遼河流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)研究

仇偉光

環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化布設(shè)是環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量保證體系中一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，合理的采樣位置和監(jiān)測頻次是取得空間和時(shí)間代表性數(shù)據(jù)的根本保證;合理的監(jiān)測項(xiàng)目是水環(huán)境質(zhì)量真實(shí)體現(xiàn)的科學(xué)依據(jù)。

遼寧省境內(nèi)遼河流域現(xiàn)運(yùn)行的水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)始建于20世紀(jì)80年代［1］，并經(jīng)過多年的實(shí)施，根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整而成。20 多年來，遼寧省已由此監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)上獲取并積累了大量的信息和數(shù)據(jù)，為遼寧省環(huán)境保護(hù)和環(huán)境管理提供了科學(xué)的技術(shù)依據(jù)。但隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增多，以及遼河流域治理的深入，污水處理廠的建設(shè)和運(yùn)行，入河排污口的改變，現(xiàn)有監(jiān)測斷面已存在局部布設(shè)不合理現(xiàn)象，有必要對原有的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，使之更具科學(xué)性和代表性，并達(dá)到節(jié)約人力、物力，全面、客觀反映遼河流域水質(zhì)狀況的目的。國家水體污染控制與治理重大專項(xiàng)在遼河流域設(shè)立示范區(qū)，進(jìn)行遼河流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估與預(yù)警監(jiān)控平臺、水環(huán)境安全監(jiān)控與監(jiān)測體系構(gòu)建示范研究，為遼河流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供了科技支撐。

監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法主要有主成分分析法［2-4］、物元分析法［5-8］、聚類分析法［8-11］、貼近度法［12-14］、多目標(biāo)決策法［15］、最優(yōu)分割法［16］等，其中最優(yōu)分割法是對有序樣品的聚類，是對一批有序樣品進(jìn)行劃分分類的一種統(tǒng)計(jì)方法，較適用于河流從上游至下游有序斷面的優(yōu)化，對監(jiān)測頻次和監(jiān)測項(xiàng)目的優(yōu)化方法的探討并不多見［17-20］。本文根據(jù)北方河流季節(jié)性明顯的特征，采用最優(yōu)分割法進(jìn)行遼河流域監(jiān)測斷面的優(yōu)化，創(chuàng)建變異系數(shù)與水質(zhì)類別相結(jié)合方法進(jìn)行了遼河流域水環(huán)境監(jiān)測頻次的優(yōu)化;采用連續(xù)3年未檢出判斷法進(jìn)行了遼河流域水環(huán)境監(jiān)測項(xiàng)目的優(yōu)化。優(yōu)化后的遼河流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)更能科學(xué)、客觀地反映水質(zhì)狀況，并達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行的目的。

1 遼河流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)概況

遼河流域是全國七大流域之一，曾是國家重點(diǎn)治理的“三河三湖”之一，總面積約21.96 萬km2，在遼寧省境內(nèi)由遼河、渾河、太子河和大遼河4 條主要河流及其支流組成。目前，遼河流域共布設(shè)干流斷面26 個，詳見圖1。

圖1 現(xiàn)有遼河流域干流監(jiān)測斷面示意圖

隨著環(huán)境科學(xué)和環(huán)境管理水平的不斷提高，對環(huán)境監(jiān)測工作的要求也越來越高，現(xiàn)有遼河流域水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的問題也越來越突出，有些斷面布設(shè)過密，有些過疏，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)布點(diǎn)密度明顯高于經(jīng)濟(jì)落后地區(qū);隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和遼河流域的治理，流域內(nèi)污染源和入河排污口情況發(fā)生了很大的變化，有些監(jiān)測斷面已不適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境保護(hù)工作的需要，亟待調(diào)整。監(jiān)測頻次采用“一刀切”的方法，每月監(jiān)測1 次，并未考慮北方河流受季節(jié)影響明顯特點(diǎn)。所有斷面均監(jiān)測《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)表1中除總氮、糞大腸菌群之外的22 項(xiàng)，并未考慮污染特征和水環(huán)境功能區(qū)的要求。

2 研究思路與方法

以遼寧省內(nèi)遼河流域干流4 條河流為研究對象，在全面調(diào)研流域自然、社會、經(jīng)濟(jì)狀況，充分分析遼河流域水環(huán)境質(zhì)量和污染源特征、現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)合理性的基礎(chǔ)上，依據(jù)斷面優(yōu)化的原則，進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究，建立分布合理、成本適宜的水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)果與分析

3.1 水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化原則

監(jiān)測斷面的優(yōu)化要遵循的原則:一是代表性原則。監(jiān)測斷面在宏觀上要能反映水系環(huán)境特征，微觀上能反映斷面污染特征。二是分類原則。按照對照斷面、控制斷面設(shè)置，取消消減斷面。三是分類管理原則。一個網(wǎng)絡(luò)只具有一種功能，以保證監(jiān)測斷面設(shè)置的客觀性。

監(jiān)測頻次的優(yōu)化原則:一是高效原則。在保證客觀性的條件下，盡可能使某些斷面兼有多種功能，對沒有受到污染、近期也不會產(chǎn)生明顯污染的監(jiān)測斷面和監(jiān)測項(xiàng)目適當(dāng)減少監(jiān)測頻率，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測斷面高效運(yùn)行。二是季節(jié)原則。針對北方春冬季干旱少雨、夏秋季炎熱多雨的特殊氣候特征，優(yōu)化時(shí)要研究不同季節(jié)水環(huán)境質(zhì)量的變化，充分考慮季節(jié)的影響。

監(jiān)測項(xiàng)目的優(yōu)化原則:一是遵循相關(guān)技術(shù)規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)。選擇環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中要求控制的危害(潛在危害)大、影響范圍廣、國家要求的、并已建立可靠分析測定方法和標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目。二是監(jiān)測項(xiàng)目與污染特征、水環(huán)境功能區(qū)的一致性。監(jiān)測項(xiàng)目必須適應(yīng)水環(huán)境污染現(xiàn)狀特征，能夠全面反映水環(huán)境問題，同時(shí)要考慮不同功能區(qū)要求，實(shí)現(xiàn)水環(huán)境的宏觀監(jiān)測與微觀監(jiān)測相結(jié)合。三是監(jiān)測項(xiàng)目與污染源分布的一致性。根據(jù)遼河流域沿岸污染源的特征，酌情增加某些污染源排放的特異污染物。

3.2 水環(huán)境監(jiān)測斷面優(yōu)化

3.2.1 監(jiān)測斷面的優(yōu)化方法

基于2009—2011年遼河流域干流監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用最優(yōu)分割法進(jìn)行監(jiān)測斷面的優(yōu)化。

設(shè)定有序樣本。設(shè)幾個有序樣本，序號依次為1，2，…，n，其中每個樣本均為m 維向量，即含有m 個屬性因子:

計(jì)算每個樣本的均值型綜合污染指數(shù)(Xi)，作為樣本的待分析數(shù)據(jù):

式中:xil為第i 個樣本第l 項(xiàng)污染指標(biāo)濃度;Sl為第l 項(xiàng)污染指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值(l=1，2，…，m)。

用D(i，j)表示類{i，i + I，…，j}(i≤j)的直徑，它的值越小，表示類中樣本越集中，取離差平方和描述D(i，j):

式中:Xl為第i 個到第j 個樣本綜合污染指數(shù)為第i 個到第j 個樣本綜合污染指數(shù)的均值。

定義分類P(n，k)的誤差函數(shù)e［P(n，k)］，用以衡量分類的好壞:

式中ii+1－1 =n。

當(dāng)n、k 固定時(shí)，e［P(n，k)］越小，表示各子類的離差平方和的總和越小，分類就越合理。Fisher 最優(yōu)分割法就是正確選擇一種分類P(n，k)，使e［P(n，k)］達(dá)到最小，從而給出最優(yōu)分類方法。

驗(yàn)證誤差函數(shù)的遞推公式:

應(yīng)用式(5)和式(6)可遞推求得使e 達(dá)到最小的分類。

3.2.2 監(jiān)測斷面的優(yōu)化結(jié)果

使用最優(yōu)分割法對遼河流域干流進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算得到最優(yōu)結(jié)果，見圖2。

遼河流域4 條河流干流斷面優(yōu)化出14 個斷面:遼河包括福德店、三合屯、紅廟子、盤錦興安;渾河包括阿及堡、七間房、砂山、于家房;太子河包括老官砬子、興安、下王家、小姐廟;大遼河包括三岔河、遼河公園。

圖2 優(yōu)化后遼河流域干流監(jiān)測斷面示意圖

在水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中同時(shí)應(yīng)考慮斷面的均勻性、實(shí)際監(jiān)測采樣的可行性以及監(jiān)測斷面所在位置的特點(diǎn)［21］。遼河的三合屯和紅廟子斷面距離太遠(yuǎn)，需加設(shè)朱爾山斷面;趙圈河為遼河入?？刂茢嗝?，且盤錦境內(nèi)支流多在盤錦興安斷面下入河，需保留;參窩壩下為參窩水庫出庫斷面，需保留;下王家和小姐廟斷面距離太遠(yuǎn)，需加設(shè)唐馬寨斷面。因此，優(yōu)化后遼河流域保留18 個斷面，比原來減少8 個。

3.3 監(jiān)測頻次的優(yōu)化

3.3.1 監(jiān)測頻次的優(yōu)化方法

北方河流水量受氣候影響明顯，冬、春季干旱少雨，河水流量顯著減少，一般比夏季少3 ～300倍。因此，在監(jiān)測頻次優(yōu)化上，應(yīng)充分考慮季節(jié)對污染物濃度的影響。

對于干旱少雨、污染物濃度變化劇烈的季節(jié)(1、2、3、4、12月)，采用分析自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的變異系數(shù)的方法確定監(jiān)測頻次。

以現(xiàn)有自動監(jiān)測斷面歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用主要污染物的各月日均濃度的變異系數(shù)衡量斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)受偶然、局部干擾因素的影響程度。計(jì)算公式:

式中:C 為變異系數(shù);S 和S2分別為某污染物濃度標(biāo)準(zhǔn)差和方差;X 為某污染物月均質(zhì)量濃度，mg/L;Xi為污染物日均質(zhì)量濃度，mg/L;n 為每個月的監(jiān)測天數(shù)，d。

在一般研究中，同一樣品的變異系數(shù)小于20%時(shí)視為數(shù)據(jù)穩(wěn)定，離散性小，而有研究在分析5年水質(zhì)穩(wěn)定性時(shí)將變異系數(shù)定為70%?？紤]到北方河流流量受氣候影響顯著，將主要污染物測值變異系數(shù)小于30%作為判斷該斷面水質(zhì)穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。

對于6—9月多雨、污染物濃度變化幅度較小的夏、秋季，監(jiān)測頻次的優(yōu)化采用水質(zhì)類別分析法，即水質(zhì)穩(wěn)定，可適當(dāng)減少監(jiān)測頻次。

3.3.2 監(jiān)測頻次的優(yōu)化結(jié)果

隨著遼河流域治理的深入，氨氮污染突顯，將成為遼河流域的首要污染指標(biāo)，因此在頻次優(yōu)化中主要以氨氮為主要研究因子。

以鐵嶺朱爾山、盤錦興安和營口遼河公園為例進(jìn)行監(jiān)測頻次的優(yōu)化研究，這3 個斷面的各月氨氮數(shù)據(jù)變異系數(shù)見表1。

表1 自動監(jiān)測斷面各月氨氮數(shù)據(jù)變異系數(shù) %

由表1可確定，1、5、10月應(yīng)保持每個月2 次的監(jiān)測頻次，2—4月、11—12月保持每月1 次監(jiān)測即可。6—9月污染物濃度變化不大，基本都在Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以下，所以采用水質(zhì)類別分析法，6—9月的4 個月中，只監(jiān)測1 ～2 次的監(jiān)測頻次。優(yōu)化后每年監(jiān)測次數(shù)仍為12 次，但更趨于合理分布。

在水質(zhì)分析時(shí)，以每月2 次的監(jiān)測頻次為基準(zhǔn)，未監(jiān)測時(shí)間段以上一次監(jiān)測數(shù)據(jù)為參照。

3.4 監(jiān)測項(xiàng)目的優(yōu)化

3.4.1 監(jiān)測項(xiàng)目的優(yōu)化方法

以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)表1中的23 項(xiàng)(糞大腸菌群除外)及流量為監(jiān)測項(xiàng)目范圍，采用連續(xù)3年未檢出判斷法，即根據(jù)《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)［21］，且入庫斷面需考慮加測總氮，飲用水源地上游斷面監(jiān)測所有項(xiàng)目，其余斷面無需監(jiān)測總氮，并兼顧上下游一致性，在全面分析2009—2011年歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化遼河流域水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測項(xiàng)目。

3.4.2 監(jiān)測項(xiàng)目的優(yōu)化結(jié)果

遼河流域各監(jiān)測斷面監(jiān)測項(xiàng)目優(yōu)化結(jié)果見表2，必測項(xiàng)目為12 ～20 項(xiàng)，其他項(xiàng)目可作為選測項(xiàng)目，主要是部分重金屬。

表2 遼河干流監(jiān)測項(xiàng)目優(yōu)化結(jié)果

另外，太子河興安斷面為參窩水庫入庫斷面，需加測總氮;遼河趙圈河和大遼河遼河公園2 個斷面為潮汐斷面，需加測氯離子;所有斷面均需測流量。

3.5 優(yōu)化后驗(yàn)證

顯著性水平選取0.05，以遼河流域主要污染指標(biāo)，即氨氮、化學(xué)需氧量、BOD5為樣品變量對4條河流進(jìn)行檢驗(yàn)。從表3可以看出，遼河流域4條河流原始斷面樣本與優(yōu)化斷面樣本方差齊，且均值無明顯差異?？梢哉J(rèn)為2 個樣本方差相等，來自于同一總體，因此優(yōu)化后斷面對原斷面具有很好的代表性，優(yōu)化后的結(jié)果符合實(shí)際環(huán)境狀況。

表3 遼河斷面優(yōu)化后檢驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)采用最優(yōu)分割法，并結(jié)合流域?qū)嶋H情況，對遼河流域干流監(jiān)測斷面進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果:遼河流域布設(shè)18 個監(jiān)測斷面，遼河包括福德店、三合屯、朱爾山、紅廟子、盤錦興安、趙圈河;渾河包括阿及堡、七間房、砂山、于家房;太子河包括老官砬子、興安、參窩壩下、下王家、唐馬寨、小姐廟;大遼河包括三岔河、遼河公園，比優(yōu)化前減少8 個。

2)污染物濃度變化劇烈的少雨期，采用分析自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的變異系數(shù)的方法確定監(jiān)測頻次。1、5、10月應(yīng)保持每個月2 次的監(jiān)測頻次;2—4月、11—12月保持每月監(jiān)測1 次即可，監(jiān)測時(shí)間定在1—7日;多雨期，監(jiān)測頻次的優(yōu)化采用自動監(jiān)測日均濃度水質(zhì)類別分析法。6—9月的4 個月中，監(jiān)測1 ～2 次。優(yōu)化后每年監(jiān)測次數(shù)依然為12 次，但更趨于合理分布。

3)根據(jù)《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)，同時(shí)考慮上下游監(jiān)測一致性，在全面分析2009—2011年歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化遼河流域水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測項(xiàng)目。各監(jiān)測斷面監(jiān)測項(xiàng)目為12 ～20 項(xiàng)，比優(yōu)化前最多減少11 項(xiàng)，選測的項(xiàng)目主要為部分重金屬。

［1］賈玉霞，袁留根.遼寧省主要河流水質(zhì)例行監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)的研究［R］.沈陽:遼寧省環(huán)境監(jiān)測中心站，1989.

［2］莊世堅(jiān)，環(huán)境監(jiān)測優(yōu)化布點(diǎn)的一種新方法［J］.數(shù)理統(tǒng)計(jì)與管理，1992，11(5):8-11.

［3］Ouyang Y.Evaluation of river water quality monitoring stations by principal component analysis［J］.Water Research，2005，39:2 621-2 635.

［4］Strobl R，Robillard P，Day R，et al.A water quality monitoring network design methodology for the selection of critical sampling points:Part II［J］.Environmental Monitoring and Assessment，2006，122(1):319-334.

［5］高明慧.用物元分析進(jìn)行水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測優(yōu)化布點(diǎn)的研究［J］.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1997，5(3):77-81.

［6］喻宗仁，趙培才，張欣，等.泰山區(qū)水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2004，20(6):5-8.

［7］弓曉峰，陳春麗，趙晉，等.鄱陽湖樂安河流域水質(zhì)監(jiān)測優(yōu)化布點(diǎn)［J］.湖泊科學(xué)，2006，18(5):545-549.

［8］吳文強(qiáng)，陳求穩(wěn)，李基明，等.江河水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)方法［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(8):1 537-1 542.

［9］梁偉臻，葉錦潤，楊靜.模糊聚類分析法優(yōu)化城市河涌水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)［J］.環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2002，14(3):6-7.

［10］馬飛，蔣莉.河流水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化設(shè)置研究——以南運(yùn)河為例［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2006，31(8):171-172.

［11］王晶.巢湖流域地表水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

［12］郭小青.貼近度法優(yōu)化城市內(nèi)河水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)［J］.科技通報(bào)，2005，21(3):360-363.

［13］張亦飛，楊曉蘭，張健.動態(tài)貼近度法及其在水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)中的應(yīng)用［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，6(3):110-112.

［14］續(xù)衍雪，鄭丙輝，劉琰，等.貼近度法在湘江干流水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化中的應(yīng)用［J］.水資源保護(hù)，2012，28(6):46-48，54.

［15］李錦月.應(yīng)用逼近于理想解的排序法優(yōu)選環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)位的研究［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2000，16(4):12-14.

［16］周勁，董吉文，張平.最優(yōu)分割分析在水環(huán)境監(jiān)測優(yōu)化布點(diǎn)中的應(yīng)用［J］.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，19(4):316-318.

［17］楊奉廣.烏魯木齊河區(qū)域地下水監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化［D］.烏魯木齊:新疆大學(xué)，2006:52-63.

［18］孟祥有.黃河水質(zhì)例行監(jiān)測項(xiàng)目優(yōu)化的設(shè)想［J］.甘肅環(huán)境研究與監(jiān)測，1999，12(4):223-225.

［19］董華，盧衛(wèi).浙江省水質(zhì)站測點(diǎn)布設(shè)及采樣頻次的優(yōu)化分析［J］.浙江水利科技，1997(1):62-65.

［20］曲茉莉，趙春暉，李基明.跨國界河流監(jiān)測指標(biāo)的優(yōu)化方法和原則［J］.黑龍江環(huán)境通報(bào)，2012，36(1):32-34，38.

［21］原國家環(huán)保總局.地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［M］.北京:環(huán)境科學(xué)出版社，2003.