河流水质自动监测站选址适宜性评价

秦 成，刘 浩，刘 念

重庆市生态环境监测中心,重庆 401147

水质自动监测站能够连续、实时、全天候地对水质进行监测，节省大量人力和时间，并且能及时预警和防范水环境风险，是地表水环境质量监测的发展趋势和方向[1-3]。目前，国家考核地表水环境质量的手工监测断面位置已经确定，后续水质自动站建设是国家地表水监测事权上收的重要内容，是进一步提高地表水监测数据质量、厘清水环境保护责任、推动水环境质量持续改善的重要举措。国家高度重视水质自动站的建设,2017年以来原环境保护部下发[2017]70号、[2017]1 762号文件推进水质自动站建设相关工作。国内外学者对水质自动站也展开了大量研究，但成果主要集中在运营管理[4-5]、监测数据质量保证[6]、系统集成[7]等方面，对自动站选址的系统研究较少。

水质自动站建设的首要前提是选址，但由于影响选址的因素众多，加之这些因素以定性指标居多，因此，目前缺少能够对水质自动站选址适宜性进行定量评价的方法，造成各地在水质自动站建设过程中缺乏科学的选址依据和方法，影响工作进度。

现阶段，环境科学领域已有的关于选址评价问题主要集中在大气污染物监测布点选址[8-9]、水源地选址[10-11]、排污口选址[12-13]等方面。评价方法多样化(如层次分析法[14-15]、多目标规划[16]、理想解法[17-18]、模糊综合评价[19-20]等都得到较好的应用)。

上述相关成果的研究思路和方法可为水质自动监测站选址适宜性评价提供参考。

1 水质自动监测站选址适宜性分析

1.1 选址原则

为保证自动站水质的代表性、点位的长期性，以及运营维护的经济性，水质自动监测站选址需遵循下列原则。

1)一致性原则。拟建地点与手工考核断面位置原则上应该保持一致，以保证监测数据的连续性。

2)可行性原则。手工考核断面现场确不具备建站条件的，需要关注拟建站位置处与手工断面处有无水质类别差异；有无支流、排污口汇入；距离是否合适等以保证拟建站位置的可行性。

3)适宜性原则。水质自动站的选址，可行是前提，但由于不同位置水文条件、污染源情况、土地利用和供水供电条件差异造成建站成本和运维条件不同，因此在选址可行的基础上需要重点关注选址适宜性。

1.2 适宜性的概念

水质自动监测站选址首先应考虑选址的可行性。当原本手工监测断面位置处具备建站条件，则此处建站必然是可行的，也是首选的；但由于地形、水文以及社会等因素造成手工考核断面现场确不具备建站条件的，需要在手工监测断面上下游一定距离内另外选址，只有与手工断面处水质差异小、无支流汇入、距离不远的拟建站位置才是可行的。

可行的选址方案往往不止一个，这就需要找出最适宜的方案，即对各可行方案进行适宜性评价，选择其中最适宜位置作为自动站的选址处。适宜性体现在选址处的水文条件、采水条件、外界保障条件等较为理想。因此，适宜性的概念可归结为可行的选址方案中水文条件、采水条件和外界保障等因素的理想程度。据此概念，河流水质自动监测站选址适宜性评价流程见图1。

图1 自动监测站选址适宜性评价流程Fig.1 The evaluation process of location suitability of water quality automatic monitoring station

1.3 适宜性评价指标体系构建

根据水质自动站选址评价所涉及的因素具有定性和定量相结合的特点,笔者利用广泛应用于多目标决策的层次分析法(AHP)作为构建评价指标体系的方法。

1.3.1 选址可行性评价指标

当自动站选址与手工监测断面位置不一致时，首先需要考虑选址位置的水质情况与以往手工断面的差别，若差异较大则不能正确反映考核断面的水质情况，所选位置是不可行的；其次若选址位置与以往手工断面位置之间有较大支流汇入，使2处水文情势发生变化，必然造成2处的水质差异，则这样的选址位置也是不可行的；最后，若选址位置与以往手工断面距离相差太远，受河流的自净作用、沿岸的污染负荷造成2处水质差异，则这样的选址位置同样不可行。基于此，构建选址可行性评价指标及其赋值见表1。

表1 水质自动监测站选址可行性评价指标Table 1 The evaluation index for location feasibility of water quality automatic monitoring station

1.3.2 选址适宜性评价指标

选址适宜性评价的目的是从选址处水文条件、建站成本、日常运维和管理等方面来确定某一可行方案的适宜程度。结合水质自动站建设要求，利用层次分析法构建选址适宜性评价指标，见表2。

表2 水质自动监测站选址适宜性评价指标Table 2 The evaluation index for location suitability of water quality automatic monitoring station

为保证能采集到代表性样品，水站选址要充分考虑采水处河道水文条件，优先选择常年水深比较稳定，丰、枯水季节河道摆幅较小河段。并考虑流速、最小水深以便于采水设施的建设和运行维护，保证采水安全。

采水口处要有良好的水力交换条件(由好到差分别赋值0.25、0.5、0.75、1)，周边无明显污染源(污染源情况按无、零星、少量、较多分别赋值0.25、0.5、0.75、1)。一般应设在冲刷岸，在不影响航道运行的前提下尽量靠近主航道，取水点应防止底质淤泥对采水水质的影响(由好到差分别赋值0.25、0.5、0.75、1)。同时采水点与水站站址距离不宜过远，以便于铺设管线和安装管线保温设施；与手工断面距离遵循就近原则，以保证数据的可比性和连续性。

考虑水站建设的经济性和日常运行管理需求，还需关注站址处土地、交通、通讯、电力、自来水或自备井等条件要便于获得。根据其获得难易程度(已有、容易获得、较易获得和不易获得)分别赋值0.25、0.5、0.75、1。

2 评价方法

2.1 一致性判断

为保证监测数据的连续性，首选建站地点应与手工断面位置一致。若手工断面位置处具备建站条件，则直接以此为选址地点；否则，需要在手工断面上下游另外选址并进行可行性评价。

2.2 可行性评价

选址可行性评价结果只有可行与不可行。结合可行性评价指标，提出可行性指数公式为

(1)

式中：Xi为第i个可行性评价指标，取值为0，1；n为指标数量。F=1，说明选址可行，可进入适宜性评价；F=0，选址不可行，需重新选址。

2.3 适宜性评价

模糊综合评价对处理选址适宜性评价这样多因素、多层次的复杂问题效果较好，并具有模型简单，容易掌握等优点。笔者提出用模糊综合评价法进行选址适宜性评价，步骤如下：

建立评价因子集(U)。适宜性评价具体由15个评价因子构成，见表2。

U={I1,I2，…，Ij}

式中：Ij为第j个适宜性评价指标。

建立评价集(V)。参考其他类似选址评价问题，划分水质自动站选址适宜性评价集:V={高度适宜(Ⅰ)，中度适宜(Ⅱ)，较不适宜(Ⅲ)，不适宜(Ⅳ)}。按环办监测函[2017]1 762号文件提出的相关技术参数，结合实际调查资料分析，将15个评价因子进行分级，见表2。

隶属函数确定。模糊综合评判的关键是因子隶属度的确定，通过建立隶属函数，代入指标值计算隶属度。基于指标数据的分布特征，借鉴相关经验，建立“梯形分布”函数，其公式如下:

式中：x为评价指标值，s1、s2、s3为表2中的各指标分界值，r1、r2、r3、r4为指标对应各评价等级的隶属度。

权重确定。采用AHP法计算各指标权重，结果见表3。

表3 选址适宜性评价指标权重Table 3 The evaluation index weight of location suitability of water quality automatic monitoring station

模糊综合评价。隶属函数(f)可以看作是从U～V的模糊映射，通过映射推导出模糊矩阵R=(rjk)m×p，0≤rjk≤1。式中:rjk表示U中因子Ij对应评价集V中等级vk的隶属度;m为因子数量，p为评价等级数量。U中的每一个因子Ij对应权重构成集合A={a1，a2，…，am}，则可确定U～V的模糊变换B=A.R。记B={b1，b2，…，bp}，其中bk表示被评价对象对应等级vk的隶属度。根据最大隶属原则，如果:bk0=max{bk: 1≤k≤p}，则等级vk0就是最终评价结果对应的等级。

3 实例应用

3.1 概况

梅溪河罗汉大桥国考断面为重庆考核奉节县断面，属长江-梅溪河水系，上游无国考断面，下游为国考长江干流-白帝城断面。断面控制奉节、云阳、巫溪境内梅溪河罗汉大桥以上流域。

由于罗汉大桥国考断面所在位置左岸为陡坡，右岸为不稳定河岸，同时考虑洪水的影响，拟将水质自动站选址确定于国考断面下游150 m的已拆除养殖场空地。由于选址与手工断面不一致，需对该选址进行可行性评价和适宜性评价。

3.2 可行性评价

2017年12月1—5日对水质自动站采水口和国考断面水质开展比对监测，比对监测结果见表4。可知可行性评价指标X1～X6取值为1，同时，选址位置与手工断面间无较大支流汇入、无排污口，且距离小于10 km,因此，X7～X9取值也为1。则可行性指数F=1,即此选址可行。

表4 自动站采水口和手工断面水质对比及赋值表Table 4 Comparison with the water quality of automatic station and manual monitoring section

3.3 适宜性评价

选址处平均流速为1.02 m/s，水位落差为12 m，水深为1～2 m，河道摆幅<5 m;采水口离岸距离为7.5 m,位于冲刷岸水下0.5～1 m，水力条件好，周边无污染源，与站址距离25 m，与手工断面距离150 m。交通利用已有道路，从距离150 m处农户处接入电源、自来水，并可接入光纤网络，可直接利用原养殖场经营者挖掘后的场坪，土建工作量小。

将上述各指标值带入适宜性评价计算公式中，模糊合成结果:B=(0.650 4，0.139 9，0.209 7，0)，此选址评价结果属于高度适宜(Ⅰ)。

4 结论

自动站选址应考虑一致性、可行性和适宜性，三者递进，前者是后者的基础，后者是前者的深入。运用AHP模型构建自动站选址可行性、适宜性评价2套指标，较好地表达了水质自动站选址能否科学、客观、经济地反映断面水质情况。以自动站选址与手工断面不一致为前提，采用累乘法判断选址可行性，在可行的基础上利用模糊综合评价法、层次分析法进行选址的适宜性评价，使选址问题逻辑性更强，实用性更高。

罗汉大桥水质自动站选址适宜性评价表明此选址方法可行，并且具有较高适宜性。