偏远村镇地表水体水质监测点优化布置研究

段立红

（新疆昌源水务科学研究院（有限公司） 新疆乌鲁木齐 830000）

1 前言

水是生命之源，与人们的生活息息相关。随着农村城镇建设的快速发展，农村生态环境问题尤为突出，生活污水的大规模排放以及生活垃圾的不规范处理，致使村镇水体受到一定程度的污染，对村镇地表水的保护和治理刻不容缓。

村镇地表水体水质监测是水环境质量的一项重要指标，选择合适的水质监测点能够及时掌握水质变化，有利于提高村镇地表水环境监测质量，能够给农村生态水环境的监测工作提供保障。对监测点进行优化能够有效提升地表水体监测水平，科学客观地反映村镇水体的实时监测情况。因此，优化配置水质监测点对村镇水资源的保护和治理具有重要的作用和意义。

2 村镇地表水体水质监测点布置现状

国内对村镇地表水体水质监测点的优化布局进行了多方面研究，主要包括物元分析法、模糊聚类分析法、有机污染综合指数评价法、指数分析法、最差因子判别法、均值偏差法、动态贴近度法等，现阶段地表水体水质监测点的优化布局在开展过程中各具优缺点。在实际应用中要充分了解当前地表水体监测布置工作开展中存在的问题，从而有效保证水质监测点位优化配置。

现阶段较为典型的是物元分析法，该方法通过建立各水质监测点位的节域分析模型、经典域分析模型和物元分析模型，计算各点位物元与2个标准物元之间的线性关联函数值和各点位的综合关联函数值，再根据点位综合关联函数的计算结果绘制点位聚图，最后根据图中点位分布以及村镇实际情况确定优化点位[1]。物元分析法是在实际应用中从定性和定量角度解决水质监测点中相容和不相容的问题，它能够有效解决村镇地表水水质环境监测中多指标多数据优化布点中相互矛盾的问题。该方法计算过程简单，结果也较为准确，因此，应用物元分析法选择水质监测点位相对比较理想。

模糊聚类分析法是通过建立监测数据的标准化矩阵，经过计算得出标准化矩阵的模糊相似关系矩阵后，用置信水平截割模糊相似关系矩阵，对被分类对象进行动态分类，绘制出动态聚类图，进而对水质监测点进行优化[2]。模糊聚类分析法在实际应用中，可以剔除部分不合理因素，对其余监测点位部分合理优化，从而提高水质监测点优化的准确性和工作效率。

有机污染综合指数评价法是针对水体遭受有机污染程度的一种综合评价方法，根据水体中常规部分有机污染物的指标，包括溶解氧（DO）、高锰酸盐指数（CODMn）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH3-N）这4项指标，计算出等标污染指数的和，从而得出水质的有机物综合污染情况。地表水水体中导致水质较差的项目通常包括 CODMn、BOD5、NH3-N、总氮（TN），该方法能够较好的反映水体有机污染情况，计算相对简单，因而得到广泛应用[3]。

以上3种方法目前在国内应用较为广泛，但模糊聚类分析法是依据“物以类聚”的原理对被测物质进行分类的一种多元统计分析方法，研究对象需要通过大量的样品研究分析，没有任何模式可供参考或依循。有机污染综合指数评价法是根据有机污染程度来判别水质情况，需要多次计算和比较，较为烦琐。而物元分析法较为全面，能够考虑各种因素的综合信息，保障了信息的完整性和客观事实性。由于村镇地表水的大体环境较为偏远，水质检测的投资预算相对较低，村镇地表水水质监测点布置选择物元分析法较为实际。

3 水质监测指标的选择

根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[4]，准确反映地表水水质状况的指标共计109项，每一项指标均代表水体中某一类物质，指标值的高低反映了它所代表的物质在水体中浓度大小。因此，如何筛选优化水质监测指标对村镇地表水水质评价十分重要，选择的指标不同，优化和评价结果也会大相径庭。但在进行实际水质监测时，由于村镇受仪器设备条件限制及样品的时效性等影响，监测全项的水质指标很难实现，筛选出有代表性的水质指标进行监测分析具有重要意义。

依据GB 3838—2002，地表水环境质量标准基本项目共计24项，表征了地表水的水体质量参数，单因子基本能代表一种或一类地表水中比较常见的污染物。在这些项目中，除了温度、pH、DO、CODCr、BOD5、NH3-N、TN、总磷（TP）、CODMn这 9 项水质指标外，氟化物、硫化物、粪大肠菌群、砷、铜、汞、铅等都属于特征性指标，具有一定的物理及化学意义。由于村镇交通及自我建设能力目前并没有达到监测分析这24项基本水质指标的能力，在对地表水体进行监测前，要实时调研以及分析监测的目的与意义，选择具有代表性的指标进行监测分析。

综合分析，选定水质监测指标的依据如下：

（1）对潜在超出标准限值的水质指标进行监测，及时掌握当地村镇地表水体的流水环境现状及变化规律，必要时能够及时采取措施防止村镇地表水水体污染。对当地村镇地表水流入的支流丰水期、平水期、枯水期河流水环境现状进行调查研究，查阅基于现状的水质分析结果以及往年水质监测资料，对相关流域水环境现状及水质变化趋势进行分析。

（2）结合地表水环境质量标准基本项目要求，基于村镇地表水水体流域水环境监测数据，分析污染物来源的特点，结合村镇地表水的监测目的，对村镇地表水监测指标进行优化。将生活水污染物主要指标纳入村镇地表水体强检参数，包含CODCr、NH3-N、TN、TP、动植物油5项，既可保持水质监测研究与国家对地表水环境质量标准的要求相一致，又方便对村镇地表水水环境的科学管理。

（3）村镇地表水水环境水质监测数值优化分析。利用一定区域内水文、大气、土壤等监测数据分析，得到村镇地表水所处地域水环境因子时空分布规律，结合物元分析法、模糊聚类分析法、有机污染综合指数分析法等对村镇地表水水质监测点位优化布设。

（4）由于大部分村镇存在的水质监测能力不足，应结合目前大数据发展趋势，充分发挥水质自动监测技术、生物监测及遥感监测技术的优势，实现水质在线监测，简化监测流程，降低监测成本，实现村镇地表水水质在线监测。对异常或不稳定数据进行手动水质监测。

在村镇地表水体的实际监测中，了解水体的物理性质和化学性质尤为重要。作为水质特点必选因子，地表水中的温度、浊度和pH等常规水质指标能够反映水体中生化反应速度的快慢、杂质的多少、酸碱度高低等。在村镇中，工业企业相对较少，水体污染主要来源于居民生活、农业生产和畜牧养殖业3个方面污染物的排放，这些污染物质以有机污染物和含氮含磷污染物为主，本文建议除去特殊因子，将温度、pH、浊度、DO、CODCr、NH3-N、TN、TP、动植物油选取为村镇地表水水质监测指标。

4 水质监测点布置原则和方法

对于偏远村镇，在财力和物力条件有限的情况下，水质监测点布置原则和方法对掌握村镇地表水水体的污染状况尤为重要。结合国家地表水监测作业指导书要求，村镇地表水水质监测断面分为背景断面、控制断面等，具体布置原则有以下5点：（1）根据水体功能区设置至少一个监测断面。（2）对釆样条件不利的不应布设。（3）充分利用历年水文断面的参数指标作为参考，如果条件允许，可将监测断面与水文断面重合，实现多功能监测布点。（4）将水体区域内人类社会的长远发展纳入考虑范围，充分考虑布设目的和自身条件的优缺点。（5）在能反映入河水水质并临近入河的位置布设监测断面，最终选择能从总体和宏观上反映水系或所在区域的地表水水环境质量情况的水质监测断面，体现所在区域环境的污染特征，同时还须考虑实际釆样的可行性和方便性。

网格布点法广泛应用于湖泊河流水质采用点布置，网格布点法中的网格多采用规则四边形的形式，按照一定的比例均匀布置，点位一般布置在网格的顶点或形心处，不存在固定形式，对网格的设计和点位的布置相对较为灵活，一般可以根据实际情况具体安排[5]。大多数村镇地表水水体规模相对较小，水体的结构特征和功能相对单一，在村镇地表水水体待监测范围内采用网格布点法均匀布设水质釆样点较为实用。

5 村镇地表水水质监测点的优化

考虑到水质监测指标的特点和水质监测点布置的原则，本文选取分析物元分析法和系统聚类法结合进行分析。

5.1 物元分析法基本原理

物元分析由蔡文教授创建[6]，物元分析以研究物元的转化为主要任务，由事物、特征和量值3个要素构成，描述事物的基本元，分析这些物元及其变化规律。物元分析的理论分为研究物元变化规律的物元理论和建立在以可拓集合为基础创建的数学工具。目前可拓论分为基元理论、可拓集合理论和可拓逻辑。

5.2 系统聚类基本原理

系统聚类分析是让需要聚类的对象自成一类，通过计算每一类之间的距离或者相似程度的大小，将差别最小的对象聚为一类，再判断新形成的类与其他类之间的差别，又将差别最小的两类合并为一类，每操作一次就减少一类，不断继续该过程，直至所有样品或指标合为一类。系统聚类方法聚类结果受主观因素影响较小，能够客观实际的对样品进行聚类[7]。

5.3 基于物元分析与系统聚类优化的选点

在进行村镇地表水水质采样点的优化布局时，需要综合考虑多项污染指标，涉及个别单项不相容的污染指标，利用物元分析与系统聚类优化发现，可以有效处理不相容的问题，对水质监测点进行优化布置，具体方法如下：（1）建立可拓集合，找出其节域和经典域。（2）最优、最劣关联函数式的建立。（3）计算各水质指标的权重。（4）得出最优、最劣综合关联函数式。（5）绘制综合关联函数点聚图。经过上述5个步骤后，以最优、最劣综合关联函数式的值为基础，再采用系统聚类法对水质监测采样点进行聚类，最终得到关于村镇地表水采样点客观合理的优化选点方案。

6 总结

将物元分析法和系统聚类法相结合，解决了各单项污染指标优选时不相容的问题，同时科学地聚类优化其结果，对村镇地表水水质采样点进行优化布局，取得了最具代表性和最可靠的采样点数据，得到的选点结果更符合客观实际，同时减少了人力、物力和财力的投入，对有效推动村镇地表水水质采样点优化选点工作的发展具有重要意义。