偏遠(yuǎn)村鎮(zhèn)地表水體水質(zhì)監(jiān)測點優(yōu)化布置研究

段立紅

（新疆昌源水務(wù)科學(xué)研究院（有限公司） 新疆烏魯木齊 830000）

1 前言

水是生命之源，與人們的生活息息相關(guān)。隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)建設(shè)的快速發(fā)展，農(nóng)村生態(tài)環(huán)境問題尤為突出，生活污水的大規(guī)模排放以及生活垃圾的不規(guī)范處理，致使村鎮(zhèn)水體受到一定程度的污染，對村鎮(zhèn)地表水的保護(hù)和治理刻不容緩。

村鎮(zhèn)地表水體水質(zhì)監(jiān)測是水環(huán)境質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，選擇合適的水質(zhì)監(jiān)測點能夠及時掌握水質(zhì)變化，有利于提高村鎮(zhèn)地表水環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量，能夠給農(nóng)村生態(tài)水環(huán)境的監(jiān)測工作提供保障。對監(jiān)測點進(jìn)行優(yōu)化能夠有效提升地表水體監(jiān)測水平，科學(xué)客觀地反映村鎮(zhèn)水體的實時監(jiān)測情況。因此，優(yōu)化配置水質(zhì)監(jiān)測點對村鎮(zhèn)水資源的保護(hù)和治理具有重要的作用和意義。

2 村鎮(zhèn)地表水體水質(zhì)監(jiān)測點布置現(xiàn)狀

國內(nèi)對村鎮(zhèn)地表水體水質(zhì)監(jiān)測點的優(yōu)化布局進(jìn)行了多方面研究，主要包括物元分析法、模糊聚類分析法、有機(jī)污染綜合指數(shù)評價法、指數(shù)分析法、最差因子判別法、均值偏差法、動態(tài)貼近度法等，現(xiàn)階段地表水體水質(zhì)監(jiān)測點的優(yōu)化布局在開展過程中各具優(yōu)缺點。在實際應(yīng)用中要充分了解當(dāng)前地表水體監(jiān)測布置工作開展中存在的問題，從而有效保證水質(zhì)監(jiān)測點位優(yōu)化配置。

現(xiàn)階段較為典型的是物元分析法，該方法通過建立各水質(zhì)監(jiān)測點位的節(jié)域分析模型、經(jīng)典域分析模型和物元分析模型，計算各點位物元與2個標(biāo)準(zhǔn)物元之間的線性關(guān)聯(lián)函數(shù)值和各點位的綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)值，再根據(jù)點位綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算結(jié)果繪制點位聚圖，最后根據(jù)圖中點位分布以及村鎮(zhèn)實際情況確定優(yōu)化點位[1]。物元分析法是在實際應(yīng)用中從定性和定量角度解決水質(zhì)監(jiān)測點中相容和不相容的問題，它能夠有效解決村鎮(zhèn)地表水水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中多指標(biāo)多數(shù)據(jù)優(yōu)化布點中相互矛盾的問題。該方法計算過程簡單，結(jié)果也較為準(zhǔn)確，因此，應(yīng)用物元分析法選擇水質(zhì)監(jiān)測點位相對比較理想。

模糊聚類分析法是通過建立監(jiān)測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，經(jīng)過計算得出標(biāo)準(zhǔn)化矩陣的模糊相似關(guān)系矩陣后，用置信水平截割模糊相似關(guān)系矩陣，對被分類對象進(jìn)行動態(tài)分類，繪制出動態(tài)聚類圖，進(jìn)而對水質(zhì)監(jiān)測點進(jìn)行優(yōu)化[2]。模糊聚類分析法在實際應(yīng)用中，可以剔除部分不合理因素，對其余監(jiān)測點位部分合理優(yōu)化，從而提高水質(zhì)監(jiān)測點優(yōu)化的準(zhǔn)確性和工作效率。

有機(jī)污染綜合指數(shù)評價法是針對水體遭受有機(jī)污染程度的一種綜合評價方法，根據(jù)水體中常規(guī)部分有機(jī)污染物的指標(biāo)，包括溶解氧（DO）、高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）這4項指標(biāo)，計算出等標(biāo)污染指數(shù)的和，從而得出水質(zhì)的有機(jī)物綜合污染情況。地表水水體中導(dǎo)致水質(zhì)較差的項目通常包括 CODMn、BOD5、NH3-N、總氮（TN），該方法能夠較好的反映水體有機(jī)污染情況，計算相對簡單，因而得到廣泛應(yīng)用[3]。

以上3種方法目前在國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛，但模糊聚類分析法是依據(jù)“物以類聚”的原理對被測物質(zhì)進(jìn)行分類的一種多元統(tǒng)計分析方法，研究對象需要通過大量的樣品研究分析，沒有任何模式可供參考或依循。有機(jī)污染綜合指數(shù)評價法是根據(jù)有機(jī)污染程度來判別水質(zhì)情況，需要多次計算和比較，較為煩瑣。而物元分析法較為全面，能夠考慮各種因素的綜合信息，保障了信息的完整性和客觀事實性。由于村鎮(zhèn)地表水的大體環(huán)境較為偏遠(yuǎn)，水質(zhì)檢測的投資預(yù)算相對較低，村鎮(zhèn)地表水水質(zhì)監(jiān)測點布置選擇物元分析法較為實際。

3 水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的選擇

根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[4]，準(zhǔn)確反映地表水水質(zhì)狀況的指標(biāo)共計109項，每一項指標(biāo)均代表水體中某一類物質(zhì)，指標(biāo)值的高低反映了它所代表的物質(zhì)在水體中濃度大小。因此，如何篩選優(yōu)化水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)對村鎮(zhèn)地表水水質(zhì)評價十分重要，選擇的指標(biāo)不同，優(yōu)化和評價結(jié)果也會大相徑庭。但在進(jìn)行實際水質(zhì)監(jiān)測時，由于村鎮(zhèn)受儀器設(shè)備條件限制及樣品的時效性等影響，監(jiān)測全項的水質(zhì)指標(biāo)很難實現(xiàn)，篩選出有代表性的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測分析具有重要意義。

依據(jù)GB 3838—2002，地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項目共計24項，表征了地表水的水體質(zhì)量參數(shù)，單因子基本能代表一種或一類地表水中比較常見的污染物。在這些項目中，除了溫度、pH、DO、CODCr、BOD5、NH3-N、TN、總磷（TP）、CODMn這 9 項水質(zhì)指標(biāo)外，氟化物、硫化物、糞大腸菌群、砷、銅、汞、鉛等都屬于特征性指標(biāo)，具有一定的物理及化學(xué)意義。由于村鎮(zhèn)交通及自我建設(shè)能力目前并沒有達(dá)到監(jiān)測分析這24項基本水質(zhì)指標(biāo)的能力，在對地表水體進(jìn)行監(jiān)測前，要實時調(diào)研以及分析監(jiān)測的目的與意義，選擇具有代表性的指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測分析。

綜合分析，選定水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的依據(jù)如下：

（1）對潛在超出標(biāo)準(zhǔn)限值的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，及時掌握當(dāng)?shù)卮彐?zhèn)地表水體的流水環(huán)境現(xiàn)狀及變化規(guī)律，必要時能夠及時采取措施防止村鎮(zhèn)地表水水體污染。對當(dāng)?shù)卮彐?zhèn)地表水流入的支流豐水期、平水期、枯水期河流水環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查研究，查閱基于現(xiàn)狀的水質(zhì)分析結(jié)果以及往年水質(zhì)監(jiān)測資料，對相關(guān)流域水環(huán)境現(xiàn)狀及水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行分析。

（2）結(jié)合地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項目要求，基于村鎮(zhèn)地表水水體流域水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析污染物來源的特點，結(jié)合村鎮(zhèn)地表水的監(jiān)測目的，對村鎮(zhèn)地表水監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。將生活水污染物主要指標(biāo)納入村鎮(zhèn)地表水體強(qiáng)檢參數(shù)，包含CODCr、NH3-N、TN、TP、動植物油5項，既可保持水質(zhì)監(jiān)測研究與國家對地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求相一致，又方便對村鎮(zhèn)地表水水環(huán)境的科學(xué)管理。

（3）村鎮(zhèn)地表水水環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測數(shù)值優(yōu)化分析。利用一定區(qū)域內(nèi)水文、大氣、土壤等監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得到村鎮(zhèn)地表水所處地域水環(huán)境因子時空分布規(guī)律，結(jié)合物元分析法、模糊聚類分析法、有機(jī)污染綜合指數(shù)分析法等對村鎮(zhèn)地表水水質(zhì)監(jiān)測點位優(yōu)化布設(shè)。

（4）由于大部分村鎮(zhèn)存在的水質(zhì)監(jiān)測能力不足，應(yīng)結(jié)合目前大數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢，充分發(fā)揮水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)、生物監(jiān)測及遙感監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)水質(zhì)在線監(jiān)測，簡化監(jiān)測流程，降低監(jiān)測成本，實現(xiàn)村鎮(zhèn)地表水水質(zhì)在線監(jiān)測。對異?；虿环€(wěn)定數(shù)據(jù)進(jìn)行手動水質(zhì)監(jiān)測。

在村鎮(zhèn)地表水體的實際監(jiān)測中，了解水體的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)尤為重要。作為水質(zhì)特點必選因子，地表水中的溫度、濁度和pH等常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)能夠反映水體中生化反應(yīng)速度的快慢、雜質(zhì)的多少、酸堿度高低等。在村鎮(zhèn)中，工業(yè)企業(yè)相對較少，水體污染主要來源于居民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和畜牧養(yǎng)殖業(yè)3個方面污染物的排放，這些污染物質(zhì)以有機(jī)污染物和含氮含磷污染物為主，本文建議除去特殊因子，將溫度、pH、濁度、DO、CODCr、NH3-N、TN、TP、動植物油選取為村鎮(zhèn)地表水水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)。

4 水質(zhì)監(jiān)測點布置原則和方法

對于偏遠(yuǎn)村鎮(zhèn)，在財力和物力條件有限的情況下，水質(zhì)監(jiān)測點布置原則和方法對掌握村鎮(zhèn)地表水水體的污染狀況尤為重要。結(jié)合國家地表水監(jiān)測作業(yè)指導(dǎo)書要求，村鎮(zhèn)地表水水質(zhì)監(jiān)測斷面分為背景斷面、控制斷面等，具體布置原則有以下5點：（1）根據(jù)水體功能區(qū)設(shè)置至少一個監(jiān)測斷面。（2）對釆樣條件不利的不應(yīng)布設(shè)。（3）充分利用歷年水文斷面的參數(shù)指標(biāo)作為參考，如果條件允許，可將監(jiān)測斷面與水文斷面重合，實現(xiàn)多功能監(jiān)測布點。（4）將水體區(qū)域內(nèi)人類社會的長遠(yuǎn)發(fā)展納入考慮范圍，充分考慮布設(shè)目的和自身條件的優(yōu)缺點。（5）在能反映入河水水質(zhì)并臨近入河的位置布設(shè)監(jiān)測斷面，最終選擇能從總體和宏觀上反映水系或所在區(qū)域的地表水水環(huán)境質(zhì)量情況的水質(zhì)監(jiān)測斷面，體現(xiàn)所在區(qū)域環(huán)境的污染特征，同時還須考慮實際釆樣的可行性和方便性。

網(wǎng)格布點法廣泛應(yīng)用于湖泊河流水質(zhì)采用點布置，網(wǎng)格布點法中的網(wǎng)格多采用規(guī)則四邊形的形式，按照一定的比例均勻布置，點位一般布置在網(wǎng)格的頂點或形心處，不存在固定形式，對網(wǎng)格的設(shè)計和點位的布置相對較為靈活，一般可以根據(jù)實際情況具體安排[5]。大多數(shù)村鎮(zhèn)地表水水體規(guī)模相對較小，水體的結(jié)構(gòu)特征和功能相對單一，在村鎮(zhèn)地表水水體待監(jiān)測范圍內(nèi)采用網(wǎng)格布點法均勻布設(shè)水質(zhì)釆樣點較為實用。

5 村鎮(zhèn)地表水水質(zhì)監(jiān)測點的優(yōu)化

考慮到水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)的特點和水質(zhì)監(jiān)測點布置的原則，本文選取分析物元分析法和系統(tǒng)聚類法結(jié)合進(jìn)行分析。

5.1 物元分析法基本原理

物元分析由蔡文教授創(chuàng)建[6]，物元分析以研究物元的轉(zhuǎn)化為主要任務(wù)，由事物、特征和量值3個要素構(gòu)成，描述事物的基本元，分析這些物元及其變化規(guī)律。物元分析的理論分為研究物元變化規(guī)律的物元理論和建立在以可拓集合為基礎(chǔ)創(chuàng)建的數(shù)學(xué)工具。目前可拓論分為基元理論、可拓集合理論和可拓邏輯。

5.2 系統(tǒng)聚類基本原理

系統(tǒng)聚類分析是讓需要聚類的對象自成一類，通過計算每一類之間的距離或者相似程度的大小，將差別最小的對象聚為一類，再判斷新形成的類與其他類之間的差別，又將差別最小的兩類合并為一類，每操作一次就減少一類，不斷繼續(xù)該過程，直至所有樣品或指標(biāo)合為一類。系統(tǒng)聚類方法聚類結(jié)果受主觀因素影響較小，能夠客觀實際的對樣品進(jìn)行聚類[7]。

5.3 基于物元分析與系統(tǒng)聚類優(yōu)化的選點

在進(jìn)行村鎮(zhèn)地表水水質(zhì)采樣點的優(yōu)化布局時，需要綜合考慮多項污染指標(biāo)，涉及個別單項不相容的污染指標(biāo)，利用物元分析與系統(tǒng)聚類優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，可以有效處理不相容的問題，對水質(zhì)監(jiān)測點進(jìn)行優(yōu)化布置，具體方法如下：（1）建立可拓集合，找出其節(jié)域和經(jīng)典域。（2）最優(yōu)、最劣關(guān)聯(lián)函數(shù)式的建立。（3）計算各水質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重。（4）得出最優(yōu)、最劣綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)式。（5）繪制綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)點聚圖。經(jīng)過上述5個步驟后，以最優(yōu)、最劣綜合關(guān)聯(lián)函數(shù)式的值為基礎(chǔ)，再采用系統(tǒng)聚類法對水質(zhì)監(jiān)測采樣點進(jìn)行聚類，最終得到關(guān)于村鎮(zhèn)地表水采樣點客觀合理的優(yōu)化選點方案。

6 總結(jié)

將物元分析法和系統(tǒng)聚類法相結(jié)合，解決了各單項污染指標(biāo)優(yōu)選時不相容的問題，同時科學(xué)地聚類優(yōu)化其結(jié)果，對村鎮(zhèn)地表水水質(zhì)采樣點進(jìn)行優(yōu)化布局，取得了最具代表性和最可靠的采樣點數(shù)據(jù)，得到的選點結(jié)果更符合客觀實際，同時減少了人力、物力和財力的投入，對有效推動村鎮(zhèn)地表水水質(zhì)采樣點優(yōu)化選點工作的發(fā)展具有重要意義。