張 璘,嵇曉燕,王 華,徐 亮,劉 雷,金浩波,劉倩倩
1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,江蘇 南京 210036 2.中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012
為貫徹國務(wù)院《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》監(jiān)測(cè)體制垂管要求,省一級(jí)環(huán)保部門需要自上而下建立評(píng)價(jià)地級(jí)市水質(zhì)情況的監(jiān)測(cè)與考核體系,確保“誰考核、誰監(jiān)測(cè)”,從而避免一些地區(qū)主觀選取水質(zhì)較好的斷面監(jiān)測(cè)、弱化水質(zhì)類型均衡性(地表水、地下水等)的傾向,更好地監(jiān)督地方治水履責(zé),更好地統(tǒng)一評(píng)價(jià)區(qū)域和城市水質(zhì),需建立一套評(píng)價(jià)各類要素、較好代表各地區(qū)水質(zhì)情況的監(jiān)測(cè)技術(shù)方法。通常情況下,水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面按照“控制、對(duì)照、削減”要求設(shè)置,此外,學(xué)術(shù)界還采用模糊聚類分析法和經(jīng)驗(yàn)公式法[1]、主成分分析法[2-3]、多目標(biāo)決策分析法[4]、遺傳算法[5]、最優(yōu)分割法[6]、物元分析法[7]、動(dòng)態(tài)貼近度法[8]等,通過求解最優(yōu)解,減少監(jiān)測(cè)成本(求最少監(jiān)測(cè)點(diǎn)位),從而達(dá)到優(yōu)化調(diào)整目的。例如,連曉峰等[9]利用綜合分層聚類(CHC)技術(shù)將北京市北海等5個(gè)不同水域15個(gè)斷面優(yōu)化為12個(gè)斷面,蔣艷君等[10]利用改進(jìn)TOPSIS技術(shù)將浦陽江9個(gè)斷面優(yōu)化為7個(gè),崔海波等[11]應(yīng)用動(dòng)態(tài)貼近度法將山東省徒駭河13個(gè)斷面優(yōu)化為8個(gè),均把若干個(gè)水質(zhì)變化規(guī)律一致的斷面合并為一個(gè)斷面,但上述方法不足之處是斷面數(shù)量的增減會(huì)由于斷面水質(zhì)的優(yōu)劣差異而影響城市水質(zhì)考核排名。不同城市之間,由于水資源存在豐水期和枯水期的差異,也容易造成不同城市之間水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果缺少可比性,如王中平等[12]介紹河南省要求在流域面積大于1 000 km2河流上設(shè)置省控?cái)嗝?,白亮[13]根據(jù)水系柘撲圖由流域面積、河道長度等指標(biāo)確定福建省閩江流域監(jiān)測(cè)控制級(jí)別等。本文介紹了江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)部門自上而下設(shè)置多種水環(huán)境要素的水環(huán)境監(jiān)測(cè)斷面(點(diǎn)位)的技術(shù)方法,希望為建立垂直管理、采測(cè)分離、責(zé)權(quán)利互相監(jiān)督、互相制約的新型環(huán)境監(jiān)測(cè)體制提供良好參考。
適應(yīng)當(dāng)前“國家監(jiān)測(cè)事權(quán)上收”、“省以下環(huán)境監(jiān)測(cè)垂直管理”形勢(shì)要求[14-15],江蘇省提出8個(gè)調(diào)整技術(shù)原則:①自上而下原則,即事先不征求地方意見,直接由省級(jí)部門提出設(shè)置方案,再進(jìn)行論證,通過后即正式執(zhí)行,即“誰考核,誰監(jiān)測(cè),誰設(shè)斷面”;②要素全覆蓋原則,斷面覆蓋環(huán)境地表水、飲用水、城市內(nèi)河、地下水和近岸海域等5類要素;③分類控制原則,將地表水河道分流域性、區(qū)域性、重要縣域和跨縣河道3類,地下水、飲用水、近岸海域也分別劃分為不同類型;④行政負(fù)責(zé)原則,行政區(qū)域統(tǒng)一在交界處設(shè)置出、入境斷面;⑤以人為本原則,在與居民生活密切相關(guān)城市內(nèi)河、飲用水源地上設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);⑥重點(diǎn)突出原則,城市主要排污通道、易造成污染糾紛區(qū)域的下游設(shè)置重點(diǎn)監(jiān)控點(diǎn)位;⑦數(shù)量均衡原則,市(縣)最少設(shè)置6個(gè)以上的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,不同城市的水質(zhì)斷面數(shù)量大致相等;⑧注重效率原則,力求以較少的點(diǎn)位獲取最能夠代表所在水系或區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量的樣品。
將江蘇省三大流域分為8個(gè)流域分區(qū)(圖1),并在流域分區(qū)的流域性骨干河道、區(qū)域性骨干河道上設(shè)置出入境、跨市交界,城市河段超過50 km以上則設(shè)置中段控制斷面。按照水利部和江蘇省政府文件規(guī)定,流域性骨干河道是指跨流域的干流、行洪通道、重要的一級(jí)支流,南水北調(diào)、引江濟(jì)太等重要匯水通道,長度通常大于100 km,流域(匯水)面積大于1 000 km2;區(qū)域性骨干河道是指跨省、跨市的區(qū)域性主要河道,長度通常大于50 km,流域(匯水)面積大于500 km2。經(jīng)過研究,共設(shè)置343個(gè)斷面(點(diǎn)位),不同分區(qū)所轄區(qū)域及其覆蓋的城市參見表1。
圖1 江蘇省地表水水系及分區(qū)示意圖Fig.1 Surface water system and water basin’s division in Jiangsu province
分區(qū)號(hào)所轄區(qū)域流域性河道數(shù)量區(qū)域性河道數(shù)量流經(jīng)城市1南四湖湖西區(qū)、駱馬湖以上中運(yùn)河兩岸區(qū)及沂北區(qū)927徐州、連云港、宿遷2沂南區(qū)、廢黃河區(qū)及渠北區(qū)611宿遷、鹽城3洪澤湖周邊及以上區(qū),白馬湖、高寶湖區(qū)713徐州、宿遷、淮安、揚(yáng)州4里下河區(qū)439淮安、鹽城、揚(yáng)州、泰州、南通5蘇北沿江區(qū)、滁河區(qū)、秦淮河區(qū)及石臼湖固城湖區(qū)511南京、揚(yáng)州、鎮(zhèn)江6長江蘇北沿江區(qū)112揚(yáng)州、泰州、南通、鹽城7太湖西岸區(qū)242無錫、常州、蘇州、鎮(zhèn)江8陽澄淀泖區(qū)及浦南區(qū)218無錫、蘇州
根據(jù)《中國湖泊志》,江蘇省共有103個(gè)面積大于1 km2的湖庫,其中大型湖泊9個(gè),中型湖泊12個(gè),小型湖泊82個(gè)。水庫容量在0.1億m3以上的中型水庫共46個(gè)。大型湖泊每100 km2設(shè)1個(gè)點(diǎn),中型湖泊以及水庫設(shè)置1~2個(gè)測(cè)點(diǎn),跨行政區(qū)域的大型湖泊每個(gè)行政區(qū)域水面至少設(shè)置1個(gè)點(diǎn),經(jīng)過研究,共設(shè)置66個(gè)點(diǎn)。小型湖泊斷面測(cè)點(diǎn)由地方設(shè)置。
地下水按埋藏條件,可分為包氣帶水、潛水及承壓水;按含水介質(zhì)類型,可分為孔隙水、裂隙水及巖溶水。本次點(diǎn)位調(diào)整根據(jù)江蘇省的水文地質(zhì)特點(diǎn),將地表以下60 m內(nèi)地下水定義為淺層地下水,埋深大于60 m的地下水定義為深層地下水。本次調(diào)整工作要求在各個(gè)水文地質(zhì)分區(qū)都至少設(shè)置1個(gè)深層地下水,測(cè)點(diǎn)落在哪個(gè)城市,則該測(cè)點(diǎn)參與該市評(píng)價(jià);每個(gè)市行政區(qū)域至少設(shè)置1個(gè)淺層地下水點(diǎn),確保不同城市之間具有相同的地下水可比性;共劃分為4個(gè)水文地質(zhì)大區(qū)、19個(gè)水文地質(zhì)亞區(qū),設(shè)19個(gè)深層地下水點(diǎn),而13個(gè)市、44個(gè)縣、18個(gè)區(qū)至少設(shè)1個(gè)淺層地下水點(diǎn),共計(jì)82個(gè)點(diǎn)。詳見圖2。
圖2 地下水分區(qū)示意圖Fig.2 Schematic diagram of groundwater monitoring zone
根據(jù)國務(wù)院《關(guān)于調(diào)整城市規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)的通知》,城市分為5個(gè)等級(jí),同時(shí)江蘇省環(huán)保廳流域管理部門要求,在不同規(guī)模城市中設(shè)置不同數(shù)量的內(nèi)河斷面,斷面位置需要設(shè)在城市中心區(qū)、人口密集區(qū)城市內(nèi)河上(表2),經(jīng)過研究,全省共計(jì)設(shè)置城市內(nèi)河斷面106個(gè)。
表2 城市規(guī)模和設(shè)置內(nèi)河斷面數(shù)量對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 The correspondence of urban size and amount of urban river monitoring sites
基本原則:①以省政府批復(fù)認(rèn)定的115個(gè)集中式水源地為基礎(chǔ),對(duì)近年來各地實(shí)際調(diào)整的水源地進(jìn)行增減;②實(shí)現(xiàn)江蘇省各縣市區(qū)水源地監(jiān)測(cè)的全覆蓋,除部分采用“區(qū)域供水”縣市區(qū)以外,其余各地集中式飲用水源地均要開展監(jiān)測(cè);③備用水源地(同一水系)可不設(shè)點(diǎn),但是區(qū)別于現(xiàn)有集中式水源地所在水系的備用水源地應(yīng)當(dāng)增設(shè);④分散供水的縣市區(qū)優(yōu)選最大的水源地設(shè)置飲用水質(zhì)測(cè)點(diǎn)。按照以上原則,在江蘇省設(shè)水源地測(cè)點(diǎn)115個(gè)(含15個(gè)備用水源地),取水量總計(jì)超1 500萬t/d,水源地集中供水人口達(dá)5 200萬人。
基本原則:①監(jiān)測(cè)點(diǎn)位要能夠科學(xué)表示江蘇海岸和近海的水域功能和水質(zhì)情況,合理評(píng)價(jià)近岸海域基本海洋功能區(qū)水質(zhì),為發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、實(shí)施沿海地區(qū)發(fā)展提供科學(xué)支撐;②在分析評(píng)價(jià)用海必要性和自然條件適宜性的基礎(chǔ)上,合理設(shè)置海洋監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,統(tǒng)籌不同用途海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)方法,優(yōu)化點(diǎn)位布局,配合海洋開發(fā)利用;③通過設(shè)置環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,加強(qiáng)近岸海域水質(zhì)監(jiān)管,改善海洋生態(tài)環(huán)境,加強(qiáng)水生生物資源保護(hù);④基巖海岸、砂質(zhì)海岸等近海監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般不做太大的調(diào)整,淤泥質(zhì)海岸要及時(shí)根據(jù)陸基線適當(dāng)外移;⑤港口航運(yùn)區(qū)、工業(yè)與城鎮(zhèn)用海功能區(qū)海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)要適當(dāng)遠(yuǎn)離陸基工業(yè)、生活、移動(dòng)污染源;⑥海洋浴場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位要盡量靠近浴場(chǎng)中心區(qū)域;⑦近岸海域水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位要能夠保證當(dāng)海水退潮后,測(cè)點(diǎn)所在位置的海平面距離海底仍然有超過5 m以上的深度;⑧各縣市海岸線長度超過30 km的縣市,在5 km海域內(nèi)設(shè)置1個(gè)陸域污染海水監(jiān)測(cè)點(diǎn)。經(jīng)研究,在江蘇省近岸海域共設(shè)置31個(gè)海洋監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
2.1.1 斷面水質(zhì)總體情況
為比較調(diào)整前后不同區(qū)域、城市之間的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果,對(duì)調(diào)整前478個(gè)省級(jí)地表水評(píng)價(jià)考核斷面以及調(diào)整后的380個(gè)環(huán)境地表水評(píng)價(jià)考核斷面、106個(gè)城市內(nèi)河斷面的水污染綜合指數(shù)(WQI)進(jìn)行綜合比較,重點(diǎn)分析調(diào)整前后WQI的極差、標(biāo)準(zhǔn)差以及中位數(shù)、平均值、最小值等,其中,極差表示W(wǎng)QI最大斷面和最小斷面之間的區(qū)間跨度,標(biāo)準(zhǔn)差是調(diào)整前后各個(gè)斷面WQI與平均值差的平方和后開方所得結(jié)果,標(biāo)準(zhǔn)差越大,其斷面體系的離散程度越大,以上指標(biāo)是最常用的反映隨機(jī)變量分布離散程度的指標(biāo),其計(jì)算公式:
(1)
(2)
式中:P表示各斷面水污染物的WQI指標(biāo);Ci表示第i項(xiàng)污染物的年均值;C0表示第i項(xiàng)污染物在《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)表1中的Ⅲ類濃度限值;Pi表示第i項(xiàng)污染物的污染指數(shù),n表示江蘇省地表水點(diǎn)位調(diào)整前后的點(diǎn)位數(shù)量;k表示《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)表1中參與評(píng)價(jià)項(xiàng)目的個(gè)數(shù),由于pH、水溫不參與評(píng)價(jià),這里k的數(shù)量為22,城市內(nèi)河評(píng)價(jià)項(xiàng)目為11項(xiàng)。將2016年水質(zhì)結(jié)果代入到調(diào)整前、調(diào)整后不同地區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)名單中,計(jì)算調(diào)整前后不同地區(qū)WQI,結(jié)果見表3。
表3 不同地區(qū)水質(zhì)離散程度統(tǒng)計(jì)表Table 3 The dispersion degree of water quality in different regions
注:糞大腸菌群指標(biāo)參與計(jì)算。
由表3可見,在開展調(diào)整前,江蘇省內(nèi)不同區(qū)域和城市的WQI差異較大,這體現(xiàn)在2個(gè)方面:①蘇南、蘇中、蘇北地區(qū)極差分別為41.03、1.34、32.42;②蘇南、蘇中、蘇北地區(qū)斷面WQI的標(biāo)準(zhǔn)差分別為3.87、0.26、3.08。蘇南、蘇北地區(qū)指數(shù)極差和標(biāo)準(zhǔn)差高于蘇北地區(qū),主要原因是蘇南地區(qū)存在南京、蘇州等大型城市,城市內(nèi)河糞大腸菌群超標(biāo)較為嚴(yán)重,而蘇北地區(qū)部分?jǐn)嗝嫣烊坏乇韽搅餮a(bǔ)給水量較少,同樣也存在個(gè)別指標(biāo)超標(biāo)嚴(yán)重情況,而蘇中地區(qū)處于平原水網(wǎng),城市內(nèi)河天然補(bǔ)給水量充沛,因此,城市內(nèi)河污染負(fù)荷普遍較低,使得調(diào)整前蘇中地區(qū)斷面水質(zhì)總體優(yōu)于蘇南、蘇北地區(qū)。
2.1.2 不同區(qū)域斷面WQI分布情況比較
為了扣除糞大腸菌群指標(biāo)影響,對(duì)蘇南、蘇中、蘇北地區(qū)環(huán)境地表水WQI進(jìn)行重新計(jì)算,結(jié)果見圖3。A1代表調(diào)整前蘇南,A2代表調(diào)整前蘇中,A3代表調(diào)整前蘇北,B1代表調(diào)整后蘇南(地表水),B2代表調(diào)整后蘇中(地表水),B3代表調(diào)整后蘇北(地表水),N1代表調(diào)整后蘇南(城市內(nèi)河),N2代表調(diào)整后蘇中(城市內(nèi)河),N3代表調(diào)整后蘇北(城市內(nèi)河)。由圖3可以看出,江蘇省蘇南地區(qū)一級(jí)、二級(jí)水系的地表徑流水污染水污染負(fù)荷要低于其他地區(qū),但是城市內(nèi)河水污染負(fù)荷總體上高于其他2個(gè)地區(qū)。通過斷面代表性調(diào)整,調(diào)整后蘇南地區(qū)(B1)要優(yōu)于蘇中(B2)、蘇北(B3)地區(qū),而城市內(nèi)河水污染負(fù)荷(N1)仍然高于蘇中(N2)、蘇北地區(qū)(N3),這個(gè)情況與蘇南地區(qū)地表水一級(jí)、二級(jí)徑流水質(zhì)較好而城市內(nèi)河水質(zhì)較差的實(shí)際狀況一致,表明調(diào)整后的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位體系能夠反映不同地區(qū)水污染差異特征,能夠?yàn)楣芾聿块T有針對(duì)性地開展水污染防治提供科學(xué)依據(jù)。
注:方框中的橫線表示中位數(shù),框線上下邊線為上、下四分位數(shù),“×”為第99百分位數(shù)。圖3 江蘇省不同地區(qū)WQI箱線圖Fig.3 Box plots of WQI of different region in Jiangsu province
2.2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)驗(yàn)證代表性是否得到優(yōu)化
AHP群策法、層次分析法、專家決策法[16-18]廣泛用于管理行業(yè)中評(píng)估科研進(jìn)步、投資成效、最佳選擇方案。在環(huán)境監(jiān)測(cè)能力建設(shè)領(lǐng)域,可用來開展定性、定量相結(jié)合的效益評(píng)審[19-20],并在實(shí)踐工作中逐步得到應(yīng)用[21]。例如,選擇常年水質(zhì)較好的河流設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與選擇常年水質(zhì)較差的尾水通道上設(shè)置點(diǎn)位,會(huì)對(duì)一個(gè)地區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)產(chǎn)生較大分歧,而評(píng)價(jià)結(jié)果往往與地方治污成效(地方政府政績)相關(guān),因此,有必要對(duì)分析環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位(點(diǎn)位)代表性的技術(shù)方法進(jìn)行深入研究。
根據(jù)各指標(biāo)賦值以及權(quán)重,計(jì)算代表性評(píng)價(jià)指數(shù)。計(jì)算公式:
(3)
式中:REI表示省、市水質(zhì)斷面代表性評(píng)價(jià)指數(shù);Ai表示二級(jí)指標(biāo)權(quán)重(m=1,2,…,5),指不同要素(地表水、地下水)的權(quán)重;Bj表示三級(jí)指標(biāo)權(quán)重,指各要素體系下代表性權(quán)重設(shè)置;Dj表示不同階段管理部門設(shè)置的點(diǎn)位體系所對(duì)應(yīng)的代表性覆蓋率(j=1,2,…,12)。
2.2.2 指標(biāo)權(quán)重賦值及評(píng)分
借鑒層次分析法的研究思路,邀請(qǐng)環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)高級(jí)工程師6人(熟悉數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、15年以上監(jiān)測(cè)工作經(jīng)驗(yàn)),對(duì)課題設(shè)計(jì)的“代表性評(píng)價(jià)”進(jìn)行獨(dú)立評(píng)估,第一輪評(píng)估中,將每名專家評(píng)價(jià)的權(quán)重值與總體平均值進(jìn)行相關(guān)性分析(以γ表示),得出最大相關(guān)性γmax=0.912 5,γmin=0.604 0,并將各專家對(duì)指標(biāo)的意見反饋后進(jìn)行第二輪評(píng)估,γmax=0.954 1,γmin=0.822 0,重新計(jì)算出權(quán)重指標(biāo)系數(shù)。經(jīng)計(jì)算,調(diào)整前全省地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面REI為69.1,調(diào)整后REI得分為88.7,詳見表4。
表4 江蘇省水質(zhì)斷面(點(diǎn)位)REITable 4 The REI point table of water environment monitoring sites in Jiangsu province
本文為省級(jí)環(huán)境監(jiān)測(cè)部門提供了“自上而下”確定各市考核斷面數(shù)量和位置的技術(shù)方法,并應(yīng)用該方法和層次分析法對(duì)江蘇省水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面“代表性”是否得到優(yōu)化進(jìn)行了評(píng)估測(cè)算,相關(guān)研究為省以下環(huán)境監(jiān)測(cè)垂直管理改革提供了良好的技術(shù)服務(wù)與技術(shù)支撐。
1)省級(jí)環(huán)境管理部門設(shè)置地級(jí)市監(jiān)測(cè)斷面前,應(yīng)當(dāng)以國家和省流域部門權(quán)威發(fā)布的河道湖泊等級(jí)(級(jí)別)為參考,在最重要的、最高等級(jí)的水域上均勻地設(shè)置斷面。
2)按照地質(zhì)勘探的專業(yè)結(jié)果,將地下水分為淺層、深層地下水,并均衡設(shè)點(diǎn),對(duì)于城市集中式飲用水源地(地表取水口、地下水取水井)應(yīng)全部納入評(píng)價(jià)范圍。
3)按照居民居住密度選取最優(yōu)的城市內(nèi)河斷面,避免選取不具有代表性的偏遠(yuǎn)小河、小支流;根據(jù)海洋功能區(qū),選擇離海岸有一定距離的均勻水質(zhì)區(qū)域設(shè)置海水測(cè)點(diǎn)。
4)按照“誰考核、誰監(jiān)測(cè)、誰設(shè)斷面”的思路,斷面設(shè)置由省本級(jí)完成,經(jīng)專家論證后與地方環(huán)境主管部門交換意見并取得一致。照此方法選出的斷面名單,在城市水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)考核排名工作中有較高的公信力。
致謝:本文研究得到水利部南京水利科學(xué)研究院和玉璞、洪大林先生以及中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊(duì)陳亮、吳干華、高星、王磊先生的大力支持,在此表示感謝!