南水北調(diào)東線一期工程省際水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣頻率的計(jì)算與制定

徐冬梅 尚春林 秦朝俊 曹艷秀

（1淮河流域水資源保護(hù)局 蚌埠 233001 2安徽省環(huán)境監(jiān)察局 合肥 230000）

南水北調(diào)東線一期工程省際水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣頻率的計(jì)算與制定

徐冬梅1尚春林1秦朝俊2曹艷秀1

（1淮河流域水資源保護(hù)局 蚌埠 233001 2安徽省環(huán)境監(jiān)察局 合肥 230000）

水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣頻率計(jì)算是水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作中重要的基礎(chǔ)工作。確定合適的采樣頻率，既能滿足監(jiān)測(cè)目的的要求，又可以減少工作量，節(jié)省物力財(cái)力。根據(jù)2007年南水北調(diào)東線一期工程省際水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行水質(zhì)采樣頻率的計(jì)算，該計(jì)算方法以年為計(jì)算時(shí)段，依據(jù)水體中物質(zhì)含量變化幅度大小以及不同測(cè)站的不同特性、水情和調(diào)水情況，確定相應(yīng)的采樣頻率。用該方法計(jì)算的水質(zhì)采樣頻率，可為制定水質(zhì)監(jiān)測(cè)方案提供參考依據(jù)。

水質(zhì)監(jiān)測(cè) 標(biāo)準(zhǔn)偏差 置信度 采樣頻率

水質(zhì)監(jiān)測(cè)是監(jiān)視和測(cè)定水體中污染物的種類、各類污染物的濃度及變化趨勢(shì)，評(píng)價(jià)水質(zhì)狀況的過程，不同的監(jiān)測(cè)斷面各種物質(zhì)含量的變化幅度是不同的。因此，對(duì)不同的監(jiān)測(cè)斷面，應(yīng)根據(jù)物質(zhì)含量變化情況選擇適當(dāng)?shù)牟蓸宇l率。水質(zhì)監(jiān)測(cè)的任務(wù)是要求掌握監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)變化情況。從精度方面考慮，采樣次數(shù)越多，水質(zhì)變化情況反映的越清晰，但工作量就會(huì)增大；如果采樣次數(shù)太少，達(dá)不到精度要求，不能正確反映水質(zhì)變化情況則達(dá)不到監(jiān)測(cè)目的。因此，選擇合適的采樣頻率是水質(zhì)監(jiān)測(cè)中一項(xiàng)重要工作。

1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣頻率的計(jì)算

水質(zhì)是天然現(xiàn)象和人類活動(dòng)影響的函數(shù)，一般影響水質(zhì)變化的這兩種因素在某種程度上受機(jī)遇法則的支配，這一點(diǎn)對(duì)由于天然水文循環(huán)對(duì)水質(zhì)變化帶來的影響尤為明顯。一個(gè)區(qū)域或流域在一定時(shí)期內(nèi)，正常情況下人類活動(dòng)對(duì)水質(zhì)的影響是隨機(jī)的，因此，可以利用有限的水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來估算水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測(cè)的采樣頻率。由水文循環(huán)過程及水資源補(bǔ)給方式可知，水文循環(huán)過程是以年為周期進(jìn)行的，因此頻率計(jì)算時(shí)段以年為周期進(jìn)行計(jì)算。

設(shè)在相同條件下，在一年內(nèi)對(duì)某水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面中某物質(zhì)含量進(jìn)行了n次獨(dú)立的化驗(yàn)分析，測(cè)得結(jié)果用x1，x2，…，xn表示，設(shè)其算術(shù)平均值為：

從少數(shù)分析結(jié)果中得到的平均值帶有不確定度。在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中，一年內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)次數(shù)是有限的。用算術(shù)平均法計(jì)算出的年平均值代表性與水質(zhì)監(jiān)測(cè)次數(shù)有關(guān)。

在平均值的真值a未知的情況下，可利用貝塞爾公式，用殘余誤差平方和的方差作出估計(jì)，則方差的估計(jì)值為：

真值所在范圍即置信區(qū)間，或叫“置信界限”，則平均值在置信水平為（1-α）情況下置信區(qū)間為：

對(duì)監(jiān)測(cè)資料要求的精度與采樣次數(shù)也有關(guān)系。采樣次數(shù)愈多水質(zhì)資料的代表性愈高。設(shè)R為水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目平均值的允許誤差，則平均值在置信水平一定的情況下，置信區(qū)間為：

在允許誤差給定的情況下，有如下關(guān)系式：

由（6）式可以看出，計(jì)算n值要用迭代方法進(jìn)行計(jì)算。首先要估計(jì)一個(gè)n值，以便確定自由度，使用公式（6）可以進(jìn)行第一次試算。然后在第一次估計(jì)值和第一次試算結(jié)果之間選擇新的近似值，進(jìn)行第二次試算。重復(fù)此步驟到估算和計(jì)算的n相等或接近為止。

本文根據(jù)2007年南水北調(diào)東線一期工程省際水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以氨氮、高錳酸鹽指數(shù)為參數(shù)（氨氮、高錳酸鹽指數(shù)為控制指標(biāo)，也是常常超標(biāo)的指標(biāo)），取90%的置信度（一定概率下真值的取值范圍稱為置信區(qū)間，其概率為置信度，置信度高低說明估計(jì)的把握程度，置信度越大把握性越大，但應(yīng)結(jié)合實(shí)際工作需要確定置信度，分析工作中通常將置信度定在95%或90%），并保持相對(duì)偏差絕對(duì)值不大于20%，利用下列公式計(jì)算采樣頻率：

式中，t（r，P）由t值表查得，r（r=n-1）為自由度，n為2007年實(shí)際測(cè)次，P為概率，s為樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差，以示區(qū)別用N表示年理論測(cè)次。

按上式計(jì)算，南水北調(diào)東線一期工程省際水質(zhì)監(jiān)測(cè)36個(gè)斷面理論采樣頻率為：CODMn為每年1～8次；NH3-N為每年1～30次；綜合理論測(cè)次（采用單一法）為3～30次，其中每年10次以下的有6個(gè)斷面，每年10～20次的有13個(gè)斷面，每年20～30次的有5個(gè)斷面，大多斷面的采樣頻率為每年10～20次（其余斷面由于數(shù)據(jù)缺省沒有計(jì)算）。

2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣頻率的制定

上述水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣頻率的計(jì)算方法，只是從概念上進(jìn)行分析，僅考慮純粹的隨機(jī)變化，并未考慮季節(jié)性變化以及測(cè)站的特性和監(jiān)測(cè)目的等因素。根據(jù)不同的水質(zhì)監(jiān)測(cè)目的，采集頻率要能在時(shí)間和空間上反映其變化規(guī)律。

本文采樣頻率是根據(jù)水質(zhì)的時(shí)空變化和監(jiān)測(cè)目的來確定。一般來說，重點(diǎn)站主要是為了解輸水干線水質(zhì)長期變化趨勢(shì)，采樣頻率應(yīng)該是自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)；基本站的采樣頻率一般采用自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，但可以是準(zhǔn)連續(xù)的；輔助站采用人工進(jìn)行監(jiān)測(cè)。流動(dòng)監(jiān)測(cè)站根據(jù)水質(zhì)變化情況靈活掌握監(jiān)測(cè)頻率，并開展水污染追蹤調(diào)查和采取應(yīng)急響應(yīng)措施。

考慮到既要反映水質(zhì)狀況，又要切實(shí)可行，以及不同測(cè)站的不同特性、水情和調(diào)水情況，南水北調(diào)東線一期工程輸水干線監(jiān)測(cè)頻次初步確定如下：（1）調(diào)水期：為保證調(diào)水的水質(zhì)，重點(diǎn)站采樣頻率為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基本站采樣頻率為一月兩次，輔助站采樣頻率為一月一次。（2）非調(diào)水期：非調(diào)水期也為汛期，水質(zhì)相對(duì)較好，可以相對(duì)減少采樣次數(shù)，重點(diǎn)站采樣頻率為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基本站采樣頻率為一月一次，輔助站采樣頻率為一月一次。但實(shí)際操作時(shí)要考慮水情，在汛初要適當(dāng)加密采樣頻率，及時(shí)反映水質(zhì)狀況，以減少因入河污染物在汛初隨洪水下泄對(duì)下游造成的污染危害。流動(dòng)監(jiān)測(cè)站根據(jù)水質(zhì)變化情況靈活掌握監(jiān)測(cè)頻率，并開展水污染追蹤調(diào)查和采取應(yīng)急響應(yīng)措施。

3 結(jié)論

監(jiān)測(cè)中，采樣頻率的確定是監(jiān)測(cè)工作的基礎(chǔ)，也是一個(gè)復(fù)雜的過程。采樣頻率受很多因素影響，如監(jiān)測(cè)目的、監(jiān)測(cè)條件、經(jīng)費(fèi)來源以及管理情況等。選擇合適的水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣頻率，是做好水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作的重要部分。本文采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣頻率的計(jì)算，并結(jié)合南水北調(diào)東線一期工程省際水質(zhì)監(jiān)測(cè)不同測(cè)站的特性、水情和調(diào)水情況，確定相應(yīng)的采樣頻率，為制定南水北調(diào)東線一期工程省際水質(zhì)監(jiān)測(cè)方案提供依據(jù)