江苏省水质全要素代表性监测体系的设计

张 璘，嵇晓燕，王 华，徐 亮，刘 雷，金浩波，刘倩倩

1.江苏省环境监测中心，江苏 南京 210036 2.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

为贯彻国务院《水污染防治行动计划》《生态环境监测网络建设方案》监测体制垂管要求，省一级环保部门需要自上而下建立评价地级市水质情况的监测与考核体系，确保“谁考核、谁监测”，从而避免一些地区主观选取水质较好的断面监测、弱化水质类型均衡性(地表水、地下水等)的倾向，更好地监督地方治水履责，更好地统一评价区域和城市水质，需建立一套评价各类要素、较好代表各地区水质情况的监测技术方法。通常情况下，水质监测断面按照“控制、对照、削减”要求设置，此外，学术界还采用模糊聚类分析法和经验公式法[1]、主成分分析法[2-3]、多目标决策分析法[4]、遗传算法[5]、最优分割法[6]、物元分析法[7]、动态贴近度法[8]等，通过求解最优解，减少监测成本(求最少监测点位)，从而达到优化调整目的。例如，连晓峰等[9]利用综合分层聚类(CHC)技术将北京市北海等5个不同水域15个断面优化为12个断面，蒋艳君等[10]利用改进TOPSIS技术将浦阳江9个断面优化为7个，崔海波等[11]应用动态贴近度法将山东省徒骇河13个断面优化为8个，均把若干个水质变化规律一致的断面合并为一个断面，但上述方法不足之处是断面数量的增减会由于断面水质的优劣差异而影响城市水质考核排名。不同城市之间，由于水资源存在丰水期和枯水期的差异，也容易造成不同城市之间水质评价结果缺少可比性，如王中平等[12]介绍河南省要求在流域面积大于1 000 km2河流上设置省控断面，白亮[13]根据水系柘扑图由流域面积、河道长度等指标确定福建省闽江流域监测控制级别等。本文介绍了江苏省环境监测部门自上而下设置多种水环境要素的水环境监测断面(点位)的技术方法，希望为建立垂直管理、采测分离、责权利互相监督、互相制约的新型环境监测体制提供良好参考。

1 江苏省水质监测断面调整情况介绍

1.1 断面调整基本技术原则

适应当前“国家监测事权上收”、“省以下环境监测垂直管理”形势要求[14-15]，江苏省提出8个调整技术原则：①自上而下原则，即事先不征求地方意见，直接由省级部门提出设置方案，再进行论证，通过后即正式执行，即“谁考核，谁监测，谁设断面”；②要素全覆盖原则，断面覆盖环境地表水、饮用水、城市内河、地下水和近岸海域等5类要素；③分类控制原则，将地表水河道分流域性、区域性、重要县域和跨县河道3类，地下水、饮用水、近岸海域也分别划分为不同类型；④行政负责原则，行政区域统一在交界处设置出、入境断面；⑤以人为本原则，在与居民生活密切相关城市内河、饮用水源地上设监测点；⑥重点突出原则，城市主要排污通道、易造成污染纠纷区域的下游设置重点监控点位；⑦数量均衡原则，市(县)最少设置6个以上的水质监测点位，不同城市的水质断面数量大致相等；⑧注重效率原则，力求以较少的点位获取最能够代表所在水系或区域的水环境质量的样品。

1.2 河道断面设置原则和结果

将江苏省三大流域分为8个流域分区(图1)，并在流域分区的流域性骨干河道、区域性骨干河道上设置出入境、跨市交界，城市河段超过50 km以上则设置中段控制断面。按照水利部和江苏省政府文件规定，流域性骨干河道是指跨流域的干流、行洪通道、重要的一级支流，南水北调、引江济太等重要汇水通道，长度通常大于100 km，流域(汇水)面积大于1 000 km2；区域性骨干河道是指跨省、跨市的区域性主要河道，长度通常大于50 km，流域(汇水)面积大于500 km2。经过研究，共设置343个断面(点位)，不同分区所辖区域及其覆盖的城市参见表1。

图1 江苏省地表水水系及分区示意图Fig.1 Surface water system and water basin’s division in Jiangsu province

分区号所辖区域流域性河道数量区域性河道数量流经城市1南四湖湖西区、骆马湖以上中运河两岸区及沂北区927徐州、连云港、宿迁2沂南区、废黄河区及渠北区611宿迁、盐城3洪泽湖周边及以上区,白马湖、高宝湖区713徐州、宿迁、淮安、扬州4里下河区439淮安、盐城、扬州、泰州、南通5苏北沿江区、滁河区、秦淮河区及石臼湖固城湖区511南京、扬州、镇江6长江苏北沿江区112扬州、泰州、南通、盐城7太湖西岸区242无锡、常州、苏州、镇江8阳澄淀泖区及浦南区218无锡、苏州

1.3 湖泊测点设置原则和结果

根据《中国湖泊志》，江苏省共有103个面积大于1 km2的湖库，其中大型湖泊9个，中型湖泊12个，小型湖泊82个。水库容量在0.1亿m3以上的中型水库共46个。大型湖泊每100 km2设1个点，中型湖泊以及水库设置1～2个测点，跨行政区域的大型湖泊每个行政区域水面至少设置1个点，经过研究，共设置66个点。小型湖泊断面测点由地方设置。

1.4 地下水测点设置原则和结果

地下水按埋藏条件，可分为包气带水、潜水及承压水；按含水介质类型，可分为孔隙水、裂隙水及岩溶水。本次点位调整根据江苏省的水文地质特点，将地表以下60 m内地下水定义为浅层地下水，埋深大于60 m的地下水定义为深层地下水。本次调整工作要求在各个水文地质分区都至少设置1个深层地下水，测点落在哪个城市，则该测点参与该市评价；每个市行政区域至少设置1个浅层地下水点，确保不同城市之间具有相同的地下水可比性；共划分为4个水文地质大区、19个水文地质亚区，设19个深层地下水点，而13个市、44个县、18个区至少设1个浅层地下水点，共计82个点。详见图2。

图2 地下水分区示意图Fig.2 Schematic diagram of groundwater monitoring zone

1.5 城市内河断面(点位)设置原则和结果

根据国务院《关于调整城市规模划分标准的通知》，城市分为5个等级，同时江苏省环保厅流域管理部门要求，在不同规模城市中设置不同数量的内河断面，断面位置需要设在城市中心区、人口密集区城市内河上(表2)，经过研究，全省共计设置城市内河断面106个。

表2 城市规模和设置内河断面数量对应关系Table 2 The correspondence of urban size and amount of urban river monitoring sites

1.6 饮用水源地测点设置原则和结果

基本原则：①以省政府批复认定的115个集中式水源地为基础，对近年来各地实际调整的水源地进行增减；②实现江苏省各县市区水源地监测的全覆盖，除部分采用“区域供水”县市区以外，其余各地集中式饮用水源地均要开展监测；③备用水源地(同一水系)可不设点，但是区别于现有集中式水源地所在水系的备用水源地应当增设；④分散供水的县市区优选最大的水源地设置饮用水质测点。按照以上原则，在江苏省设水源地测点115个(含15个备用水源地)，取水量总计超1 500万t/d，水源地集中供水人口达5 200万人。

1.7 近岸海域测点设置原则和结果

基本原则：①监测点位要能够科学表示江苏海岸和近海的水域功能和水质情况，合理评价近岸海域基本海洋功能区水质，为发展海洋经济、实施沿海地区发展提供科学支撑；②在分析评价用海必要性和自然条件适宜性的基础上，合理设置海洋监测点位，统筹不同用途海水水质监测技术方法，优化点位布局，配合海洋开发利用；③通过设置环境监测点位，加强近岸海域水质监管，改善海洋生态环境，加强水生生物资源保护；④基岩海岸、砂质海岸等近海监测点一般不做太大的调整，淤泥质海岸要及时根据陆基线适当外移；⑤港口航运区、工业与城镇用海功能区海水水质监测点要适当远离陆基工业、生活、移动污染源；⑥海洋浴场监测点位要尽量靠近浴场中心区域；⑦近岸海域水质监测点位要能够保证当海水退潮后，测点所在位置的海平面距离海底仍然有超过5 m以上的深度；⑧各县市海岸线长度超过30 km的县市，在5 km海域内设置1个陆域污染海水监测点。经研究，在江苏省近岸海域共设置31个海洋监测点。

2 代表性分析

2.1 地表水断面调整前后水质综合指数离散程度分析

2.1.1 断面水质总体情况

为比较调整前后不同区域、城市之间的水环境质量评价结果，对调整前478个省级地表水评价考核断面以及调整后的380个环境地表水评价考核断面、106个城市内河断面的水污染综合指数(WQI)进行综合比较，重点分析调整前后WQI的极差、标准差以及中位数、平均值、最小值等，其中，极差表示WQI最大断面和最小断面之间的区间跨度，标准差是调整前后各个断面WQI与平均值差的平方和后开方所得结果，标准差越大，其断面体系的离散程度越大，以上指标是最常用的反映随机变量分布离散程度的指标，其计算公式：

(1)

(2)

式中：P表示各断面水污染物的WQI指标；Ci表示第i项污染物的年均值；C0表示第i项污染物在《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)表1中的Ⅲ类浓度限值；Pi表示第i项污染物的污染指数，n表示江苏省地表水点位调整前后的点位数量；k表示《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)表1中参与评价项目的个数，由于pH、水温不参与评价，这里k的数量为22，城市内河评价项目为11项。将2016年水质结果代入到调整前、调整后不同地区水质监测名单中，计算调整前后不同地区WQI，结果见表3。

表3 不同地区水质离散程度统计表Table 3 The dispersion degree of water quality in different regions

注：粪大肠菌群指标参与计算。

由表3可见，在开展调整前，江苏省内不同区域和城市的WQI差异较大，这体现在2个方面：①苏南、苏中、苏北地区极差分别为41.03、1.34、32.42；②苏南、苏中、苏北地区断面WQI的标准差分别为3.87、0.26、3.08。苏南、苏北地区指数极差和标准差高于苏北地区，主要原因是苏南地区存在南京、苏州等大型城市，城市内河粪大肠菌群超标较为严重，而苏北地区部分断面天然地表径流补给水量较少，同样也存在个别指标超标严重情况，而苏中地区处于平原水网，城市内河天然补给水量充沛，因此，城市内河污染负荷普遍较低，使得调整前苏中地区断面水质总体优于苏南、苏北地区。

2.1.2 不同区域断面WQI分布情况比较

为了扣除粪大肠菌群指标影响，对苏南、苏中、苏北地区环境地表水WQI进行重新计算，结果见图3。A1代表调整前苏南，A2代表调整前苏中，A3代表调整前苏北，B1代表调整后苏南(地表水)，B2代表调整后苏中(地表水)，B3代表调整后苏北(地表水)，N1代表调整后苏南(城市内河)，N2代表调整后苏中(城市内河)，N3代表调整后苏北(城市内河)。由图3可以看出，江苏省苏南地区一级、二级水系的地表径流水污染水污染负荷要低于其他地区，但是城市内河水污染负荷总体上高于其他2个地区。通过断面代表性调整，调整后苏南地区(B1)要优于苏中(B2)、苏北(B3)地区，而城市内河水污染负荷(N1)仍然高于苏中(N2)、苏北地区(N3)，这个情况与苏南地区地表水一级、二级径流水质较好而城市内河水质较差的实际状况一致，表明调整后的监测点位体系能够反映不同地区水污染差异特征，能够为管理部门有针对性地开展水污染防治提供科学依据。

注：方框中的横线表示中位数，框线上下边线为上、下四分位数，“×”为第99百分位数。图3 江苏省不同地区WQI箱线图Fig.3 Box plots of WQI of different region in Jiangsu province

2.2 基于AHP层次分析法的代表性分析

2.2.1 设计指标验证代表性是否得到优化

AHP群策法、层次分析法、专家决策法[16-18]广泛用于管理行业中评估科研进步、投资成效、最佳选择方案。在环境监测能力建设领域，可用来开展定性、定量相结合的效益评审[19-20]，并在实践工作中逐步得到应用[21]。例如，选择常年水质较好的河流设置监测点位与选择常年水质较差的尾水通道上设置点位，会对一个地区的水环境质量评价产生较大分歧，而评价结果往往与地方治污成效(地方政府政绩)相关，因此，有必要对分析环境监测点位(点位)代表性的技术方法进行深入研究。

根据各指标赋值以及权重，计算代表性评价指数。计算公式：

(3)

式中：REI表示省、市水质断面代表性评价指数；Ai表示二级指标权重(m=1,2,…，5)，指不同要素(地表水、地下水)的权重；Bj表示三级指标权重，指各要素体系下代表性权重设置；Dj表示不同阶段管理部门设置的点位体系所对应的代表性覆盖率(j=1,2，…，12)。

2.2.2 指标权重赋值及评分

借鉴层次分析法的研究思路，邀请环境监测行业高级工程师6人(熟悉数理统计方法、15年以上监测工作经验)，对课题设计的“代表性评价”进行独立评估，第一轮评估中，将每名专家评价的权重值与总体平均值进行相关性分析(以γ表示)，得出最大相关性γmax=0.912 5，γmin=0.604 0，并将各专家对指标的意见反馈后进行第二轮评估，γmax=0.954 1，γmin=0.822 0，重新计算出权重指标系数。经计算，调整前全省地表水水质监测断面REI为69.1，调整后REI得分为88.7，详见表4。

表4 江苏省水质断面(点位)REITable 4 The REI point table of water environment monitoring sites in Jiangsu province

3 结论

本文为省级环境监测部门提供了“自上而下”确定各市考核断面数量和位置的技术方法，并应用该方法和层次分析法对江苏省水质监测断面“代表性”是否得到优化进行了评估测算，相关研究为省以下环境监测垂直管理改革提供了良好的技术服务与技术支撑。

1)省级环境管理部门设置地级市监测断面前，应当以国家和省流域部门权威发布的河道湖泊等级(级别)为参考，在最重要的、最高等级的水域上均匀地设置断面。

2)按照地质勘探的专业结果，将地下水分为浅层、深层地下水，并均衡设点，对于城市集中式饮用水源地(地表取水口、地下水取水井)应全部纳入评价范围。

3)按照居民居住密度选取最优的城市内河断面，避免选取不具有代表性的偏远小河、小支流；根据海洋功能区，选择离海岸有一定距离的均匀水质区域设置海水测点。

4)按照“谁考核、谁监测、谁设断面”的思路，断面设置由省本级完成，经专家论证后与地方环境主管部门交换意见并取得一致。照此方法选出的断面名单，在城市水环境质量目标考核排名工作中有较高的公信力。

致谢：本文研究得到水利部南京水利科学研究院和玉璞、洪大林先生以及中国建筑材料工业地质勘查中心江苏总队陈亮、吴干华、高星、王磊先生的大力支持，在此表示感谢！