流域是具有层次结构和整体功能的复合系统，流域水循环不仅构成了社会经济发展的资源基础和生态环境的控制因素,也是诸多水问题和生态问题的共同症结所在，成为制约社会经济与环境协调发展的重要因素之一^{[1, 2, 3]}。我国水资源数量有限且在时间和空间的分布不均，但人口增长与经济发展使得用水量不断增加，废水排放量也不断增加，而水资源开发难度不断加大，可利用的水量不断减少^[4]。

在水资源严重短缺的形势下，各种类型的水利工程、环保工程为水资源的开发利用和分配奠定了坚实基础。但仅仅依靠工程措施与技术措施，并不能有效缓解当前经济发展中面临的水资源与水环境危机。换言之，在当前既定的水资源数量与质量的双重约束条件下，只能从水资源与水环境管理制度入手，通过对人与社会的管理，实现水资源与水环境管理制度的体系创新，强化节水意识，提高水资源利用效率^{[5, 6]}。

本文对辽河流域现行管理制度中的跨界断面考核制度进行了详细研究 ^{[7, 8]} ，并以辽河铁岭段数据为基础进行水质分析，以得到的评价结果为依据对跨界断面管理制度存在的不足和缺点进行修改和完善，以求改进之后的制度能更好地对辽河流域水环境进行管理。

对跨行政区河流断面的水质进行考核，目的是使县（市）区政府能够更严格地履行对辖区内环境质量负责的法定职责，更有效地对跨行政区河流交接断面水质实行管理考核，更合理地进行水环境综合治理和水环境质量改善^[9]。许多地区根据管辖区内流域的实际情况制定相关的跨界断面管理政策，提出了水环境管理具体要求、水质考核准则和奖励惩罚标准等内容，如广东省^[10]、山西省^[11]、宁夏回族自治区^[12]、宁波市^[13]等。

辽河是我国七大江河之一,整个辽河水系分为辽河和大辽河。其中，辽河又包括东辽河和西辽河两个水域，西辽河发源于河北省，流经内蒙古自治区的东南部、吉林省西部和辽宁省的大部分地区；东辽河发源于吉林省东辽县，向南依次流经辽源、梨树、公主岭和双辽。东辽河和西辽河在辽宁省康平县汇合，最后在辽宁省盘锦市汇入渤海。大辽河是由浑河和太子河汇合而成，太子河发源于本溪市，向南流经辽阳、鞍山；浑河发源于抚顺滚马岭，流经抚顺和沈阳，并在鞍山海城市接纳太子河，向南在营口市注入辽东湾。辽河水系主要流经区域为我国东北地区西南部,流域总面积约为21.96 km²，流域人口约为3500万。自“九五”以来，辽河就被纳入国家重点治理的“三河”之中，“十五”、“十一五”、“十二五”期间也一直是国家重点治理的河流。为了更好地控制污染，提高辽河水质，辽宁省出台了多项环境管理政策，如红黄警戒制度、河段长制度和源头治理等^[14]。

辽宁省政府于2008年颁布了《辽宁省跨行政区域河流出市断面水质目标考核暂行办法》，其中规定了跨界断面的设立、考核标准的确定、监测频率和惩罚标准等事项。

（1）省环保厅负责确定出市断面水质考核目标值，省环境监测中心负责监测，逐月考核，每月监测数据于下月5日前上报省环保厅。

（2）省环境保护行政主管部门根据监测结果,确定每月应缴纳的补偿资金总额。于每月15日前将核定的上月各断面应缴纳的补偿资金通报各有关市人民政府,同时抄送省财政厅，由省财政厅在年终结算时一并扣缴。

（3）按照水污染防治的要求和治理成本，扣缴标准暂定为：辽河干流（包括辽河、浑河、太子河、大辽河）超标0.5倍及以下，扣缴50万元，每递增超标0.5倍，加罚50万元，其他河流超标0.5倍及以下，扣缴25万元，每递增超标0.5倍，加罚25万元。

从以上主要内容可以看出，《辽宁省跨行政区域河流出市断面水质考核暂行办法》对考核项目进行了较为全面的规定，但是具体到各个考核项目的实施细则，则没有进行详尽的说明，这些不完善的地方就会使进行水质考核时出现很多困难。存在不足的方面主要包括：

（1）监测频率。每月监测一次是否过于频繁，特别是对于水质较好的河流，是耗时耗力的，对于考核周期来说，应缴纳的补偿资金每月核算一次，年底统一扣缴资金数目大，很难落实到位，资金不到位会影响下一步的治污工作。

（2）水质考核方法。只对水质指标监测值进行考核，在两种情况下不能客观反映水质实际变化：

一是河流经过治理之后，水质考核未达标，但和上一月份相比有改善。

二是河流在某个月份水质达标，但与上一月份相比，污染物浓度值有升高。

（3）水质目标考核值的确定.对于不同的月份按照同一个目标值进行考核存在不合理的地方，在不同的季节除河流本身接纳的污染物质外，还有可能会因为许多客观条件的不同，导致河流本身对污染物的降解能力产生差异。

针对以上提出的原考核办法中存在的不足，本文从以下三方面做出修改和补充，使完善之后的方法能更有效地进行水环境管理。

（1）对于水质好的河流监测频率和考核周期可以由一月一次调整为一季度一次；对于水质较差的河流，则维持原来的每月一次监测频率，并采用合理的数学方法求出一个综合三个月的季度值与考核值进行比较。

具体季度监测值计算方法可以参照超标加权法^[15]，超标加权法是一种应用较为广泛的求客观权重的方法。按照这种方法，数值越大的月份，在计算季度数值时，所占比例也越大，对季度数值的贡献率也越大。比如，以第一季度为例，设1、2、3三个月份的COD月监测值分别为25、20、15，三者相加和为60，则它们对季度值的贡献率分别为 。用超标加权法计算得到季度监测值：

（2）对原考核办法做补充和完善：除了对考核目标水质得分值考核之外，加上对考核目标浓度变化值的考核，并对两者赋予一定的权重值，之后再相加得到一个总得分作为最终的考核得分

考核目标水质得分值的计算：首先确定一个基准分值，假设为10分。以《辽宁省跨行政区域河流出市断面水质考核暂行办法》中确定的0.1倍为标准，出境断面浓度值减去入境断面浓度值，将差值与出境断面目标做比较，每超标0.1倍，得分值减1分；每减少0.1倍，得分值加1分。若差值与目标值相同，说明出境断面水质达标，考核目标水质得分值为10分。

考核目标浓度变化值的计算：若按每季度一次的频率进行水质考核，则每年考核四次，出境断面值减去入境断面值得到差值，设为C_n（n=1,2,3,4）。将C_n+1与C_n的数值作比较，每超过0.1倍，得分值减1分，每减少0.1倍，得分值加1分。若C_n+1与C_n相同，则得分为基准分10分。

（3）使用主成分分析法对各月份的水质进行分析，并以考核水质得分值为基准，根据水质得分值与考核水质得分值的分差，对不同月份给予不同的考核基准分进行考核。

辽河流域铁岭段主要监测断面，如图1所示。

图 1

图 1 辽河流域铁岭段主要监测断面位置

包括辽河干流福德店、三合屯、朱尔山三个监测断面，辽河一级支流招苏台河通江口断面，清河清辽断面，柴河东大桥断面和汎河黄河子断面，清河一级支流寇河松树断面和马仲河门脸断面。

本文采用主成分分析法对七个监测断面的水质进行分析，主成分分析法最早由美国统计学家K.Pearson在1901年的生物学理论研究中针对非随机变量的计算引入，之后由美国的数理统计学家Hotelling^[16]在1933年正式提出并逐渐发展。

主成分分析法是一种多元统计分析方法，运用降维的方式，将影响某个事物的多个属性进行简化处理，从多个属性中选取出有代表性的几个代替所有属性来反映对事物的影响，在数学角度上是一种降维处理技术，是一种可以在多个学科中应用的数学方法。

主成分分析法在水质评价中的应用也越来越多，对反映水质的多个评价指标进行主成分分析，通过降维的方式，从所有水质指标中选出对水质影响最明显的，并获得影响水质的主要污染物的相关信息^[17]；也可以通过求主成分得分值判断水体水质类别^{[18, 19]}。

以辽河铁岭段七个主要监测断面2008—2013年6年和寇河松树断面2012—2013年逐个月份的水质监测数据为基础进行主成分分析，求得各个监测断面每年逐月份水质得分值，并将得分值作折线图获得水质变化规律，为《辽宁省跨行政区域河流出市断面水质考核暂行办法》中的监测频率和考核周期的调整提供数据上的支持。

以柴河东大桥断面为例说明主成份分析及水质确定的过程。表1列出了东大桥断面2013年1-12月的水质监测数据。

表 1

表 1 柴河东大桥断面2013年各月份水质监测数据 (mg/L)

表 1 柴河东大桥断面2013年各月份水质监测数据

将以上数据输入SPSS软件进行降维处理和因子分析^[20]，最后得到2013年各月份和五类标准水体的水质主成分得分，如表2所示。

表 2

表 2 东大桥断面2013 年各月份主成分得分值

表 2 东大桥断面2013 年各月份主成分得分值

由于表1中所列的水质考核指标均为数值越小代表污染越清，因此在由最后求得的主成分得分值来判断水质所属类别时，应是分值越小代表水质越好。按照各个月份水质得分值与五类标准水体得分值的大小关系，确定各个月份的水质所属类别。

按照如上所示分析方法再依次求出东大桥断面2008—2012年五年的主成份得分值，并将东大桥断面所有6年的主成份得分值作折线图，如图2所示，判断水质变化趋势。

图 2

图 2 东大桥断面2008—2013 年各月份水质变化

从图2中东大桥断面2008—2013年各月份水质变化趋势可以看出：

（1）单独看各个月份的水质，呈现不规律性变化，有的水质偏好，有的水质偏差。

（2）从一年的12个月份来看，虽然水质变化情况不一，但是以季度为单位每一个季度内三个月份的水质比较接近，变化不大，在水质变化波动较大的2011年，1—3月、4—6月、10—12月也是如此。

依据对东大桥断面的水质分析方法，对其余六个断面2008—2013年和寇河松树断面2012年、2013年两年的水质数据进行分析，并作水质变化折线图。限于文章篇幅，其余六个断面和寇河松树断面2012—2013年的主成分分析结果和水质变化折线图不再列出。将八个折线图进行总结，最后可以得出结论：在所有八个监测断面的统计中，多数的水质变化在一个季度内呈规律性变化，即一个季度的三个月内水质评价数据较为接近。

为了更准确地说明这一变化规律，将八个监测断面每一年四个季度内三个月份的水质得分值，共176组数据求方差并作出方差的分布直方图，如图3所示。

图 3

图 3 方差值分布直方图

在176组数据中，114组方差值都在0~0.1的范围，其他组数据的方差值也都较小，这说明各数组内的各个数据之间差异程度小，波动较小，也就能说明每个季度内的3个月份水质接近。所以，这可以为河流监测频率从一月一次调整为一季度一次提供数据支撑。

为了对修改之后的方法有一个更直观的了解，仍以2013年东大桥断面为例，说明改进之后方法对水质进行考核的步骤。

对图2中12个月份的主成分得分值以季度为单元，求出每个季度的平均主成分得分值，第一季度到第四季度分别为-1.33、-1.23、1.36、-1.01。根据水质考核要求，2013年东大桥断面的水质类别应达到Ⅲ类，图2中Ⅲ类水体对应的水质得分为1.06。以1.06作为基准，各季度主成分得分值与Ⅲ类水质得分的分差分别为：一季度2.39；二季度2.29；三季度-0.3；四季度2.07。为了计算方便，设Ⅲ类水体，即考核标准的水质得分值为10分，则以10分为基准分，按照主成分得分的差值分别给予四个季度不同的考核基准分：一季度7.6分；二季度7.7分；三季度10.3分；四季度7.9分。

以COD为例计算第四季度的考核得分：

（1）计算第四季度COD季度数值，按照超标加权法可得，

（2）考核目标水质得分值为：（20－13.1）÷20=0.34，监测值优于考核值0.34倍，所以应在基准分7.9分上加3.4分，即考核目标水质得分值为11.3分。

（3）考核目标浓度变化值是与第三季度做比较，（23.7－13.1）÷23.7=0.45，即与上一季度相比，水质变好0.45倍，在基准分7.9分上加4.5分，浓度变化值得分为12.4分。

两者按照各一半的权重进行赋权，即最后的总得分为：11.3×0.5＋12.4×0.5=11.85，比考核基准分10分多1.85分，优于考核标准0.18倍，应该进行奖励。

按照原考核办法计算，COD的超标倍数为0.34倍，这与改进之后方法计算不同，是因为加入了浓度变化值的考核并且以目标水质得分值为基准，对考核断面的考核值做了调整。

（1）根据通过主成分分析法对辽河铁岭段八个断面2008—2013年水质数据的分析结果，做出将原出市断面考核制度中的监测频率由一月一次调整为一季度一次的结论。

（2）在原出市断面考核制度中加入对水质浓度变化值的考核；使用主成分分析法求得水质得分值，以目标水质得分为基准，对不同季度的水质考核确定不同的考核值。并以东大桥断面2013年为例计算，将改进之后的方法与原考核制度中的方法进行比较，两种方法所得结果存在差异，说明改进之后的方法比只考虑目标水质得分值能更好地反映水质变化情况。

（3）本文对考核目标水质得分值与浓度变化值的权重按照各一半赋予。但为了更明显地体现两者在考核得分中所起的作用，应根据不同的水质情况赋予两者不同的权重值，本文中没有对此做更深入的讨论。

（4）为了更加客观和准确地对水质进行评价，对不同月份或不同季度的考核应按照不同的目标值进行。本文以主成分分析得分值为参照，以目标水质得分值为基准，对不同季度水质考核值做了相应调整。这种方法只是对不同季度水质考核按照不同标准进行的一种参考方法，其中还有许多不完善的地方可以改进。比如，本文中对于水质比考核标准值差的季度给予较高的考核分值，这种调整方式是为了减小由于客观条件导致河流本身降解能力下降而使水质变差的情况产生的影响，但是出现河流水质比考核标准值差的情况，也有可能与客观条件无关而是由超标排污引起，这种情况下，本文所做出的调整方式就不再适合。所以，当对不同的季度给予不同的基准分进行考核时，还应该更深入地调查引起水质变化的确切原因。