改進WQI在川中丘陵地區(qū)典型流域水質(zhì)評價中的應用
——以瓊江流域上游段為例

唐琦，劉兵，王璞，王媛，蔣紅斌，謝勇，李克鋒

1.水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室, 四川大學

2.遂寧市生態(tài)環(huán)境安全應急中心

3.四川省遂寧生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站

4.遂寧市安居區(qū)環(huán)境監(jiān)測站

以單因子指數(shù)法為代表的傳統(tǒng)水質(zhì)評價方法，是把特定的水質(zhì)指標與規(guī)范標準進行比較，選取水質(zhì)最差的類別作為評價結(jié)果[1-3]。水質(zhì)指數(shù)（water quality index，WQI）是將多個水質(zhì)監(jiān)測指標的濃度值進行分級，并加權(quán)組合后轉(zhuǎn)化為反映水質(zhì)整體狀況的單個值[4]。與傳統(tǒng)的水質(zhì)評價方法相比，WQI不僅能充分利用水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)反映水質(zhì)整體狀況，還能用于不同監(jiān)測斷面之間的比較，確定水質(zhì)空間變化趨勢[4-5]。自1960年以來，WQI已逐漸被用于地表水和地下水的水質(zhì)評價中[6-7]。

WQI評價方法在應用過程中不斷被改進，如在發(fā)展中國家，通過考慮關(guān)鍵水質(zhì)指標建立了改進WQI模型——最小水質(zhì)指數(shù)（WQImin）[8]。如 Pesce等[2]從20個水質(zhì)指標中選擇濁度、溶解氧（DO）以及電導率或總?cè)芙夤腆w建立阿根廷蘇基亞河WQImin模型，Wu等[9]從15個水質(zhì)指標中選擇氨氮（NH3-N）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、硝酸鹽、DO 和濁度建立中國巢湖流域WQImin模型，Nong等[10]從16個水質(zhì)指標中選擇總磷（TP）、糞大腸菌群、汞、水溫（T）和DO建立中國南水北調(diào)工程的WQImin模型。WQImin和WQI結(jié)果之間存在高度相關(guān)性，由于水質(zhì)指標的數(shù)量直接決定監(jiān)測費用，而WQImin通過數(shù)量更少的水質(zhì)指標，達到與WQI高度近似的評價結(jié)果，因而可節(jié)約當?shù)毓芾聿块T在環(huán)境監(jiān)測項目上的支出[11]。

受人類活動以及地理環(huán)境差異的影響，不同流域的污染物特征和污染程度相差懸殊，WQImin的關(guān)鍵指標也不盡相同[12]。川中丘陵地區(qū)是四川省農(nóng)業(yè)的主體區(qū)域，不合理的農(nóng)業(yè)耕作和肥料施用導致區(qū)域內(nèi)非點源污染日益嚴重[13-14]，區(qū)域內(nèi)沱江、嘉陵江水系水質(zhì)超標情況時有發(fā)生[15-16]。已有研究多關(guān)注該地區(qū)的部分污染物或氮、磷等水質(zhì)指標[17-20]，鮮有關(guān)于影響水質(zhì)變化的關(guān)鍵指標的研究，并且由于監(jiān)測斷面較少和監(jiān)測指標不足，水質(zhì)評價結(jié)果未能真實反映河流水質(zhì)整體狀況。

筆者以瓊江流域上游段作為川中丘陵地區(qū)的典型代表，為了經(jīng)濟且高效地評價當?shù)睾恿魉|(zhì)的整體狀況，提出僅考慮關(guān)鍵指標的WQImin。從25個水質(zhì)指標中選擇關(guān)鍵指標，建立并驗證WQImin模型，再根據(jù)33個斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將最佳的WQImin應用于當?shù)厮|(zhì)評價中，量化水體受污染程度，分析水質(zhì)空間變化規(guī)律，以期為了解川中丘陵地區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀以及開展水環(huán)境質(zhì)量評價提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

川中丘陵地區(qū)（103°15′E～108°30′E，27°35′N～32°52′N）位于四川盆地中部，面積約 9 萬 km2，地處長江以北，涪江、嘉陵江、渠江等中下游[21]。瓊江系涪江一級支流、嘉陵江二級支流，為川中丘陵地區(qū)典型河流，全長235 km，發(fā)源于四川省資陽市，流經(jīng)遂寧市安居區(qū)、重慶市潼南區(qū)，至重慶市銅梁區(qū)匯入涪江。瓊江流域上游段（105°00′46″E～105°39′26″E，30°07′03″N～30°32′39″N）位于川中丘陵地區(qū)腹地，區(qū)域內(nèi)瓊江干流全長130.8 km，主要支流為蟠龍河、石洞河、會龍河和玉豐河，流域面積為1 591.8 km2（圖1）。地勢西高東低，主要為中、淺切割的丘陵地貌[22]。瓊江流域上游段主要涉及資陽市樂至縣、安岳縣和遂寧市安居區(qū)，2018年農(nóng)業(yè)人口分別占當?shù)乜側(cè)丝诘?7.3%、85.1%、90.0%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值分別占地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）的 15.5%、23.6%、23.9%[23]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

共收集瓊江流域上游段33個干支流斷面的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測的水質(zhì)指標信息如表1所示。監(jiān)測斷面涵蓋了瓊江干流以及蟠龍河、石洞河、會龍河、玉豐河4條主要支流，位置如圖1所示。其中，跑馬灘斷面位于四川省的遂寧市與資陽市交界處 ，為國控斷面；大安斷面位于四川省遂寧市與重慶市潼南區(qū)交界處，為省控斷面。大安、跑馬灘斷面水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于遂寧市生態(tài)環(huán)境局；其他31個干支流為常規(guī)監(jiān)測斷面，水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于遂寧市安居生態(tài)環(huán)境局。數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）的 GDEMV2 30 m分辨率數(shù)據(jù)。

表1 水質(zhì)監(jiān)測斷面詳細信息Table 1 Details of water quality monitoring sections

圖1 瓊江流域上游段水系及監(jiān)測斷面分布Fig.1 Distribution of water system and monitoring sections in the upper reaches of Qiongjiang River Basin

1.3 水質(zhì)指數(shù)（WQI）

WQI的計算公式由Pesce等[2]開發(fā)和改進，計算公式如式（1）所示。

式中：n為水質(zhì)指標個數(shù)；Ci為第i個水質(zhì)指標的歸一化值；Pi為第i個水質(zhì)指標的權(quán)重。

依據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》，采用并修訂Ci的閾值劃分[1]；由于該規(guī)范未對T和pH進行分級，T和pH的Ci閾值劃分依據(jù)Wu等[3-4]的研究結(jié)果；由于河流水質(zhì)評價不考慮TN[1,10]，因此，本研究WQI的計算不包括TN。根據(jù)水質(zhì)指標對河流水質(zhì)的影響程度，Pi的最大值為4，最小值為1（表2）[2,8,10]。WQI是0～100 的無量綱數(shù)，按WQI將水質(zhì)類型分為5個等級：優(yōu)（WQI為80～100）、好（WQI為 60～80）、中等（WQI為 40～60）、差（WQI為 20～40）、非常差（WQI為 0～20）[10]。而WQImin僅考慮關(guān)鍵指標 ，計算方法同式（1），其水質(zhì)的歸一化值、權(quán)重選取與 WQI 相同。

表2 水質(zhì)指標的歸一化值和權(quán)重Table 2 Normalized values and weights of water quality parameters

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

1.4.1 WQI的率定及驗證

將大安、跑馬灘斷面的25個水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)分為2個部分：根據(jù)2018年1月—2019年9月監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行多元線性逐步回歸分析，提取關(guān)鍵指標，建立WQImin模型；根據(jù)2019年10—12月的數(shù)據(jù)，驗證WQImin模型。在多元線性逐步回歸分析中，在分析之前對水質(zhì)指標數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)換〔lg(Ci+1)〕，以滿足正態(tài)性。

1.4.2 數(shù)據(jù)分析

使用ArcGIS水文分析等工具，以大安斷面為流域控制點，基于DEM數(shù)據(jù)識別分水嶺，并提取河流水系。采用Kruskal-Wallis H非參數(shù)檢驗，根據(jù)統(tǒng)計量（H）與顯著性P判斷大安、跑馬灘斷面之間的水質(zhì)是否具有顯著性差異（P<0.05）。依據(jù)決定系數(shù)（R2）評估WQImin模型的擬合度，采用百分比誤差（PE）評估不同模型的預測能力[24]，PE越接近0，表示模擬的精度越高，PE計算公式如下：

將多元線性逐步回歸分析提出的多組關(guān)鍵指標分別建立WQImin模型，并依據(jù)R2、PE等參數(shù)篩選出最優(yōu)模型。根據(jù)最優(yōu)模型計算干、支流的WQImin，并對結(jié)果進行單因素方差分析，以評價區(qū)域內(nèi)水質(zhì)空間分布的差異性。

2 結(jié)果

2.1 典型斷面水質(zhì)特性

對大安、跑馬灘斷面的水質(zhì)指標進行統(tǒng)計（表3）。Kruskal-Wallis H非參數(shù)檢驗結(jié)果表明，除跑馬灘斷面的CODCr外，其余水質(zhì)指標的濃度均值能夠滿足GB 3838—2002中Ⅲ類水質(zhì)標準，其中T、pH、DO、CODMn、砷、石油類、銅、氟化物、陰離子表面活性劑9個水質(zhì)指標不存在顯著性差異，其余16個指標均存在顯著性差異(P<0.05)。

表3 大安與跑馬灘斷面水質(zhì)指標平均值和標準差Table 3 Average values and standard deviations of water quality indexes at sections of Da'an and Paomatan

2.2 WQImin模型的率定

以大安、跑馬灘斷面除TN外的24個水質(zhì)指標為自變量，以WQI為因變量進行多元線性逐步回歸分析（表4）。結(jié)果表明，NH3-N能解釋WQI變異的58.5%，NH3-N、CODCr能解釋WQI變異的70.0%，具有較高的解釋度；NH3-N、CODCr、BOD5、DO、糞大腸菌群數(shù)能共同解釋WQI變異的85.2%，表明NH3-N、CODCr、BOD5、DO、糞大腸菌群數(shù)對WQI具有較強的影響。

表4 WQI與水質(zhì)指標的多元線性逐步回歸分析Table 4 Multiple linear stepwise regression analysis of WQI and water quality

以NH3-N、CODCr、BOD5作為WQImin的關(guān)鍵指標，分別評價DO、糞大腸菌群數(shù)以及二者共同作用對WQImin的影響，據(jù)此建立模型WQImin-a、WQImin-b、WQImin-c、WQImin-d（表5）。率定結(jié)果顯示，模型 WQImin-b、WQImin-d相較于 WQImin-a、WQImin-c具有更低的PE，并且與WQI呈密切的相關(guān)性（R2>0.90）。所有模型中，WQImin-b模擬精度最高（PE為17.4%）。模型WQImin-b、WQImin-d的率定結(jié)果表明，引入糞大腸菌群數(shù)對 WQImin模型的擬合度提升較小（R2僅增加0.01），并導致模擬誤差略微增大（PE增加1.5%）。

表5 WQImin模型的參數(shù)率定結(jié)果Table 5 Parameter calibration results of the WQImin model

2.3 WQImin模型的驗證

根據(jù)參數(shù)率定結(jié)果，采用大安以及跑馬灘斷面2019年10—12月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對模型WQImin-b、WQImin-d進行驗證，結(jié)果如表6所示。由表6可知，WQImin-b、WQImin-d與WQI的回歸系數(shù)顯著，且R2處于較高水平，但WQImin-b的PE為11.9%，遠低于WQImin-d。因此，包含 NH3-N、CODCr、BOD5、DO 4項指標的WQImin-b為該流域最佳的WQImin模型。

表6 WQImin模型的參數(shù)驗證結(jié)果Table 6 Verification results of the WQImin model

2.4 基于WQImin的水質(zhì)評價

2018—2019 年，瓊江流域上游段的33個常規(guī)監(jiān)測斷面水質(zhì)評估結(jié)果顯示（圖2），有3.0%的監(jiān)測斷面為優(yōu)，69.7%為好，中等水質(zhì)占27.3%；瓊江干流WQImin呈沿程升高的趨勢，當流經(jīng)安居區(qū)縣城時，WQImin從70.8降至61.5，但能較快恢復至入城區(qū)前的水平，至大安斷面時WQImin升至80.7；會龍河WQImin總體呈沿程升高的趨勢，周邊支流匯入后WQImin雖出現(xiàn)一定程度減低，水質(zhì)類型由好變?yōu)橹械?，但能較快恢復至匯入前的水平，至支流匯口下游4.9 km，水質(zhì)類型由中等轉(zhuǎn)好；玉豐河WQImin呈明顯的沿程降低趨勢；蟠龍河WQImin沿程變化趨勢不明顯，WQImin為53.7～62.9；石洞河上游WQImin處于較低水平（48.7～53.9），沿程變化趨勢不明顯，石洞河下游有較大支流匯入，WQImin明顯上升。

圖2 瓊江流域上游段WQImin的空間分布Fig.2 Spatial distribution of WQImin values in the upper reaches of Qiongjiang River Basin

根據(jù)單因素方差檢驗結(jié)果（圖3），瓊江流域上游段WQImin為63.1±17.2，水質(zhì)整體為好。其中，瓊江干流水質(zhì)最好，WQImin為66.5±14.6，顯著高于支流蟠龍河、石洞河、玉豐河（P<0.05）。區(qū)域內(nèi)WQImin均值表現(xiàn)為瓊江干流>會龍河>玉豐河>蟠龍河>石洞河。其中，會龍河WQImin為63.8±13.8，水質(zhì)類型為好；玉豐河水質(zhì)類型雖為好，但是WQImin接近下臨界值（60.5±18.0）；蟠龍河 WQImin為58.3±19.2，水質(zhì)類型屬于中等；石洞河WQImin最低，為53.3±18.7，水質(zhì)類型屬于中等。

圖3 干流與4條支流WQImin的空間分布差異性Fig.3 Distribution difference of WQImin values between mainstream and four tributaries

3 討論

3.1 WQImin的關(guān)鍵指標選定

Sun等[4]認為，WQI的計算應該包括物理、化學和細菌等水質(zhì)監(jiān)測指標；Pesce等[2]認為，計算WQImin的水質(zhì)指標不僅要能代表其他環(huán)境指標，還要易于測量；Wu等[3-10]認為，考慮權(quán)重的WQImin模型性能優(yōu)于不帶權(quán)重的模型。因此，筆者在WQImin開發(fā)過程中考慮了各指標的權(quán)重。

本研究考慮了涵蓋物理、化學和細菌3類25個指標，并根據(jù)多元線性逐步回歸分析結(jié)果，提出WQImin模型由 NH3-N、CODCr、BOD5、DO 4項關(guān)鍵水質(zhì)指標組成，評價結(jié)果與WQI高度相關(guān)（R2=0.81，P<0.001），能夠較好地解釋區(qū)域的水質(zhì)特征及變化，并且關(guān)鍵指標均屬于常規(guī)監(jiān)測指標，這有利于當?shù)厮|(zhì)評價工作的高效開展。

作為回歸分析的第一個因子，NH3-N對WQI的變化貢獻較大（R2=0.59，P<0.001）。作為有機污染的指標，CODCr、BOD5分別對瓊江流域上游段WQI的變化具有第2、第3高的解釋力，其原因可以歸結(jié)為當?shù)赜袡C污染較嚴重。DO是模型引入的第4個因子，能夠影響水生生物的生長等許多復雜的生化過程，是水生態(tài)系統(tǒng)生化條件的敏感指標，其濃度的高低能夠反映水體自凈能力的強弱，在國內(nèi)外研究中，DO作為WQImin的關(guān)鍵因子得到了廣泛的應用[2,8,25]。糞大腸菌群數(shù)作為第5個指標被引入回歸分析中，該指標能夠反映人類活動和城市污染對河流的影響[26-27]。

本研究的WQImin率定驗證數(shù)據(jù)來自跑馬灘、大安2個斷面，其中，跑馬灘斷面位于支流蟠龍河上，周邊人口密集度較低且大型集鎮(zhèn)數(shù)量較少；大安斷面處于流域的最下游，上游40 km范圍內(nèi)涉及6個大型集鎮(zhèn)和遂寧市安居區(qū)，大安斷面糞大腸菌群數(shù)顯著高于跑馬灘斷面（P<0.001），平均值是跑馬灘斷面的2.15倍（表3）。即使引入糞大腸菌群數(shù)對模型的擬合度有一定提升，但2個斷面之間糞大腸菌群數(shù)的差異性，將導致WQImin在率定和驗證階段PE升高。因此，糞大腸菌群數(shù)不能作為瓊江流域上游段WQImin模型的關(guān)鍵指數(shù)。

其余19個水質(zhì)指標，由于執(zhí)行歸一化后WQI為常量或缺失相關(guān)性，被多元線性回歸程序剔除。以汞為例，雖然大安面與跑馬灘斷面濃度具有差異性，但整體濃度非常低，WQIHg（僅考慮汞）均為100，這表明WQIHg不能較好地解釋WQI的變化規(guī)律，因此，不能被選做WQImin的關(guān)鍵指標。

3.2 不同評價方法適用性分析

單因子指數(shù)法在我國地表水、地下水的水環(huán)境污染評價中被廣泛應用[1]。該方法將實測數(shù)據(jù)和標準值進行對比分類，選取水質(zhì)最差的類別作為評價結(jié)果。根據(jù)四川省生態(tài)環(huán)境狀況公報，瓊江流域省/國控斷面在2018年之前不能穩(wěn)定達到Ⅲ類水質(zhì)標準（單因子指數(shù)法），主要超標因子為CODCr和TP[15-16]。而本研究WQI法分析結(jié)果表明，即使流域內(nèi)WQICOD與WQITP相對較低，由于其余指標WQI處于較高水平，因此水質(zhì)整體仍屬于好。單因子指數(shù)法評價結(jié)果取決于水質(zhì)最差的指標，這種評價方法不能客觀反映出區(qū)域水環(huán)境的整體狀況。

除單因子指數(shù)法之外，水環(huán)境質(zhì)量評價的方法還包括綜合污染指數(shù)法與模糊綜合評價法。綜合污染指數(shù)法通過對各污染指標的相對污染指數(shù)進行統(tǒng)計，得出代表水體污染程度的數(shù)值。該方法的評價結(jié)果是一個相對值，只能定性評價，不能說明綜合水質(zhì)類別，由于同一類別水質(zhì)的標準限值有一個變化范圍，因此取不同的標準限值作為分母會得到不同的評價數(shù)據(jù)[28]。此外，模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學的綜合評價方法，該方法通過對各級水質(zhì)類別建立隸屬度矩陣，取最大隸屬度所對應的級別作為該樣本所屬的級別，不足之處是無法確定主要污染指標，且計算過程較其他方法更為復雜[29]。

WQI不僅能對水質(zhì)進行定性評價，將其分為5個等級，還能定量化評價不同河流及其不同斷面的水質(zhì)狀況，同時計算方法簡單，可操作性強。但Kannel等[8]認為高監(jiān)測成本以及復雜的水樣測定過程是限制WQI在環(huán)境保護經(jīng)費預算匱乏的發(fā)展中國家廣泛應用的主要原因。WQI的計算通常需要十幾項以上水質(zhì)指標[4]，而WQImin不僅繼承了WQI的優(yōu)點，并且通過剔除冗余的水質(zhì)指標，得到3～5個能夠解釋水質(zhì)變化關(guān)鍵指標[8-11]，該方法可以指導水質(zhì)監(jiān)測工作，減少水質(zhì)監(jiān)測的工作內(nèi)容，進而節(jié)約當?shù)毓芾聿块T在環(huán)境監(jiān)測項目上的支出。

此外，由于水樣數(shù)據(jù)的局限性、丘陵地區(qū)產(chǎn)匯流的獨特性以及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的差異性，本研究提出的WQImin模型在中國西南川中丘陵地區(qū)具有準確的模擬結(jié)果，然而是否適用于其他流域，還有待進一步分析驗證，但是WQImin模型的建立、驗證過程是可推廣的。

4 結(jié)論與建議

（1）本研究WQI由25個水質(zhì)指標組成，在WQI的基礎(chǔ)之上篩選出 NH3-N、CODCr、BOD5、DO 4個關(guān)鍵指標組成WQImin模型，該模型與WQI存在高度相關(guān)性，在反映瓊江流域上游段的水質(zhì)狀況方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能（R2=0.81，PE=11.9%）。

（2）評價結(jié)果表明，瓊江流域上游段水質(zhì)整體為好，WQImin為63.1±17.2。瓊江流經(jīng)安居區(qū)以及會龍河，經(jīng)周邊支流匯入后，WQImin明顯降低，但能較快恢復至受影響前的水平，瓊江干流、會龍河WQImin整體上呈沿程升高的趨勢，玉豐河WQImin呈沿程降低的趨勢，而蟠龍河、石洞河沿程變化趨勢不明顯。

（3）4條主要支流水質(zhì)均劣于干流，其WQImin大小依次為瓊江干流>會龍河>玉豐河>蟠龍河>石洞河。

瓊江流域支流水系的污染問題未得到有效控制是干流水質(zhì)不穩(wěn)定的主要原因。下一階段流域水污染治理的重點應逐步放到支流上，加強對支流水系的水質(zhì)監(jiān)測；針對支流水系的面源污染，應加快農(nóng)村環(huán)境綜合整治，實行農(nóng)村污水處理統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理，強化農(nóng)村集中處理生活污水以及配套管網(wǎng)建設(shè)，積極推進城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施和服務向農(nóng)村延伸；針對支流水系的點源污染問題，考慮到集水區(qū)域內(nèi)污水處理廠數(shù)量少、處理能力低，需要新增污水處理廠，并對已有污水處理廠進行提標、擴容改造。