郭效琛，杜鵬飛，趙冬泉，馬洪濤

1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084 2.清控人居環(huán)境研究院有限公司，北京 100083

隨著我國城市化進程的加速，城市自然水系統(tǒng)受到影響，不少城市都出現(xiàn)嚴(yán)重的內(nèi)澇問題，威脅了城市居民的生命及財產(chǎn)安全，城市雨洪管理問題日益受到關(guān)注[1-2]。2014年底，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部(以下簡稱“住建部”)正式提出了建設(shè)海綿城市[3]，其考核指標(biāo)之一即為城市水環(huán)境[4]。2015年8月28日，住建部與環(huán)保部聯(lián)合發(fā)布了《城市黑臭水體整治工作指南》，城市內(nèi)河流水環(huán)境質(zhì)量情況受到高度關(guān)注。

開展城市區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測工作，是了解城市河流水環(huán)境狀況的關(guān)鍵。目前，萍鄉(xiāng)市大部分河流已進行監(jiān)測布點，由于河流中污染物的構(gòu)成和分布總是在不斷變化，河流水質(zhì)監(jiān)測點位需要不斷進行調(diào)整與優(yōu)化[5]，以全面了解河流的水環(huán)境質(zhì)量情況。

1 實驗部分

1.1 萍鄉(xiāng)市萍水河監(jiān)測情況

萍鄉(xiāng)市總面積3 802 km2，人口187萬，地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為17.3 ℃，平均降水量1 603 mm，于2015年4月被選為我國首批16個海綿試點城市之一。萍水河多年平均徑流量18.3 m3/s，是萍鄉(xiāng)市最主要的河流，稱其為母親河。

2005—2015年萍水河共設(shè)置12個監(jiān)測斷面，各斷面的位置及特點如表1所示。

監(jiān)測斷面的位置示意圖如圖1所示。

表1 萍水河監(jiān)測斷面位置及特點

圖1 萍水河監(jiān)測斷面示意圖Fig.1 Sketch of monitoring sections in Pingshui River

12個監(jiān)測斷面并非同時設(shè)置，2005、2006年萍水河共設(shè)7個監(jiān)測斷面，編號分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#；2007年對監(jiān)測斷面進行了刪減，去掉了2#和7#斷面，保留了其余5個監(jiān)測斷面；從2008年起，對監(jiān)測斷面進行了調(diào)整，共設(shè)8個監(jiān)測斷面，編號為1#、5#、6#、8#、9#、10#、11#、12#；到2015年一直為此8個斷面，但主要監(jiān)測前6個斷面。

2005—2007年，萍水河采樣時間為偶數(shù)月，2008—2015年，萍水河采樣時間為奇數(shù)月，選擇氣候較為相近的7月和8月的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)萍水河水質(zhì)污染特征，選擇化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總磷、總氮和高錳酸鉀鹽指數(shù)作為評價指標(biāo)。

1.2 研究方法

對水質(zhì)監(jiān)測點位進行優(yōu)化，首先要了解河流歷史水質(zhì)情況。馬太玲等[6]對水環(huán)境質(zhì)量綜合評價中常用的模糊貼近度法、模糊綜合評價法和邏輯斯蒂曲線評價模型3種方法進行比較與分析，得出模糊貼近度法的評價結(jié)果相對合理。林和振[7]利用模糊貼近度法對武夷山景區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量狀況進行了評價，也得到較為合理的結(jié)果。對于城市內(nèi)河流的水質(zhì)監(jiān)測，在開始階段往往會布設(shè)較多的監(jiān)測點而能充分掌握整個水域的水質(zhì)情況，經(jīng)過一段時間的監(jiān)測并積累一定數(shù)據(jù)后，需進行監(jiān)測布點的優(yōu)化[8]，目前許多相關(guān)研究都應(yīng)用了貼近度法[8-9]。

本文選用貼近度法對萍水河2005—2015年水質(zhì)情況和監(jiān)測方案進行分析評價并針對監(jiān)測布點提出優(yōu)化建議。

1.2.1 貼近度法簡介

城市河流水環(huán)境質(zhì)量由多項指標(biāo)綜合衡量，利用貼近度法可將多指標(biāo)的監(jiān)測參數(shù)轉(zhuǎn)化為能綜合反映水質(zhì)情況的單指標(biāo)參數(shù)，進而對監(jiān)測點水質(zhì)情況進行評價，并根據(jù)監(jiān)測點間相似程度進行聚類，評價現(xiàn)有監(jiān)測點設(shè)置的合理性，同時可進行優(yōu)化布置[8]。

1.2.2 貼近度法應(yīng)用步驟

1.2.2.1 建立樣本矩陣

將m-1個監(jiān)測點及一個標(biāo)準(zhǔn)值點對應(yīng)的n項評價指標(biāo)的監(jiān)測值，構(gòu)成初始樣本矩陣A0：

(1)

式中：aij為第i個監(jiān)測點的第j個評價指標(biāo)量化值；amj為標(biāo)準(zhǔn)值的第j個指標(biāo)量化值。

對初始樣本矩陣進行歸一化處理，計算第i個監(jiān)測點第j個評價指標(biāo)歸一化后取值rij。

(2)

得到樣本矩陣A：

(3)

1.2.2.2 構(gòu)建“最優(yōu)點”和“最劣點”

水質(zhì)指標(biāo)一般以污染物濃度來衡量，即指標(biāo)值越大，水質(zhì)越差，為負(fù)向指標(biāo)。因此，最優(yōu)點由各監(jiān)測點對應(yīng)指標(biāo)的最小值構(gòu)建，最劣點由各監(jiān)測點對應(yīng)指標(biāo)的最大值構(gòu)建，即

最優(yōu)點和最劣點并非真實存在的監(jiān)測點，而是虛擬的河流水質(zhì)最好和最差的點。

1.2.2.3 計算各點到“最優(yōu)點”和“最劣點”的距離

當(dāng)認(rèn)為各指標(biāo)所占權(quán)重一致時，第i個樣本點到“最優(yōu)點”的距離di-Y可定義為

(4)

式中：dm-Y為標(biāo)準(zhǔn)值點與“最優(yōu)點”的距離。

同理，對第i個樣本點到“最劣點”的距離di-L進行定義：

(5)

式中：dm-L為標(biāo)準(zhǔn)值點與“最劣點”的距離。

1.2.2.4 計算各樣本點與標(biāo)準(zhǔn)值點的貼近度

由于對河流水質(zhì)進行評估的指標(biāo)不唯一，是多個指標(biāo)的綜合，因此一個點與“最優(yōu)點”距離相接近并不一定就與“最劣點”距離遠(yuǎn)。因而選擇將標(biāo)準(zhǔn)值點作為參考，計算各監(jiān)測樣本點與標(biāo)準(zhǔn)值點的貼近程度就可作為綜合了水環(huán)境質(zhì)量評價中多個指標(biāo)的單指標(biāo)。

定義第i個樣本點與標(biāo)準(zhǔn)值點m的貼近度Ui-m為

(6)

對于樣本點i而言，Ui-m越接近1，表明樣本點的水質(zhì)質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)值點的水質(zhì)質(zhì)量越接近，Ui-m>1表示樣本點整體好于標(biāo)準(zhǔn)值點，Ui-m<1則表示樣本點整體差于標(biāo)準(zhǔn)值點，從而可對各監(jiān)測點水質(zhì)進行整體評價。

將Ui-m從小到大進行排序，數(shù)值相近的點即水質(zhì)質(zhì)量相近，可劃分為一類，選擇其中具有代表性的點作為監(jiān)測點，即可實現(xiàn)對監(jiān)測方案的優(yōu)化。

2 結(jié)果與討論

2.1 各監(jiān)測點貼近度的計算

目前在萍鄉(xiāng)市海綿城市建設(shè)中，對萍水河水環(huán)境質(zhì)量的控制目標(biāo)定為達到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，因此將《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中評價指標(biāo)的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)值作為標(biāo)準(zhǔn)值點的取值，如表2所示。

表2標(biāo)準(zhǔn)值點各指標(biāo)取值

Table2Standardpoint’svalueoneachindexmg/L

根據(jù)貼近度的計算方法，對2005—2015年各監(jiān)測點數(shù)據(jù)，逐年建立初始樣本矩陣(aij)m×n，進行歸一化處理得到(rij)m×n，構(gòu)建樣本集的最優(yōu)點和最劣點，再計算各樣本點與最優(yōu)點和最劣點的距離di-Y和di-L，最后將標(biāo)準(zhǔn)值點作為參考點，計算與各監(jiān)測點及標(biāo)準(zhǔn)值點的貼近度，結(jié)果如表3所示。

2.2 萍水河水環(huán)境質(zhì)量評價

2.2.1 萍水河水環(huán)境質(zhì)量整體評價

從表3貼近度的計算結(jié)果可以看出，除2006年3#監(jiān)測點與標(biāo)準(zhǔn)值點的貼近度小于1以外，其余監(jiān)測點與標(biāo)準(zhǔn)值點的貼近度均大于1，即單從化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、總氮及高錳酸鹽指數(shù)這6個評價指標(biāo)來看， 2005—2015年，萍水河各監(jiān)測點的水質(zhì)狀況整體較好。貼近度大小統(tǒng)計結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，與標(biāo)準(zhǔn)值點(即地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn))貼近度在區(qū)間[3, 4)所占比例最大，為24%；其次為[2, 3)，所占比例為18%；貼近度[1, 2)所占比例也較高，為13%；也就是說，與標(biāo)準(zhǔn)值貼近度在[1, 4)的監(jiān)測數(shù)據(jù)個數(shù)所占比例共計55%，超過50%。與標(biāo)準(zhǔn)值貼近度在10以上的主要是對照斷面，對于其余控制斷面而言，雖然無法與對照斷面相比，但貼近度也比較大，即萍水河各監(jiān)測點這6項指標(biāo)的情況好于地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。

表3 每年各監(jiān)測點的貼近度

注：“空”表示當(dāng)年未在該監(jiān)測斷面進行監(jiān)測。

圖2 萍水河各監(jiān)測點的貼近度所處區(qū)間統(tǒng)計(2005—2015年)Fig.2 Similarity Interval statistics of monitoring spots in the Pingshui River (2005-2015)

2.2.2 萍水河水環(huán)境質(zhì)量的逐年變化

整體而言，貼近度取值大于4的監(jiān)測數(shù)據(jù)所占比例不足50%，將貼近度大于4的監(jiān)測點定為水質(zhì)較優(yōu)點，對貼近度大于4的監(jiān)測點個數(shù)逐年進行統(tǒng)計，記為k，將每年貼近度大于4的監(jiān)測點個數(shù)所占比例γ作為統(tǒng)計指標(biāo)：

γ=k/k0

式中：k0為當(dāng)年總監(jiān)測點個數(shù)。

統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，2005—2010年，貼近度大于4的監(jiān)測點所占比例呈現(xiàn)逐年上升趨勢，說明2005—2010年，萍水河的水環(huán)境質(zhì)量不僅整體較好，且在逐步提高。

在2010年以后，貼近度大于4的監(jiān)測點所占比例有所下降，尤其是2013年，所有監(jiān)測點數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值點的貼近度均小于4，表明水質(zhì)有所下降。

圖3 2005—2015年水質(zhì)較優(yōu)監(jiān)測點每年所占比例的變化Fig.3 2005-2015 Percentage trend of better quality monitoring spots

2.3 萍水河監(jiān)測點歷年來調(diào)整的分析與評價

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展及水質(zhì)情況的變化，萍水河監(jiān)測點的設(shè)置也進行了相應(yīng)調(diào)整，貼近度法優(yōu)化監(jiān)測點設(shè)置的思路：對貼近度相近的監(jiān)測點進行聚類，選擇每類中具有代表性的進行監(jiān)測，若監(jiān)測點間的貼近度相差很大，則不能聚為一類。

根據(jù)每年各監(jiān)測點貼近度的計算結(jié)果，結(jié)合監(jiān)測斷面的位置，可對監(jiān)測點布設(shè)方案調(diào)整的合理性進行分析與評價。

2.3.1 監(jiān)測點2007年的調(diào)整

相比于2005年和2006年，2007年時監(jiān)測點有所刪減，去掉了2#和7#2個監(jiān)測點。根據(jù)貼近度，對2005年和2006年的監(jiān)測點進行聚類，結(jié)果如表4所示。

表4 2005年和2006年監(jiān)測點聚類結(jié)果

從表4可以看出，從2005年的聚類結(jié)果來看，2#和7#恰為一類，對于監(jiān)測點優(yōu)化而言，應(yīng)考慮保留其中更具代表性的一個。從2006年的聚類結(jié)果來看，2#、7#和1#歸為了一類，在2005年和2006年的監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，都是綜合水質(zhì)最好的前3處。因此，從2007年起，不再對2#和7#斷面進行監(jiān)測布點具有一定的合理性。

從斷面位置考慮，1#斷面屬于對照斷面，水環(huán)境質(zhì)量本身比較好，作為其他2個監(jiān)測斷面的代表欠妥，可考慮保留2#和7#中的一個。

在2005年的聚類分析中，4#、5#和6#歸為一類，但在2006年的聚類分析中，3個監(jiān)測點又分屬不同類別，因此在2007年時沒有舍棄，繼續(xù)保持監(jiān)測的做法比較合理。

2.3.2 監(jiān)測點2008年后的布設(shè)

在2008年，萍水河監(jiān)測點的布置進行了比較大的調(diào)整，2008年監(jiān)測數(shù)據(jù)最為全面，之后幾年都沒有11#和12#的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此首先對2008年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行聚類分析，判斷這一做法是否可行，結(jié)果如表5所示。

表5 2008年監(jiān)測數(shù)據(jù)聚類分析

從表5可以看出，11#和12#所處分類中還有8#及1#，對8#及1#進行監(jiān)測，可在一定程度上替代對11#及12#水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測，而且4個監(jiān)測點的水環(huán)境質(zhì)量屬于比較好的一類。

但從表1可以看出，8#和1#都屬于對照斷面，而11#及12#都是一級支流的入河口，屬于應(yīng)當(dāng)監(jiān)測的控制斷面。因此，根據(jù)貼近度的聚類分析結(jié)果，雖然4個監(jiān)測斷面屬于一類，但斷面的作用及性質(zhì)有所差別，在之后的2009—2015年，缺失對11#和12#的監(jiān)測，不夠合理。

2.3.3 2009—2015年監(jiān)測點的布設(shè)

2009—2015年萍水河監(jiān)測點的設(shè)置沒有太大調(diào)整，主要變化集中在是否對6#斷面進行監(jiān)測：2009、2010、2012、2013年有6#的監(jiān)測數(shù)據(jù)，而其余年份沒有，因此重點分析2009—2015年6#這一監(jiān)測點與其他監(jiān)測點的聚類結(jié)果(見表6)。

表6 2009—2015年6#監(jiān)測點與其他點的聚類分析

從表6可以看出，有6#監(jiān)測數(shù)據(jù)的2009—2013年，每年都有其他監(jiān)測點的貼近度與6#監(jiān)測點貼近度相差在±0.5以內(nèi)，可歸為一類。也就是說，6#的水環(huán)境質(zhì)量情況，一定程度可由其他監(jiān)測點來表征。但與此同時，從表6也可以看出，與6#監(jiān)測點歸為一類的點并不具有很強的穩(wěn)定性，2009年和2010年，5#監(jiān)測點都是與6#監(jiān)測點最相近的點，但2012、2013年兩者貼近度的相差程度已經(jīng)超過了0.5，即沒有某個監(jiān)測點可穩(wěn)定替代并表征6#的水環(huán)境質(zhì)量情況?；诖?，建議仍保留對6#斷面的監(jiān)測，不貿(mào)然進行刪減。

2.4 現(xiàn)行監(jiān)測點布設(shè)方案的優(yōu)化建議

萍鄉(xiāng)市海綿城市建設(shè)開始于2015年，為對地表水環(huán)境質(zhì)量控制改善效果進行考核評估，在接下來海綿城市建設(shè)中需進一步完善萍水河水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測布點工作。對2014年和2015年各監(jiān)測點的貼近度進行分析，如表7所示，作為優(yōu)化布點的基礎(chǔ)。

表7 2014年和2015年監(jiān)測點的貼近度

從表7可以看出，無論是根據(jù)2014年的監(jiān)測結(jié)果，還是2015年，監(jiān)測點9#、10#和5#都比較相近，可歸為一類。為節(jié)約監(jiān)測成本，選擇水質(zhì)處于中等水平的10#監(jiān)測點作為代表性監(jiān)測點進行監(jiān)測。

2.4.1 優(yōu)化后監(jiān)測點位的檢驗

以2015年的監(jiān)測情況為依據(jù)，對優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)進行F檢驗(精度)和t檢驗(均值)，其中優(yōu)化前(n=5)和優(yōu)化后(n=3)各污染因子的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差如表8所示。

表8 優(yōu)化前后的均值和標(biāo)準(zhǔn)差Table 8 The average values and the standard deviations before and after optimization

根據(jù)表8數(shù)據(jù)進行F檢驗，刪減后3個監(jiān)測點位6項指標(biāo)實測值的方差與總體方差無顯著性差異；進行t檢驗，刪減后監(jiān)測點位實測值與總體均值也無顯著性差異，表明監(jiān)測點位優(yōu)化結(jié)果是合理的。

2.4.2 監(jiān)測點位進一步優(yōu)化

目前萍水河監(jiān)測點布置的數(shù)量有限，2008年增設(shè)的監(jiān)測斷面，在后續(xù)監(jiān)測中沒有進行完整監(jiān)測。由于6#監(jiān)測點沒有其他監(jiān)測點可穩(wěn)定替代，11#和12#從位置上講屬于應(yīng)監(jiān)測的斷面，故建議對這3個監(jiān)測斷面保持監(jiān)測。

為了對海綿城市建設(shè)水環(huán)境控制方面的效果進行評價，需結(jié)合海綿城市建設(shè)的重點區(qū)域及低影響開發(fā)設(shè)施的布置情況，在萍水河選擇新的監(jiān)測點。具體而言，主要是在示范區(qū)范圍內(nèi)的萍水河部分增加監(jiān)測點，集中進行低影響開發(fā)改造的片區(qū)如虎形山、金螺峰等附近，為準(zhǔn)確評價低影響開發(fā)措施對城市河流水環(huán)境的改善效果提供依據(jù)。同時，考慮到城市黑臭水體整治工作的需求，需對萍水河歷史上的黑臭河段加強監(jiān)測。

3 結(jié)論

對萍鄉(xiāng)市萍水河2005—2015年各監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，根據(jù)萍水河水質(zhì)污染特征，選擇化學(xué)需氧量、生化需要量、氨氮、總磷、總氮和高錳酸鉀鹽指數(shù)作為評價指標(biāo)，利用貼近度法評價了歷年來水質(zhì)情況及變化趨勢，分析了對監(jiān)測點進行調(diào)整的合理性，并針對現(xiàn)行監(jiān)測方案進行了優(yōu)化。

1)單就6項評價指標(biāo)而言，萍水河水環(huán)境質(zhì)量整體較好，從2005年到2010年，萍水河水環(huán)境質(zhì)量逐步提高，但在2010年之后，水質(zhì)呈現(xiàn)下降趨勢。

2)萍水河監(jiān)測點的布設(shè)主要在2007年和2008年進行了調(diào)整，基于各監(jiān)測點貼近度的計算，方案調(diào)整具有一定的合理性，對同一類監(jiān)測點進行刪減可節(jié)省人力、物力及財力。但某些調(diào)整欠妥，刪去的監(jiān)測點不能由其他監(jiān)測點完全替代。

3)目前萍水河監(jiān)測點的布設(shè)不夠合理，有些監(jiān)測點具有可替代性，進行刪減優(yōu)化后的監(jiān)測方案經(jīng)檢驗可完全替代現(xiàn)行監(jiān)測方案，節(jié)省監(jiān)測成本；另外，現(xiàn)有監(jiān)測點包含信息不足，需增設(shè)監(jiān)測點。

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