区域水环境监测网络优化及评价考核方法研究

顾红明

上海市金山区环境监测站，上海 200540

区域水环境监测网络优化及评价考核方法研究

顾红明

上海市金山区环境监测站，上海 200540

科学合理地布设水质监测断面是全面准确获取水环境质量监测数据的前提条件。利用研究区域现有断面2014年的监测数据，结合水资源调度方式和水环境功能区划要求，划分为五大片区并采用聚类分析方法进行断面优化，通过F检验和t检验表明优化前后断面无显著差异。同时，提出了一种综合的水环境质量考核办法——区域水环境综合评价考核指标，该指标包括骨干河道、乡村河道两类考核断面，采用综合水质评价与单因子评价相结合的方法，设置适当的权重系数，评价结果较为全面、客观地反映区域水环境质量状况，基本满足对区域水环境质量考核评价的管理需求。

监测网络；优化；水环境质量；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

区域水环境质量监控断面布设是指在经济合理、技术可行的条件下，用最少的测点获得能够说明水环境质量的充分数据[1]。断面的优化布设体现了环境监测的科学性，既要说清水环境质量状况及变化趋势，又能满足对区域环境质量考核评价的管理需求[2-3]。《水污染防治行动计划》对水环境质量全面改善提出了总体要求、工作目标以及主要指标要求，质量目标是水环境管理的出发点和落脚点，强化水环境质量目标管理对现有水环境质量监测网络、评价考核方法提出了新要求。本文通过对上海市金山区区域现有水环境监测网络的优化，提出行政区划内水环境质量评价考核方法的改善方案，以期实现监测与评估的有机结合，进一步明确地方人民政府对辖区环境质量的主体责任，达到改善区域水环境质量的目标。

1 研究区域水环境监测网络

1.1研究区域河道概况

上海市金山区河流属黄浦江水系，源出浙江天目山区。经嘉善、平湖两市入境，汇入黄浦江出海。全区河网密布，共有大小河道1 953条。其中市管河道2条，长度37.53 km，区管河道34条，长度268.97 km；镇管河道167条，长度484.56 km；村级河道1 750条，长度1 661.48 km。金山区地处上海市水利综合治理片的浦南东片、浦南西片，浦南东片水资源调度方式为北引南排，浦南西片为过境浙水入浦的通道，以东西向为主。其中，以惠高泾-掘石港为界，浦南西片水系内的骨干河道如六里塘、胥浦塘、秀州塘等为水功能Ⅲ类区；浦南东片水系内的骨干河道如张泾河、紫石泾、龙泉港、黄姑塘等为水功能Ⅳ类区。

1.2现有监测网络概况

近年来，由于上海市环保3年行动计划的滚动推进以及区域环境管理的需求，全区地表水监测断面经由几次大的调整，由原先的20多个增至66个。其中，原区域内4个饮用水源地取水口均已关闭(现唯一的饮用水源地取水口位于区域外)，原有监测断面保留仅作为区控断面。水环境综合整治评估监测断面几经变化，不具备监测数据的连续性、可比性，且上述监测断面所在河道大部分为镇级或村级小河道。“十二五”期间，由于中部地区多次发生水环境污染事故，2013年起在该区域河网加密地表水监测断面；为加强乡镇环境保护目标责任制考核，各街、镇(工业区)自2014年起在镇级河道新增监测断面。现有66个监测断面中，6个位于市管河道，37个设在区级河道，镇级河道2个，村级河道1个，其余20个为2014年新增镇级河道监测断面。

2 监测网络优化

2.1优化方法

以2014年金山区各监测断面的监测数据为基础，选取上海市典型的，具有代表性的水质指标溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷5项常规监测指标作为优化指标[4]。根据上海市水环境功能区划(2011年修订版)，将区域内浦南西片水系划分成以秀州塘为骨干河道的西部片区，共9个监测断面；胥浦塘以南、惠高泾以东为西南片区，共11个监测断面。所在浦南东片水系划分为以龙泉港为骨干河道的东部片区，共8个监测断面；以紫石泾、张泾河等为骨干河道的中部片区，共11个监测断面。黄姑塘、红旗港、卫城河等归入南部片区，共7个断面。

聚类分析是数理统计分析中研究“物以类聚”的一种多元分析方法，即用数学方法定量地确定样品的亲疏关系，从而客观地分型划类。从几何角度讲，聚类分析就是根据某种准则将空间中某些比较接近的点聚为一类，而点之间的接近程度常用相似系数和距离两种量来表示。其中欧氏距离在聚类分析中用得最广，其表达式为

(1)

式中：xik为第i个样品的第k个指标的观测值；xjk为第j个样品的第k个指标的观测值；dij为第i个样品与第j个样品之间的欧式距离。5个片区的各监测断面采用“K-均值聚类”进行断面优化，聚类分析过程由SPSS 19.0统计分析软件完成。

由聚类分析结果选取代表断面，设定以下优选原则：属于同一类别的监测断面原则上至少选择一个；同一类别中，相邻监测断面之间有两种以上主要污染指标呈显著或极显著相关，并且属于同一功能类别的断面保留一个；只有一个断面的河流该断面保留；国控断面和省界断面保留；无法满足代表性、可行性、方便性等地表水监测断面设置基本要求的去除或移位；兼顾生态补偿以及环境管理需求，尽量做到一个断面一套数据、多种功能[5]。

2.2监测断面的优化结果

2.2.1 西部片区监测断面优化

西部片区9个监测断面聚类分析结果如表1和表2所示[6]。5个断面是以氮磷为主要污染的水体(对应1类)，如秀州塘、七仙泾以及面丈港入境断面；入境断面中枫泾塘、蒲泽塘、黄良河均以有机物污染为主(对应2类)；面丈港兴塔断面污染最为严重(对应3类)。根据监测断面优化原则，结合实际水体情况，取消黄良河枫泾水厂2、蒲泽塘朱枫公路桥断面，保留原有7个监测断面。

表1 聚类成员Table 1 Cluster member

表2 最终聚类中心Table 2 Final clustering center mg/L

2.2.2 东部片区监测断面优化

东部片区8个监测断面聚类分析结果如表3和表4所示。中运河朱行断面水质相对较好(对应1类)，骨干河道龙泉港3个监测断面水质无显著差异(对应2类)，取消龙泉港朱漕公路断面，保留龙泉港山阳、亭林出入境断面，完全满足龙泉港监测断面代表性原则。其他3个区管河道监测断面和1个村级河道监测断面水质相对较差(对应3类)，取消俞泾塘村级整治河道断面，东部片区保留6个监测断面。

表3 聚类成员Table 3 Cluster member

表4 最终聚类中心Table 4 Final clustering center mg/L

2.2.3 中部片区监测断面优化

中部片区监测断面聚类分析结果如表5和表6所示。中部片区大部分断面是以氨氮为主要污染的水体(对应2类)，其中骨干河道张泾河4个断面水体无显著差异，取消吕朱公路断面，保留其他3个监测断面；新张泾2个断面水体无显著差异，取消金石北路桥断面；紫石泾中运河交汇口与中运河松金公路桥断面水体无显著差异，取消松金公路桥断面。依据点位优选原则，结合聚类分析结果，中部片区保留8个监测断面。

表5 聚类成员Table 5 Cluster member

表6 最终聚类中心Table 6 Final clustering center mg/L

2.2.4 西南片区监测断面优化

聚类分析结果表明，西南片区中掘石港、小泖港、大泖港3个断面水体无显著差异(对应2类)，取消小泖港断面；六里塘、胥浦塘、惠高泾3个入境断面对应1类，其他断面均为3类。依据断面优选原则，保留3个入境断面，惠高泾廊下、吕巷断面重复，取消惠高泾廊下断面；六里塘中丰村橫码桥、吕青公路桥断面重复，取消中丰村橫码桥断面；取消斜泾港南塘村河道整治断面。西南片区保留7个监测断面。西南片区监测断面聚类分析结果见表7、表8。

表7 聚类成员Table 7 Cluster member

表8 最终聚类中心Table 8 Final clustering center mg/L

2.2.5 南部片区监测断面优化

南部片区河道主要为东西走向，黄姑塘2个断面水体水质有显著差异(对应2类、3类)；红旗港、东红旗港水体无显著差异(对应2类)，取消东红旗港断面；取消金山卫界河镇级整治河道断面。南部片区保留5个监测断面。南部片区监测断面聚类优化结果见表9、表10。

表9 聚类成员Table 9 Cluster member

表10 最终聚类中心Table 10 Final clustering center mg/L

表11 水环境监测网络优化结果Table 11 The optimization results of water environmental monitoring network

2.3优化后检验

为验证优化后断面的可信度，检验优化后断面反映的水质状况与优化前是否一致，将各片区原有断面与优化后的断面作为2个样本系列，对优化前后溶解氧、高锰酸盐指数等5项污染指标年均浓度的相关性进行分析[7]。利用SPSS软件中相应的函数对优化前后主要污染物浓度均值的一致性作F检验和t检验，见表12。

表12 断面优化后检验结果Table 12 The section test results after optimization

经F检验和t检验表明，优化断面与原监测断面的监测数据均无显著性差异，这说明优化后的监测断面完全可以代替原监测断面，可使该区域监测数据保持相对稳定和连续性。

3 评价考核方法

目前区域环境质量目标责任制考核中，仅以该行政区域内的监测断面参与考核，过分强调监测断面的行政区划，对断面的流域性考虑不足，忽略了区域水系对该断面水质状况的影响因素[8-9]。同时，由于南方水网密布，水系繁复，村级小河道构成区域水环境网络的重要组成部分，一定程度上反映了该区域水环境治理工作成效。现以区域水环境综合评价考核指标对水环境质量进行评价，发挥环境绩效评估作用，最终实现改善区域水环境质量的目标[10]。

3.1评价指标构成及考核适用范围

区域水环境综合评价考核指标有两大构成要素，分别为骨干河道水环境综合评价考核指数以及乡村河道水环境综合评价考核指数。评价指标构成及权重系数分配见表13。

表13 评价指标构成及权重系数Table 13 Assessment index and weight coefficient

由表13可见，骨干河道水环境综合评价考核指数——反映区域/流域水环境质量状况，以监测断面片区为考核单元，1个考核单元涉及多个行政区域的，重复参与各行政区域考核；1个行政区域跨2个以上考核单元的，各考核单元均参与考核。由于骨干河道反映该区域水环境质量的整体状况，对区域水环境质量改善起着根本作用，故设该要素权重系数为60%。

乡村河道水环境综合评价考核指数——反映区域内乡村小河流水环境质量状况，以行政区划为依据，每个行政区域选择2～3条乡村小河流参与考核。乡村小河流的水环境质量状况与周边居民息息相关，水质改善体现了河道的治理成效，故设该要素权重系数为40%。

式(1)中TFEA为回波信号起始点到特征点的时间,与回波信号起始点相差n个周期,而回波信号的周期由换能器B的中心频率决定。当每次测量特征点D2均在回波信号的同一位置时TFEA为常量,根据式(1)可以得到渡越时间TAB:

3.2评价指标计算方法

收集研究区域指标层各因子的原始数据，按照由下至上的层次进行计算，得到水环境质量综合评价考核值[11]。

3.2.1 指标层指数的计算

3.2.1.1 正向指标

对水环境质量评价起正作用的指标，该类指标值越大，对水环境质量的改善越有利，对于正向指标的归一化计算公式为

(2)

功能区达标率Q2为正向指标，采用单因子评价法，以污染最严重的指标判定水质类别是否达到水环境功能区划要求。表达式为

Xi=达标断面数/总断面数×100%

(3)

式中：Xmin=0，Xmax=100。

3.2.1.2 负向指标

对水环境质量评价起负作用的指标，该类指标值越小，对水环境质量的改善越有利，对于负向指标的归一化处理公式为

(4)

式中：综合水质指数Q1、水体黑臭指数Q3、劣Ⅴ类断面比例Q4均为负向指标，Xi为各指标的原始数据。其中，综合水质指数Q1，采用溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷5项指标参照Ⅲ类功能区标准进行计算[12]，设置Xmin=0.3，Xmax=6.0。

水体黑臭指数Q3，选择溶解氧、氨氮和高锰酸盐指数作为评价因子[13]，关系式为

(5)

式中：设置Xmin=1，Xmax=5。

劣Ⅴ类断面比例Q4，采用单因子评价法，以污染最严重的指标判定水质类别是否达到Ⅴ类功能区标准。计算公式为

Xi=劣Ⅴ类断面数/总断面数×100%

(6)

式中：Xmin=0，Xmax=100。

3.2.2 要素层指数的计算

要素层指数是根据所属各指标层的指数值乘以各自的权重后，进行加和。计算公式如下：

V1=Q1×80%+Q2×20%

(7)

V2=Q3×80%+Q4×20%

(8)

3.2.3 水环境质量综合评价考核指标

采用加权叠加的方法，将各要素指数乘以各自的权重后求和：

Q=V1×60%+V2×40%

(9)

3.3应用实例

根据2014年地表水监测数据对研究区域水环境进行综合评价考核，以片区为考核单元的骨干河道水环境综合评价考核指数见表14。各行政区域水环境综合评价考核结果见表15和图1。

表14 2014年骨干河道水环境综合评价考核指数Table 14 The water environment comprehensive assessment index of the backbone river in 2014

表15 2014年区域水环境综合评价考核结果Table 15 The comprehensive assessment results of regional water environment in 2014

图1 2014年区域水环境综合评价考核指数分布情况Fig.1 The comprehensive assessment index distribution of regional water environment in 2014

计算各监测断面片区的综合水质指数、功能区达标率，以片区为考核单元参与区域水环境综合评价考核，根据公式(7)计算骨干河道水环境综合评价考核指数，根据公式(8)计算乡村河道水环境综合评价考核指数，根据公式(9)计算区域水环境综合评价考核指标。

区域水环境综合评价考核指标选取了骨干河道和乡村小河流两类监测断面参与考核，以综合水质指数、功能区达标率作为骨干河道的评价指标，以黑臭指数、劣Ⅴ类断面比例作为乡村小河流的评价指标，考核指标的选取更符合断面类别，在综合水质评价的基础上辅以功能区达标率、劣Ⅴ类断面比例等单因子评价。

评价结果表明，朱泾、枫泾、廊下、吕巷等位于掘石港、惠高泾以西，属上游入境来水区域，水环境功能区划要求高，水质达标压力大；漕泾、金山工业区、山阳等东部区域骨干河道通浦纳潮，综合水质相对较好，区域水环境综合评价考核指标排名与水环境质量状况基本相符。通过区域水环境综合评价考核指标，可以直观地体现各行政区域水环境质量状况、各区域间存在的差距，更好地揭示水环境恶化的主要因素，考核结果较为全面、客观和科学地反映了研究区域的水环境质量状况、水环境治理工作成效和水环境功能区划要求。

4 结论

以2014年金山区各监测断面的监测数据为基础，选取上海市具有典型代表性的水质指标溶解氧、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、氨氮、总磷5项常规监测指标作为优化指标。结合水资源调度方式以及水环境功能区划要求，将整个区域划分为五大片区，采用聚类分析方法进行断面优化。结果表明，现有46个监测断面优化减少为33个，F检验和t检验表明优化断面与原监测断面的监测数据均无显著性差异。

以地表水监测原始数据为基础，建立区域水环境综合评价考核指标。该指标包括骨干河道、乡村河道两类考核断面，采用综合水质评价与单因子评价相结合的方法，分配不同权重参与指标计算。

区域水环境综合评价考核指标较好地解决了单一考核断面类别、单个考核指标评价时存在的考核结果差异问题，考核结果较为全面、客观地反映了研究区域的水环境质量状况，可为区域环境目标责任制考核、水环境绩效评价等工作提供技术支撑。同时，考核结果揭示了区域水环境质量恶化的主要原因，可为主管部门分析原因并制定相应措施，使区域水环境质量状况得到改善，为水污染防治行动计划的贯彻落实提供技术监督。研究的指标对环境管理具有积极的意义。

[ 1] 安贝贝,蒋昌潭,刘兰玉,等.水质监测断面优化技术研究[J].环境科学与技术,2015,38(4):107-111.

AN Beibei, JIANG Changtan,LIU Lanyu,et al. Optimized approach to setting up water quality monitoring crossections[J].Environmental Science & Technology,2015,38(4):107-111.

[ 2] 张璘,刘雷,王霞,等.加强环境监测点位管理的思考——以江苏省“十二五”环境监测网络调整为例[J].环境监控与预警,2014,6(5):50-53.

ZHANG Lin, LIU Lei, WANG Xia,et al. Thought on strengthening the management of environmental monitoring sites—take the adjustment of the “twelfth five-year” environmental monitoring network in Jiangsu Provine for example.[J].Environmental Monitoring and Forewarning,2014,6(5):50-53.

[ 3] 嵇晓燕,刘廷良,孙宗光,等.国家水环境质量监测网络发展历程与展望[J].环境监测管理与技术,2014,25(6):1-4.

JI Xiaoyan, LIU Tingliang,SUN Zongguang,et al. The development of water environmental quality monitoring network in China[J].The Administration and Technique of Environmental Monitoring,2014,25(6):1-4.

[ 4] 梁素敏,周劲风,肖绮虹.广州市流溪河水库监测布点优化研究[J].环境监测管理与技术,2014,26(4):58-62.

LIANG Sumin,ZHOU Jingfeng,XIAO Qihong. The monitoring points optimization study of Liuxihe Reservoir in Guangzhou[J]. The Administration and Technique of Environmental Monitoring,2014,26(4):58-62.

[ 5] 李雅忠,郝晓杰.山西省汾河流域地表水环境监测断面优化设置[J].中北大学学报,2011,32(6):732-737.

LI Yazhong,HAO Xiaojie.Optimization design of surface water environmental monitoring sections of Fenhe River Basin in Shanxi Province[J].Journal of North University of China,2011,32(6):732-737.

[ 6] 连晓峰,彭森,王小艺,等.基于综合分层聚类的水质监测断面优化研究[J].系统仿真学报,2015,27(7):1 563-1 569.

LIAN Xiaofeng,PENG Sen,WANG Xiaoyi,et al.Research on section optimization of water quality monitoring based on comprehensive hierarchical clustering[J].Journal of System Simulation,2015,27(7):1 563-1 569.

[ 7] 仇伟光.辽河流域水环境监测网络优化技术研究[J].中国环境监测,2015,21(1):122-127.

QIU Weiguang.Optimization on the monitoring network of Liaohe watershed[J].Environmental Monitoring in China,2015,21(1):122-127.

[ 8] 刘琰,郑丙辉.欧盟流域水环境监测与评价及对我国的启示[J].中国环境监测,2013,29(4):162-168.

LIU Yan,ZHENG Binghui.Introdution and Illumination of EU water environmental monitoring and assessment[J]. Environmental Monitoring in China,2013,29(4):162-168.

[ 9] 孙丽,唐晓青,韩雪,等.关于建立区域水环境质量监测网络定期优化机制的思考[J].中国环境监测,2015,31(3):27-31.

SUN Li,TANG Xiaoqing,HAN Xue, et al.Thoughts about establishing the regional evironmental quality monitoring network optimization mechanism rsgularly[J]. Environmental Monitoring in China,2015,31(3):27-31.

[10] 程军蕊,徐继荣,郑琦宏,等.宁波市城区河道水环境综合整治效果评价方法及应用[J].长江流域资源与环境,2015,24(6):1 060-1 066.

CHENG Junrui,XU Jirong,ZHENG Qihong,et al. An evalution framework for the effect of comprehensive treatments and application in Ningbo urban river[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin,2015,24(6):1 060-1 066.

[11] 李茜,张建辉,罗海江,等.区域环境质量综合评价指标体系的构建及实证研究[J].中国环境监测,2013,29(3):1-8.

LI Qian,ZHANG Jianhui,LUO Haijiang,et al.The establishment of comprehensive environment quality assessment index system and its case study{J}. Environmental Monitoring in China,2013,29(3):1-8.

[12] 胡雄星.上海市水环境质量考核办法研究[J].环境科学与管理,2013,38(10):73-75.

HU Xiongxing.Study on water quality assessment methods in Shanghai[J].Environmental Science and Management,2013,38(10):73-75.

[13] 赵宏德,骆虹.沈阳细河水体黑臭评价[J].环境保护科学,2010,36(2):103-105.

ZHAO Hongde. Evaluation on malodorous and black water body of Xihe River in Shenyang[J]. Environmental Protection Science,2010,36(2):103-105.

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

顾红明(1972-)，女，上海人，大学本科，工程师。