闽江流域地表水环境监测断面优化布设

白 亮

(福建省环境监测中心站，福建福州350003)

闽江是福建省最大的河流，总长2872km，流域面积60992km2，约占全省陆域总面积的一半。流域集水面积在1000km2以上的支流有19条，500～1000km2的有21条，100～500km2的有150条。福建省环保部门分别在闽江流域布设了57个水质监测断面。传统监测断面的设置主要以城市为中心，随着社会经济的快速发展、城市规划布局和水环境条件的变迁，现有的地表水环境监测断面已不能全面、客观、科学地反映流域水环境总体质量、说清污染的变化趋势和满足环境管理需要的要求［1～3］。因此，地表水监测断面的布设需要进行优化调整以适应新的变化，保证监测断面设置的科学性。

数理统计的方法常用于监测断面优化布设［4］，如聚类分析法［5］、经验公式法［6］、主成分分析法［7］、多目标决策法［8］、物元分析法［9］、遗传算法［10］等，但数理统计类的优化方法仅适用于对已有水质断面的优化分析。较大的江河流域广阔，无法对全流域开展水质监测，基于GIS技术及克里格插值技术的水环境空间插值方法可解决水质的时空分布问题［3］，地表水环境数值模拟方法可以提供流域任意断面的水质信息，结合数理统计方法能够实现全流域水质监测断面的优化布设。但GIS技术是对数据的空间分析，物理基础不牢靠，地表水环境数值模拟方法要掌握详尽的水文资料和污染源排放资料，模型的建立存在难度［11～12］。本文利用河流水质分段优化法对闽江全流域开展监测断面布设研究，形成一套层次分明、分级管理、目标明确的河流水质监测网络，每级监测网络对应不同的监测项目、频率，从而使流域监测网络具有客观性、全面性以及合理性。

1 现有监测断面及水质状况

福建省环保部门在闽江流域上共布设74个水质监测断面，其中国控断面9个，省控断面48个，市控断面17个。其中省、市、县行政区间交界断面29个。2010年，闽江水质保持优等，水域功能达标率99.4%，Ⅰ类～Ⅲ类水质比例99.1%，交界断面水质达标率99.4%。各类水质比例中，Ⅰ类水质比例3.5%，Ⅱ类水质比例59.9%，Ⅲ类水质比例35.7%，Ⅳ类水质比例0.9%，未出现Ⅴ类和劣Ⅴ类水。全水系超过Ⅲ类标准的断面有3个:干流福州段闽清梅溪口断面、沙溪水汾桥断面和建溪建阳洪尾断面，超标项目为溶解氧、氨氮、总磷和石油类［13］。运用GIS空间插值技术分析闽江流域水质分布情况，沙溪流域水质较差，尤其沙县河段河流污染相对严重;富屯溪流经邵武和顺昌后，水质明显下降;建溪流域水质较好，闽江干流在古田溪和梅溪汇入后，水质有所下降。

2 监测断面布设研究

2.1 河流的分级控制

根据闽江流域的基础资料调研，绘制流域水系柘扑图，由河流流域面积和河长等指标确定河流控制级别。

(1)省控河流:闽江干流和流域面积 ＞1000km2，且河道长度＞100km的重要一、二级支流和跨界河流、入海河流，大型水利设施所在水体等要纳入省控河流;另外，断面的设置应考虑跨省、市、县交界的环境管理的需要，以及流域的综合整治的需要。结果表明，闽江流域面积 ＞1000km2，河道长度＞100km的河流共有12条，分别为南浦溪、松溪、麻阳溪、崇阳溪、建溪、金溪、富屯溪、沙溪、尤溪、大樟溪、古田溪、闽江;流域面积＞1000km2，河道长度＜100km，但属于跨市县交界的河流共有4条，分别为罗口、文川溪、文江溪、均溪;流域面积＜1000km2，但流经市县行政单位的河流共有2条，分别为杉溪、大浐溪。因此，确定以上18条河流为省控河流。

(2)市控河流:闽江流域的污染较严重 (水质低于III类标准)的一级支流，闽江流域中流域面积 ＞500km2的二级支流，流域面积在800～1000km2的河流，流经市、县行政区域和大中型水利设施所在水体等要纳入市控河流，断面的设置应考虑市县交界的环境管理需求。结果表明，闽江流域面积在800～1000km2的河流共有7条，分别为七星溪、光泽北溪和西溪、铺溪、宁化东溪、沙县东溪和梅溪;流域面积＞500km2二级以上支流共有9条，分别为高阳溪、仁寿溪、宁化西溪、桂口溪、渔塘溪、清印溪、后亭溪、武步溪和吉源溪;闽江一级支流共有7条，分别为大目溪、第一溪、杜溪、荆溪、陶江、新岭溪和玉西溪。基于环境管理需要，污染较为严重的小流域碧溪、安丰沟、晒口溪也应纳入市控河流，因此，确定以上26条河流为市控河流。

(3)县控河流:闽江流域的污染较严重 (水质低于III类标准)的一级支流，闽江流域中流域面积 ＞500km2的二级支流，流域面积在800～1000km2的河流，流经市、县行政区域和大中型水利设施所在水体等要纳入市控河流，断面的设置应考虑市县交界的环境管理需求。结果表明，闽江流域面积在500～800km2的河流共有7条，分别为富岭溪、临江溪、九曲溪、五夫溪、澜溪、长潭河和文昌溪;流域面积＞200km2二级以上支流共有20条，分别为小松溪、小桥溪、古山溪、同青溪、水口寨溪、路兹溪、嵩溪、罗峰溪、溪源溪、胡贡溪、清溪、华兰溪、涌溪、长庆溪、潼关溪、富泉溪、清凉溪、柏源溪、芹溪、安仁溪和芝溪。环境管理需要将宁溪、大田溪、泰宁北溪 (流域水资源保护)，沙县南溪 (规划水源地)、杉溪 (源头、饮用水源地)和渭田溪纳入县控河流。因此，闽江流域县控河流共有33条。

2.2 确定水质突变点

在河流水文特性和污染源调查的基础上，确定水质突变点，将河流划分为若干水质不同的河段，水质突变点类型如下［1～2］:

(1)支流汇入口型:当支流与干流属同一控制级别时，支流汇入口可直接确定为该干流的水质突变点;当支流的控制级别仅次于干流的控制级别时，如果支流流量占干流流量份额较大、水质又与干流有显著差别，或支流流量虽小，但纳污量很大，对干流水质有明显影响，则该支流的汇入口确定为干流的水质突变点。

(2)污染源排入口型:县城、县级市及其以上城市市政污水的排入口可直接确定为河流的水质突变点;对人口较多、工商业较发达的建制镇，当确知其污水的排入导致河流水质发生显著变化时，则该污水排入口确定为该河流的水质突变点;较大污染源的污水直接排入河流时，河流水质发生显著变化时，确定该污水入河口为污染源直排口型水质突变点。

(3)其他水质突变点:当相邻水质突变点之间距离太远时，污染物经过降解，水质已发生显著变化，可以在中间适当位置暂设一个断面;当水质突变点较为分布集中、间隔距离较小时，可将一定区域内水质突变点归纳为一个水质突变点。

依据地理信息系统统计河流流经的乡镇、县市，水系拓扑图中支流汇入的个数，再结合流域污染源分布和当地社会经济发展状况，最终闽江流域共确认98个水质突变点。其中支流汇入型水质突变点共19个，分别为七星溪、崇阳溪和南浦溪汇合口，松溪、里沙溪、铺溪、杉溪、五夫溪、晒口溪、夏阳溪、文川溪、罗口溪、文江溪、芝溪、富屯溪与沙溪汇合，尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪和闽江入海口等河口;市政排入口型和污染源型的水质突变点共75个;富屯溪干流邵武至顺昌段、罗口溪和尤溪干流尤溪县至河口段确定距离衰减型水质突变点;闽江干流上水口电站确定为水质突变点。

2.3 监测断面的布设

根据河流水质的明显分段性质对河流水质监测断面进行优化，将河流划分为若干水质明显不同的河段，每个河段设置一个监测断面，从而组成河流水质监测网络，各监测断面的水质监测结果代表其所在河段的水质，即将不同控制级别的河流根据水质突变点设置相应级别的控制监测断面。按照河流监测断面设置原则、技术要求，通过实地考察和地理信息系统，充分考虑断面采样的可操作性，考察断面定位是否落在河道顺直、水流顺畅、无边滩心滩、无急流湍流、采样及样品运输方便处;同时利用完全混合模型对较大污染源带进行估算，使断面布设于水质混合均匀处，避开附近的污染源和直接排放口等因素［14］。运用GIS技术将监测断面空间定位，输出的结果可视化。

建溪流域原设置14个省控断面，优化后省控断面19个，市控断面7个，县控断面12个;对于省控断面，南浦溪新增4个，分别位于浦城县上游、富岭溪河口上游、浦城县茅洲村和建阳市小湖镇下游;麻阳溪新增1个，位于建阳市杜潭村，将建阳西门电站断面调整至上游考亭村;崇阳溪增1个，位于武夷山市上游;因局部污染源，将水东大桥断面调整至上游陈墩村;九曲溪将省控断面调整为市控断面。

富屯溪流域原设置8个省控断面，优化后省控断面为17个，市控断面7个，县控断面14个;对于省控断面，杉溪新增2个，分别位于泰宁县上游约5km和泰宁县下游约3km;金溪新增4个，分别位于将乐县积善村、将乐县乾滩村、泰宁县梅口村和建宁县水西村;富屯溪干流新增4个，分别位于邵武市下游、顺昌县上游、顺昌县上凤村和金溪河口上游。将邵武晒口溪桥断面调整至下游吴家塘镇，浪石断面调整至峡阳镇;取消邵武越王桥断面。

沙溪流域原设置15个省控断面，优化后省控断面16个，市控断面9个，县控断面9个;对于省控断面，沙溪干流新增3个，位于沙县茅坪村、永安市虾蛤村和清流县下游;罗口溪新增1个，位于清流县田口村;将莘口断面调整至荆西街道下游，永安洪田断面调整至河口上游的吉山村;将沙县东溪断面调整为市控断面;取消沙县渡口和翁墩渡口断面。

尤溪流域原设置2个省控断面，优化后省控断面6个，市控断面1个，县控断面2个。对于省控断面，文江溪新增1个，位于大田县大中村;尤溪干流新增3个，分别位于尤溪县西滨镇、尤溪县埔头村和尤溪县蒋坑村。大樟溪流域原设置3个省控断面，优化后省控断面4个，市控断面0个，县控断面7个。对于省控断面，大樟溪干流新增1个，位于永泰县富泉乡。

2.4 确定断面的监测项目和频率

河流断面的监测项目和频率应依据不同的水文地质条件，结合当地污染源、污染物排放实际情况，力求以最低的采样频次，取得最有时间代表性的样品，达到全面反映区域水质状况、污染原因和规律的目的。即明确不同控制级别监测断面的监测目的和监测要求，省控断面着眼于反映河流的整体水质情况和监控重要敏感目标水质;市控断面应监控重要污染源排放情况和当地主要水质敏感目标;县控断面应贴近当地居民生活、以服务基层环境管理工作为主要目标。

(1)省控断面:监测项目为《地表水环境质量标准》 (GB3838－2002)表1的基本项目 (24项，含总氮)。感潮河段加测盐度，入海河口加测盐度、硝酸盐、亚硝酸盐。监测频率为重点断面(含国控断面)每月监测1次，其它省控断面逢单月监测1次。

(2)市控断面:基本必测项目为pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷等6项;特征污染物闽江梅溪加测挥发酚，晒口溪加测氟化物，仁寿溪加测氰化物;其他河流根据具体情况加测特殊污染物。监测频率为每年监测4次，时间为3月、5月、7月、11月。

(3)县控断面:基本必测监测项目为pH值、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮等4项，各河流根据具体情况加测特殊污染物。监测频率:每年监测2次，时间为5月、11月。

3 结论

(1)河流分段优化法适用于区域地表水水质监测断面优化，具有监测断面分级管理、分类分段有序优化、监测断面与监测频率同时优化等优点。

(2)通过河流分段法，按照断面优选原则，综合考虑各种因素。本研究在福建省闽江流域共设置168个监测断面，其中省控断面77个、市控断面39个、县控断面52个。不同级别的断面对应不同的监测项目和频率，并充分考虑地域的差异性。

(3)将GIS运用到地表水环境监测断面布设中，将含有流域自然和人文属性的图层、含有水系信息的图层与含有断面属性的图层叠加分析，将监测断面空间定位，输出的结果可视化。

［1］丁卫东，王中平，赵颖，等.水质分段法优化河流监测断面及其在水功能区达标监测中的应用 ［J］.中国环境监测，2005，21(6):4－7.

［2］王中平，孟西林，霍清广，等.河南省地表水环境监测断面优化的原则及其运用［J］.中国环境监测，2003，19(5):15－18.

［3］吴文强，陈求稳，李基明，等.江河水质监测断面优化布设方法 ［J］.环境科学学报，2010，30(8):1537－1542.

［4］Hunt C，Rust S，Sinnott L.Application of statistical modeling to optimize a coastal water quality monitoring p rogram［J］.Environmental Monitoring and Assessment，2008，137(1):505 －522.

［5］马飞，蒋莉.河流水质监测断面优化设置研究—以南运河为例［J］.环境科学与管理，2006，31(8):171－172.

［6］Macdonald D D，Clark M J R，Whitfield P H，et al.Designing monitoring programs for water quality based on experience in Canada I.Theory and framework ［J］.TrAC Trends in Analytical Chemistry，2009，28(2):204－213.

［7］Strobl R，Robillard P，Day R，et al.A water quality monitoring network design methodology for the selection of critical sampling points:Part II ［J］.Environmental Monitoring and Assessment，2006，122(1):319－334.

［8］Chilundo M，Kelderman P，Okeeffe J H.Design of a water quality monitoring network for the Limpopo River Basin in Mozambique［J］.Physics and Chemistry of the Earth，PartsA/B/C，2008，33(8213):655－665.

［9］高明慧.用物元分析进行水质环境监测优化布点的研究 ［J］.环境科学进展，1997，5(3):77－81.

［10］Telci I T，Nam K，Guan J，et al.Optimal water quality monitoring network design for river systems［J］.Journal of Environmental Management，2009，90(10):2987 －2998.

［11］肖中新.安徽省辖淮河流域省控地表水环境监测点位优化研究［D］.安徽:合肥工业大学，2008.

［12］董超.山东省河流水质监测网优化布点［D］.山东:山东大学，2004.

［13］福建省环境监测中心站.福建省环境质量报告书 (2006年－2010年)［R］.2011.

［14］国家环境保护总局.地表水和污水监测技术规范 ［M］.北京:环境科学出版社，2003.