I，I按式(5)計算；
Y1——綜合水質類別；
Y2——綜合水質在Y1類水質變化區間所處的位置；
Y3——參與綜合水質評價的水質指標中，劣于水環境功能區的單項指標個數；
Y4——綜合水質類別(Y1)與水環境功能區類別的差值。
2、 結果與討論
2.1 水質標識指數法存在的缺陷
2.1.1 溶解氧計算存在缺項
溶解氧按式(2)和式(4)計算，但是當溶解氧指標ρO＞7.5 mg/L (Ⅰ類水)時，上述公式無法計算。鑒于此，建議當溶解氧指標ρO＞7.5 mg/L時，溶解氧指標的水質標識指數前兩位數按式(8)計算：
(8)
式中：n——計算修正系數，依據測定方法和監測數據統計分析，確定n=20。
2.1.2 水質標識指數小數點后第一位數四舍五入法缺陷
表述指標在水質類別變化區間所處的位置，單因子水質標識指數為X2，綜合水質標識指數為Y2。為方便識別，在計算后X2、Y2均四舍五入后保留一位數字，但當某指標的0.95＜0.1X2 (或0.1Y2)＜1時，按照規則保留成數字1，這會導致該指標跨越水質類別，造成錯誤。為避免此類情況發生，當0.9＜0.1X2 (或0.1Y2)＜1時，全部舍去尾數，只保留0.9。
2.1.3 水質標識指數前兩位數易表述錯誤
水質標識指數的核心是計算前二位數，即單因子水質標識指數的Ii=X1.X2和綜合水質標識指數的I=Y1.Y2。前二位數本應是小數，但是在一些文獻[10?11]中表述成了乘數，這種表述錯誤會對初次接觸的讀者造成很大困惑。
2.1.4 綜合水質標識指數第一位數Y1不一定是綜合水質類別
綜合水質標識指數法的提出者認為綜合水質標識指數第一位數Y1代表綜合水質類別[4]，在2003年上海河流水質綜合評價中的應用也得到驗證。值得注意的是當時所選河流斷面各項指標水質均較差，綜合水質標識指數法計算出的第一位數Y1確實代表河流所屬水質類別，但是當河流水質某項指標較差、其余指標較好時，平均值拉低了Y1，出現Y1不代表綜合水質類別的情況出現。
2.1.5 綜合水質級別存在誤導
通過綜合水質標識指數前二位數I (Y1.Y2)，可以判定綜合水質級別，見表2。但是，綜合水質級別并不必然反映水質類別，對此方法不夠熟悉的讀者很容易將綜合水質級別Ⅲ類，誤認為該水體就是Ⅲ類水。實際上，當綜合水質級別為Ⅲ類時，該水體可能為Ⅲ類水，也可能為Ⅳ類水，甚至是Ⅴ類，原因是受單因子指標數量、水質類別影響，如果某水體點位(斷面)1項指標為Ⅴ類，其余多項指標為Ⅱ類、Ⅲ類，那么綜合水質級別可能是Ⅲ類，但是水質類別為Ⅴ類。
2.1.6 綜合水質標識指標評價的局限性
綜合水質標識指標可以判定某點位(斷面)是否滿足水環境功能區目標要求，可以判定劣于水環境功能區水質類別的指標數量，可以判定某水體相同水質類別下各點位(斷面)的水質優劣。但是，綜合水質標識指數的計算受到單因子指標數量的影響，原因是評價指標中如果有多項單因子水質類別較好，可大幅降低平均值Y1，如果刪減水質類別較好的單因子，又可提高平均值Y1。
2.2 實例驗證分析
2.2.1 篩選驗證數據
為了更好地利用不同水質類別的地表水監測數據，分別選取山東省煙臺市轄區某河流2001年和2021年相同監測斷面的監測資料，進行水質標識指數法驗證分析。2001年監測指標為水溫、pH值、溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(CODMn)、生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、石油類、揮發酚、化學需氧量(CODCr)、砷(As)、氰化物11項，2021年監測指標在上述11項基礎上增加了電導率、總氮(TN)、總磷(TP)、汞(Hg)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鋅(Zn)、硒(Se)、鎘(Cd)、六價鉻(Cr6+)、氟化物、陰離子表面活性劑(LAS)、硫化物，共計24項。監測頻次均為每月1次，監測斷面為6個，為使監測數據更具有代表性和可比性，以每個斷面每項指標12個月份的平均值作為年均值進行水質評價。同時，為便于水質標識指數法計算，剔除水溫、pH值和電導率3項指標。
2.2.2 驗證分析
選取某河流6個監測斷面，由上游至下游分別標記為S1～S6。2001年該河流水質監測結果統計見表3，水質類別見表4，水質標識指數前兩位數見表5，水質情況統計見表6。
表3 2001年某河流水質結果
Tab. 3 Results of water quality in a certain river in 2001
表4 2001年某河流水質類別
Tab. 4 Categories of water quality in a certain river in 2001
表5 2001年某河流水質標識指數前兩位數
Tab. 5 First two digits of water quality identification index in a certain river in 2001
表6 2001年某河流水質統計結果
Tab. 6 Statistical results of water quality in a certain river in 2001
注：1）實際綜合水質標識指數P由式（5）計算出I，不能滿足功能類目標的再增加Y3、Y4；2）理論綜合水質標識指數P由式（5）計算出I，根據綜合水質類別替換I中的Y1，其余同實際綜合水質標識指數。
由表4可知，按照GB 3838—2002水質評價方法判定，2001年某河流斷面S1～S6綜合水質類別依次為Ⅱ類、Ⅰ類、Ⅴ類、Ⅲ類、劣Ⅴ類、劣Ⅴ類。由表5可知，按照水質標識指數法判定，斷面水質從優到劣依次為S2、S1、S4、S3、S6、S5。由表6可知，斷面S1、S2、S4滿足功能區水質目標，該河流水質功能區達標率為50.0%；按照參與評價的9項指標計算出的綜合水質識別指數P，與理論值在Y1上有較大差別，只有斷面S2一致，符合率只有16.7%，這驗證了綜合水質標識指數第一位數Y1不必然反映綜合水質類別，原因是評價指標的單因子水質類別差異較大，如S3斷面，9項指標中只有BOD5一項為Ⅴ類，而石油類、揮發酚、As、氰化物4項指標為Ⅰ類，平均值計算降低了Y1，因此，Y1實際代表綜合水質級別而不能反映水質類別，這驗證了綜合水質級別存在誤導的問題。
2021年某河流水質監測結果統計見表7，水質類別見表8，水質標識指數前兩位數表9，水質情況統計見表10。由表8可知，按照GB 3838—2002水質評價方法判定，2021年某河流斷面S1～S6綜合水質類別依次為Ⅲ類、Ⅲ類、Ⅴ類、Ⅱ類、Ⅳ類、Ⅳ類。由表9可知，按照水質標識指數法判定，斷面水質從優到劣依次為S4、S1、S2、S6、S5、S3。由表10可知，6個斷面中有5個滿足功能區水質目標，該河流水質功能區達標率83.3%；按照參與評價的20項指標計算出的綜合水質識別指數P，與理論值在Y1上有較大差別，原因是評價的20項指標中有14項單因子水質類別全部為Ⅰ類，大幅降低了平均值Y1。如果將14項Ⅰ類指標移除，利用剩余6項參與評價，計算出各斷面綜合水質標識指數，并與20項指標類比，結果見表11。
表7 2021年某河流水質結果
Tab. 7 Results of water quality in a certain river in 2021 ( mg/L )
表8 2021年某河流水質類別
Tab. 8 Categories of water quality in a certain river in 2021
表9 2021年某河流水質標識指數前兩位數
Tab. 9 First two digits of water quality identification index in a certain river in 2021
表10 2021年某河流水質情況統計結果
Tab. 10 Statistics of water quality in a certain river in 2021
注：1）實際綜合水質標識指數P由式（5）計算出I，不能滿足功能類目標的再增加Y3、Y4；2）理論綜合水質標識指數P由式（5）計算出I，根據綜合水質類別替換I中的Y1，其余同實際綜合水質標識指數。
表11 2021年某河流不同指標綜合水質標識指數
Tab. 11 Comprehensive water quality identification index of different targets in a certain river in 2021
由表11可知，6項指標計算出的各斷面綜合水質標識指數均比20項指標高，說明剔除了Ⅰ類指標后，平均值增大，更接近理論值，表明綜合水質標識指數的計算受單因子指標數量的影響，所以選擇河流水質主要影響指標是做好水質標識指數法評價的重要前提，采用主成分分析法[12?15]篩選出主要影響指標是解決上述問題切實可行的辦法。
3、 結語
水質標識指數法標識了水質類別、水質狀況、水質是否達標等內容，解決了同一水質類別下進行水質優劣評價的問題，但該方法的主要表現為溶解氧指標計算有缺項、數字修約不恰當、水質級別易誤導、評價指標選擇不全面。修正后的水質標識指數法計算方法更為嚴謹，分析結果更為直觀，評價結論更為合理，是對現行標準規定的水質評價方法的有益補充，值得推廣應用。
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引用本文： 李明，王左棟，張凱，等 . 水質標識指數法的缺陷分析及修正［J］. 化學分析計量，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.)
來源：化學分析計量
