流域水环境监测学方法论研究

刘巍

（松辽流域水资源保护局，吉林 长春130021）

0 引言

流域水环境监测学的方法论基础是：系统论、信息论与控制论，这是由水环境监测学的学科性质所决定的，水环境监测学的方法论构成要件应该是：布点方法学、采样方法学、测试方法学、数据处理方法学、评价方法学等。

概括之，方法是因果之间必然联系的程序表现。从辩证唯物主义观点出发，世界一切事物的变化原因与各种各样的结果之间必然遵循某种程序，通过对这种联系程序的研究与推演，可以找出关于事物运动、变化与发展所必须遵循的基本原则。因此，也就构成了各门科学研究方法的理论与思想基础，即方法论基础。

1 概述

人类的科学世界存在着两大体系，即自然科学与社会科学。自然科学实现着理想化的严格的定量化抽象，社会科学则由于其规律很难用严格的数量关系来描述，被称为“艺术”。随着时代的前进和社会的发展，自然科学的研究方法发生了一场深刻的变化，其重要标志就是“系统论”、“信息论”、“控制论”的相继问世，这便使科学研究的方法突破了自然科学原有的狭隘性，自然科学的研究方法进入到社会科学的研究方法之中，使社会科学度过了“艺术”阶段。由于现代管理学引入了定量分析、数学及电子计算机技术等自然科学手段，大大地增强了驾驭社会的能力，促进社会经济的发展。可以说“三论”的出现，使自然科学与社会科学在研究方法论方面产生了变化，也给跨学科研究工作带来了福音。将“三论”引入水环境监测，大大地推动了水环境监测学的发展。系统方法为水环境监测学知识数学化提供了过度模式，加快了水环境监测学数学化的进程，对于一些难以用直观方法描述的对象，有了系统模式，是以应付水环境监测的概念系统研究。以信息论为基础的信息方法，把水环境监测系统各种因素的相互联系和关系看作信息的交换过程而加以研究的方法，使监测对象与监测结果之间构成一个有机的整体。以控制论为理论指导的功能模拟方法，能有效地控制水环境监测各环节的功能发挥，可以保证监测质量，使监测活动处于受控制状态。

2 水环境监测的系统方法原则

科学研究的方法论体系十分复杂，一般可分为两类：传统的方法论研究，主要关心和侧重实现目标的方法，对确定目标的方法研究较为薄弱；系统方法则正好加强了系统方法的薄弱环节。所谓系统方法就是合理地研究和处理组成系统的全体对象的整体联系的方法论。水环境监测的系统方法就是研究和处理水环境监测环节，如：布点、采样、分析、数据处理和综合分析评价等整体联系的方法论。在研究和处理过程中，必须遵守系统方法的基本原则：

1）整体性原则。水环境监测是以把脉江、河、湖、库等水域的水质现状、变化规律及发展趋势为目的而存在的，但水环境质量概念决不是几个环境要素的加和，而是各环境要素关系的总和，要考虑整体性，要体现出各要素之间的联系总和。

2）相关性原则。系统方法的相关性原则，是辩证法的普遍联系观点的具体体现的实际运用，水环境监测作为一个客观存在的系统，它是由监测活动诸环节互相联系而构成的整体，正如地表水的分析数据再精确也代表不了地下水水质一样，因为它离开了布点、采样等环节的联系。所以，水环境监测系统方法原则的相关性原则就是监测全过程各环节的联系原则。

3）有序性原则。水环境监测系统是有序的，要提高运行机制，必须把握其有序性。从客观角度说，水环境监测是获取、解释和运用数据的过程，这三者是相互联系，互为前提的，不看到这一点，监测工作是要失败的。如不顾布点、采样技术水平，一味追求高、精、尖仪器设备，即数据很难准确，就是准确，也无法进行环境质量的解释。

4）动态性原则。水环境监测发展的动力是什么？就是不断提高环境管理服务水平（或说质量），集中体现这种服务的及时性、针对性、准确性和科学性。在这种动态推动下前行。要使水环境监测工作不断发展，必须把握动态原则，充分发挥水环境监测各环节的内涵作用，严格按环境监测的内在规律办事。

3 水环境监测与控制论信息论的关联性探讨

水环境监测方法除应遵循系统论的要求外，还应以控制论、信息论为指导，才可能动地把握水环境监测的运动规律。所谓控制论就是寻求、研究、探索事物向规定方向发展的原因，把握、控制事物发展过程的理论，掌握事物的变化规律，创造必要的条件，使其向有益于人类的方向运动、变化和发展。很显然，水环境监测要向有益于环境管理的方向发展，其过程必须处于受控状态，比如：水环境监测要逐渐实现以最少的测点和频率获取最有代表性的数据为目的，从而提高监测效率。要建立优化布点理论和方法，发展简易、快速、高效的分析理论与方法，研究水环境质量描述理论与方法等。就看到，在水环境监测过程中，会不断产生新矛盾、新问题，要适时地、能动地加以解决，使水环境监测朝有益的方向发展。

信息是水环境监测的灵魂。水环境监测的首要任务是捕获最有代表性的信息，经加工后，提供给部、委、局有关部门。

4 水环境监测学方法论构件的创新性研究

4.1 布点方法学

水环境监测点位和点数选择是水环境监测过程的第一环节。所谓布点方法，狭义说，就是确定监测点数和点位的手段；广义将，布点方法是测点数量和点位的选择与监测数据空间代表性之间必然联系的程序表述。布点方法学就是水环境监测数据空间代表性的因果关系变化之学，它是专门研究监测点合理选择的学问，其中心任务是探索监测点选择必须遵循的基本原则。

4.1.1 监测点布设的主要影响因素

1）污染物在水环境中的扩散性、活性和持久性、生物可分解性和生物累积性；

2）污染源的分布及其排污规律；

3）监测范围及范围内的自然环境状况；

4）监测活动可能投入的人力、物力及财力情况；5）现场条件及样品传输条件等。

4.1.2 水环境监测布点方法

水环境监测点的布设主要是由监测目的、水体功能、测点性质及所处位置等情况所决定。

1）江、河水质监测点的选择

江河水环境监测点位的选择有两个含义，一是监测断面的选择（含断面位置及数量），二是断面上点位的选择（含点位和点数）。断面有3种类型，即：对照断面、控制断面和削减断面。3种断面的含义分别是：对照断面是判断水体污染程度时起对照作用的，由有背景断面的意思；控制断面是受到污染需要及时掌握现状及变化动态，进而进行污染控制的断面；削减断面是判断污染河段和长度，污染状况明显减缓的断面。3种断面在水环境质量评价中有着不同的作用，都是水环境污染防治工作必须掌握的基本信息。

2）湖泊（水库）监测点的选择

湖泊（水库）监测点的选择实际上是监测垂线及垂线上测点的选择。这种选择一般是按不同水域，如进水区、出水区、深水区、浅水区、湖心区、岸边区、视水体功能分别设置监测垂线。若湖（库）区无明显功能分区，可用网络法均匀设置。

监测垂线上的采样点设置一般与河流的选择方法相同。但对有可能出现温度分层现象时，应先作水温、溶解氧的探索性试验再定。

3）优化布点原则

①尺度原则。优化布点系指一定地区范围内的优化。不可能有适用于一切尺度，如：国家级尺度、省级尺度、市地级尺度、县级尺度乃至于全球级尺度等的测点数，测点数根据需要可适时调整。

②信息量原则。从理论上讲，应尽可能的最少的测点数获取代表性最好的数据。足够的信息量包括：各种污染因子的污染现状、污染物特征、污染规律及污染趋势，不能只追求代表性而失去信息量。

③经济性原则的各种尺度优化布点，都应作到人力、物力、财力等投入最少，而受益最大。

④不断优化原则。优化布点不是一劳永逸的，根据变化与需要，要不断的优化最佳监测点。

⑤可控性原则。在优化布点时，应针对性地选择优化设计参数。常用的参数有：污染物浓度值及其频数分布、污染物超标率及其频数分布等等。

4.2 采样方法学

采样方法学是水环境监测学方法论构成的重要内容之一，如果说水环境监测是准确测取、科学解释及合理使用监测数据的话，即么，采样方法学和布点方法学则是准确地测取水环境质量数据的方法论基础。

4.2.1 采样的时间尺度

大体分为3个时间尺度：1）短期瞬时的，只能用于特殊目的的监测，如污染事故的应急监测、科研监测、调查性监测等；2）周期性瞬时的，这种多样方式，可粗略地说明一些问题，但偏差较大，数据难以完整；3）长期连续的，这种采样方式，可避免前两种采样方式的缺陷，是最好的采样方式。

4.2.2 采样频率的决定因素

有两个决定因素：1）污染物的时间分布特征。所谓监测数据要有时间代表性，指的就是应反应污染物的时间分布特征。2）不同的监测目的所要求的监测数据的精度。

4.2.3 采样方法和采样器

采样方法的共同原则：1）必须保证所采水样的代表性；2）必须避免污染物在采集过程中发生变化，保证水样真实性；3）必须以尽可能少的测点和测次获得代表性的水样；4）必须有较高的采集效率，保证水样安全期；5）必须操作简便，且方便与随后的分析测试；6）必须满足监测目的要求。

4.3 测试方法学

测试方法学研究的主要内容是：研究环境污染现象的量化方法，揭示影响环境监测数据准确性、精确性、可比性的内在因素。

测试方法学的基本任务是：

测试方法学是在布点方法学和采样方法学研究成果基础上，定性和定量地测定污染程度的专门学问。它通过化学的、物理的和生物的测试手段，对环境污染物的性质、来源、含量和分布状态以及环境背景值进行测定，为综合分析、评价环境质量状况提供可靠数据，其基本任务是：

1）研究测试对象的物理、化学构成，寻求测试对象构成变异的测试方法、定性、定量地说明这种变异的过程；

2）研究环境污染物性质、来源的测试方法；

3）研究环境污染物在环境中含量水平及其分布状态的测试方法；

4）研究环境背景值的测试方法；

5）研究测试对象和测试方法之间的联系，寻找提高测试方法可靠性的途径；

6）对测试方法的准确性、精确性进行质量控制，研究并确定测试方法的质量控制程序；

7）引进近代化学、物理、数学、电子学、生物学及其他科学技术的最新成就，建立新型的环境监测新方法。

随着监测科学的发展，测试方法也在向深度与广度发展。测试方法学的发展趋势是：

1）系统化。测试方法学，含容了各种测试方法，已形成了较完整的方法学系统。要发展测试方法学的研究工作，必须以系统论为指导，按照环境污染的产生、变化规律，逐步建立从污染物测试方法到污染迁移、转化诸过程的测试方法系列，使测试方法得以满足测试工作全过程的需要。

2）标准化。评价环境质量的一个重要特征是可比性，测试数据失去可比性，则无法作为管理的依据。因而，测试方法学将日益重视测试方法学标准化的研究。

3）整体化。随着现代科学技术的飞速发展，新型的测试手段应用多学科的原理和方法，测试方法的学科界线日趋模糊。同时，环境污染本身就是有综合性。因此，测试方法的研究越来越多的注意多种方法的联合使用，形成一个高效率的方法整体，比如，色谱—质谱—计算机联用，就是这种整体化研究的体现。

4）自动化。环境监测效率的出路是自动化，目前，测试方法学的研究已经从经典的化学分析过渡到仪器分析，由手工操作过渡到连续自动操作。

4.4 数据处理方法学

环境监测的直接产品是数据，对数据的研究十分重要。数据处理方法学的基础是数学科学，它是将数学科学引入水环境监测中，由于污染物质的运动、变化与发展无不表现为一定的数量关系，因此，数学这门高度概括和抽象的科学，完全可以用于描述污染现象，一是利用数学模型描述环境质量变化规律，二是利用数学模型描述污染与环境质量之间的因果关系。环境监测数据处理方法原则是应用数学原理，紧密结合水环境实际，建立起的学科理论与方法。它研究的主要内容有：水环境监测数据基本特征、统计量构成、数据计算、数据类型及验证方法等。

4.5 评价方法学

评价方法学是环境监测学方法论的基本支柱，它在水环境监测学中占有十分重要的位置。水环境监测全过程中的布点、采样、分析、数据处理都是为评价服务的。是环境管理的基础，是重要手段之一。环境监测学的发展，在很大程度上取决于评价方法学的进展情况，因为，评价不仅仅作为监测工作的最终环节而存在，而且对于监测全过程有着极强的反馈作用，一种新的评价方法的出现，往往引起监测学的相应变化。评价方法学主要的研究内容是：环境质量评价的原理与方法；环境质量评价的程序与内容；环境质量评价的精度与范围。