辽河流域水环境监测网络优化技术研究

2015-11-17仇伟光

中国环境监测 2015年1期

仇伟光

环境监测网络的优化布设是环境监测质量保证体系中一个至关重要的环节，合理的采样位置和监测频次是取得空间和时间代表性数据的根本保证;合理的监测项目是水环境质量真实体现的科学依据。

辽宁省境内辽河流域现运行的水环境监测网络始建于20世纪80年代［1］，并经过多年的实施，根据实际需要调整而成。20 多年来，辽宁省已由此监测网络上获取并积累了大量的信息和数据，为辽宁省环境保护和环境管理提供了科学的技术依据。但随着工业经济的发展和人口的增多，以及辽河流域治理的深入，污水处理厂的建设和运行，入河排污口的改变，现有监测断面已存在局部布设不合理现象，有必要对原有的监测网络进行调整和优化，使之更具科学性和代表性，并达到节约人力、物力，全面、客观反映辽河流域水质状况的目的。国家水体污染控制与治理重大专项在辽河流域设立示范区，进行辽河流域水环境风险评估与预警监控平台、水环境安全监控与监测体系构建示范研究，为辽河流域水环境监测网络优化提供了科技支撑。

监测网络优化方法主要有主成分分析法［2-4］、物元分析法［5-8］、聚类分析法［8-11］、贴近度法［12-14］、多目标决策法［15］、最优分割法［16］等，其中最优分割法是对有序样品的聚类，是对一批有序样品进行划分分类的一种统计方法，较适用于河流从上游至下游有序断面的优化，对监测频次和监测项目的优化方法的探讨并不多见［17-20］。本文根据北方河流季节性明显的特征，采用最优分割法进行辽河流域监测断面的优化，创建变异系数与水质类别相结合方法进行了辽河流域水环境监测频次的优化;采用连续3年未检出判断法进行了辽河流域水环境监测项目的优化。优化后的辽河流域水环境监测网络更能科学、客观地反映水质状况，并达到经济高效运行的目的。

1 辽河流域水环境监测网络概况

辽河流域是全国七大流域之一，曾是国家重点治理的“三河三湖”之一，总面积约21.96 万km2，在辽宁省境内由辽河、浑河、太子河和大辽河4 条主要河流及其支流组成。目前，辽河流域共布设干流断面26 个，详见图1。

图1 现有辽河流域干流监测断面示意图

随着环境科学和环境管理水平的不断提高，对环境监测工作的要求也越来越高，现有辽河流域水质监测网络的问题也越来越突出，有些断面布设过密，有些过疏，经济发达地区布点密度明显高于经济落后地区;随着经济的发展和辽河流域的治理，流域内污染源和入河排污口情况发生了很大的变化，有些监测断面已不适应当前环境保护工作的需要，亟待调整。监测频次采用“一刀切”的方法，每月监测1 次，并未考虑北方河流受季节影响明显特点。所有断面均监测《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)表1中除总氮、粪大肠菌群之外的22 项，并未考虑污染特征和水环境功能区的要求。

2 研究思路与方法

以辽宁省内辽河流域干流4 条河流为研究对象，在全面调研流域自然、社会、经济状况，充分分析辽河流域水环境质量和污染源特征、现有监测网络合理性的基础上，依据断面优化的原则，进行水环境监测网络优化研究，建立分布合理、成本适宜的水环境监测网络。

3 结果与分析

3.1 水环境监测网络优化原则

监测断面的优化要遵循的原则:一是代表性原则。监测断面在宏观上要能反映水系环境特征，微观上能反映断面污染特征。二是分类原则。按照对照断面、控制断面设置，取消消减断面。三是分类管理原则。一个网络只具有一种功能，以保证监测断面设置的客观性。

监测频次的优化原则:一是高效原则。在保证客观性的条件下，尽可能使某些断面兼有多种功能，对没有受到污染、近期也不会产生明显污染的监测断面和监测项目适当减少监测频率，实现环境监测断面高效运行。二是季节原则。针对北方春冬季干旱少雨、夏秋季炎热多雨的特殊气候特征，优化时要研究不同季节水环境质量的变化，充分考虑季节的影响。

监测项目的优化原则:一是遵循相关技术规范和国家标准。选择环境标准中要求控制的危害(潜在危害)大、影响范围广、国家要求的、并已建立可靠分析测定方法和标准的项目。二是监测项目与污染特征、水环境功能区的一致性。监测项目必须适应水环境污染现状特征，能够全面反映水环境问题，同时要考虑不同功能区要求，实现水环境的宏观监测与微观监测相结合。三是监测项目与污染源分布的一致性。根据辽河流域沿岸污染源的特征，酌情增加某些污染源排放的特异污染物。

3.2 水环境监测断面优化

3.2.1 监测断面的优化方法

基于2009—2011年辽河流域干流监测数据，采用最优分割法进行监测断面的优化。

设定有序样本。设几个有序样本，序号依次为1，2，…，n，其中每个样本均为m 维向量，即含有m 个属性因子:

计算每个样本的均值型综合污染指数(Xi)，作为样本的待分析数据:

式中:xil为第i 个样本第l 项污染指标浓度;Sl为第l 项污染指标的标准值(l=1，2，…，m)。

用D(i，j)表示类{i，i + I，…，j}(i≤j)的直径，它的值越小，表示类中样本越集中，取离差平方和描述D(i，j):

式中:Xl为第i 个到第j 个样本综合污染指数为第i 个到第j 个样本综合污染指数的均值。

定义分类P(n，k)的误差函数e［P(n，k)］，用以衡量分类的好坏:

式中ii+1－1 =n。

当n、k 固定时，e［P(n，k)］越小，表示各子类的离差平方和的总和越小，分类就越合理。Fisher 最优分割法就是正确选择一种分类P(n，k)，使e［P(n，k)］达到最小，从而给出最优分类方法。

验证误差函数的递推公式:

应用式(5)和式(6)可递推求得使e 达到最小的分类。

3.2.2 监测断面的优化结果

使用最优分割法对辽河流域干流进行优化，计算得到最优结果，见图2。

辽河流域4 条河流干流断面优化出14 个断面:辽河包括福德店、三合屯、红庙子、盘锦兴安;浑河包括阿及堡、七间房、砂山、于家房;太子河包括老官砬子、兴安、下王家、小姐庙;大辽河包括三岔河、辽河公园。

图2 优化后辽河流域干流监测断面示意图

在水环境监测网络优化中同时应考虑断面的均匀性、实际监测采样的可行性以及监测断面所在位置的特点［21］。辽河的三合屯和红庙子断面距离太远，需加设朱尔山断面;赵圈河为辽河入海控制断面，且盘锦境内支流多在盘锦兴安断面下入河，需保留;参窝坝下为参窝水库出库断面，需保留;下王家和小姐庙断面距离太远，需加设唐马寨断面。因此，优化后辽河流域保留18 个断面，比原来减少8 个。

3.3 监测频次的优化

3.3.1 监测频次的优化方法

北方河流水量受气候影响明显，冬、春季干旱少雨，河水流量显著减少，一般比夏季少3 ～300倍。因此，在监测频次优化上，应充分考虑季节对污染物浓度的影响。

对于干旱少雨、污染物浓度变化剧烈的季节(1、2、3、4、12月)，采用分析自动监测数据的变异系数的方法确定监测频次。

以现有自动监测断面历史监测数据为基础，采用主要污染物的各月日均浓度的变异系数衡量断面监测数据受偶然、局部干扰因素的影响程度。计算公式:

式中:C 为变异系数;S 和S2分别为某污染物浓度标准差和方差;X 为某污染物月均质量浓度，mg/L;Xi为污染物日均质量浓度，mg/L;n 为每个月的监测天数，d。

在一般研究中，同一样品的变异系数小于20%时视为数据稳定，离散性小，而有研究在分析5年水质稳定性时将变异系数定为70%。考虑到北方河流流量受气候影响显著，将主要污染物测值变异系数小于30%作为判断该断面水质稳定性的标准。

对于6—9月多雨、污染物浓度变化幅度较小的夏、秋季，监测频次的优化采用水质类别分析法，即水质稳定，可适当减少监测频次。

3.3.2 监测频次的优化结果

随着辽河流域治理的深入，氨氮污染突显，将成为辽河流域的首要污染指标，因此在频次优化中主要以氨氮为主要研究因子。

以铁岭朱尔山、盘锦兴安和营口辽河公园为例进行监测频次的优化研究，这3 个断面的各月氨氮数据变异系数见表1。

表1 自动监测断面各月氨氮数据变异系数 %

由表1可确定，1、5、10月应保持每个月2 次的监测频次，2—4月、11—12月保持每月1 次监测即可。6—9月污染物浓度变化不大，基本都在Ⅱ类水质标准以下，所以采用水质类别分析法，6—9月的4 个月中，只监测1 ～2 次的监测频次。优化后每年监测次数仍为12 次，但更趋于合理分布。

在水质分析时，以每月2 次的监测频次为基准，未监测时间段以上一次监测数据为参照。

3.4 监测项目的优化

3.4.1 监测项目的优化方法

以《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)表1中的23 项(粪大肠菌群除外)及流量为监测项目范围，采用连续3年未检出判断法，即根据《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)［21］，且入库断面需考虑加测总氮，饮用水源地上游断面监测所有项目，其余断面无需监测总氮，并兼顾上下游一致性，在全面分析2009—2011年历史数据的基础上，优化辽河流域水环境质量监测项目。

3.4.2 监测项目的优化结果

辽河流域各监测断面监测项目优化结果见表2，必测项目为12 ～20 项，其他项目可作为选测项目，主要是部分重金属。

表2 辽河干流监测项目优化结果

另外，太子河兴安断面为参窝水库入库断面，需加测总氮;辽河赵圈河和大辽河辽河公园2 个断面为潮汐断面，需加测氯离子;所有断面均需测流量。

3.5 优化后验证

显著性水平选取0.05，以辽河流域主要污染指标，即氨氮、化学需氧量、BOD5为样品变量对4条河流进行检验。从表3可以看出，辽河流域4条河流原始断面样本与优化断面样本方差齐，且均值无明显差异。可以认为2 个样本方差相等，来自于同一总体，因此优化后断面对原断面具有很好的代表性，优化后的结果符合实际环境状况。

表3 辽河断面优化后检验结果

4 结论

1)采用最优分割法，并结合流域实际情况，对辽河流域干流监测断面进行优化，优化结果:辽河流域布设18 个监测断面，辽河包括福德店、三合屯、朱尔山、红庙子、盘锦兴安、赵圈河;浑河包括阿及堡、七间房、砂山、于家房;太子河包括老官砬子、兴安、参窝坝下、下王家、唐马寨、小姐庙;大辽河包括三岔河、辽河公园，比优化前减少8 个。

2)污染物浓度变化剧烈的少雨期，采用分析自动监测数据的变异系数的方法确定监测频次。1、5、10月应保持每个月2 次的监测频次;2—4月、11—12月保持每月监测1 次即可，监测时间定在1—7日;多雨期，监测频次的优化采用自动监测日均浓度水质类别分析法。6—9月的4 个月中，监测1 ～2 次。优化后每年监测次数依然为12 次，但更趋于合理分布。

3)根据《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91—2002)，同时考虑上下游监测一致性，在全面分析2009—2011年历史数据的基础上，优化辽河流域水环境质量监测项目。各监测断面监测项目为12 ～20 项，比优化前最多减少11 项，选测的项目主要为部分重金属。

［1］贾玉霞，袁留根.辽宁省主要河流水质例行监测断面优化布设的研究［R］.沈阳:辽宁省环境监测中心站，1989.

［2］庄世坚，环境监测优化布点的一种新方法［J］.数理统计与管理，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.用物元分析进行水质环境监测优化布点的研究［J］.环境科学进展，1997，5(3):77-81.

［6］喻宗仁，赵培才，张欣，等.泰山区水环境监测网络优化研究［J］.中国环境监测，2004，20(6):5-8.

［7］弓晓峰，陈春丽，赵晋，等.鄱阳湖乐安河流域水质监测优化布点［J］.湖泊科学，2006，18(5):545-549.

［8］吴文强，陈求稳，李基明，等.江河水质监测断面优化布设方法［J］.环境科学学报，2010，30(8):1 537-1 542.

［9］梁伟臻，叶锦润，杨静.模糊聚类分析法优化城市河涌水质监测点［J］.环境监测管理与技术，2002，14(3):6-7.

［10］马飞，蒋莉.河流水质监测断面优化设置研究——以南运河为例［J］.环境科学与管理，2006，31(8):171-172.

［11］王晶.巢湖流域地表水环境监测网络优化研究［D］.合肥:合肥工业大学，2012.

［12］郭小青.贴近度法优化城市内河水质监测点［J］.科技通报，2005，21(3):360-363.

［13］张亦飞，杨晓兰，张健.动态贴近度法及其在水质监测点优化布设中的应用［J］.安全与环境学报，2006，6(3):110-112.

［14］续衍雪，郑丙辉，刘琰，等.贴近度法在湘江干流水质监测断面优化中的应用［J］.水资源保护，2012，28(6):46-48，54.

［15］李锦月.应用逼近于理想解的排序法优选环境监测点位的研究［J］.中国环境监测，2000，16(4):12-14.

［16］周劲，董吉文，张平.最优分割分析在水环境监测优化布点中的应用［J］.济南大学学报:自然科学版，2005，19(4):316-318.