基于CWQI法的城市水源地水质指数评价研究
水源地环境质量与人体健康息息相关，保障水源地水质是水环境管理中的核心工作。我国对水源地保护日益重视，水源地水质监测和水污染防治工作也不断加强，并取得了一定成效。然而，水源地水质状况仍然不容乐观，问题突出，如：水库型水源地水质达标率较低，甚至成为威胁我国饮用水安全的首要问题；部分地区水体富营养化情况普遍，对饮用水安全造成影响；锑、铁、锰等重金属或石油类特征因子超标等。分析江苏省水源地历史监测数据发现：一方面，江苏省水源地水质频繁波动，根据江苏省环境状况公报，“十三五”期间(2016年—2020年)，江苏省县级及以上城市集中式饮用水水源地达标率分别为88.7%、96.2%、90.6%、83.6%和92.2%，其中，2018年和2019年水源地达标率连续两年下滑；另一方面，水源地水质超标指标多样，常规项目和特征项目超标的问题兼有，部分应急备用水源地水质甚至持续超标。
水源地管理相关制度和政策的制定均以目标为导向，而水源地水质评价是管理部门有的放矢、精准施策的基础。本文研究分析了国内外水源地水质评价方法，结合城市水质指数(city water quality index，CWQI)方法的优点及其已应用于地表水环境质量城市排名的实际情况，将该方法应用于江苏省县级及以上城市饮用水水源地评价中，根据水源地CWQI对各市县(区)进行排名，从时间和空间角度分别反映江苏省水源地水质变化趋势和特征，以期为管理部门加强水源地精细化管控、提高水源地信息公开力度提供思路和支撑。
1 水源地评价方法概况
1.1 国内
我国水源地水质评价根据《地表水环境质量评价办法(试行)》进行单因子评价，水质评价根据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)和《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)的Ⅲ类水质标准或标准限值判断达标与否。
单因子评价法的实质是一票否决原则，用最差的单项指标水质代表整体水质，结论简洁单一，较为片面。例如，某水源地只因pH超标便被判定为劣Ⅴ类水质，但能通过自来水厂常规处理工艺即能达到出厂水标准。
1.2 国外
相关国际组织和欧美发达国家往往是根据水源地的生物、化学等综合指标的情况和对人体健康影响程度进行分级评价，例如：世界卫生组织(WHO)发布的《饮用水水质准则》中规定饮用水水质评价应进行优先性确定；美国环保署(EPA)结合水体功能评价水源地水质；欧盟委员会(EC)制定的《饮用水水质指令》，以饮用水达到饮用程度的处理措施和取水的适宜度为评价依据；加拿大环境部长理事会(CCME)使用加拿大水质指数法(CCME WQI)对水源地水质进行评价，该方法也被联合国环境署(UNEP)用于不同国家饮用水水质的评价；新西兰环境部(MENZ)根据饮用水标准相关指标的最大可接受值和指导值评价水体水质。
2 评价方法
对比分析国内外水源地水质评价方法(表1)，水质指数法适用范围广、评价结果全面，在区域或流域水源地水质评价中已有成熟应用：范灿鹏等采用综合污染指数法分析了珠海市金湾区水源地2016年—2020年的水质变化特征；费娟等运用内梅罗法、最差因子判别法、加权平均法计算水质综合指数，发现江苏省城市生活饮用水枯水期综合指数优于丰水期；袁丽艳等采用单因子评价和CCME WQI对比、结合的方式，对酒泉市“千吨万人”饮用水水源地进行分析，结果表明CCME WQI综合评价效果更客观。
表1 国内外水源地水质评价方法
目前，CWQI法已广泛应用于全国及各省地表水环境质量排名工作，具有评价指标全面且能够反映时空变化特征等优点。为了综合考虑水源地各项监测指标对水体水质的影响，本文采用CWQI法对“十三五”期间(2016年—2020年)江苏省县级及以上城市集中式饮用水水源地水质进行评价。
2.1 评价指标
根据江苏省县级及以上集中式饮用水水源地例行监测方案，监测指标和评价指标包含基本项目、补充项目和特定项目共计53项，即《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中pH、溶解氧、高锰酸盐指数等20项基本项目指标(除水温、化学需氧量、粪大肠菌群和总氮外),硫酸盐、氯化物、硝酸盐、铁、锰5项补充项目指标，以及三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯等28项特定项目指标。
2.2 评价对象
选取江苏省县级及以上城市集中式饮用水水源地作为评价对象，县级及以上城市集中式饮用水水源地一直以来都是环保部门例行监测的内容，监测断面(点位)相对固定。由于江苏省县级及以上城市集中式饮用水以地表型水源为主，本文仅针对江苏省地表水型水源地进行研究分析。
2.3 数据来源
基础监测数据来源于江苏省生态环境厅及江苏省环境监测中心公布的全省县级及以上城市集中式饮用水水源地水质数据，该数据每月进行信息公开，监测数据具有权威性、连续性和可靠性。
2.4 计算方法
第一步：用平均值法分别计算出排名区县水源地的各单项指标浓度均值，低于检出限的项目，统一按1/2检出限值参加各单项指标浓度的算术平均值计算。
第二步：常规项目指标依据各单项指标的浓度值除以该指标对应《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类标准值计算单项指标的水质指数，补充项目和特定项目指标依据各单项指标的浓度值除以该指标对应《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)的标准限值，计算单项指标的水质指数。单项指标的水质指数计算如式(1)。
(1)
其中：C(i)——第i个单项指标的监测值；
Cs(i)——第i个单项指标地表水Ⅲ类标准值或标准限值；
CWQI(i)——第i个单项指标的水质指数。
第三步：根据各单项指标的CWQI值采用加和值法分别综合出区县河流型和湖库型水源地的CWQI值，计算如式(2)。
(2)
其中：CWQI河流或湖库——河流型或湖库型水源地的水质指数；
n——指标个数。
第四步：用河流型和湖库型水源地数量的加权均值计算出排名区县水源地的CWQI值，计算如式(3)。
(3)
其中：CWQI区县——排名区县的水质指数；
CWQI河流——排名区县河流型水源地的水质指数；
CWQI湖库——排名区县湖库型水源地的水质指数；
M——排名区县的河流型水源地个数；
N——排名区县的湖库型水源地个数。
第五步：以CWQI结果为依据，以市县(区)为单位，按水质指数从小到大的顺序对江苏省各区县水源地水质指数进行排名。
3 评价及排名
3.1 总体情况
根据2.4小节的计算方法对江苏省各区县水源地水质指数进行计算，CWQI越低，水源地水质越好。统计2016年—2020年江苏省各市县级及以上城市集中式饮用水水源地水质指数，如图1所示。2016年—2020年，江苏省水源地水质指数在4.678 1～9.324 4，其中，苏州、常州、镇江和泰州4市5年水质指数波动范围较小，南通、徐州、盐城和宿迁4市5年水质指数波动范围较大。南京市5年水质指数在4.678 1～5.130 2，均处于最低水平且波动不大；徐州、盐城和宿迁3市5年平均水质指数分别为8.085 3、7.847 4和8.138 1，长期在高位波动。总体来看，全省水源地水质指数呈现苏南、苏中地区较低而苏北地区较高的特点，即苏南、苏中地区水源地水质整体好于苏北地区；此外，水源地水质指数波动范围也呈现苏南、苏中地区小于苏北地区的特征。
图1 2016年—2020年江苏省各市饮用水水源地水质指数变化
3.2 时间变化趋势
2016年—2020年江苏省县级及以上城市集中式饮用水水源地水质指数年度变化如图2所示。2016年—2020年，江苏省各区县水源地水质指数平均值分别为7.243 1、6.987 9、6.958 4、6.280 4和6.481 1，整体呈波浪型变化趋势，前4年均呈现连续下降的趋势，2020年稍有回升，“十三五”末期(2020年)水质指数较初期(2016年)降低了10.5%，表明江苏省水污染防治工作取得了初步成效。值得关注的是，2016年—2020年，超出全省各区县水源地水质指数均值的区县个数分别为25、24、25、29、30个，前3年处于稳定波动状态，2019年和2020年有明显上升的趋势，水污染防治成果有待进一步巩固和稳定。
图2 2016年—2020年江苏省县级及以上城市集中式饮用水水源地水质指数变化
3.3 空间分布特征
2016年—2020年江苏省各市县(区)水源地CWQI排名结果如图3所示。排序在前10名的市县(区)均位于苏南或者苏中地区，排序在后10名的市县(区)在苏北、苏中和苏南地区均有分布。前10名市县(区)中，南京市所占比例连续5年均为最高，为30%～40%；扬州市2016年—2019年所占比例次之，分别为20%、10%、20%和20%；“十三五”期间，苏州市前10名区县增加数量最多，2020年前10名区县苏州市占3个(常熟市、张家港市和太仓市)，较2016年增加了2个；镇江市和泰州市2016年—2018年前10名区县占比为10%～20%，但2019年—2020年均无前10名市县(区)；常州市2016年—2020年连续5年保持前10名市县(区)占比10%，均为溧阳市；南通市2017年、2019年、2020年前10名市县(区)占比分别为10%、20%和10%，波动较为频繁；无锡市2020年前10名区县破0(江阴市)。后10名市县(区)中，盐城市5年占比分别为40%、50%、30%、0和40%，呈现较大波动趋势；宿迁市5年占比分别为10%、10%、20%、20%和20%，泗阳县和泗洪县近3年时间均处于后10名水平；徐州市5年占比分别为10%、10%、20%、30%和10%，水质指数整体呈先升后降的趋势；南通市5年占比分别为20%、20%、20%、20%和0，2016年—2019年4年中稳定占据2席，至2020年已退出后10名的行列，其中，海安县2016年—2018年连年位列最末，2019年位列倒数第8位，至2020年已脱离后10名的范围。
图3 2016年—2020年江苏省县级及以上城市集中式饮用水水源地水质指数区县排名
3.4 主要污染指标
2016年—2020年江苏省水源地主要污染指标水质指数年度变化情况如图4所示。2016年—2020年，总磷水质指数为0.575 2～0.659 5，总体呈波动下降趋势；溶解氧水质指数为0.591 2～0.650 3，呈先降后升趋势；高锰酸盐指数水质指数为0.572 4～0.612 5，呈连续波动状态。从各单项指标的水质指数来看，总磷对江苏省水源地水质指数的贡献最大，其次分别为溶解氧和高锰酸盐指数，总体与江苏省地表水水质首要污染指标为总磷的特点具有一致性。
图4 总磷、溶解氧和高锰酸盐指数水质指数2016年—2020年变化
4 结论及探讨
4.1 结论
CWQI法对水源地水质评价具有较好的应用效果，可以基于不同时间尺度或空间范围进行纵向或横向的比较分析。
(1)江苏省水源地水质指数总体上呈现中南部地区较低、北部地区较高的特点，且中南部地区波动范围较北部地区小。
(2)从水质指数时间变化趋势来看，江苏省水源地水质指数总体呈下降趋势，但2020年略有回升，超过全省平均水质指数的区县近两年有上升趋势。
(3)从排名结果的空间分布特征来看，排名靠前的水源地主要分布在中南部地区，排名居后的水源地无明显区域性差异，在江苏北部、中部和南部均有分布。
(4)从江苏省水源地主要污染指标水质指数来看，对水源地水质指数影响最大的指标分别为总磷、溶解氧和高锰酸盐指数。
4.2 探讨
由于CWQI可基于时间和空间反映水源地水质变化情况，且指标覆盖广泛，较单因子评价法的“一票否决”更加全面客观，具有较大的应用空间，具体如下。
(1)参考CWQI的计算思路可评估饮用水处理措施的有效性。如计算水厂处理前后某项或某几项特征污染物指标的水质指数变化，ΔCWQI为负值说明该水厂工艺对于该项或该几项特征污染物的去除有效；如为正值，表明该水厂工艺对于该项或该几项特征污染物的去除缺乏针对性，需进一步优化。
(2)应用于饮用水风险级别的预警预报。以水源地不同时间序列的CWQI为预警线参考值，可以月为单位进行日常监控管理，或以年为单位进行风险预警。
