秦皇岛市地表水环境监测点位优化研究

张　晶，李中秋（. 秦皇岛市海港区环境监测站，河北秦皇岛06600；. 秦皇岛市环境保护监测站，河北秦皇岛06600）



秦皇岛市地表水环境监测点位优化研究

张晶1，李中秋2
（1. 秦皇岛市海港区环境监测站，河北秦皇岛066001；2. 秦皇岛市环境保护监测站，河北秦皇岛066001）

摘要：随着经济社会发展，秦皇岛水环境监测点位存在局部布设不合理现象。有必要针对环境所需，对原有的监测点位优化设置，使其更具有科学性和代表性。在查阅了大量有关资料的基础上，结合实际工作情况，搜集秦皇岛2008—2012年5年的地表水环境监测数据，对秦皇岛市主要地表水环境监测的7条河流的25个监测断面进行筛选分类，根据实际需要在保留原有省级监控断面的基础上，建议增加削减断面和对照断面。

关键词：监测断面；数据法分析；模糊聚类法分析；优化调整；秦皇岛

10.13358/j.issn.1008-813x.2016.02.18

监测点位优化是指在经济合理、技术可行的条件下，用最少的监测点，获得最有空间代表性的监测数据，并以此准确预警环境质量的状况和变化[1]。秦皇岛市现有监测点位多为20世纪90年代布设而成，经过近20年的发展，地表水的流域大小、环境污染源头、污染物的构成等均发生了不同程度的变化，因此，依据科学合理的方式对监测点位进行优化处理非常必要。

1　秦皇岛市地表水环境监测现状分析

1.1秦皇岛市流域环境监测现状

目前，秦皇岛市内主要监测河流7条，分别为石河、汤河、戴河、洋河、青龙河、饮马河、新开河。每条河流基本上设置不少于2个断面（新开河只设新开河口断面），由于汤河流经秦皇岛市区，多设置2个断面，石河和洋河因为有水库，加设断面，共计设置25个断面，分别是石河流域的里峪、四道河、石河大坝、铁路桥、石河口，汤河的海阳桥、汤河桥、河北大街桥、黄庄桥、汤河口，戴河的戴河村、尼龙坝、戴河口，洋河的西入口、东入口、水库出口、卢王庄、洋河口，饮马河的王店子、歇马台、大蒲河口，青龙河的红旗杆、桃林口、田庄子以及新开河的新开河口。目前，除饮用水源地监测断面外，其余全部断面监测的频率为每年11次，监测项目包括pH、溶解氧等共计24项。秦皇岛市主要地表饮用水源有石河水库、桃林口水库和洋河水库，布设7个监测断面。分析项目有《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）[2]表1中的24项（不含化学需氧量）、表2中的5项、表3中前35项，及电导率、叶绿素a、透明度3项共计68项，每月监测一次。2009年开始，每年开展一次水质109项全分析。

1.2地表水环境质量状况

监测表明，秦皇岛市地表水正逐年好转。以2008—2012年的5年间各污染物浓度的平均值计算得出秦皇岛地区各断面水质类别和污染物超标率[3]。其中水质类别为I类的断面占8%，II类的断面占40%，III类的断面占28%，IV类的断面占4%，V类的断面占8%，劣V类的断面占12%。在秦皇岛市的7条主要河流中，V类及劣V类水质主要集中在洋河卢王庄断面和饮马河全程，主要污染物指标为高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、挥发酚、硫化物。

2　秦皇岛市地表水监测点位优化设置

2.1基于历史数据法分析秦皇岛地表水监测点位

2.1.1监测断面的水质稳定性分析

以现有断面历史监测数据为基础，采用主要污染物的多年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[4]。其公式为：

式中，C为变异系数，S和S2为某污染物浓度标准差和方差，x为某污染浓度5年均值，xi为污染物浓度第i年的年均值，n为年数，取n=5[5]。根据对秦皇岛地表水历史监测数据的掌握情况，本研究以2008—2012年数据为基础，以断面水质年际变异系数分析目前所有监测断面水质的年际稳定性。所涉及的主要污染物为污染超标率较大的前5种。分析结果显示，除生化需氧量、氨氮外，大部分现有断面其他主要污染物测值年际变化稳定。因此，所有监测断面中多数断面数据稳定，部分市级区级监控断面数值呈现不稳定状态，也反映出断面布设的不合理性特征。

2.1.2相邻监测断面的相关性分析

相邻断面监测结果的相关性分析是判断监测断面布设是否重复的重要方法之一，具体分析公式如下：

上述公式中，r为相关系数；xi、yi分别是相邻断面某主要污染物年均值序列；n则为年数；当n=5时，lxx、lyy是变量x、y的离均差平方和；lxy则为变量x、y的离均差积和。查相关系数临界值表，得r0.05和r0.01，即：若计算值r＜r0.05，则说明监测点位相关不显著；若r0.05≤r＜r0.01，说明监测点的相关显著；若r＞r0.01，则说明相关极显著[5]。

根据笔者所选用的分析相邻断面相关性的方法与公式，以2008—2012年5年监测数据的年均值为基础数据，选取5种主要污染物，临界值取r0.05=0.878，r0.01=0.959，对流域现有各相邻断面相关性进行计算。结果表明，石河的里峪、四道河、石河大坝的5种主要污染物呈现极显著相关；汤河的汤河桥、河北大街桥、黄庄桥三个断面的5种主要污染物呈现极显著相关；洋河的西入口、东入口、水库出口三个断面的5种监测数据呈现极显著相关；青龙河的红旗杆、桃林口、田庄子三个断面中有4种监测数据呈现显著相关或极显著相关（如表1所示）。

表1　相邻监测点位相关性分析　mg/L

2.2基于模糊聚类法分析秦皇岛地表水监测点位

2.2.1监测点位数据的获取和研究方法

笔者选用2008—2012年秦皇岛地表水7条河流共25个断面的主要污染物中分担率排序的前5种（高锰酸钾指数、五日生化需氧量、氨氮、挥发酚和硫化物）的水质指标年平均值分析。各监测点数据采集和测试是由秦皇岛市环境保护监测站和秦皇岛市海港区环境监测站完成。监测点数据5年均值见表2。

为了让监测项指标数据的可比性更强，需对提供的原始数据进行标准化预处理，得到标准化数据[6]。之后调用SPSS软件的K-Means cluster过程对数据进行处理[7]。K-Means cluster过程可以对用户所指定的类别数资料进行逐步聚类分析。根据需要，本研究选取聚类数是“4”，然后进行逐步聚类分析。可以得出如下结果：7条河流25个监测断面中，秦皇岛地区多数河段的水体良好，聚类为2类，轻度污染的水体主要集中在汤河、戴河流域，饮马桥流域及洋河下游的是重度污染。

3　优化设置的方案分析

3.1断面优化设置的原则

秦皇岛地表水监测点位的优化应该是将历史数据法和聚类分析法的科学分析结果作为依据，按照断面布设的要求，结合地理环境、河道情况、城市化发展、污染源分布及水质管理的需要等多个因素进行综合分析后得出。

表2　监测断面主要污染物浓度

所以，断面设置应符合如下要求：在主要城市和工业区河段中，为掌握全河段的水质状况，需要布设对照断面、控制断面和削减断面三类断面；对于污染严重的河流和河段，应在排污量较大的河段加设控制断面；在有较大支流汇入的河段布设断面，布设点可选在汇合点上游的交流处或充分混合后的干流下游处；对水质变化较稳定或污染源对水质未造成明显影响的河段中，断面设置可灵活掌握。

3.2优化方案

结合前文基于历史数据法的对断面合理性分析结果和聚类分析结果，本研究在点位优化设置方面提出了如下方案：

（1）同一河流在聚类分析中属于同一污染级别的断面选择1个作代表；（2）同一河流中属相同污染级且相邻断面中有2种以上主要污染物呈显著或极显著相关的多个断面保留其中1个；（3）省控断面尽量保留，但如果主要污染物呈现极显著相关时则保留其中1个；（4）只有1个断面的河流保留原有断面；（5）饮用水监测断面保留。

3.3监测点位优化设置的结果

根据点位优化设置原则和优化设置方案，秦皇岛地表水监测点位优化如下:

3.3.1石河

因石河水库为饮用水源地，所测主要污染数据年级变化稳定，故里峪、四道河和石河水库大坝3个点位予以保留。又因石河流经海港区，沿岸的工业及城市生活污染需要及时监测。所以，铁路桥和石河口的点位也予以保留。故此，石河流域的原有点位不变。

3.3.2汤河

汤河流域共有5个点位，其中市区控点位2个（黄庄桥和河北大街桥），省控点位3个（海阳桥、汤河桥和汤河口）。其中黄庄桥、汤河桥和河北大街桥的点位属于相邻点位，历史数据值呈现极明显相关，且聚类分析均为三类水质。鉴于汤河流经海港区，沿岸工业和生活排放较重，故建议保留原有省控点位，将黄庄桥和河北大街桥的点位去除，可以被汤河桥点位取代。

3.3.3戴河

戴河流域共有3个点位，均为省控点位，且3个点位的主要污染物只有1个呈现极明显相关，聚类分析结果虽然处于同一类别，但基于秦皇岛的工业发展和戴河的旅游资源，建议保留原有监测点位。

3.3.4洋河

洋河流域共有5个点位。因洋河水库为饮用水源地，故建议保留洋河东入口、西入口及水库出口3个断面。近些年，洋河下游的工业发展迅速，工业排放使该河成为重度污染区，虽然卢王庄断面年级监测数据变化较大，仍建议保留该断面，为使监测数据更为稳定，建议在该断面附近增设对照断面和削减断面。原有的洋河口因合流入海，故保留不变。

3.3.5饮马河

饮马河是秦皇岛河流中污染最重的河段，该河有3个断面，分别为王店子、歇马台和大浦河口。3个断面均呈现出年际变化值不稳定状态，这与该河流流域的工业污染有直接关系。鉴于该河流水质呈现重度污染情况，故建议保留原有断面。在此基础上对王店子和歇马台两个断面设置对照断面和削减断面，同时建议增设饮马河大桥点作为监测点（该点距昌黎县城较近，能有效监测该区域的工业排放），进一步监测污染源。

3.3.6青龙河

青龙河原有3个监测点位，其中红旗杆和桃林口属于饮用水源地监测点位，建议保留。田庄子监测点是青龙河汇集滦河之处，也建议保留。

3.3.7新开河

新开河只有新开河口一个监测点位，故建议保留。

参考文献

[1]叶萍．浅谈环境监测数据的综合分析方法[J]．中国环境管理干部学院学报，2010，20（2）：54-56．

[2]国家环境保护总局科技标准司.GB 3838-2002地表水环境质量标准[S]．北京：中国环境科学出版社，2002.

[3] 2012年秦皇岛市环境状况公报[EB/OL]．（2013-06-08）.http：// www.qhdhb.gov.cn/，2012．

[4]梁铁军．断面综合指数评价法在水质监测断面优化布设方法中的应用[J]．辽宁城乡环境科技，2004，24（5）：32-33．

[5]肖中新．安徽省辖淮河流域省控地表水环境监测点位优化研究[D]．合肥：合肥工业大学，2008：13-15．

[6]倪云龙．水环境监测点位优化数学模型探讨[J]．江苏环境科技，2007，20（2）：58-60．

[7]丁雪梅，徐向红，邢沈阳，等．SPSS数据分析及Excel作图在毕业论文中的应用[J]．实验室研究与探索，2012，31（3）：122-128．

（编辑：程俊）

A Study on Design Optimization of Surface Water Environment Monitoring Sites in Qinhuangdao

Zhang Jing1, Li Zhongqiu2

（1. Qinhuangdao Haigang Distict Environment Monitoring Station, Qinhuangdao Hebei 066001, China; 2. Qinhuangdao Environment Monitoring Station, Qinhuangdao Hebei 066001, China）

Abstract：With the development of economy and society, the arrangement of water environment monitoring sites of Qinhuangdao city were increasingly unreasonable. Therefore, it was necessary to optimize the arrangement of environment monitoring sites in order to make them more scientific and representative. Based on the reference to relevant data, combining with the actual working conditions, and collecting the surface water environmental monitoring data in recent five years of Qinhuangdao, 25 sections of 7 rivers were selected, the final removal of two original municipal monitoring sections, according to the addition of a new municipal monitoring section of the actual needs.

Key words：monitoring sections, data analysis, fuzzy clustering analysis, optimized adjustment, Qinhuangdao

作者简介：张晶（1983-），女，河北秦皇岛人，毕业于燕山大学工商管理专业，工程硕士，工程师，主要从事环境监测工作。

收稿日期：2015-11-16

中图分类号：X832

文献标识码：A

文章编号：1008-813X（2016）02-0069-04