區(qū)域地表水監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化調(diào)整的技術(shù)方法

李 茜，張建輝，羅海江

(中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012)

·解析評(píng)價(jià)·

區(qū)域地表水監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化調(diào)整的技術(shù)方法

李 茜，張建輝，羅海江

(中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012)

對(duì)中國(guó)地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)的現(xiàn)狀及問(wèn)題進(jìn)行分析，簡(jiǎn)要回顧了中國(guó)地表水監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置及優(yōu)化的研究進(jìn)展，論述了區(qū)域地表水點(diǎn)位優(yōu)化的目的和原則，提出從宏觀、中觀、微觀3個(gè)層次的對(duì)區(qū)域地表水監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行調(diào)整的步驟和方法，并闡述了地理信息系統(tǒng)技術(shù)在監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化中的作用。

地表水;斷面優(yōu)化;地理信息系統(tǒng)

1 現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

中國(guó)地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的設(shè)置主要以城市為中心，從行政區(qū)劃的角度來(lái)設(shè)置。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市規(guī)劃布局以及排污量的改變，地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的布設(shè)需要不斷優(yōu)化調(diào)整以適應(yīng)新的變化，保證監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置的科學(xué)性，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的代表性，更加全面客觀地反映地表水環(huán)境質(zhì)量。

中國(guó)地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)存在的主要問(wèn)題是斷面的設(shè)置在城市及周邊斷面設(shè)置比較集中，未充分考慮流域(區(qū)域)的自然和社會(huì)人文特征，不能全面反映河流水質(zhì)現(xiàn)狀;地表水監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)結(jié)果只代表該斷面本身的水質(zhì)，無(wú)法代表一定長(zhǎng)度河段的水質(zhì)。

2 優(yōu)化目的和原則

2.1 優(yōu)化目的

水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化設(shè)置，就是利用監(jiān)測(cè)資料對(duì)區(qū)域水環(huán)境劃分級(jí)別或類型，在空間上結(jié)合水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的重要性和沿程變化，科學(xué)合理地布設(shè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，使地表水?dāng)嗝婕饶軡M足長(zhǎng)期積累水環(huán)境資料、進(jìn)行地表水環(huán)境評(píng)價(jià)和趨勢(shì)分析的需要，也能及時(shí)掌握水環(huán)境和水污染變化動(dòng)態(tài)，作出預(yù)報(bào)預(yù)警。

區(qū)域地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化設(shè)置的目的是以較少的人力和物力代價(jià)獲得區(qū)域地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的斷面具有區(qū)域代表性和綜合代表性，能從宏觀上反映整體的水環(huán)境質(zhì)量信息，通過(guò)對(duì)優(yōu)化斷面的監(jiān)測(cè)，可以掌握區(qū)域(流域)的水環(huán)境質(zhì)量狀況及其變化趨勢(shì)，污染現(xiàn)狀、分布規(guī)律及變化趨勢(shì)。

2.2 優(yōu)化原則

(1)代表性。有足夠代表性的區(qū)域尺度河流水環(huán)境質(zhì)量信息及其污染變化趨勢(shì)，為河流水質(zhì)污染控制管理提供科學(xué)依據(jù)。

(2)合理性。優(yōu)化布設(shè)后監(jiān)測(cè)斷面上獲取的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，保證空間分布上重復(fù)性小，代表性好，同時(shí)要保證具有足夠水質(zhì)信息量以表現(xiàn)出區(qū)域(流域)地表水環(huán)境質(zhì)量。

(3)科學(xué)性。水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置科學(xué)合理，能夠科學(xué)地反映流域水質(zhì)情況。

(4)可行性。監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化必須考慮實(shí)施監(jiān)測(cè)采樣的現(xiàn)實(shí)可能性。對(duì)實(shí)施監(jiān)測(cè)采樣的條件，包括水文測(cè)試、交通便利、行政管理等給予盡可能周到的考慮。

(5)可操作性。監(jiān)測(cè)斷面的優(yōu)化是在現(xiàn)有斷面基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是依據(jù)一定的優(yōu)化方法和原則適當(dāng)調(diào)整現(xiàn)有斷面。

在以上原則的基礎(chǔ)上，尋求斷面數(shù)量適宜、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代表性好和監(jiān)測(cè)費(fèi)用低三者之間的最優(yōu)組合。

3 研究進(jìn)展

國(guó)外于20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始水環(huán)境監(jiān)測(cè)站網(wǎng)設(shè)置的研究。1976年，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和水資源委員會(huì)合作，將全美國(guó)的流域劃分為21個(gè)區(qū)域，352個(gè)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)單位。80年代初，美國(guó)SANDERS發(fā)表專著，系統(tǒng)地介紹了水環(huán)境監(jiān)測(cè)站的設(shè)置［1］。他在其1983年出版的經(jīng)典著作《水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)》中提出:“設(shè)立一個(gè)河流監(jiān)測(cè)網(wǎng)有以下4個(gè)步驟:選擇采樣河段;在該河段內(nèi)選擇指定站址及斷面;在各斷面上確定采樣點(diǎn);確定能說(shuō)明水質(zhì)變化趨勢(shì)的采樣頻率?！?/p>

中國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的設(shè)置工作。國(guó)內(nèi)通常的水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位優(yōu)化均是以國(guó)家環(huán)境保護(hù)局于1986年頒布的《環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》為根本依據(jù)的。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的水環(huán)境監(jiān)測(cè)斷面(點(diǎn)位)優(yōu)化的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法有聚類分析法、主成分分析法、均值偏差法、斷面綜合指數(shù)法等。

聚類分析方法是對(duì)統(tǒng)計(jì)樣本進(jìn)行定量分類的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，運(yùn)用聚類分析進(jìn)行點(diǎn)位優(yōu)化，具有物理意義明確、分類恰當(dāng)、優(yōu)化合理、易于操作的優(yōu)點(diǎn)［2］。主成分分析方法是將水質(zhì)污染特征因素作為待求因子，建立水質(zhì)污染特征因素與測(cè)點(diǎn)間的數(shù)學(xué)模型，再由該數(shù)學(xué)模型計(jì)算出各點(diǎn)位相對(duì)污染程度，該方法固定、簡(jiǎn)便，一次計(jì)算即可把水質(zhì)情況相近的采樣點(diǎn)歸劃為一類，結(jié)果直觀、準(zhǔn)確［3］。均值偏差法就是根據(jù)以往的監(jiān)測(cè)資料，對(duì)己有例行監(jiān)測(cè)斷面上的不少于5年的歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行平均值、偏差值等統(tǒng)計(jì)特征值的計(jì)算，借以確定對(duì)照、控制和消減三類斷面并對(duì)同類斷面進(jìn)行優(yōu)化精簡(jiǎn)的方法［4］。

吉林省在1995年對(duì)松花江中上游的松花湖進(jìn)行了水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化。運(yùn)用1987—1991年的5年水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)和分析，按污染指數(shù)大小選擇前5項(xiàng)污染指標(biāo)作為污染參數(shù)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析和模糊聚類分析，把松花湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)原有的10個(gè)斷面削減為5個(gè)斷面［5］。

河南省在2000年提出了地表水監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化的5項(xiàng)原則，即監(jiān)測(cè)斷面分級(jí)管理、網(wǎng)絡(luò)功能專一性、分類分段有序優(yōu)化、監(jiān)測(cè)斷面高效、監(jiān)測(cè)斷面與監(jiān)測(cè)頻率同時(shí)優(yōu)化，并通過(guò)5項(xiàng)原則的應(yīng)用對(duì)地表水省控?cái)嗝孢M(jìn)行優(yōu)化布點(diǎn)。優(yōu)化的結(jié)果使得汝陽(yáng)紫羅山斷面、故縣水庫(kù)斷面等14個(gè)地表水質(zhì)量監(jiān)測(cè)斷面減少監(jiān)測(cè)頻率［6］。

2005年，云南省進(jìn)行省控地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位優(yōu)化認(rèn)證工作，調(diào)整了設(shè)置欠合理的點(diǎn)位，并進(jìn)行了點(diǎn)位增設(shè)。綜合運(yùn)用了3種優(yōu)化方法:歷史數(shù)據(jù)估算法選擇污染負(fù)荷前5位的污染因子，對(duì)有5年或以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;擴(kuò)散模式法用于水文數(shù)據(jù)較為全面，有一定研究基礎(chǔ)的特定河段或湖區(qū);綜合技術(shù)法是綜合運(yùn)用探索性加密實(shí)測(cè)、現(xiàn)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、綜合判斷技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)點(diǎn)位優(yōu)化布設(shè)和認(rèn)證后，省控地表水河流斷面增加45個(gè)，減少斷面17個(gè)，調(diào)整斷面18個(gè)［7］。

全國(guó)部分省份在近幾年利用傳統(tǒng)方法或探索一些新的方法進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)［8－11］。隨著環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)踐，地表水水質(zhì)斷面的優(yōu)化工作的思路逐步拓展，運(yùn)用的技術(shù)方法不斷進(jìn)步，環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的設(shè)置方法會(huì)更加科學(xué)合理。

4 區(qū)域地表水監(jiān)測(cè)斷面(點(diǎn)位)優(yōu)化方法

區(qū)域地表水監(jiān)測(cè)斷面(點(diǎn)位)的優(yōu)化應(yīng)在空間尺度上逐層遞進(jìn)，可以包含宏觀、中觀、微觀3個(gè)層次的調(diào)整和定位，將科學(xué)布設(shè)與實(shí)際狀況相結(jié)合，采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)點(diǎn)與技術(shù)論證、理論結(jié)果與實(shí)測(cè)檢驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)路線，使斷面布設(shè)具有代表性和可操作性。

區(qū)域地表水監(jiān)測(cè)斷面(點(diǎn)位)優(yōu)化的基本步驟可以概括為:首先在宏觀的層次，根據(jù)區(qū)域地表水水系的分布狀況，從流域的角度，確定各流域的斷面數(shù)量;其次將流域的河流分段，在中觀的層次，從河段的角度，評(píng)價(jià)在各段設(shè)斷面的相對(duì)必要性，根據(jù)以上宏觀和中觀的分析結(jié)果制定斷面調(diào)整方案，即保留和新增哪些斷面;最后進(jìn)行微觀調(diào)整和定位，對(duì)于新設(shè)斷面及合理性較差的現(xiàn)有斷面，借助適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行微觀定位，使其斷面數(shù)量最優(yōu)，位置符合布設(shè)原則。

4.1 確定各流域斷面數(shù)目

根據(jù)區(qū)域地表水水系分布情況，從流域的角度出發(fā)，在宏觀上確定各流域要科學(xué)地反映水環(huán)境質(zhì)量狀況所需的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)數(shù)目。方法是根據(jù)各流域自然、人文和經(jīng)濟(jì)等情況，構(gòu)造出流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)目經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?jì)算結(jié)果在一定程度上反映了各流域布設(shè)斷面的密度，可以作為優(yōu)化布點(diǎn)的參考指標(biāo)［9］。

惠州站黃北新等人提出的一個(gè)確定斷面數(shù)目的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缦?

式中:M——監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)數(shù)量，個(gè);S——區(qū)域地理面積，km2;D——國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(100億元計(jì));C——人口(500萬(wàn)人計(jì));Q——污水排放量(108 t);K——降水系數(shù)，K=P1/P，其中P為流域多年平均降水量，P1為區(qū)域多年平均降水量，mm;n——水質(zhì)監(jiān)測(cè)級(jí)別，省級(jí)取n=2，國(guó)家級(jí)取n=1。

4.2 河流分段

將各個(gè)流域的河流按一定的規(guī)則進(jìn)行分段，在此基礎(chǔ)上確定各區(qū)段河流布設(shè)斷面的相對(duì)必要性，使斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠代表此區(qū)段河流的水質(zhì)狀況。河流分段可以采用以下2種方法:

(1)按河流屬性分段

將干流劃分為不同河段，一級(jí)支流分別作為一個(gè)河段，分別確定干流各區(qū)段及支流布點(diǎn)的相對(duì)必要性。

(2)按水質(zhì)分段

河南省站的丁衛(wèi)東等提出了水質(zhì)分段優(yōu)化河流水質(zhì)斷面的原則和水質(zhì)突變點(diǎn)確定的方法［12］，認(rèn)為河流水質(zhì)在有較大支流匯入、市政污水排入、大型企業(yè)(或中小型企業(yè)群)污水直接排入或河水遠(yuǎn)距離流動(dòng)的情況下會(huì)從某些地點(diǎn)開(kāi)始發(fā)生顯著變化，形成了河流水質(zhì)的明顯分段性質(zhì)。

可以根據(jù)河流水質(zhì)的明顯分段性質(zhì)對(duì)河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行優(yōu)化，將河流劃分為若干水質(zhì)明顯不同的河段，并且以各監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果代表其所在河段的水質(zhì)。水質(zhì)分段優(yōu)化法的技術(shù)關(guān)鍵是找出河流的水質(zhì)突變點(diǎn)［13］。

4.3 確定斷面位置

斷面位置的確定首先應(yīng)將影響布點(diǎn)的自然和社會(huì)人文因素綜合考慮，初步確定各個(gè)河段各種類型斷面應(yīng)布設(shè)的理論區(qū)間;然后在此基礎(chǔ)上，用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化模型和水質(zhì)擴(kuò)散模型對(duì)斷面的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，斷面過(guò)多的優(yōu)化斷面數(shù)量，斷面較少的增補(bǔ)斷面數(shù)量。

(1)確定河段斷面數(shù)量

根據(jù)各個(gè)流域的斷面數(shù)目和一定的優(yōu)化指數(shù)，確定各河段斷面數(shù)量的合理區(qū)間，再根據(jù)實(shí)際情況，在現(xiàn)有斷面的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，即適當(dāng)增減斷面。

中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站孫景云等建立了區(qū)域綜合優(yōu)化指數(shù)模型。綜合優(yōu)化指數(shù)可以定量地反映各個(gè)河段布設(shè)斷面的相對(duì)必要性［14］，公式如下:

式中:Pboga——綜合優(yōu)化指數(shù)(無(wú)量綱);μ——污水量;A——人口、經(jīng)濟(jì)系數(shù)，A=C+D，C為人口(10萬(wàn)人計(jì))，D為國(guó)民經(jīng)濟(jì)總值，億元;B——降雨量區(qū)域調(diào)節(jié)系數(shù)，B=X/W，X為區(qū)域多年平均降雨量/mm，W為流域多年平均降雨量，mm;L——河長(zhǎng)，km;S——流域面積，km2;Ic——河流污染濃度系數(shù)，公式如下:

式中:Ci——某檢測(cè)物濃度;C0——檢測(cè)物的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

(2)確定斷面位置

根據(jù)各個(gè)河段斷面的數(shù)量，對(duì)斷面進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

斷面數(shù)量偏多的河段，可以運(yùn)用聚類分析、主成分分析等優(yōu)化布點(diǎn)方法，運(yùn)用地表水?dāng)嗝娴乃|(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)斷面進(jìn)行優(yōu)化，保留合理和科學(xué)的斷面。

斷面較少的河段增補(bǔ)斷面數(shù)量，新設(shè)斷面及合理性較差的現(xiàn)有斷面，借助適當(dāng)?shù)乃|(zhì)擴(kuò)散模型來(lái)進(jìn)行微觀定位，使其盡量避開(kāi)污染帶，布設(shè)于污染物與河水混合均勻區(qū)內(nèi)，使之能反映本河段的水質(zhì)狀況。

4.4 合理性檢驗(yàn)

為了考察優(yōu)化方案的精確程度、可靠性以及代表性，對(duì)調(diào)整后的水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的合理性進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)有歷史數(shù)據(jù)的斷面，可以根據(jù)實(shí)際情況選定某時(shí)段的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)優(yōu)化前后監(jiān)測(cè)指標(biāo)的參數(shù)均值的絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差以及樣本均數(shù)的差異性進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法有t檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)等。

對(duì)新增或移位的斷面，缺少歷史數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行探索性監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)?？梢詫?duì)移位斷面的新舊位置進(jìn)行對(duì)比監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的差異性進(jìn)行檢驗(yàn)。

5 地理信息系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一門綜合性的應(yīng)用科學(xué)，用戶可以利用計(jì)算機(jī)圖形與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，采集、編輯、儲(chǔ)存、顯示、轉(zhuǎn)換、分析和輸出地理圖形及屬性數(shù)據(jù)，將這些信息以可視化的方式表現(xiàn)出來(lái)，用于空間分析與決策。將GIS技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境要素監(jiān)測(cè)布點(diǎn)中，可以通過(guò)空間分析、疊加分析等輔助建立分布合理的環(huán)境要素監(jiān)測(cè)點(diǎn)，后續(xù)還可以建立包含各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、空間位置、自然環(huán)境等各種屬性數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)和信息可視化技術(shù)來(lái)管理和分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［15，16］。

將GIS運(yùn)用到地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)中，可以將GIS的空間分析功能與統(tǒng)計(jì)學(xué)模型相結(jié)合，運(yùn)用GIS技術(shù)將含有流域自然和人文屬性的圖層、含有水系信息的圖層與含有斷面屬性的圖層疊加分析，將監(jiān)測(cè)斷面空間定位，并將統(tǒng)計(jì)模型運(yùn)用到不同流域中，從而科學(xué)地布設(shè)地表水監(jiān)測(cè)斷面，使監(jiān)測(cè)斷面的布設(shè)具有空間合理性和科學(xué)性。運(yùn)用GIS技術(shù)能夠使地表水監(jiān)測(cè)斷面的優(yōu)化調(diào)整結(jié)合更多的空間信息，輸出的結(jié)果可視化，并且使模型運(yùn)算和制圖過(guò)程更簡(jiǎn)單、快捷。

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The Study on the Optimization and Adjustment of Regional Surface Water Environment Monitoring Sections

LI Qian，ZHANG Jian-hui，LUO Hai-jiang
(China National Environmental Monitoring Center，Beijing 100012，China)

The article analysed the status and problem of the surface water environment monitoring sections in China.Reviewing the latest research on the design and optimization of surface water environment monitoring sections，we proposed the purpose and principles of the optimization and adjustment of regional surface water environment monitoring sections，and then provided the process and method of optimization according to the macro-middle-micro-scale levels.At the same time，we discuss the effect of GIS technology for optimization and adjustment of sections.

surface water;optimization design of section;GIS

X832

A

1674-6732(2012)-01-0034-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2012.01.009

2011-07-20

李茜(1983—)，女，工程師，碩士，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。