張　晶，李中秋（. 秦皇島市海港區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，河北秦皇島06600；. 秦皇島市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，河北秦皇島06600）

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秦皇島市地表水環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)位優(yōu)化研究

張晶1，李中秋2
（1. 秦皇島市海港區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，河北秦皇島066001；2. 秦皇島市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站，河北秦皇島066001）

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，秦皇島水環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)位存在局部布設(shè)不合理現(xiàn)象。有必要針對環(huán)境所需，對原有的監(jiān)測點(diǎn)位優(yōu)化設(shè)置，使其更具有科學(xué)性和代表性。在查閱了大量有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工作情況，搜集秦皇島2008—2012年5年的地表水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，對秦皇島市主要地表水環(huán)境監(jiān)測的7條河流的25個監(jiān)測斷面進(jìn)行篩選分類，根據(jù)實(shí)際需要在保留原有省級監(jiān)控?cái)嗝娴幕A(chǔ)上，建議增加削減斷面和對照斷面。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測斷面；數(shù)據(jù)法分析；模糊聚類法分析；優(yōu)化調(diào)整；秦皇島

10.13358/j.issn.1008-813x.2016.02.18

監(jiān)測點(diǎn)位優(yōu)化是指在經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的條件下，用最少的監(jiān)測點(diǎn)，獲得最有空間代表性的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并以此準(zhǔn)確預(yù)警環(huán)境質(zhì)量的狀況和變化[1]。秦皇島市現(xiàn)有監(jiān)測點(diǎn)位多為20世紀(jì)90年代布設(shè)而成，經(jīng)過近20年的發(fā)展，地表水的流域大小、環(huán)境污染源頭、污染物的構(gòu)成等均發(fā)生了不同程度的變化，因此，依據(jù)科學(xué)合理的方式對監(jiān)測點(diǎn)位進(jìn)行優(yōu)化處理非常必要。

1　秦皇島市地表水環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀分析

1.1秦皇島市流域環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)狀

目前，秦皇島市內(nèi)主要監(jiān)測河流7條，分別為石河、湯河、戴河、洋河、青龍河、飲馬河、新開河。每條河流基本上設(shè)置不少于2個斷面（新開河只設(shè)新開河口斷面），由于湯河流經(jīng)秦皇島市區(qū)，多設(shè)置2個斷面，石河和洋河因?yàn)橛兴畮?，加設(shè)斷面，共計(jì)設(shè)置25個斷面，分別是石河流域的里峪、四道河、石河大壩、鐵路橋、石河口，湯河的海陽橋、湯河橋、河北大街橋、黃莊橋、湯河口，戴河的戴河村、尼龍壩、戴河口，洋河的西入口、東入口、水庫出口、盧王莊、洋河口，飲馬河的王店子、歇馬臺、大蒲河口，青龍河的紅旗桿、桃林口、田莊子以及新開河的新開河口。目前，除飲用水源地監(jiān)測斷面外，其余全部斷面監(jiān)測的頻率為每年11次，監(jiān)測項(xiàng)目包括pH、溶解氧等共計(jì)24項(xiàng)。秦皇島市主要地表飲用水源有石河水庫、桃林口水庫和洋河水庫，布設(shè)7個監(jiān)測斷面。分析項(xiàng)目有《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）[2]表1中的24項(xiàng)（不含化學(xué)需氧量）、表2中的5項(xiàng)、表3中前35項(xiàng)，及電導(dǎo)率、葉綠素a、透明度3項(xiàng)共計(jì)68項(xiàng)，每月監(jiān)測一次。2009年開始，每年開展一次水質(zhì)109項(xiàng)全分析。

1.2地表水環(huán)境質(zhì)量狀況

監(jiān)測表明，秦皇島市地表水正逐年好轉(zhuǎn)。以2008—2012年的5年間各污染物濃度的平均值計(jì)算得出秦皇島地區(qū)各斷面水質(zhì)類別和污染物超標(biāo)率[3]。其中水質(zhì)類別為I類的斷面占8%，II類的斷面占40%，III類的斷面占28%，IV類的斷面占4%，V類的斷面占8%，劣V類的斷面占12%。在秦皇島市的7條主要河流中，V類及劣V類水質(zhì)主要集中在洋河盧王莊斷面和飲馬河全程，主要污染物指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、揮發(fā)酚、硫化物。

2　秦皇島市地表水監(jiān)測點(diǎn)位優(yōu)化設(shè)置

2.1基于歷史數(shù)據(jù)法分析秦皇島地表水監(jiān)測點(diǎn)位

2.1.1監(jiān)測斷面的水質(zhì)穩(wěn)定性分析

以現(xiàn)有斷面歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用主要污染物的多年變異系數(shù)衡量斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)受偶然、局部干擾因素的影響程度[4]。其公式為：

式中，C為變異系數(shù)，S和S2為某污染物濃度標(biāo)準(zhǔn)差和方差，x為某污染濃度5年均值，xi為污染物濃度第i年的年均值，n為年數(shù)，取n=5[5]。根據(jù)對秦皇島地表水歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的掌握情況，本研究以2008—2012年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以斷面水質(zhì)年際變異系數(shù)分析目前所有監(jiān)測斷面水質(zhì)的年際穩(wěn)定性。所涉及的主要污染物為污染超標(biāo)率較大的前5種。分析結(jié)果顯示，除生化需氧量、氨氮外，大部分現(xiàn)有斷面其他主要污染物測值年際變化穩(wěn)定。因此，所有監(jiān)測斷面中多數(shù)斷面數(shù)據(jù)穩(wěn)定，部分市級區(qū)級監(jiān)控?cái)嗝鏀?shù)值呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，也反映出斷面布設(shè)的不合理性特征。

2.1.2相鄰監(jiān)測斷面的相關(guān)性分析

相鄰斷面監(jiān)測結(jié)果的相關(guān)性分析是判斷監(jiān)測斷面布設(shè)是否重復(fù)的重要方法之一，具體分析公式如下：

上述公式中，r為相關(guān)系數(shù)；xi、yi分別是相鄰斷面某主要污染物年均值序列；n則為年數(shù)；當(dāng)n=5時，lxx、lyy是變量x、y的離均差平方和；lxy則為變量x、y的離均差積和。查相關(guān)系數(shù)臨界值表，得r0.05和r0.01，即：若計(jì)算值r＜r0.05，則說明監(jiān)測點(diǎn)位相關(guān)不顯著；若r0.05≤r＜r0.01，說明監(jiān)測點(diǎn)的相關(guān)顯著；若r＞r0.01，則說明相關(guān)極顯著[5]。

根據(jù)筆者所選用的分析相鄰斷面相關(guān)性的方法與公式，以2008—2012年5年監(jiān)測數(shù)據(jù)的年均值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選取5種主要污染物，臨界值取r0.05=0.878，r0.01=0.959，對流域現(xiàn)有各相鄰斷面相關(guān)性進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，石河的里峪、四道河、石河大壩的5種主要污染物呈現(xiàn)極顯著相關(guān)；湯河的湯河橋、河北大街橋、黃莊橋三個斷面的5種主要污染物呈現(xiàn)極顯著相關(guān)；洋河的西入口、東入口、水庫出口三個斷面的5種監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)極顯著相關(guān)；青龍河的紅旗桿、桃林口、田莊子三個斷面中有4種監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)顯著相關(guān)或極顯著相關(guān)（如表1所示）。

表1　相鄰監(jiān)測點(diǎn)位相關(guān)性分析　mg/L

2.2基于模糊聚類法分析秦皇島地表水監(jiān)測點(diǎn)位

2.2.1監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)據(jù)的獲取和研究方法

筆者選用2008—2012年秦皇島地表水7條河流共25個斷面的主要污染物中分擔(dān)率排序的前5種（高錳酸鉀指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、揮發(fā)酚和硫化物）的水質(zhì)指標(biāo)年平均值分析。各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和測試是由秦皇島市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站和秦皇島市海港區(qū)環(huán)境監(jiān)測站完成。監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)5年均值見表2。

為了讓監(jiān)測項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的可比性更強(qiáng)，需對提供的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)[6]。之后調(diào)用SPSS軟件的K-Means cluster過程對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[7]。K-Means cluster過程可以對用戶所指定的類別數(shù)資料進(jìn)行逐步聚類分析。根據(jù)需要，本研究選取聚類數(shù)是“4”，然后進(jìn)行逐步聚類分析?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)果：7條河流25個監(jiān)測斷面中，秦皇島地區(qū)多數(shù)河段的水體良好，聚類為2類，輕度污染的水體主要集中在湯河、戴河流域，飲馬橋流域及洋河下游的是重度污染。

3　優(yōu)化設(shè)置的方案分析

3.1斷面優(yōu)化設(shè)置的原則

秦皇島地表水監(jiān)測點(diǎn)位的優(yōu)化應(yīng)該是將歷史數(shù)據(jù)法和聚類分析法的科學(xué)分析結(jié)果作為依據(jù)，按照斷面布設(shè)的要求，結(jié)合地理環(huán)境、河道情況、城市化發(fā)展、污染源分布及水質(zhì)管理的需要等多個因素進(jìn)行綜合分析后得出。

表2　監(jiān)測斷面主要污染物濃度

所以，斷面設(shè)置應(yīng)符合如下要求：在主要城市和工業(yè)區(qū)河段中，為掌握全河段的水質(zhì)狀況，需要布設(shè)對照斷面、控制斷面和削減斷面三類斷面；對于污染嚴(yán)重的河流和河段，應(yīng)在排污量較大的河段加設(shè)控制斷面；在有較大支流匯入的河段布設(shè)斷面，布設(shè)點(diǎn)可選在匯合點(diǎn)上游的交流處或充分混合后的干流下游處；對水質(zhì)變化較穩(wěn)定或污染源對水質(zhì)未造成明顯影響的河段中，斷面設(shè)置可靈活掌握。

3.2優(yōu)化方案

結(jié)合前文基于歷史數(shù)據(jù)法的對斷面合理性分析結(jié)果和聚類分析結(jié)果，本研究在點(diǎn)位優(yōu)化設(shè)置方面提出了如下方案：

（1）同一河流在聚類分析中屬于同一污染級別的斷面選擇1個作代表；（2）同一河流中屬相同污染級且相鄰斷面中有2種以上主要污染物呈顯著或極顯著相關(guān)的多個斷面保留其中1個；（3）省控?cái)嗝姹M量保留，但如果主要污染物呈現(xiàn)極顯著相關(guān)時則保留其中1個；（4）只有1個斷面的河流保留原有斷面；（5）飲用水監(jiān)測斷面保留。

3.3監(jiān)測點(diǎn)位優(yōu)化設(shè)置的結(jié)果

根據(jù)點(diǎn)位優(yōu)化設(shè)置原則和優(yōu)化設(shè)置方案，秦皇島地表水監(jiān)測點(diǎn)位優(yōu)化如下:

3.3.1石河

因石河水庫為飲用水源地，所測主要污染數(shù)據(jù)年級變化穩(wěn)定，故里峪、四道河和石河水庫大壩3個點(diǎn)位予以保留。又因石河流經(jīng)海港區(qū)，沿岸的工業(yè)及城市生活污染需要及時監(jiān)測。所以，鐵路橋和石河口的點(diǎn)位也予以保留。故此，石河流域的原有點(diǎn)位不變。

3.3.2湯河

湯河流域共有5個點(diǎn)位，其中市區(qū)控點(diǎn)位2個（黃莊橋和河北大街橋），省控點(diǎn)位3個（海陽橋、湯河橋和湯河口）。其中黃莊橋、湯河橋和河北大街橋的點(diǎn)位屬于相鄰點(diǎn)位，歷史數(shù)據(jù)值呈現(xiàn)極明顯相關(guān)，且聚類分析均為三類水質(zhì)。鑒于湯河流經(jīng)海港區(qū)，沿岸工業(yè)和生活排放較重，故建議保留原有省控點(diǎn)位，將黃莊橋和河北大街橋的點(diǎn)位去除，可以被湯河橋點(diǎn)位取代。

3.3.3戴河

戴河流域共有3個點(diǎn)位，均為省控點(diǎn)位，且3個點(diǎn)位的主要污染物只有1個呈現(xiàn)極明顯相關(guān)，聚類分析結(jié)果雖然處于同一類別，但基于秦皇島的工業(yè)發(fā)展和戴河的旅游資源，建議保留原有監(jiān)測點(diǎn)位。

3.3.4洋河

洋河流域共有5個點(diǎn)位。因洋河水庫為飲用水源地，故建議保留洋河?xùn)|入口、西入口及水庫出口3個斷面。近些年，洋河下游的工業(yè)發(fā)展迅速，工業(yè)排放使該河成為重度污染區(qū)，雖然盧王莊斷面年級監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較大，仍建議保留該斷面，為使監(jiān)測數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定，建議在該斷面附近增設(shè)對照斷面和削減斷面。原有的洋河口因合流入海，故保留不變。

3.3.5飲馬河

飲馬河是秦皇島河流中污染最重的河段，該河有3個斷面，分別為王店子、歇馬臺和大浦河口。3個斷面均呈現(xiàn)出年際變化值不穩(wěn)定狀態(tài)，這與該河流流域的工業(yè)污染有直接關(guān)系。鑒于該河流水質(zhì)呈現(xiàn)重度污染情況，故建議保留原有斷面。在此基礎(chǔ)上對王店子和歇馬臺兩個斷面設(shè)置對照斷面和削減斷面，同時建議增設(shè)飲馬河大橋點(diǎn)作為監(jiān)測點(diǎn)（該點(diǎn)距昌黎縣城較近，能有效監(jiān)測該區(qū)域的工業(yè)排放），進(jìn)一步監(jiān)測污染源。

3.3.6青龍河

青龍河原有3個監(jiān)測點(diǎn)位，其中紅旗桿和桃林口屬于飲用水源地監(jiān)測點(diǎn)位，建議保留。田莊子監(jiān)測點(diǎn)是青龍河匯集灤河之處，也建議保留。

3.3.7新開河

新開河只有新開河口一個監(jiān)測點(diǎn)位，故建議保留。

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（編輯：程俊）

A Study on Design Optimization of Surface Water Environment Monitoring Sites in Qinhuangdao

Zhang Jing1, Li Zhongqiu2

（1. Qinhuangdao Haigang Distict Environment Monitoring Station, Qinhuangdao Hebei 066001, China; 2. Qinhuangdao Environment Monitoring Station, Qinhuangdao Hebei 066001, China）

Abstract：With the development of economy and society, the arrangement of water environment monitoring sites of Qinhuangdao city were increasingly unreasonable. Therefore, it was necessary to optimize the arrangement of environment monitoring sites in order to make them more scientific and representative. Based on the reference to relevant data, combining with the actual working conditions, and collecting the surface water environmental monitoring data in recent five years of Qinhuangdao, 25 sections of 7 rivers were selected, the final removal of two original municipal monitoring sections, according to the addition of a new municipal monitoring section of the actual needs.

Key words：monitoring sections, data analysis, fuzzy clustering analysis, optimized adjustment, Qinhuangdao

作者簡介：張晶（1983-），女，河北秦皇島人，畢業(yè)于燕山大學(xué)工商管理專業(yè)，工程碩士，工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測工作。

收稿日期：2015-11-16

中圖分類號：X832

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-813X（2016）02-0069-04