随着我国经济高速发展，水生态环境问题日益突出，近年来，我国水污染防治力度不断加大，水环境管理也日趋精细化和科学化。对水质好坏的判别作为一种属性认知过程，在现代环境科学基础理论研究中至关重要^[1]。为贯彻落实绿水青山就是金山银山的绿色发展观，为打好碧水保卫战提供有力保障，原环境保护部2017年发布了《城市地表水环境质量排名技术规定(试行)》^[2](以下简称《技术规定》)，生态环境部2019年发布了《地级及以上城市国家地表水考核断面水环境质量排名方案(试行)》^[3](以下简称《排名方案》)，同年，江苏省生态环境厅印发了《江苏省县(市、区)地表水环境质量排名方案(试行)》^[4]，为城市地表水环境质量排名提供了依据，为推动水环境质量有效改善提供了技术支撑。《技术规定》和《排名方案》使得不同流域、地区、城市的地表水环境质量有了量化、直观的反映，定量排名督促地方真抓实干，争先加快水环境质量改善。目前，城市水质指数法在全国及各省的水质评价、排名中已得到广泛应用。现采用城市水质指数法对江苏省不同流域和地区的水质指数进行研究，以期为环境管理部门制定决策提供依据。

1 水质评价方法概述

目前国内外主流的水质评价方法及特点见表 1^[5]。

1.1 美国

水质模型又称受纳水体模型，可以描述水体中各种污染物迁移、转化的过程。美国在水质模型开发应用领域处于领先地位，开发了河道水力分析模型(HEC-RAS)、二维纵向横向平均水动力学和水质模型(CE-QUAL-W2)、水质分析模拟程序(WASP)和环境流体动力学模型(EFDC)等国内外常用的水质模型^[6]，此外还制定了大量环境模型开发、评价和应用的技术导则、指南和标准等^[7-8]。

1.2 加拿大

水质指数法常用于水源地水质分析评价，能够直观反映一段时间内的水质信息，由范围、频率和振幅3项指标计算得出^[9]，不同的水质指数对应了相应的水质级别。周淼等^[10]对4种水质评价方法进行分析与比较，评估结果发现，不同方法特点各异，水质指数法既能准确判定水质类别，又能识别最大污染因子，可以较全面地反映水质综合信息。

1.3 欧盟

欧盟将水质和水处理水平相结合，对水质评价设置了2个限值，一个是强制执行的限值，另一个是指导值^[11]，提出达到标准值所需的处理水平，将水处理水平划分为仅用物理处理和消毒、常规处理和消毒以及集约化处理和消毒3个等级^[5]。

1.4 中国

我国地表水水质评价和排名主要使用单因子评价法和城市水质指数法。单因子评价法是指将最差的参评指标类别作为综合水质评价结果；城市水质指数法是在水质指数法基础上的演变，综合考虑《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)^[12]表 1中除水温、总氮、粪大肠菌群外的21项指标，计算城市内河流、湖库水质指数的加权均值。

城市水质指数可综合、全面地反映城市地表水环境质量，为我国不同经济圈、城市群和流域的水环境质量排名提供科学依据和数据支撑。相关研究表明^[13-15]，2014年监测数据测算结果显示，长三角城市水环境质量优于珠三角和京津冀经济圈；2018年监测数据测算结果表明，安徽省皖南的地表水环境质量优于皖北，长江流域的城市地表水环境质量优于淮河流域；2015—2016年监测数据测算结果发现，广东省处于流域中上游的城市排名优于中下游城市。

2 应用实例 2.1 计算方法

根据生态环境部发布的《技术规定》，城市水质指数计算方法如下：

(1) 计算单指标水质指数。分别计算排名城市河流和湖库各项指标的浓度均值，未检出的按1/2检出限计算，单指标浓度值除以该指标Ⅲ类标准值，计算公式如下：

$ \mathrm{CWQI}(i)=\frac{C(i)}{C_{s}(i)} $

(1)

式中：C(i)——第i个指标的浓度值；C_s(i)——第i个指标的Ⅲ类标准值；CWQI(i)——第i个指标的水质指数。

(2) 计算河流、湖库水质指数。采用加和值法把单指标综合到河流和湖库的CWQI值，计算公式如下：

$ \mathrm{CWQI}_{\text {河流/湖库 }}=\sum\limits_{i=1}^{n} \mathrm{CWQI}(i) $

(2)

式中：CWQI_{河流/湖库}——河流或湖库的水质指数；CWQI(i)——第i个指标的水质指数；n——指标个数。

(3) 计算城市CWQI值。城市CWQI为河流和湖库断面(点位)数量的加权均值，计算公式如下：

$ \mathrm{CWQ} \mathrm{I}_{\text {㧴市 }}=\frac{\mathrm{CWQ} \mathrm{I}_{\text {河淯 }} \times m+\mathrm{CWQ} \mathrm{I}_{\text {愘库 }} \times n}{m+n} $

(3)

式中：CWQI_城市——排名城市水质指数；CWQI_河流——河流水质指数；CWQI_湖库——湖库水质指数；m——河流断面数；n——湖库点位数。

(4) 计算CWQI_城市变化程度。CWQI_城市变化程度通常指基于去年同期城市水质指数的变化，计算公式如下：

$ \Delta \mathrm{CWQ}_{\text {城市 }}=\frac{\mathrm{CWQI}_{\text {城市 }}-\mathrm{CWQI}_{\text {城市 } 0}}{\mathrm{CWQI}_{\text {城市 } 0}} $

(4)

式中：ΔCWQI_城市——城市水质指数变化程度；CWQI_城市——排名城市水质指数；CWQI_城市0——去年同期排名城市水质指数。

2.2 结果与分析

江苏省于2019年起开展城市地表水排名工作，范围是《江苏省考核工作委员会关于印发<江苏高质量发展监测评价考核实施方案>》(苏考发〔2018〕2号)中纳入高质量发展考核的63个县(市、区)的省考断面。

为分析不同流域和地区的城市水质特点，分别选取长江流域、淮河流域、苏南地区和苏北地区各6个县(市、区)省考断面进行城市水质指数测算分析，相关断面(点位)分布情况见图 1。

根据《技术规定》测算2020年上半年相关县(市、区)城市水质指数及变化程度，结果见表 2、图 2和图 3。CWQI值越低，地表水环境质量越好；△CWQI为负值时表明地表水环境质量变好，为正值时表明地表水环境质量变差。由表 2可见，苏南城市的城市水质指数平均值低于苏北城市16.2%；长江流域6个城市的城市水质指数在3.790 2~4.732 6之间，城市水质指数平均值为4.302 0；淮河流域6个城市的城市水质指数在5.606 5~6.570 2之间，城市水质指数平均值为5.944 7。由图 2和图 3可见，长江流域地表水水质整体优于淮河流域；苏南城市地表水水质略优于苏北城市；△CWQI的统计结果基本为负值，说明江苏省地表水环境质量整体呈改善趋势；长江流域a市的△CWQI为正值，说明该市2020年上半年水质较去年同期有所下降。

根据江苏2020年上半年各项指标水质指数结果，总磷指标水质指数贡献最大，因此对相关县(市、区)总磷水质指数进一步分析，2020年上半年江苏不同流域和地区总磷水质指数波动情况见图 4。由图 4可见，淮河流域总磷水质指数波动范围最大，为0.46~1.36，均值最高为0.812 9，说明淮河流域总磷污染问题较为突出，与水质监测结果总体相符。

3 存在问题

在进行江苏省城市水质指数及变化程度排名测算过程中，发现城市水质指数法在计算时存在数据修约、方法检出限、断面统计基数以及排名倒挂等4个方面问题。

3.1 数据修约

《排名方案》中的数据修约规则未考虑到部分指标方法检出限低的问题，导致部分指标，尤其是重金属指标修约前后偏差较大。《技术规定》中规定各指标浓度值按《GB 3838—2002》^[7]中的Ⅰ类标准值多1位修约，若修约为0则至少保留1位有效数字。如k市湖库点位2020年上半年铜的监测结果为0.000 56 mg/L，按修约规则保留3位小数结果为0.001，偏差达78.6%。

3.2 方法检出限

不同分析方法检出限不同，未检出的项目在计算水质指数时存在偏差，分析方法的变更还会导致△CWQI存在偏差。根据技术规定，低于检出限的项目，按1/2检出限参与计算。同为未检出的项目，若分析方法不同，则检出限不同，导致均为未检出的项目水质指数结果不同，从而影响CWQI或△CWQI的最终结果。如电感耦合等离子体质谱法和石墨炉原子吸收分光光度法对铅的检出限分别为0.09 μg/L和0.002 mg/L，偏差为2 122.2%；电感耦合等离子体质谱法和火焰原子吸收分光光度法对锌的检出限分别为0.7 μg/L和0.05 mg/L，偏差为7 042.9%；电感耦合等离子体质谱法和电感耦合等离子体发射光谱法对铜的检出限分别为0.08 μg/L和0.04 mg/L，偏差达49 900.0%。不同城市使用不同的分析方法一定程度上会导致水质指数结果的偏差。

3.3 断面统计基数

应用于较小单元的统计时存在断面数不合理而导致结果趋于极端的情况。若某市统计断面较少甚至仅有1个，该区域的CWQI结果有趋于极高或极低的风险，少量样本的水质极好或极差，均能直接影响该区域的计算结果，如a市仅有2个河流断面，样本量相对偏少，代表性相对较差。

3.4 排名倒挂

城市水质指数现状与变化程度排名出现“相互矛盾”的情况，即城市水质指数现状与变化程度“倒挂”，CWQI排名靠前，而△CWQI排名靠后，或CWQI排名靠后，而△CWQI排名靠前。这与区域水质现状及水质改善空间有关，若水质现状已普遍达到或优于Ⅲ类，且各项指标浓度均处于较低水平，该区域水质改善幅度则相对有限，反之亦然，如a市CWQI排名较前，但△CWQI排名居后，其水质改善的空间相比其他地区较小。

4 建议

城市水质指数法在地表水环境质量评价及管理中发挥了突出作用，为国家和各级地方政府公布城市地表水环境质量排名信息提供方法依据，为保障社会公众环境知情权和环境信息公开提供技术保障，但在实际应用时也存在一些问题，现提出以下建议：

(1) 计算过程中的数据修约导致部分指标修约前后偏差较大，建议修订计算方法，计算过程中不予修约，只在最终结果进行修约。

(2) 不同分析方法的检出限不同，导致未检出的项目计算结果存在偏差，可以通过统一实验室分析方法并加强实验室分析规范性来避免或降低影响。

(3) 断面统计基数较小时会出现统计结果趋于极端的情况，建议在进行地表水断面设置时对各区域断面数量进行权衡，尽量保持各区域断面数量的平衡性与可比性，如：将统计区域由区、县放大至地级市，或适当增加具有水系代表性的断面。

(4) 针对城市水质指数现状与变化程度排名出现倒挂的情况，建议水质现状满足一定条件的区域不纳入变化程度排名，避免出现水质现状排名较前而变化程度垫底的情况，如：水质现状均达到或优于Ⅲ类的区域或水质现状由好到差排名前20%的区域不参与变化程度排名。