遼河流域水環境監測網絡優化技術研究

仇偉光

環境監測網絡的優化布設是環境監測質量保證體系中一個至關重要的環節，合理的采樣位置和監測頻次是取得空間和時間代表性數據的根本保證;合理的監測項目是水環境質量真實體現的科學依據。

遼寧省境內遼河流域現運行的水環境監測網絡始建于20世紀80年代［1］，并經過多年的實施，根據實際需要調整而成。20 多年來，遼寧省已由此監測網絡上獲取并積累了大量的信息和數據，為遼寧省環境保護和環境管理提供了科學的技術依據。但隨著工業經濟的發展和人口的增多，以及遼河流域治理的深入，污水處理廠的建設和運行，入河排污口的改變，現有監測斷面已存在局部布設不合理現象，有必要對原有的監測網絡進行調整和優化，使之更具科學性和代表性，并達到節約人力、物力，全面、客觀反映遼河流域水質狀況的目的。國家水體污染控制與治理重大專項在遼河流域設立示范區，進行遼河流域水環境風險評估與預警監控平臺、水環境安全監控與監測體系構建示范研究，為遼河流域水環境監測網絡優化提供了科技支撐。

監測網絡優化方法主要有主成分分析法［2-4］、物元分析法［5-8］、聚類分析法［8-11］、貼近度法［12-14］、多目標決策法［15］、最優分割法［16］等，其中最優分割法是對有序樣品的聚類，是對一批有序樣品進行劃分分類的一種統計方法，較適用于河流從上游至下游有序斷面的優化，對監測頻次和監測項目的優化方法的探討并不多見［17-20］。本文根據北方河流季節性明顯的特征，采用最優分割法進行遼河流域監測斷面的優化，創建變異系數與水質類別相結合方法進行了遼河流域水環境監測頻次的優化;采用連續3年未檢出判斷法進行了遼河流域水環境監測項目的優化。優化后的遼河流域水環境監測網絡更能科學、客觀地反映水質狀況，并達到經濟高效運行的目的。

1 遼河流域水環境監測網絡概況

遼河流域是全國七大流域之一，曾是國家重點治理的“三河三湖”之一，總面積約21.96 萬km2，在遼寧省境內由遼河、渾河、太子河和大遼河4 條主要河流及其支流組成。目前，遼河流域共布設干流斷面26 個，詳見圖1。

圖1 現有遼河流域干流監測斷面示意圖

隨著環境科學和環境管理水平的不斷提高，對環境監測工作的要求也越來越高，現有遼河流域水質監測網絡的問題也越來越突出，有些斷面布設過密，有些過疏，經濟發達地區布點密度明顯高于經濟落后地區;隨著經濟的發展和遼河流域的治理，流域內污染源和入河排污口情況發生了很大的變化，有些監測斷面已不適應當前環境保護工作的需要，亟待調整。監測頻次采用“一刀切”的方法，每月監測1 次，并未考慮北方河流受季節影響明顯特點。所有斷面均監測《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)表1中除總氮、糞大腸菌群之外的22 項，并未考慮污染特征和水環境功能區的要求。

2 研究思路與方法

以遼寧省內遼河流域干流4 條河流為研究對象，在全面調研流域自然、社會、經濟狀況，充分分析遼河流域水環境質量和污染源特征、現有監測網絡合理性的基礎上，依據斷面優化的原則，進行水環境監測網絡優化研究，建立分布合理、成本適宜的水環境監測網絡。

3 結果與分析

3.1 水環境監測網絡優化原則

監測斷面的優化要遵循的原則:一是代表性原則。監測斷面在宏觀上要能反映水系環境特征，微觀上能反映斷面污染特征。二是分類原則。按照對照斷面、控制斷面設置，取消消減斷面。三是分類管理原則。一個網絡只具有一種功能，以保證監測斷面設置的客觀性。

監測頻次的優化原則:一是高效原則。在保證客觀性的條件下，盡可能使某些斷面兼有多種功能，對沒有受到污染、近期也不會產生明顯污染的監測斷面和監測項目適當減少監測頻率，實現環境監測斷面高效運行。二是季節原則。針對北方春冬季干旱少雨、夏秋季炎熱多雨的特殊氣候特征，優化時要研究不同季節水環境質量的變化，充分考慮季節的影響。

監測項目的優化原則:一是遵循相關技術規范和國家標準。選擇環境標準中要求控制的危害(潛在危害)大、影響范圍廣、國家要求的、并已建立可靠分析測定方法和標準的項目。二是監測項目與污染特征、水環境功能區的一致性。監測項目必須適應水環境污染現狀特征，能夠全面反映水環境問題，同時要考慮不同功能區要求，實現水環境的宏觀監測與微觀監測相結合。三是監測項目與污染源分布的一致性。根據遼河流域沿岸污染源的特征，酌情增加某些污染源排放的特異污染物。

3.2 水環境監測斷面優化

3.2.1 監測斷面的優化方法

基于2009—2011年遼河流域干流監測數據，采用最優分割法進行監測斷面的優化。

設定有序樣本。設幾個有序樣本，序號依次為1，2，…，n，其中每個樣本均為m 維向量，即含有m 個屬性因子:

計算每個樣本的均值型綜合污染指數(Xi)，作為樣本的待分析數據:

式中:xil為第i 個樣本第l 項污染指標濃度;Sl為第l 項污染指標的標準值(l=1，2，…，m)。

用D(i，j)表示類{i，i + I，…，j}(i≤j)的直徑，它的值越小，表示類中樣本越集中，取離差平方和描述D(i，j):

式中:Xl為第i 個到第j 個樣本綜合污染指數為第i 個到第j 個樣本綜合污染指數的均值。

定義分類P(n，k)的誤差函數e［P(n，k)］，用以衡量分類的好壞:

式中ii+1－1 =n。

當n、k 固定時，e［P(n，k)］越小，表示各子類的離差平方和的總和越小，分類就越合理。Fisher 最優分割法就是正確選擇一種分類P(n，k)，使e［P(n，k)］達到最小，從而給出最優分類方法。

驗證誤差函數的遞推公式:

應用式(5)和式(6)可遞推求得使e 達到最小的分類。

3.2.2 監測斷面的優化結果

使用最優分割法對遼河流域干流進行優化，計算得到最優結果，見圖2。

遼河流域4 條河流干流斷面優化出14 個斷面:遼河包括福德店、三合屯、紅廟子、盤錦興安;渾河包括阿及堡、七間房、砂山、于家房;太子河包括老官砬子、興安、下王家、小姐廟;大遼河包括三岔河、遼河公園。

圖2 優化后遼河流域干流監測斷面示意圖

在水環境監測網絡優化中同時應考慮斷面的均勻性、實際監測采樣的可行性以及監測斷面所在位置的特點［21］。遼河的三合屯和紅廟子斷面距離太遠，需加設朱爾山斷面;趙圈河為遼河入?？刂茢嗝妫冶P錦境內支流多在盤錦興安斷面下入河，需保留;參窩壩下為參窩水庫出庫斷面，需保留;下王家和小姐廟斷面距離太遠，需加設唐馬寨斷面。因此，優化后遼河流域保留18 個斷面，比原來減少8 個。

3.3 監測頻次的優化

3.3.1 監測頻次的優化方法

北方河流水量受氣候影響明顯，冬、春季干旱少雨，河水流量顯著減少，一般比夏季少3 ～300倍。因此，在監測頻次優化上，應充分考慮季節對污染物濃度的影響。

對于干旱少雨、污染物濃度變化劇烈的季節(1、2、3、4、12月)，采用分析自動監測數據的變異系數的方法確定監測頻次。

以現有自動監測斷面歷史監測數據為基礎，采用主要污染物的各月日均濃度的變異系數衡量斷面監測數據受偶然、局部干擾因素的影響程度。計算公式:

式中:C 為變異系數;S 和S2分別為某污染物濃度標準差和方差;X 為某污染物月均質量濃度，mg/L;Xi為污染物日均質量濃度，mg/L;n 為每個月的監測天數，d。

在一般研究中，同一樣品的變異系數小于20%時視為數據穩定，離散性小，而有研究在分析5年水質穩定性時將變異系數定為70%?？紤]到北方河流流量受氣候影響顯著，將主要污染物測值變異系數小于30%作為判斷該斷面水質穩定性的標準。

對于6—9月多雨、污染物濃度變化幅度較小的夏、秋季，監測頻次的優化采用水質類別分析法，即水質穩定，可適當減少監測頻次。

3.3.2 監測頻次的優化結果

隨著遼河流域治理的深入，氨氮污染突顯，將成為遼河流域的首要污染指標，因此在頻次優化中主要以氨氮為主要研究因子。

以鐵嶺朱爾山、盤錦興安和營口遼河公園為例進行監測頻次的優化研究，這3 個斷面的各月氨氮數據變異系數見表1。

表1 自動監測斷面各月氨氮數據變異系數 %

由表1可確定，1、5、10月應保持每個月2 次的監測頻次，2—4月、11—12月保持每月1 次監測即可。6—9月污染物濃度變化不大，基本都在Ⅱ類水質標準以下，所以采用水質類別分析法，6—9月的4 個月中，只監測1 ～2 次的監測頻次。優化后每年監測次數仍為12 次，但更趨于合理分布。

在水質分析時，以每月2 次的監測頻次為基準，未監測時間段以上一次監測數據為參照。

3.4 監測項目的優化

3.4.1 監測項目的優化方法

以《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)表1中的23 項(糞大腸菌群除外)及流量為監測項目范圍，采用連續3年未檢出判斷法，即根據《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T 91—2002)［21］，且入庫斷面需考慮加測總氮，飲用水源地上游斷面監測所有項目，其余斷面無需監測總氮，并兼顧上下游一致性，在全面分析2009—2011年歷史數據的基礎上，優化遼河流域水環境質量監測項目。

3.4.2 監測項目的優化結果

遼河流域各監測斷面監測項目優化結果見表2，必測項目為12 ～20 項，其他項目可作為選測項目，主要是部分重金屬。

表2 遼河干流監測項目優化結果

另外，太子河興安斷面為參窩水庫入庫斷面，需加測總氮;遼河趙圈河和大遼河遼河公園2 個斷面為潮汐斷面，需加測氯離子;所有斷面均需測流量。

3.5 優化后驗證

顯著性水平選取0.05，以遼河流域主要污染指標，即氨氮、化學需氧量、BOD5為樣品變量對4條河流進行檢驗。從表3可以看出，遼河流域4條河流原始斷面樣本與優化斷面樣本方差齊，且均值無明顯差異。可以認為2 個樣本方差相等，來自于同一總體，因此優化后斷面對原斷面具有很好的代表性，優化后的結果符合實際環境狀況。

表3 遼河斷面優化后檢驗結果

4 結論

1)采用最優分割法，并結合流域實際情況，對遼河流域干流監測斷面進行優化，優化結果:遼河流域布設18 個監測斷面，遼河包括福德店、三合屯、朱爾山、紅廟子、盤錦興安、趙圈河;渾河包括阿及堡、七間房、砂山、于家房;太子河包括老官砬子、興安、參窩壩下、下王家、唐馬寨、小姐廟;大遼河包括三岔河、遼河公園，比優化前減少8 個。

2)污染物濃度變化劇烈的少雨期，采用分析自動監測數據的變異系數的方法確定監測頻次。1、5、10月應保持每個月2 次的監測頻次;2—4月、11—12月保持每月監測1 次即可，監測時間定在1—7日;多雨期，監測頻次的優化采用自動監測日均濃度水質類別分析法。6—9月的4 個月中，監測1 ～2 次。優化后每年監測次數依然為12 次，但更趨于合理分布。

3)根據《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T 91—2002)，同時考慮上下游監測一致性，在全面分析2009—2011年歷史數據的基礎上，優化遼河流域水環境質量監測項目。各監測斷面監測項目為12 ～20 項，比優化前最多減少11 項，選測的項目主要為部分重金屬。

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