顧紅明

上海市金山區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，上海 200540

區(qū)域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡優(yōu)化及評價考核方法研究

顧紅明

上海市金山區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，上海 200540

科學合理地布設水質(zhì)監(jiān)測斷面是全面準確獲取水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的前提條件。利用研究區(qū)域現(xiàn)有斷面2014年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合水資源調(diào)度方式和水環(huán)境功能區(qū)劃要求，劃分為五大片區(qū)并采用聚類分析方法進行斷面優(yōu)化，通過F檢驗和t檢驗表明優(yōu)化前后斷面無顯著差異。同時，提出了一種綜合的水環(huán)境質(zhì)量考核辦法——區(qū)域水環(huán)境綜合評價考核指標，該指標包括骨干河道、鄉(xiāng)村河道兩類考核斷面，采用綜合水質(zhì)評價與單因子評價相結合的方法，設置適當?shù)臋嘀叵禂?shù)，評價結果較為全面、客觀地反映區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量狀況，基本滿足對區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量考核評價的管理需求。

監(jiān)測網(wǎng)絡；優(yōu)化；水環(huán)境質(zhì)量；考核

Abstract:Water quality monitoring section arranged scientifically is the premise condition of comprehensive accurately obtains water environment quality monitoring data. In this paper, the monitoring data of Jinshan section of the Huangpu River in 2014 were used. Combining with the scheduling of water resources and water environment function zoning requirements, the section was divided into five parts and optimized by using cluster analysis method. TheFtest andttest showed that the section had no significant difference before and after optimization. At the same time, a regional water environment quality assessment method with comprehensive evaluation index was put forward. The indicators include two types of assessment section that are main river and village river. Adopt comprehensive water quality assessment combined with single factor evaluation method. Set the proper weight coefficient, the evaluation results can comprehensively and objectively reflect the status of regional water environment quality, basically meet the management requirements of the regional water environmental quality evaluation.

Keywords:monitoring network;optimization;water environment quality;assessment

區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控斷面布設是指在經(jīng)濟合理、技術可行的條件下，用最少的測點獲得能夠說明水環(huán)境質(zhì)量的充分數(shù)據(jù)[1]。斷面的優(yōu)化布設體現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測的科學性，既要說清水環(huán)境質(zhì)量狀況及變化趨勢，又能滿足對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量考核評價的管理需求[2-3]?！端廴痉乐涡袆佑媱潯穼λh(huán)境質(zhì)量全面改善提出了總體要求、工作目標以及主要指標要求，質(zhì)量目標是水環(huán)境管理的出發(fā)點和落腳點，強化水環(huán)境質(zhì)量目標管理對現(xiàn)有水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡、評價考核方法提出了新要求。本文通過對上海市金山區(qū)區(qū)域現(xiàn)有水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡的優(yōu)化，提出行政區(qū)劃內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量評價考核方法的改善方案，以期實現(xiàn)監(jiān)測與評估的有機結合，進一步明確地方人民政府對轄區(qū)環(huán)境質(zhì)量的主體責任，達到改善區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的目標。

1 研究區(qū)域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡

1.1研究區(qū)域河道概況

上海市金山區(qū)河流屬黃浦江水系，源出浙江天目山區(qū)。經(jīng)嘉善、平湖兩市入境，匯入黃浦江出海。全區(qū)河網(wǎng)密布，共有大小河道1 953條。其中市管河道2條，長度37.53 km，區(qū)管河道34條，長度268.97 km；鎮(zhèn)管河道167條，長度484.56 km；村級河道1 750條，長度1 661.48 km。金山區(qū)地處上海市水利綜合治理片的浦南東片、浦南西片，浦南東片水資源調(diào)度方式為北引南排，浦南西片為過境浙水入浦的通道，以東西向為主。其中，以惠高涇-掘石港為界，浦南西片水系內(nèi)的骨干河道如六里塘、胥浦塘、秀州塘等為水功能Ⅲ類區(qū)；浦南東片水系內(nèi)的骨干河道如張涇河、紫石涇、龍泉港、黃姑塘等為水功能Ⅳ類區(qū)。

1.2現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡概況

近年來，由于上海市環(huán)保3年行動計劃的滾動推進以及區(qū)域環(huán)境管理的需求，全區(qū)地表水監(jiān)測斷面經(jīng)由幾次大的調(diào)整，由原先的20多個增至66個。其中，原區(qū)域內(nèi)4個飲用水源地取水口均已關閉(現(xiàn)唯一的飲用水源地取水口位于區(qū)域外)，原有監(jiān)測斷面保留僅作為區(qū)控斷面。水環(huán)境綜合整治評估監(jiān)測斷面幾經(jīng)變化，不具備監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、可比性，且上述監(jiān)測斷面所在河道大部分為鎮(zhèn)級或村級小河道。“十二五”期間，由于中部地區(qū)多次發(fā)生水環(huán)境污染事故，2013年起在該區(qū)域河網(wǎng)加密地表水監(jiān)測斷面；為加強鄉(xiāng)鎮(zhèn)環(huán)境保護目標責任制考核，各街、鎮(zhèn)(工業(yè)區(qū))自2014年起在鎮(zhèn)級河道新增監(jiān)測斷面?，F(xiàn)有66個監(jiān)測斷面中，6個位于市管河道，37個設在區(qū)級河道，鎮(zhèn)級河道2個，村級河道1個，其余20個為2014年新增鎮(zhèn)級河道監(jiān)測斷面。

2 監(jiān)測網(wǎng)絡優(yōu)化

2.1優(yōu)化方法

以2014年金山區(qū)各監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，選取上海市典型的，具有代表性的水質(zhì)指標溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總磷5項常規(guī)監(jiān)測指標作為優(yōu)化指標[4]。根據(jù)上海市水環(huán)境功能區(qū)劃(2011年修訂版)，將區(qū)域內(nèi)浦南西片水系劃分成以秀州塘為骨干河道的西部片區(qū)，共9個監(jiān)測斷面；胥浦塘以南、惠高涇以東為西南片區(qū)，共11個監(jiān)測斷面。所在浦南東片水系劃分為以龍泉港為骨干河道的東部片區(qū)，共8個監(jiān)測斷面；以紫石涇、張涇河等為骨干河道的中部片區(qū)，共11個監(jiān)測斷面。黃姑塘、紅旗港、衛(wèi)城河等歸入南部片區(qū)，共7個斷面。

聚類分析是數(shù)理統(tǒng)計分析中研究“物以類聚”的一種多元分析方法，即用數(shù)學方法定量地確定樣品的親疏關系，從而客觀地分型劃類。從幾何角度講，聚類分析就是根據(jù)某種準則將空間中某些比較接近的點聚為一類，而點之間的接近程度常用相似系數(shù)和距離兩種量來表示。其中歐氏距離在聚類分析中用得最廣，其表達式為

(1)

式中：xik為第i個樣品的第k個指標的觀測值；xjk為第j個樣品的第k個指標的觀測值；dij為第i個樣品與第j個樣品之間的歐式距離。5個片區(qū)的各監(jiān)測斷面采用“K-均值聚類”進行斷面優(yōu)化，聚類分析過程由SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件完成。

由聚類分析結果選取代表斷面，設定以下優(yōu)選原則：屬于同一類別的監(jiān)測斷面原則上至少選擇一個；同一類別中，相鄰監(jiān)測斷面之間有兩種以上主要污染指標呈顯著或極顯著相關，并且屬于同一功能類別的斷面保留一個；只有一個斷面的河流該斷面保留；國控斷面和省界斷面保留；無法滿足代表性、可行性、方便性等地表水監(jiān)測斷面設置基本要求的去除或移位；兼顧生態(tài)補償以及環(huán)境管理需求，盡量做到一個斷面一套數(shù)據(jù)、多種功能[5]。

2.2監(jiān)測斷面的優(yōu)化結果

2.2.1 西部片區(qū)監(jiān)測斷面優(yōu)化

西部片區(qū)9個監(jiān)測斷面聚類分析結果如表1和表2所示[6]。5個斷面是以氮磷為主要污染的水體(對應1類)，如秀州塘、七仙涇以及面丈港入境斷面；入境斷面中楓涇塘、蒲澤塘、黃良河均以有機物污染為主(對應2類)；面丈港興塔斷面污染最為嚴重(對應3類)。根據(jù)監(jiān)測斷面優(yōu)化原則，結合實際水體情況，取消黃良河楓涇水廠2、蒲澤塘朱楓公路橋斷面，保留原有7個監(jiān)測斷面。

表1 聚類成員Table 1 Cluster member

表2 最終聚類中心Table 2 Final clustering center mg/L

2.2.2 東部片區(qū)監(jiān)測斷面優(yōu)化

東部片區(qū)8個監(jiān)測斷面聚類分析結果如表3和表4所示。中運河朱行斷面水質(zhì)相對較好(對應1類)，骨干河道龍泉港3個監(jiān)測斷面水質(zhì)無顯著差異(對應2類)，取消龍泉港朱漕公路斷面，保留龍泉港山陽、亭林出入境斷面，完全滿足龍泉港監(jiān)測斷面代表性原則。其他3個區(qū)管河道監(jiān)測斷面和1個村級河道監(jiān)測斷面水質(zhì)相對較差(對應3類)，取消俞涇塘村級整治河道斷面，東部片區(qū)保留6個監(jiān)測斷面。

表3 聚類成員Table 3 Cluster member

表4 最終聚類中心Table 4 Final clustering center mg/L

2.2.3 中部片區(qū)監(jiān)測斷面優(yōu)化

中部片區(qū)監(jiān)測斷面聚類分析結果如表5和表6所示。中部片區(qū)大部分斷面是以氨氮為主要污染的水體(對應2類)，其中骨干河道張涇河4個斷面水體無顯著差異，取消呂朱公路斷面，保留其他3個監(jiān)測斷面；新張涇2個斷面水體無顯著差異，取消金石北路橋斷面；紫石涇中運河交匯口與中運河松金公路橋斷面水體無顯著差異，取消松金公路橋斷面。依據(jù)點位優(yōu)選原則，結合聚類分析結果，中部片區(qū)保留8個監(jiān)測斷面。

表5 聚類成員Table 5 Cluster member

表6 最終聚類中心Table 6 Final clustering center mg/L

2.2.4 西南片區(qū)監(jiān)測斷面優(yōu)化

聚類分析結果表明，西南片區(qū)中掘石港、小泖港、大泖港3個斷面水體無顯著差異(對應2類)，取消小泖港斷面；六里塘、胥浦塘、惠高涇3個入境斷面對應1類，其他斷面均為3類。依據(jù)斷面優(yōu)選原則，保留3個入境斷面，惠高涇廊下、呂巷斷面重復，取消惠高涇廊下斷面；六里塘中豐村橫碼橋、呂青公路橋斷面重復，取消中豐村橫碼橋斷面；取消斜涇港南塘村河道整治斷面。西南片區(qū)保留7個監(jiān)測斷面。西南片區(qū)監(jiān)測斷面聚類分析結果見表7、表8。

表7 聚類成員Table 7 Cluster member

表8 最終聚類中心Table 8 Final clustering center mg/L

2.2.5 南部片區(qū)監(jiān)測斷面優(yōu)化

南部片區(qū)河道主要為東西走向，黃姑塘2個斷面水體水質(zhì)有顯著差異(對應2類、3類)；紅旗港、東紅旗港水體無顯著差異(對應2類)，取消東紅旗港斷面；取消金山衛(wèi)界河鎮(zhèn)級整治河道斷面。南部片區(qū)保留5個監(jiān)測斷面。南部片區(qū)監(jiān)測斷面聚類優(yōu)化結果見表9、表10。

表9 聚類成員Table 9 Cluster member

表10 最終聚類中心Table 10 Final clustering center mg/L

表11 水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡優(yōu)化結果Table 11 The optimization results of water environmental monitoring network

2.3優(yōu)化后檢驗

為驗證優(yōu)化后斷面的可信度，檢驗優(yōu)化后斷面反映的水質(zhì)狀況與優(yōu)化前是否一致，將各片區(qū)原有斷面與優(yōu)化后的斷面作為2個樣本系列，對優(yōu)化前后溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)等5項污染指標年均濃度的相關性進行分析[7]。利用SPSS軟件中相應的函數(shù)對優(yōu)化前后主要污染物濃度均值的一致性作F檢驗和t檢驗，見表12。

表12 斷面優(yōu)化后檢驗結果Table 12 The section test results after optimization

經(jīng)F檢驗和t檢驗表明，優(yōu)化斷面與原監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)均無顯著性差異，這說明優(yōu)化后的監(jiān)測斷面完全可以代替原監(jiān)測斷面，可使該區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)保持相對穩(wěn)定和連續(xù)性。

3 評價考核方法

目前區(qū)域環(huán)境質(zhì)量目標責任制考核中，僅以該行政區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測斷面參與考核，過分強調(diào)監(jiān)測斷面的行政區(qū)劃，對斷面的流域性考慮不足，忽略了區(qū)域水系對該斷面水質(zhì)狀況的影響因素[8-9]。同時，由于南方水網(wǎng)密布，水系繁復，村級小河道構成區(qū)域水環(huán)境網(wǎng)絡的重要組成部分，一定程度上反映了該區(qū)域水環(huán)境治理工作成效?，F(xiàn)以區(qū)域水環(huán)境綜合評價考核指標對水環(huán)境質(zhì)量進行評價，發(fā)揮環(huán)境績效評估作用，最終實現(xiàn)改善區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的目標[10]。

3.1評價指標構成及考核適用范圍

區(qū)域水環(huán)境綜合評價考核指標有兩大構成要素，分別為骨干河道水環(huán)境綜合評價考核指數(shù)以及鄉(xiāng)村河道水環(huán)境綜合評價考核指數(shù)。評價指標構成及權重系數(shù)分配見表13。

表13 評價指標構成及權重系數(shù)Table 13 Assessment index and weight coefficient

由表13可見，骨干河道水環(huán)境綜合評價考核指數(shù)——反映區(qū)域/流域水環(huán)境質(zhì)量狀況，以監(jiān)測斷面片區(qū)為考核單元，1個考核單元涉及多個行政區(qū)域的，重復參與各行政區(qū)域考核；1個行政區(qū)域跨2個以上考核單元的，各考核單元均參與考核。由于骨干河道反映該區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量的整體狀況，對區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量改善起著根本作用，故設該要素權重系數(shù)為60%。

鄉(xiāng)村河道水環(huán)境綜合評價考核指數(shù)——反映區(qū)域內(nèi)鄉(xiāng)村小河流水環(huán)境質(zhì)量狀況，以行政區(qū)劃為依據(jù)，每個行政區(qū)域選擇2～3條鄉(xiāng)村小河流參與考核。鄉(xiāng)村小河流的水環(huán)境質(zhì)量狀況與周邊居民息息相關，水質(zhì)改善體現(xiàn)了河道的治理成效，故設該要素權重系數(shù)為40%。

式(1)中TFEA為回波信號起始點到特征點的時間,與回波信號起始點相差n個周期,而回波信號的周期由換能器B的中心頻率決定。當每次測量特征點D2均在回波信號的同一位置時TFEA為常量,根據(jù)式(1)可以得到渡越時間TAB:

3.2評價指標計算方法

收集研究區(qū)域指標層各因子的原始數(shù)據(jù)，按照由下至上的層次進行計算，得到水環(huán)境質(zhì)量綜合評價考核值[11]。

3.2.1 指標層指數(shù)的計算

3.2.1.1 正向指標

對水環(huán)境質(zhì)量評價起正作用的指標，該類指標值越大，對水環(huán)境質(zhì)量的改善越有利，對于正向指標的歸一化計算公式為

(2)

功能區(qū)達標率Q2為正向指標，采用單因子評價法，以污染最嚴重的指標判定水質(zhì)類別是否達到水環(huán)境功能區(qū)劃要求。表達式為

Xi=達標斷面數(shù)/總斷面數(shù)×100%

(3)

式中：Xmin=0，Xmax=100。

3.2.1.2 負向指標

對水環(huán)境質(zhì)量評價起負作用的指標，該類指標值越小，對水環(huán)境質(zhì)量的改善越有利，對于負向指標的歸一化處理公式為

(4)

式中：綜合水質(zhì)指數(shù)Q1、水體黑臭指數(shù)Q3、劣Ⅴ類斷面比例Q4均為負向指標，Xi為各指標的原始數(shù)據(jù)。其中，綜合水質(zhì)指數(shù)Q1，采用溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總磷5項指標參照Ⅲ類功能區(qū)標準進行計算[12]，設置Xmin=0.3，Xmax=6.0。

水體黑臭指數(shù)Q3，選擇溶解氧、氨氮和高錳酸鹽指數(shù)作為評價因子[13]，關系式為

(5)

式中：設置Xmin=1，Xmax=5。

劣Ⅴ類斷面比例Q4，采用單因子評價法，以污染最嚴重的指標判定水質(zhì)類別是否達到Ⅴ類功能區(qū)標準。計算公式為

Xi=劣Ⅴ類斷面數(shù)/總斷面數(shù)×100%

(6)

式中：Xmin=0，Xmax=100。

3.2.2 要素層指數(shù)的計算

要素層指數(shù)是根據(jù)所屬各指標層的指數(shù)值乘以各自的權重后，進行加和。計算公式如下：

V1=Q1×80%+Q2×20%

(7)

V2=Q3×80%+Q4×20%

(8)

3.2.3 水環(huán)境質(zhì)量綜合評價考核指標

采用加權疊加的方法，將各要素指數(shù)乘以各自的權重后求和：

Q=V1×60%+V2×40%

(9)

3.3應用實例

根據(jù)2014年地表水監(jiān)測數(shù)據(jù)對研究區(qū)域水環(huán)境進行綜合評價考核，以片區(qū)為考核單元的骨干河道水環(huán)境綜合評價考核指數(shù)見表14。各行政區(qū)域水環(huán)境綜合評價考核結果見表15和圖1。

表14 2014年骨干河道水環(huán)境綜合評價考核指數(shù)Table 14 The water environment comprehensive assessment index of the backbone river in 2014

表15 2014年區(qū)域水環(huán)境綜合評價考核結果Table 15 The comprehensive assessment results of regional water environment in 2014

圖1 2014年區(qū)域水環(huán)境綜合評價考核指數(shù)分布情況Fig.1 The comprehensive assessment index distribution of regional water environment in 2014

計算各監(jiān)測斷面片區(qū)的綜合水質(zhì)指數(shù)、功能區(qū)達標率，以片區(qū)為考核單元參與區(qū)域水環(huán)境綜合評價考核，根據(jù)公式(7)計算骨干河道水環(huán)境綜合評價考核指數(shù)，根據(jù)公式(8)計算鄉(xiāng)村河道水環(huán)境綜合評價考核指數(shù)，根據(jù)公式(9)計算區(qū)域水環(huán)境綜合評價考核指標。

區(qū)域水環(huán)境綜合評價考核指標選取了骨干河道和鄉(xiāng)村小河流兩類監(jiān)測斷面參與考核，以綜合水質(zhì)指數(shù)、功能區(qū)達標率作為骨干河道的評價指標，以黑臭指數(shù)、劣Ⅴ類斷面比例作為鄉(xiāng)村小河流的評價指標，考核指標的選取更符合斷面類別，在綜合水質(zhì)評價的基礎上輔以功能區(qū)達標率、劣Ⅴ類斷面比例等單因子評價。

評價結果表明，朱涇、楓涇、廊下、呂巷等位于掘石港、惠高涇以西，屬上游入境來水區(qū)域，水環(huán)境功能區(qū)劃要求高，水質(zhì)達標壓力大；漕涇、金山工業(yè)區(qū)、山陽等東部區(qū)域骨干河道通浦納潮，綜合水質(zhì)相對較好，區(qū)域水環(huán)境綜合評價考核指標排名與水環(huán)境質(zhì)量狀況基本相符。通過區(qū)域水環(huán)境綜合評價考核指標，可以直觀地體現(xiàn)各行政區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量狀況、各區(qū)域間存在的差距，更好地揭示水環(huán)境惡化的主要因素，考核結果較為全面、客觀和科學地反映了研究區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量狀況、水環(huán)境治理工作成效和水環(huán)境功能區(qū)劃要求。

4 結論

以2014年金山區(qū)各監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，選取上海市具有典型代表性的水質(zhì)指標溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總磷5項常規(guī)監(jiān)測指標作為優(yōu)化指標。結合水資源調(diào)度方式以及水環(huán)境功能區(qū)劃要求，將整個區(qū)域劃分為五大片區(qū)，采用聚類分析方法進行斷面優(yōu)化。結果表明，現(xiàn)有46個監(jiān)測斷面優(yōu)化減少為33個，F(xiàn)檢驗和t檢驗表明優(yōu)化斷面與原監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)均無顯著性差異。

以地表水監(jiān)測原始數(shù)據(jù)為基礎，建立區(qū)域水環(huán)境綜合評價考核指標。該指標包括骨干河道、鄉(xiāng)村河道兩類考核斷面，采用綜合水質(zhì)評價與單因子評價相結合的方法，分配不同權重參與指標計算。

區(qū)域水環(huán)境綜合評價考核指標較好地解決了單一考核斷面類別、單個考核指標評價時存在的考核結果差異問題，考核結果較為全面、客觀地反映了研究區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量狀況，可為區(qū)域環(huán)境目標責任制考核、水環(huán)境績效評價等工作提供技術支撐。同時，考核結果揭示了區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量惡化的主要原因，可為主管部門分析原因并制定相應措施，使區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量狀況得到改善，為水污染防治行動計劃的貫徹落實提供技術監(jiān)督。研究的指標對環(huán)境管理具有積極的意義。

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OptimizationontheMonitoringNetworkofRegionalWaterEnvironmentandItsAssessmentMethods

GU Hongming

Jinshan Environmental Monitoring Station, Shanghai 200540, China

X84

A

1002-6002(2017)03- 0118- 08

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.18

2016-02-18;

2016-06-08

顧紅明(1972-)，女，上海人，大學本科，工程師。