水質監測網的布點與優化
——以生態引領區（宜興市）為例

張欣煬，于保起，李賀

（東南大學，江蘇 南京 211189）

0 引言

生態引領區（宜興市）位于太湖流域西側，囊括了多個水生態功能分區，各區有著不同的生態保護目標和水質目標。為了滿足各區水質監測的需求，本研究在功能分區的基礎上對引領區內水生態環境進行布點、監測，運用貼近度法優化點位布置，最終形成了較為完善的生態引領區（宜興市）水質監測網。

1 水質監測網點位布置

1.1 監測點位的布置原則

為了體現監測點位布置的代表性和科學性，現依據宜興地區河流分布，并結合已有的水質監測點位信息和宜興市水生態功能分區，制定以下布點原則：

（1）全面兼顧、重點突出。水質監測網應該覆蓋監測區域內各級水環境生態功能分區中的主要河流，并且為了突出區域內不同研究水域的重要性，結合行政區劃實施疏密差別化布點。

（2）依托水質，擴展生態。水質監測網應在現存各類水環境質量監測斷面的基礎上，根據研究需要酌情增加典型點位，既充分結合已有的監測系統，又擴大了監測面，體現監測網絡的系統性和延續性。

（3）量體裁衣，科學可行。監測網中監測點位的數量和代表性應能夠滿足水質監測與評估技術分析的需要，盡可能全面地分析水質狀況。

1.2 監測點位圖

結合水生態監測網的布置原則，在宜興市生態引領區內選取分散在7個水生態功能分區的63個重點斷面作為監測點位，分別進行水質監測。初步構建的水質監測網基本覆蓋宜興市生態引領區內河流流域，其中生態I級區5個、生態II級區10個、生態III級區48個。

2 水質監測網點位優化

依據監測點位的布置原則初步確定水質監測點位后，按照研究區域內平水期和枯水期獲取水質監測的數據，監測時間分別于2019年11月和2020年3月。在水質監測數據的基礎上，本文選擇貼近度法綜合評價分析監測點位的水質情況，并結合優化原則提出點位優化建議，最終獲得較為理想的水生態監測網。水質監測指標包括水溫、pH值、透明度、溶解氧、總磷、總氮、氨氮、五日生化需氧量、電導率、懸浮物、葉綠素a等。

2.1 優化原則

水生態監測點位得到的監測數據可以反映所在河流多方面的水質狀況。宜興市已有的監測斷面以及依據水質監測網布點原則新增的監測點位雖然具有一定的代表性，但較多的監測數據缺乏針對性，大量的數據處理也增加了水生態健康分析的難度。另外，也要考慮行政區劃與流域的有機結合，盡量滿足行政區劃和流域管理的一致性和完整性，增強水質檢測網的可操作性[1]。監測點位的優化原則包括以下幾個方面：

（1）盡量保留現有國控、省控水質監測斷面和水生態監測點位。

（2）盡量保留位于市鎮交界處的監測點位。

（3）在不同水生態功能分區內至少保留一個監測點位。

（4）同一水生態功能分區內經過監測數據分析后水生態狀況相似的點位至少保留一個。

在以上優化原則的基礎上對初步制定的水質環境監測方案進行優化，保留具有代表性的監測點位，對宜興市水生態的健康評估具有重要意義。

2.2 貼近度法與步驟

監測布點的優化目標在于以最少的點位客觀完整地反映區域內的水環境質量。目前優化水環境監測點位的方法較多且各有特色，包括物元分析法、模糊聚類法、主成分分析法、密切值法、最優分割法等。本文利用貼近度法[2]對監測點位進行優化，將多個指標的監測數據轉化為能夠綜合反映水質的單指標參數，對比監測數據與標準數據，然后通過計算貼近度的大小對監測點位進行聚類,利用相似程度聚類后在各組中留取具有代表性的點位[3]，并用雙樣本t檢驗法驗證優化結果的合理性，得到優化后水生態監測網的最終方案。

2.2.1 建立樣本矩陣

將m-1個監測點和一個標準值點的n個評價指標的監測值，構成初始樣本矩陣R0：

其中aij表示監測點i中評價指標j的監測值；amj是所取標準中指標j的數值。將初始樣本矩陣歸一化處理后，用rij表示監測點i中評價指標j的取值：

通過歸一化處理后得到樣本矩陣：

2.2.2 構建“最優點”和“最劣點”

“最優點”和“最劣點”是由各監測點每個指標分別擇優和擇劣后組合而成的，并非真實存在的監測點。水質指標作為一個負向指標，其值越大表示水質越差。因此，最優點（rij）Y各水質指標數值由各監測點相應指標的最小值構成，最劣點（rij）L則由相應最大值構成，即

最優點：

最劣點：

2.2.3 計算各樣本點到“最優點”和“最劣點”的距離

在該研究中假設各指標權重一致，則監測點i到“最優點”的距離di-Y定義為

同理，對第i個樣本點到“最劣點”的距離為

式中：i=1,2,…,m。當i=m時，dm-Y和dm-L表示標準值點與“最優點”和“最劣點”的距離。

2.2.4 計算各樣本點與標準值點的貼近度

綜合多個指標評估河流水質使得監測樣本點水質與“最優點”和“最劣點”的關系并不絕對，因此將標準值點作為水質參考點，計算各監測點位與標準值點的貼近度，作為綜合多指標后的單指標進行水質分析。

監測點i與標準值點m的貼近度為：

對于監測點i而言，Ui-m越接近1，表明樣本點的水質與標準值越接近；Ui-m＞1表示監測點水質整體優于標準值點，Ui-m＜1則表示樣本點水質整體劣于標準值點。

2.3 監測點位的貼近度值

根據宜興市水生態環境水質污染特征，選取總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量作為分析指標[4]，將《國家地表水環境質量標準》（GB3838—2002）中評價指標的Ⅲ類水標準值作為標準值點的取值。根據貼進度的分析過程，將各監測點位在2019年11月和2020年3月的監測數據作為基礎，分別進行以下計算過程：建立初始樣本矩陣，進行歸一化處理后得到樣本矩陣，篩選出各指標數據的極值構建樣本集的最優點和最劣點，并計算各樣本點與之的距離，最后將標準值點作為參考點，計算各監測點的貼進度，結果如表1所示。

表1 各監測點兩次監測結果的貼進度值

續表

各監測點的貼進度結果顯示，只有Ⅱ-03生態功能區內w11點位的貼近度平均值小于1，其余監測點位所在斷面的水質情況均優于《國家地表水環境質量標準》（GB3838—2002）中評價指標的Ⅲ類水標準值，其中43個點位平均值處于（1-2]區間，17個點位處于（2-3]區間，w1和w5水質明顯優于標準值，貼進度平均值分別為4.36和5.27。

2.4 監測點位優化

在相同區域的點位中，貼近度值的相近表明斷面的綜合水質情況基本相似。通過比較點位的區域分布和貼近度值，發現初布的水生態檢測網中相似的監測點位共有9組，其對應的監測位置、貼近度以及根據優化原則進行優化后的結果如表2所示。

表2 相似監測點位的信息及優化結果

表3 相似點位標準化數據和顯著性結果

最終優化結果由原來63個監測點位縮減至54個，根據優化原則調整后的水生態監測網在科學性、代表性上仍滿足監測點位的布置原則。

3 優化結果驗證

為了判斷監測點位優化結果的準確性，將相似點位的水質監測數據標準化，采用雙樣本t檢驗法進行驗證[5]。該驗證方法反映出相似點位各項指標的監測結果是否具有一致性，若差異性不明顯，說明可以取消優化結果中刪除點位的設置，使用保留點位作為區域內的監測斷面。各組監測點位數據標準化結果和雙樣本t檢驗法的顯著性結果如表3所示。

雙樣本t檢驗結果顯示，按α=0.05水準，刪除的監測點位水質狀況與保留點位無顯著性差異，表明根據優化原則得出的優化結果是合理的。

4 結論

本研究為恢復和改善宜興市生態引領區的水生態環境質量，在宜興市水生態功能分區的基礎上對宜興市水生態監測網進行布點，并通過分析初布點位兩次水質監測的數據，選取總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量作為評價指標，利用貼近度法評價了各監測點的水質情況，分析了調整部分監測點位的合理性，并根據點位優化原則針對初設的水質監測方案進行優化以及針對優化結果的驗證，最終將初步設立的63個監測點位縮減至54個，增加了水質監測網的科學性和代表性。