贴近度法在湘江干流水质监测断面优化中的应用

续衍雪，郑丙辉，刘 琰，秦延文，罗岳平，廖月华

(1.中国环境科学研究院国家环境保护河口与海岸带环境重点实验室，北京 100012;2.湖南省环境监测中心站，湖南长沙 410014)

设置水质监测断面是开展水质监测工作的重要环节。合理设置水质监测断面，不仅能够保证水质监测数据的代表性，而且能够节约监测成本。目前监测断面优化的方法主要有贴近度法[1]、聚类分析法[2-3]、主成分分析法[4-5]、统计计算方法[6]、均值偏差法[7]、经验公式法等。

本研究以湘江干流为研究区，采用贴近度法优化水质监测断面，并采用t值检验法对优化结果进行验证。

1 研究方法

贴近度法是采用监测数据与水质标准之间的贴近度，并依据贴近度的大小对监测点进行科学合理的聚类，再从每类中选出代表点位，最后实现点位优化的目标[8]。

该方法首先要进行数据的标准化，然后找出各监测点多指标参数中每个指标的最大或最小值，将这些单指标的最大值或最小值合成为一个虚拟的“最优值”或“最差值”，即最大点与最小点集合，求出各个样本点及标准值点与该两虚拟点之间的距离，再根据它们的距离值计算出各样本点与选取的标准值点之间的贴近度(可任意选取一个监测断面为标准点)，即可为各水质监测点的优化提供计算判断的依据。

第i个样本点与最优点的距离di-G及最差点的距离di-B的计算公式分别为

式中:rij为标准化值，(rij)G和(rij)B分别为各指标的最大点集合及最小点集合，n为指标个数，αj为第j个指标在水质评价中的权重(因为每个指标在评价中的权重都是相同的，所以认为αj=1)。

第i个样本点与标准值点的贴近度ci-m的计算公式为

式中:dm-G为标准点与最优点距离，dm-B为标准点与最差点距离。

贴近度法通过计算数值得出各个断面与标准值的量化距离，它可以定量描述各个断面的相似程度，具有概念明确、计算简便、形象直观、结论唯一等特点。

2 湘江干流监测断面优化

2.1 研究区及数据来源

湘江是长江的主要支流之一，为湖南省最大河流，其水质状况对湘江流域经济发展和人民生产生活有着重要影响。目前，湘江干流自上而下布设有绿埠头、港子口、归阳镇、松柏下、黄茶岭、熬洲、朱亭镇、枫溪、白石、霞湾、马家河、五星、易家湾、昭山、猴子石、三汊矶、乔口、樟树港等18个水质监测断面。本研究所采用的数据为溶解氧、高锰酸钾指数、化学需氧量、生化需氧量、氨氮、总磷、氟化物、硒、砷、汞、镉、阴离子、粪大肠菌群等13项代表性指标2006—2009年的月平均监测数据。

2.2 断面优化结果

首先计算出各断面13项指标的年均值，然后对数据进行标准化，辨识出最优点以及最劣点。结果如下:最优点 ={0.212 8，0.106 8，0.151 8，0.031 3，0.0306，0.06，0.0783，0.005，0.037，0.0143，0.01，0.0408，0.0076};最劣点 ={0.2815，0.3132，0.330 4，0.246 3，0.427 9，0.245 6，0.241 7，0.14，0.3648，0.0535，0.305，0.2192，4.5322}。

选取樟树港断面为标准点，然后通过公式(1)～(3)分别计算出各断面与最优点和最劣点之间的距离和贴近度值，计算结果见表1。

贴近度值相近表明断面的综合水质情况基本相同，可以归为一类。可找出贴近度值相近的断面，对其进行取舍优化。由表1可见，朱亭镇断面与熬洲断面贴近度值相差很小，表明两监测断面综合水质情况基本相同，可只保留其中一个断面;五星断面与三汊矶断面总体水质状况相差不大，建议保留其中一个断面;昭山断面与乔口断面总体水质状况相差不大，建议保留其中一个断面。

3 方法验证

为了判断采用贴近度法进行断面优化结果的准确性，可采用t值检验法[9]来进行验证。该验证方法可以反映出贴近度值相近的两个断面所反映的水质信息是否具有一致性。

3.1 t值检验原理及步骤

t值检验方法属于统计检验法，又称假设检验法或检验假设法，是统计推断的一个重要组成部分。其内容是，对总体某个参数给定一个值，即提出一个假设，然后对用子样算出的相应的统计量加以检验。在实验数据处理中常用到统计检验，以往需要查表来确定统计检验的临界值，根据程序计算出统计量的结果，经比较后下结论[10]。

式中，n为样本数，μ则由显著性水平α及自由度为n-1的t1-α来计算。

选择检验显著性水平α，查t分布分点表获得自由度为n-1的t1-α，计算μ:

3.2 t值检验验证

通过贴近度法可得出结论，朱亭镇与熬洲、五星与三汊矶、昭山与乔口两两断面所反映的综合水质情况基本相同。下面运用t值检验法对上述两两断面进行检验。

运用SPSS软件进行t值检验，录入熬洲断面与朱亭镇断面标准化后的数据，选择分析项目中的独立样本t检验选项，点击确定即可输出结果。统计结果见表2。

表2 熬洲断面与朱亭镇断面的统计数据结果

通过SPSS软件计算出t值为24，μ为0.819，大于显著水平0.05，表明两个样本总体均值无显著差异，综合水质状况相近，即朱亭镇断面的监测数据信息完全可以代替熬洲断面监测数据信息。

同理，将五星断面与三汊矶断面标准化后的数据录入SPSS软件，进行t值检验，计算出μ为0.986，大于显著水平0.05，表明两个样本总体均值无显著差异，综合水质状况相近，五星断面的监测数据完全可以代替三汊矶断面监测数据。选取昭山断面与乔口断面标准化后的数据录入SPSS软件，进行t值检验，计算出 μ 为 0.952，大于显著水平0.05，表明两个样本总体均值无显著差异，综合水质状况相近，昭山断面监测数据完全可以代替乔口断面监测数据。

由上述t值检验可以看出，通过贴近度法计算出数值相近的两断面之间的差异不显著，表示两两断面的水质总体差距相差不大，水质情况基本相同，一个点位的信息可代替另一个点位的信息，贴近度法对湘江干流段监测断面优化结果比较准确。

4 优化结果的可行性分析

贴近度法对监测断面的优化只是一种理论上的计算，而实际上，监测断面的设置除考虑水质的代表性外，还需考虑水环境管理的实际需要，如污染源监测、跨界水体管理以及重要水环境功能区管理的需要等。结合湘江流域水环境管理的实际需求，对贴近度法优化结果的可行性进行分析:朱亭镇断面是衡阳市与株洲市的交界断面，三汊矶断面是支流浏阳河入湘江断面，昭山断面是湘潭市与长沙市的交界断面，由于“十二五”期间，要推行流域生态补偿和排污权交易政策，市州交界断面必须监测，因此，上述3个断面应予以保留。此外，五星断面和乔口断面分别是湘潭市和长沙市望城区的饮用水水源地监测断面，为保障饮水安全，这2个断面也应保留。因此，根据贴近度法的优化结果，结合实际水环境管理需要，建议去除熬洲断面，保留其余的17个断面。

5 结语

选用贴近度法对湘江干流18个监测断面进行优化研究，并结合湘江流域水环境管理的实际需求，对贴近度法优化结果的可行性进行分析，建议去除熬洲断面，保留其余17个监测断面。优化后的17个断面完全可以反映原有监测断面的水质信息，能够准确地反映湘江干流的水质状况，同时也节约了监测成本。

贴近度法在水质监测断面优化过程中具有一定的应用价值，t值检验也证明了该方法的准确性，但贴近度法只是一种理论上的断面优化方法，仍需结合水环境管理的实际需求，对理论上的优化结果进行修正。

[1]张亦飞，杨晓兰，张健.动态贴近度法及其在水质监测点优化布设中的应用[J].安全与环境学报，2006，6(3):110-112.

[2]周志军，潘三军，杨培慧.SPSS模糊聚类分析法在水质监测断面聚类分析中的应用[J].仪器仪表与分析监测，2007(4):32-35.

[3]杜宝汉，邹锐.洱海地面水环境监测优化布点研究[J].云南环境科学，1996，15(4):56-59.

[4]韩波，林华荣.主成分分析在水质监测优化布点中的应用[J].中国环境监测，1991，7(1):12-13.

[5]蒲文龙，郭守泉.主成分分析法在环境监测点优化中的应用[J].煤矿开采，2004，9(4):6-7.

[6]陆德中，桂志成，李志亮.Excel 2000在水质监测中的应用[J].长江工程职业技术学院学报，2007，24(2):47-49.

[7]姜欣.“均值偏差法”在河流水质监测断面优化中的应用[J].黑龙江环境通报，2006，30(3):44-45.

[8]郭小青.贴近度法优化城市内河水质监测点[J].科技通报，2005，21(3):360-363.

[9]陈鸿.t检验在环境监测数据评价分析中的应用[J].福建环境，2001，18(5):43-44.

[10]赵岩.基于 Excel的 t检验方法[J].吉林化工学院学报，2005，22(3):56-58.