中国地表水资源质量评价方法的研究
申献辰1，邹晓雯1，杜霞1(1.中国水利水电科学研究院水环境研究所)
摘要：作者分析了我国现行水资源质量评价方法中存在的问题，介绍了国外该项工作的思路和作法。在此基础上，建立了一套基于水质项目环境影响的分区、分类、分级的多指标综合指数评价体系，克服了国内传统评价方法的假达标、一票否决，不能描述级内优劣等弊病。对全国160个重点站进行的计算结果表明，该方法基本实现了与国际接轨，更为科学合理。关键词：水质；评价；指数；方法中图分类号：X824??文献标识码：A
1我国现行水资源质量评价方法的科学性与合理性分析第一次全国水质评价开始于1981年，而后水利部约每5年组织一次全国范围的水质评价，评价河长约10万km。近几年作为《中国水资源公报》的部分内容向公众发表。因第一次全国水质评价时尚无国家环境和资源水质标准可依，因此根据各专项标准值综合拟定了一个分5级的评价标准。其评价方法有单项评价，采用年度时空均值与标准值比较的指数法；分类和河流综合评价采用单项参数的地图重叠法（最差的参数赋100%权）以及按河长加权的水质指数算术均值法。而后的全国水质评价虽在评价项目选定、分类、污染等级划分等有所变动之外，其思路和技术方法均沿袭了这一格局。1983年后例行的水质评价更趋简单化，采用了全部评价项目的地图重叠法。而评价方法的研究方面，主要集中在评价指数的数学处理上，几乎用尽了全部的数学手段，但在评价结果的合理性方面仍进展不大。人们十分关心我国现行水资源质量评价方法的科学性和合理性。从评价结果的表达上看，地图重叠法将水质级别的空间分布表示的较为清楚、直观。如果单元河长划分的较为符合实际的话，这种表达也有可取之处。国外有些国家如法国也用过此类表示方法（尤其是地下水的区域分布图等）。但这种评价方法仍有许多不足之处。第一，无论是单项评价还是分类评价都采用最差的项目赋百分之百权的单指标法，造成了评价结果与实际的偏离。不同的项目对环境的影响是有差别的，如BOD、氨氮等一般污染项目通过水体流动可以自净，它们对环境的影响主要是耗氧。它们与毒性物质对环境生态及人体健康的影响有着本质的差异。第二，单元河段代表值选用年均值，后改中值也是有缺陷的。虽然中值克服了水质数据非正态性分布的影响，但无论是用中值还是均值来判定其符合哪一类水都显得过于粗糙，这种所谓达标与否只有50%的把握，置信度太低。第三，由于水质评价标准是全国一刀切的，许多重要的天然水化学组份只能弃之不用，造成评价结果失真。显然，像悬浮物、水温和pH等项目在不同水域的自然背景值相距甚远，无法参与一刀切的评价，使水质评价作为度量环境生态变化的工具大打折扣。毒性与硬度密切相关的重金属由于各水域硬度差异很大，用全国一刀切的标准评价也造成结果不合理。第四，现在约定俗成地把Ⅲ类水作为水质污染与否的分界线（符合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类的为达标，否则为污染河段）是一种虚假的达标统计。实际上有些河段，如源头或自然保护区应按Ⅰ类管理，可是这种评价方法，该河段如为Ⅱ、Ⅲ类也计为达标造成虚假结果。第五，现行的评价方法不能表征同一水质类别内的水质优劣以及缺少度量水量变化对水质影响的变量，使得河流水量变化的影响不能得到合理的反映。总之，目前沿用的水资源质量评价方法有不少缺点，使我国的水资源质量评价与发达国家拉大了差距。
2发达国家，如美国的水资源质量评价是为了弄清如下问题：（1）有问题的水域在哪里，即水质的空间分布；（2）自然水质的变化如何，变化速率多大；（3）国家如果采取措施恢复变化了的水质应对哪些水域下手，即排出治理的优先序。主要工作内容为：（1）对水域进行尽可能全面的监测。该监测包括水体的三种介质：水柱(可溶态)、悬浮物和底质、水生生物。其监测项目应含括无机痕量组份，有机有毒物质，放射性及其水文因素。（2）评价项目中天然水化学组份和人为污染组份并重。因为水质自然性状的变化是生态环境变迁的度量，其成因包括人们左右不了的因素，如火山爆发、气候变化等，也有人为长期作用而难以度量的因素如土地利用，植被退化，这些生态环境变化必然反映在水质上。如水温是区域生态（植被）水文（流量）变化的晴雨表，pH是水体富营养化趋向的反映之一，悬浮物是区域士地利用和土壤侵蚀的度量，粪大肠菌是温血动物和人类密度变化的量度指标。（3）在数据处理的技术方法上，多用统计学方法。因为他们认为水质数据的最大特点是随机性，所以数据应给出最小值以及10%、25%、50%、75%、90%各不同百分度的值及最大值，再与其相应标准值比较，就能得出达标不达标以及达标的置信度有多大。总之，国外的水质评价是个多学科的对多介质、多参数的水质数据的分析过程。水质评价是针对具体水域而言的，目标是确定有问题的水域和问题之所在。因此，不存在我国水质评价中，只统计各类水占多少百分数和虚假达标问题。国外不仅要考虑水质的人为用途而且要考虑水域的生态保护，生物多样性的要求。目前我国这种不分生态区不分水域的人为水质分类不能满足生态保护的要求，也衡量不出生态环境的变化及其损益。3根据国内外水资源评价的实践，我们提出了一个基于水质参数环境影响的多指标综合评价体系。这是一个分区、分类、分级的多项目的水质指数系统。该系统包括水质评价标准，单元河段水质代表值的确定，水质评价指数及其叠加方法，综合水质指数及其级别判断等。3.1评价的分区及分级要克服评价的假达标现象就必须将评价指标值落实到具体水域。因此根据气候、高程、地理位置、地形地貌、植被差异等因素，将全国分成八大水质区，即东北、海河、黄河中下游、淮河、长江中下游、东南沿海、西北内陆和青藏云贵高原水质区。在每个水质区考虑到子区域环境的差异和人类活动（如城市化、人口增加、土地利用形式、水利工程等非可逆因素）的影响，又将每大区分为三个子区，它们各自对应一个本区的水质级别。一级区属背景区，水质应达到1级；二级区属农林渔牧生态区，水质应达到2级；三级区属城市生态区，水质应达到3级。另外，考虑到水质严重污染的现实情况，增加了4、5级水质，描述生态受到严重破坏区域的现状水质。3.2水质评价项目及分类该多指标综合评价体系共确定了地表水水质评价项目四类66项。其中，湖泊营养状态评价项目5项。项目选自现行的地面水环境质量标准，地表水资源质量标准，以及饮用水源地、渔业、工业、农田灌溉等专业标准。为了评价人工有毒有机物的影响，还根据美国EPA和中国环保局的优先检出物及其在地表水中的检出频率确定了有机毒物共45项。根据上述项目对水生态的影响将其分三大类。一是代表水体自然性状的综合项目：水温、pH、悬浮物、溶解氧和粪大肠菌。二是以耗氧为主受人类排污影响且可随水流自净的一般污染项目：高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮及挥发酚(氨氮和挥发酚在一定浓度下才有毒，现行水质标准不是以其毒性浓度界定的)。三是在水中含量微而毒性大，在生物体内富集且一般不降解有毒项目，它即包括了自然界有背景值的无机毒物又包括了人工有机毒物，其中包括许多有致癌、致畸、致突变作用的所谓“三致物质”。3.3水质评价项目环境影响指数的确定水质的优劣取决于水体受损害的程度（与背景的偏高度），它影响着生态环境和人类的使用。对一个水质区首先根据背景值监测资料稍许放宽确定1级值，再根据该水质区的水质基本要求确定能勉强维持生态的可接受的最差界限值，即3级值。对于毒性物质，3级值以水生生物的急性毒性值为依据确定，再根据国外相关研究确定各水质参数的上述界限值的生态环境影响指数。研究发现，3级界限值的环境指数平均波动于50～60之间；参考现有各专业标准确定2级值（农牧生态区），对照国外的研究，2级值的生态环境影响指数平均波动于75左右；5级值一般按污水排放标准确定，对毒性物质，该级生态环境影响指数一般情况下视为零，表明其天然水体性质丧失贻尽。对某些非毒性物质，即使浓度达到污水排放标准值仍然有一定的可用性，可以满足低要求的农田灌溉或保持植被功能，因此5级值的指数仍保留8～20不等。个别有机毒物也有类似情况；当排放标准未达到半致死浓度时，5级的生态环境指数仍定为7，而零指数设定为实验毒性浓度值。确定了各级别浓度及其环境指数之后，接下来的问题是如何计算实测值和评价代表值的指数，严格地讲应查阅浓度和生态环境影响指数曲线确定，但为了简化计算，在每个级别内部采用线性内插来计算单元河段实测值或代表值的生态环境影响指数。3.4综合评价模式和权重的确定在综合评价中必须处理好各项目指数之间的关系，叠加方法取决于评价项目代表的水质特性。不同类的项目施以不同的叠加和赋权方式。本研究的综合项目类内指数的叠加选择加权的联乘模式，这是因为这种模式中任何项目都是独立地对整体发生影响。只要一项指数为零，整体指数为零即整个水体丧失功能。综合项目类内指数所赋权重采用美国使用的DELPMI法，这是一种没有权威压力下的专家无记名投票并经多次反馈的赋分法，它是一种平等的集思广义的办法。对一般污染物类项目，它们都属于耗氧指标，而且彼此有关联，对该类采用均权的算术平均法，这样的好处在于可消除某一项监测夫真的影响。无机毒物和有机毒物类内指数用污染最重项目的指数作代表，其原因是若取平均就掩盖了有问题项目的作用，因为这些有毒物不是每一项都有问题，大部分是未检出，只要发现一项有问题就会对环境有影响。对于环境中有背景值的无机毒物和环境中原本没有的有机毒物不能等量齐观，后者的生态影响更大，因生物对其没有任何适应能力，在这两类毒物之间的叠加仍采用加权的联乘模式。水质综合评价指数叠加也采用加权的联乘模式，而类间的权重采用有代表性数据的试算及合理性判断法确定，这种合理性判断是基于多年水质评价的经验。比如有毒物的指数己为5级了，而算得的综合指数仍为3级，显然是有毒物的权重不够，如此反复调整各类权重，达到水质综合指数的相对合理。实际上水质评价从一开始就是一项基于专家判断的工作，用水质指数表达水质的目的是考虑到非专业人员和行政领导更容易更直观理解评价结果。类内、类间及综合指数的叠加模式及权重见表1。3.5基于综合指数的水质分级及其水质含义据以上方法最后取得综合水质指数，其水质指数和水质级别的对照见表2。各级的水质含义为：1级为区域内基本保持原始状态或虽有人为影响但水体能自行恢复的水质，一般为河源区或自然保护区应有水质；2级为农牧生态区应有水质，它能维系生物多样性并能满足水源地、渔业、工农业和与人体直接接触的娱乐等用途。3级水质一般为城市生态区应有水质，它在生物多样性方面己有所损害，但仍能维持一般生物生存，在使用上尚能满足除饮用及与人体直接接触的水上娱乐之外的全部用途。4、5级水质分别为污染和严重污染，不符合水资源质量起码要求的超标水质。
1水质评价的叠加模式及权重
参数 类内指数 ???????综合指数 公式 权重Wi 公式 权重Wi 公式 综合项目 温度(℃)(偏离度)pH值(偏离度)悬浮物(偏离度)溶解氧(粪大肠菌)(个/L)大肠菌群(个/L) ?? 0.10.10.20.40.2 0.15 一般污染项目 高锰酸盐指数(CODMn)五日生化需氧量(BOD5)氨氮挥发酚 ?? 0.35 有毒项目 无机毒物
有机毒物 QIwd=QImin
QIyd=QImin 0.40.6 0.5 i表示评价项目，j表示类别
表2水质综合指数与水质分级对照 1级 2级 3级 4级 5级 综合指数 91～100 76～90 51～75 26～50 ?0～25 4
这种评价方法突破了国内传统的模式，克服了不分区的假达标现象。同时避免了因某一项一般污染项目超标就断定整个水体超标的一票否决方法的片面性。除此之外，本方法还可以确定水质偏离自然状态的程度，估算人类活动对水质的影响。以通俗的水质指数方式表达水质优劣，指数值越小，水质越差，水污染程度越重，使评价结果更加直观并可描述同水质级别内的水质优劣程度。引入了水质保证率和断流系数等概念，反映了水质达标的可信度及断流的影响。本研究对全国近160个重点站的水质进行了评价计算，表3给出了以1999年和2001年1月数据为基础的评价结果的几个实例。
表3部分水质评价计算结果
? 河段 测值类型 年月 综合类指数 污染类指数 有毒类指数 综合指数 备注 松花江干流 吉林 月值 1991-1 56.2 80.2 16.9 35 多环芳烃浓度为1.63μg/L 松花江干流 吉林 月值 1991-1 56.2 80.2 63.3 68 未计有机毒物 嫩江 齐齐哈尔 中值 1999 79.4 81.4 83.3 82 嫩江 齐齐哈尔 75%值 1999 74.4? 75.7 70.7 73 黄河干流 利津 中值 1999 80.1 76.5 78.5 78 未进行断流修正 黄河干流 利津 75%值 1999 ?69.1 71.7 61.5 66 未进行断流修正 黄河干流 利津 75%值断流 1999 ?61.6 71.7 61.5 57 断流42天 渭河 西安 75%值 1999 6.5 24.2 47.9 28 汾河 入黄口 75%值 1999 0.5 4.5 49.6 11 太子河 本溪 月值 2001-1 72.4 16.2 72.3 43 大运河 无锡 月值 2001-1 23 42.2 55 44 雅鲁藏布江 尼洋曲 月值 2001-1 95.9(100) 96.5 87.7 92 括号内为DO进行海拔 汉江 丹江口水库 月值 2001-1 85.1 88.5 100 94 修正的数 5结论
本研究提出的水质评价方法是分区、分类、分级的多参数水质指数系统，克服了国内目前使用的传统的全国一刀切的做法，使水质评价真正落实到了具体水域。该方法既能反映自然生态之变迁，又能反映人为排放的影响。其分类评价又具有积木式组合拆卸结构，可进行不同侧面的全国对比。数字化的指数表征方式更直观，易理解，也能区分同一水质级别内的优劣，初步实现了与国际接轨；并为区域和全国水环境承载力的定量描述打下了基础。
参考文献：[1]RobertMHirsch，WilliamMAlley,andWilliamGWilber.ConceptsforaNatlonalwaterQualityAssessmentProgram[J].U.S.GeologicalSurreyCircular1021，1988.[2]LarryWCanter，LovenGHill.HandbookofVariablesforEnvironmentalImpactAssessment[M].AnnArborScience，PublishersInc.1979.[3]MaciunasJLandwehr,DeiningerRA.AComparisionofSeveralWaterQualityIndexs[J].JournalWPCF,1976,48(5):954-958.[4]SHDinius.DesignofIndexofWaterQuality[J].WaterResourcesBulletin,1987,23(5).
收稿日期：2001-09-17作者简介：申献辰(1943-)，男，河北高邑人，教授级高级工程师，主要从事水质评价、模拟、研究和管理。
1
|
|
