白 亮

(福建省環(huán)境監(jiān)測中心站，福建福州350003)

閩江是福建省最大的河流，總長2872km，流域面積60992km2，約占全省陸域總面積的一半。流域集水面積在1000km2以上的支流有19條，500～1000km2的有21條，100～500km2的有150條。福建省環(huán)保部門分別在閩江流域布設(shè)了57個水質(zhì)監(jiān)測斷面。傳統(tǒng)監(jiān)測斷面的設(shè)置主要以城市為中心，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、城市規(guī)劃布局和水環(huán)境條件的變遷，現(xiàn)有的地表水環(huán)境監(jiān)測斷面已不能全面、客觀、科學(xué)地反映流域水環(huán)境總體質(zhì)量、說清污染的變化趨勢和滿足環(huán)境管理需要的要求［1～3］。因此，地表水監(jiān)測斷面的布設(shè)需要進行優(yōu)化調(diào)整以適應(yīng)新的變化，保證監(jiān)測斷面設(shè)置的科學(xué)性。

數(shù)理統(tǒng)計的方法常用于監(jiān)測斷面優(yōu)化布設(shè)［4］，如聚類分析法［5］、經(jīng)驗公式法［6］、主成分分析法［7］、多目標決策法［8］、物元分析法［9］、遺傳算法［10］等，但數(shù)理統(tǒng)計類的優(yōu)化方法僅適用于對已有水質(zhì)斷面的優(yōu)化分析。較大的江河流域廣闊，無法對全流域開展水質(zhì)監(jiān)測，基于GIS技術(shù)及克里格插值技術(shù)的水環(huán)境空間插值方法可解決水質(zhì)的時空分布問題［3］，地表水環(huán)境數(shù)值模擬方法可以提供流域任意斷面的水質(zhì)信息，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計方法能夠?qū)崿F(xiàn)全流域水質(zhì)監(jiān)測斷面的優(yōu)化布設(shè)。但GIS技術(shù)是對數(shù)據(jù)的空間分析，物理基礎(chǔ)不牢靠，地表水環(huán)境數(shù)值模擬方法要掌握詳盡的水文資料和污染源排放資料，模型的建立存在難度［11～12］。本文利用河流水質(zhì)分段優(yōu)化法對閩江全流域開展監(jiān)測斷面布設(shè)研究，形成一套層次分明、分級管理、目標明確的河流水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，每級監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)不同的監(jiān)測項目、頻率，從而使流域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)具有客觀性、全面性以及合理性。

1 現(xiàn)有監(jiān)測斷面及水質(zhì)狀況

福建省環(huán)保部門在閩江流域上共布設(shè)74個水質(zhì)監(jiān)測斷面，其中國控斷面9個，省控斷面48個，市控斷面17個。其中省、市、縣行政區(qū)間交界斷面29個。2010年，閩江水質(zhì)保持優(yōu)等，水域功能達標率99.4%，Ⅰ類～Ⅲ類水質(zhì)比例99.1%，交界斷面水質(zhì)達標率99.4%。各類水質(zhì)比例中，Ⅰ類水質(zhì)比例3.5%，Ⅱ類水質(zhì)比例59.9%，Ⅲ類水質(zhì)比例35.7%，Ⅳ類水質(zhì)比例0.9%，未出現(xiàn)Ⅴ類和劣Ⅴ類水。全水系超過Ⅲ類標準的斷面有3個:干流福州段閩清梅溪口斷面、沙溪水汾橋斷面和建溪建陽洪尾斷面，超標項目為溶解氧、氨氮、總磷和石油類［13］。運用GIS空間插值技術(shù)分析閩江流域水質(zhì)分布情況，沙溪流域水質(zhì)較差，尤其沙縣河段河流污染相對嚴重;富屯溪流經(jīng)邵武和順昌后，水質(zhì)明顯下降;建溪流域水質(zhì)較好，閩江干流在古田溪和梅溪匯入后，水質(zhì)有所下降。

2 監(jiān)測斷面布設(shè)研究

2.1 河流的分級控制

根據(jù)閩江流域的基礎(chǔ)資料調(diào)研，繪制流域水系柘撲圖，由河流流域面積和河長等指標確定河流控制級別。

(1)省控河流:閩江干流和流域面積 ＞1000km2，且河道長度＞100km的重要一、二級支流和跨界河流、入海河流，大型水利設(shè)施所在水體等要納入省控河流;另外，斷面的設(shè)置應(yīng)考慮跨省、市、縣交界的環(huán)境管理的需要，以及流域的綜合整治的需要。結(jié)果表明，閩江流域面積 ＞1000km2，河道長度＞100km的河流共有12條，分別為南浦溪、松溪、麻陽溪、崇陽溪、建溪、金溪、富屯溪、沙溪、尤溪、大樟溪、古田溪、閩江;流域面積＞1000km2，河道長度＜100km，但屬于跨市縣交界的河流共有4條，分別為羅口、文川溪、文江溪、均溪;流域面積＜1000km2，但流經(jīng)市縣行政單位的河流共有2條，分別為杉溪、大浐溪。因此，確定以上18條河流為省控河流。

(2)市控河流:閩江流域的污染較嚴重 (水質(zhì)低于III類標準)的一級支流，閩江流域中流域面積 ＞500km2的二級支流，流域面積在800～1000km2的河流，流經(jīng)市、縣行政區(qū)域和大中型水利設(shè)施所在水體等要納入市控河流，斷面的設(shè)置應(yīng)考慮市縣交界的環(huán)境管理需求。結(jié)果表明，閩江流域面積在800～1000km2的河流共有7條，分別為七星溪、光澤北溪和西溪、鋪溪、寧化東溪、沙縣東溪和梅溪;流域面積＞500km2二級以上支流共有9條，分別為高陽溪、仁壽溪、寧化西溪、桂口溪、漁塘溪、清印溪、后亭溪、武步溪和吉源溪;閩江一級支流共有7條，分別為大目溪、第一溪、杜溪、荊溪、陶江、新嶺溪和玉西溪?；诃h(huán)境管理需要，污染較為嚴重的小流域碧溪、安豐溝、曬口溪也應(yīng)納入市控河流，因此，確定以上26條河流為市控河流。

(3)縣控河流:閩江流域的污染較嚴重 (水質(zhì)低于III類標準)的一級支流，閩江流域中流域面積 ＞500km2的二級支流，流域面積在800～1000km2的河流，流經(jīng)市、縣行政區(qū)域和大中型水利設(shè)施所在水體等要納入市控河流，斷面的設(shè)置應(yīng)考慮市縣交界的環(huán)境管理需求。結(jié)果表明，閩江流域面積在500～800km2的河流共有7條，分別為富嶺溪、臨江溪、九曲溪、五夫溪、瀾溪、長潭河和文昌溪;流域面積＞200km2二級以上支流共有20條，分別為小松溪、小橋溪、古山溪、同青溪、水口寨溪、路茲溪、嵩溪、羅峰溪、溪源溪、胡貢溪、清溪、華蘭溪、涌溪、長慶溪、潼關(guān)溪、富泉溪、清涼溪、柏源溪、芹溪、安仁溪和芝溪。環(huán)境管理需要將寧溪、大田溪、泰寧北溪 (流域水資源保護)，沙縣南溪 (規(guī)劃水源地)、杉溪 (源頭、飲用水源地)和渭田溪納入縣控河流。因此，閩江流域縣控河流共有33條。

2.2 確定水質(zhì)突變點

在河流水文特性和污染源調(diào)查的基礎(chǔ)上，確定水質(zhì)突變點，將河流劃分為若干水質(zhì)不同的河段，水質(zhì)突變點類型如下［1～2］:

(1)支流匯入口型:當(dāng)支流與干流屬同一控制級別時，支流匯入口可直接確定為該干流的水質(zhì)突變點;當(dāng)支流的控制級別僅次于干流的控制級別時，如果支流流量占干流流量份額較大、水質(zhì)又與干流有顯著差別，或支流流量雖小，但納污量很大，對干流水質(zhì)有明顯影響，則該支流的匯入口確定為干流的水質(zhì)突變點。

(2)污染源排入口型:縣城、縣級市及其以上城市市政污水的排入口可直接確定為河流的水質(zhì)突變點;對人口較多、工商業(yè)較發(fā)達的建制鎮(zhèn)，當(dāng)確知其污水的排入導(dǎo)致河流水質(zhì)發(fā)生顯著變化時，則該污水排入口確定為該河流的水質(zhì)突變點;較大污染源的污水直接排入河流時，河流水質(zhì)發(fā)生顯著變化時，確定該污水入河口為污染源直排口型水質(zhì)突變點。

(3)其他水質(zhì)突變點:當(dāng)相鄰水質(zhì)突變點之間距離太遠時，污染物經(jīng)過降解，水質(zhì)已發(fā)生顯著變化，可以在中間適當(dāng)位置暫設(shè)一個斷面;當(dāng)水質(zhì)突變點較為分布集中、間隔距離較小時，可將一定區(qū)域內(nèi)水質(zhì)突變點歸納為一個水質(zhì)突變點。

依據(jù)地理信息系統(tǒng)統(tǒng)計河流流經(jīng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣市，水系拓撲圖中支流匯入的個數(shù)，再結(jié)合流域污染源分布和當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展狀況，最終閩江流域共確認98個水質(zhì)突變點。其中支流匯入型水質(zhì)突變點共19個，分別為七星溪、崇陽溪和南浦溪匯合口，松溪、里沙溪、鋪溪、杉溪、五夫溪、曬口溪、夏陽溪、文川溪、羅口溪、文江溪、芝溪、富屯溪與沙溪匯合，尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪和閩江入?？诘群涌?市政排入口型和污染源型的水質(zhì)突變點共75個;富屯溪干流邵武至順昌段、羅口溪和尤溪干流尤溪縣至河口段確定距離衰減型水質(zhì)突變點;閩江干流上水口電站確定為水質(zhì)突變點。

2.3 監(jiān)測斷面的布設(shè)

根據(jù)河流水質(zhì)的明顯分段性質(zhì)對河流水質(zhì)監(jiān)測斷面進行優(yōu)化，將河流劃分為若干水質(zhì)明顯不同的河段，每個河段設(shè)置一個監(jiān)測斷面，從而組成河流水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，各監(jiān)測斷面的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果代表其所在河段的水質(zhì)，即將不同控制級別的河流根據(jù)水質(zhì)突變點設(shè)置相應(yīng)級別的控制監(jiān)測斷面。按照河流監(jiān)測斷面設(shè)置原則、技術(shù)要求，通過實地考察和地理信息系統(tǒng)，充分考慮斷面采樣的可操作性，考察斷面定位是否落在河道順直、水流順暢、無邊灘心灘、無急流湍流、采樣及樣品運輸方便處;同時利用完全混合模型對較大污染源帶進行估算，使斷面布設(shè)于水質(zhì)混合均勻處，避開附近的污染源和直接排放口等因素［14］。運用GIS技術(shù)將監(jiān)測斷面空間定位，輸出的結(jié)果可視化。

建溪流域原設(shè)置14個省控斷面，優(yōu)化后省控斷面19個，市控斷面7個，縣控斷面12個;對于省控斷面，南浦溪新增4個，分別位于浦城縣上游、富嶺溪河口上游、浦城縣茅洲村和建陽市小湖鎮(zhèn)下游;麻陽溪新增1個，位于建陽市杜潭村，將建陽西門電站斷面調(diào)整至上游考亭村;崇陽溪增1個，位于武夷山市上游;因局部污染源，將水東大橋斷面調(diào)整至上游陳墩村;九曲溪將省控斷面調(diào)整為市控斷面。

富屯溪流域原設(shè)置8個省控斷面，優(yōu)化后省控斷面為17個，市控斷面7個，縣控斷面14個;對于省控斷面，杉溪新增2個，分別位于泰寧縣上游約5km和泰寧縣下游約3km;金溪新增4個，分別位于將樂縣積善村、將樂縣乾灘村、泰寧縣梅口村和建寧縣水西村;富屯溪干流新增4個，分別位于邵武市下游、順昌縣上游、順昌縣上鳳村和金溪河口上游。將邵武曬口溪橋斷面調(diào)整至下游吳家塘鎮(zhèn)，浪石斷面調(diào)整至峽陽鎮(zhèn);取消邵武越王橋斷面。

沙溪流域原設(shè)置15個省控斷面，優(yōu)化后省控斷面16個，市控斷面9個，縣控斷面9個;對于省控斷面，沙溪干流新增3個，位于沙縣茅坪村、永安市蝦蛤村和清流縣下游;羅口溪新增1個，位于清流縣田口村;將莘口斷面調(diào)整至荊西街道下游，永安洪田斷面調(diào)整至河口上游的吉山村;將沙縣東溪斷面調(diào)整為市控斷面;取消沙縣渡口和翁墩渡口斷面。

尤溪流域原設(shè)置2個省控斷面，優(yōu)化后省控斷面6個，市控斷面1個，縣控斷面2個。對于省控斷面，文江溪新增1個，位于大田縣大中村;尤溪干流新增3個，分別位于尤溪縣西濱鎮(zhèn)、尤溪縣埔頭村和尤溪縣蔣坑村。大樟溪流域原設(shè)置3個省控斷面，優(yōu)化后省控斷面4個，市控斷面0個，縣控斷面7個。對于省控斷面，大樟溪干流新增1個，位于永泰縣富泉鄉(xiāng)。

2.4 確定斷面的監(jiān)測項目和頻率

河流斷面的監(jiān)測項目和頻率應(yīng)依據(jù)不同的水文地質(zhì)條件，結(jié)合當(dāng)?shù)匚廴驹?、污染物排放實際情況，力求以最低的采樣頻次，取得最有時間代表性的樣品，達到全面反映區(qū)域水質(zhì)狀況、污染原因和規(guī)律的目的。即明確不同控制級別監(jiān)測斷面的監(jiān)測目的和監(jiān)測要求，省控斷面著眼于反映河流的整體水質(zhì)情況和監(jiān)控重要敏感目標水質(zhì);市控斷面應(yīng)監(jiān)控重要污染源排放情況和當(dāng)?shù)刂饕|(zhì)敏感目標;縣控斷面應(yīng)貼近當(dāng)?shù)鼐用裆?、以服?wù)基層環(huán)境管理工作為主要目標。

(1)省控斷面:監(jiān)測項目為《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》 (GB3838－2002)表1的基本項目 (24項，含總氮)。感潮河段加測鹽度，入海河口加測鹽度、硝酸鹽、亞硝酸鹽。監(jiān)測頻率為重點斷面(含國控斷面)每月監(jiān)測1次，其它省控斷面逢單月監(jiān)測1次。

(2)市控斷面:基本必測項目為pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總磷等6項;特征污染物閩江梅溪加測揮發(fā)酚，曬口溪加測氟化物，仁壽溪加測氰化物;其他河流根據(jù)具體情況加測特殊污染物。監(jiān)測頻率為每年監(jiān)測4次，時間為3月、5月、7月、11月。

(3)縣控斷面:基本必測監(jiān)測項目為pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等4項，各河流根據(jù)具體情況加測特殊污染物。監(jiān)測頻率:每年監(jiān)測2次，時間為5月、11月。

3 結(jié)論

(1)河流分段優(yōu)化法適用于區(qū)域地表水水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化，具有監(jiān)測斷面分級管理、分類分段有序優(yōu)化、監(jiān)測斷面與監(jiān)測頻率同時優(yōu)化等優(yōu)點。

(2)通過河流分段法，按照斷面優(yōu)選原則，綜合考慮各種因素。本研究在福建省閩江流域共設(shè)置168個監(jiān)測斷面，其中省控斷面77個、市控斷面39個、縣控斷面52個。不同級別的斷面對應(yīng)不同的監(jiān)測項目和頻率，并充分考慮地域的差異性。

(3)將GIS運用到地表水環(huán)境監(jiān)測斷面布設(shè)中，將含有流域自然和人文屬性的圖層、含有水系信息的圖層與含有斷面屬性的圖層疊加分析，將監(jiān)測斷面空間定位，輸出的結(jié)果可視化。

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