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    遼河流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)研究

    2015-11-17 08:58:00仇偉光
    中國環(huán)境監(jiān)測 2015年1期
    關(guān)鍵詞:遼河流域遼河環(huán)境監(jiān)測

    仇偉光

    環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化布設(shè)是環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量保證體系中一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié),合理的采樣位置和監(jiān)測頻次是取得空間和時(shí)間代表性數(shù)據(jù)的根本保證;合理的監(jiān)測項(xiàng)目是水環(huán)境質(zhì)量真實(shí)體現(xiàn)的科學(xué)依據(jù)。

    遼寧省境內(nèi)遼河流域現(xiàn)運(yùn)行的水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)始建于20世紀(jì)80年代[1],并經(jīng)過多年的實(shí)施,根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整而成。20 多年來,遼寧省已由此監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)上獲取并積累了大量的信息和數(shù)據(jù),為遼寧省環(huán)境保護(hù)和環(huán)境管理提供了科學(xué)的技術(shù)依據(jù)。但隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增多,以及遼河流域治理的深入,污水處理廠的建設(shè)和運(yùn)行,入河排污口的改變,現(xiàn)有監(jiān)測斷面已存在局部布設(shè)不合理現(xiàn)象,有必要對原有的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,使之更具科學(xué)性和代表性,并達(dá)到節(jié)約人力、物力,全面、客觀反映遼河流域水質(zhì)狀況的目的。國家水體污染控制與治理重大專項(xiàng)在遼河流域設(shè)立示范區(qū),進(jìn)行遼河流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估與預(yù)警監(jiān)控平臺、水環(huán)境安全監(jiān)控與監(jiān)測體系構(gòu)建示范研究,為遼河流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供了科技支撐。

    監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法主要有主成分分析法[2-4]、物元分析法[5-8]、聚類分析法[8-11]、貼近度法[12-14]、多目標(biāo)決策法[15]、最優(yōu)分割法[16]等,其中最優(yōu)分割法是對有序樣品的聚類,是對一批有序樣品進(jìn)行劃分分類的一種統(tǒng)計(jì)方法,較適用于河流從上游至下游有序斷面的優(yōu)化,對監(jiān)測頻次和監(jiān)測項(xiàng)目的優(yōu)化方法的探討并不多見[17-20]。本文根據(jù)北方河流季節(jié)性明顯的特征,采用最優(yōu)分割法進(jìn)行遼河流域監(jiān)測斷面的優(yōu)化,創(chuàng)建變異系數(shù)與水質(zhì)類別相結(jié)合方法進(jìn)行了遼河流域水環(huán)境監(jiān)測頻次的優(yōu)化;采用連續(xù)3年未檢出判斷法進(jìn)行了遼河流域水環(huán)境監(jiān)測項(xiàng)目的優(yōu)化。優(yōu)化后的遼河流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)更能科學(xué)、客觀地反映水質(zhì)狀況,并達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行的目的。

    1 遼河流域水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)概況

    遼河流域是全國七大流域之一,曾是國家重點(diǎn)治理的“三河三湖”之一,總面積約21.96 萬km2,在遼寧省境內(nèi)由遼河、渾河、太子河和大遼河4 條主要河流及其支流組成。目前,遼河流域共布設(shè)干流斷面26 個,詳見圖1。

    圖1 現(xiàn)有遼河流域干流監(jiān)測斷面示意圖

    隨著環(huán)境科學(xué)和環(huán)境管理水平的不斷提高,對環(huán)境監(jiān)測工作的要求也越來越高,現(xiàn)有遼河流域水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的問題也越來越突出,有些斷面布設(shè)過密,有些過疏,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)布點(diǎn)密度明顯高于經(jīng)濟(jì)落后地區(qū);隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和遼河流域的治理,流域內(nèi)污染源和入河排污口情況發(fā)生了很大的變化,有些監(jiān)測斷面已不適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境保護(hù)工作的需要,亟待調(diào)整。監(jiān)測頻次采用“一刀切”的方法,每月監(jiān)測1 次,并未考慮北方河流受季節(jié)影響明顯特點(diǎn)。所有斷面均監(jiān)測《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)表1中除總氮、糞大腸菌群之外的22 項(xiàng),并未考慮污染特征和水環(huán)境功能區(qū)的要求。

    2 研究思路與方法

    以遼寧省內(nèi)遼河流域干流4 條河流為研究對象,在全面調(diào)研流域自然、社會、經(jīng)濟(jì)狀況,充分分析遼河流域水環(huán)境質(zhì)量和污染源特征、現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)合理性的基礎(chǔ)上,依據(jù)斷面優(yōu)化的原則,進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究,建立分布合理、成本適宜的水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

    3 結(jié)果與分析

    3.1 水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化原則

    監(jiān)測斷面的優(yōu)化要遵循的原則:一是代表性原則。監(jiān)測斷面在宏觀上要能反映水系環(huán)境特征,微觀上能反映斷面污染特征。二是分類原則。按照對照斷面、控制斷面設(shè)置,取消消減斷面。三是分類管理原則。一個網(wǎng)絡(luò)只具有一種功能,以保證監(jiān)測斷面設(shè)置的客觀性。

    監(jiān)測頻次的優(yōu)化原則:一是高效原則。在保證客觀性的條件下,盡可能使某些斷面兼有多種功能,對沒有受到污染、近期也不會產(chǎn)生明顯污染的監(jiān)測斷面和監(jiān)測項(xiàng)目適當(dāng)減少監(jiān)測頻率,實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測斷面高效運(yùn)行。二是季節(jié)原則。針對北方春冬季干旱少雨、夏秋季炎熱多雨的特殊氣候特征,優(yōu)化時(shí)要研究不同季節(jié)水環(huán)境質(zhì)量的變化,充分考慮季節(jié)的影響。

    監(jiān)測項(xiàng)目的優(yōu)化原則:一是遵循相關(guān)技術(shù)規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)。選擇環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中要求控制的危害(潛在危害)大、影響范圍廣、國家要求的、并已建立可靠分析測定方法和標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目。二是監(jiān)測項(xiàng)目與污染特征、水環(huán)境功能區(qū)的一致性。監(jiān)測項(xiàng)目必須適應(yīng)水環(huán)境污染現(xiàn)狀特征,能夠全面反映水環(huán)境問題,同時(shí)要考慮不同功能區(qū)要求,實(shí)現(xiàn)水環(huán)境的宏觀監(jiān)測與微觀監(jiān)測相結(jié)合。三是監(jiān)測項(xiàng)目與污染源分布的一致性。根據(jù)遼河流域沿岸污染源的特征,酌情增加某些污染源排放的特異污染物。

    3.2 水環(huán)境監(jiān)測斷面優(yōu)化

    3.2.1 監(jiān)測斷面的優(yōu)化方法

    基于2009—2011年遼河流域干流監(jiān)測數(shù)據(jù),采用最優(yōu)分割法進(jìn)行監(jiān)測斷面的優(yōu)化。

    設(shè)定有序樣本。設(shè)幾個有序樣本,序號依次為1,2,…,n,其中每個樣本均為m 維向量,即含有m 個屬性因子:

    計(jì)算每個樣本的均值型綜合污染指數(shù)(Xi),作為樣本的待分析數(shù)據(jù):

    式中:xil為第i 個樣本第l 項(xiàng)污染指標(biāo)濃度;Sl為第l 項(xiàng)污染指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值(l=1,2,…,m)。

    用D(i,j)表示類{i,i + I,…,j}(i≤j)的直徑,它的值越小,表示類中樣本越集中,取離差平方和描述D(i,j):

    式中:Xl為第i 個到第j 個樣本綜合污染指數(shù)為第i 個到第j 個樣本綜合污染指數(shù)的均值。

    定義分類P(n,k)的誤差函數(shù)e[P(n,k)],用以衡量分類的好壞:

    式中ii+1-1 =n。

    當(dāng)n、k 固定時(shí),e[P(n,k)]越小,表示各子類的離差平方和的總和越小,分類就越合理。Fisher 最優(yōu)分割法就是正確選擇一種分類P(n,k),使e[P(n,k)]達(dá)到最小,從而給出最優(yōu)分類方法。

    驗(yàn)證誤差函數(shù)的遞推公式:

    應(yīng)用式(5)和式(6)可遞推求得使e 達(dá)到最小的分類。

    3.2.2 監(jiān)測斷面的優(yōu)化結(jié)果

    使用最優(yōu)分割法對遼河流域干流進(jìn)行優(yōu)化,計(jì)算得到最優(yōu)結(jié)果,見圖2。

    遼河流域4 條河流干流斷面優(yōu)化出14 個斷面:遼河包括福德店、三合屯、紅廟子、盤錦興安;渾河包括阿及堡、七間房、砂山、于家房;太子河包括老官砬子、興安、下王家、小姐廟;大遼河包括三岔河、遼河公園。

    圖2 優(yōu)化后遼河流域干流監(jiān)測斷面示意圖

    在水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中同時(shí)應(yīng)考慮斷面的均勻性、實(shí)際監(jiān)測采樣的可行性以及監(jiān)測斷面所在位置的特點(diǎn)[21]。遼河的三合屯和紅廟子斷面距離太遠(yuǎn),需加設(shè)朱爾山斷面;趙圈河為遼河入??刂茢嗝?,且盤錦境內(nèi)支流多在盤錦興安斷面下入河,需保留;參窩壩下為參窩水庫出庫斷面,需保留;下王家和小姐廟斷面距離太遠(yuǎn),需加設(shè)唐馬寨斷面。因此,優(yōu)化后遼河流域保留18 個斷面,比原來減少8 個。

    3.3 監(jiān)測頻次的優(yōu)化

    3.3.1 監(jiān)測頻次的優(yōu)化方法

    北方河流水量受氣候影響明顯,冬、春季干旱少雨,河水流量顯著減少,一般比夏季少3 ~300倍。因此,在監(jiān)測頻次優(yōu)化上,應(yīng)充分考慮季節(jié)對污染物濃度的影響。

    對于干旱少雨、污染物濃度變化劇烈的季節(jié)(1、2、3、4、12月),采用分析自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的變異系數(shù)的方法確定監(jiān)測頻次。

    以現(xiàn)有自動監(jiān)測斷面歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用主要污染物的各月日均濃度的變異系數(shù)衡量斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)受偶然、局部干擾因素的影響程度。計(jì)算公式:

    式中:C 為變異系數(shù);S 和S2分別為某污染物濃度標(biāo)準(zhǔn)差和方差;X 為某污染物月均質(zhì)量濃度,mg/L;Xi為污染物日均質(zhì)量濃度,mg/L;n 為每個月的監(jiān)測天數(shù),d。

    在一般研究中,同一樣品的變異系數(shù)小于20%時(shí)視為數(shù)據(jù)穩(wěn)定,離散性小,而有研究在分析5年水質(zhì)穩(wěn)定性時(shí)將變異系數(shù)定為70%??紤]到北方河流流量受氣候影響顯著,將主要污染物測值變異系數(shù)小于30%作為判斷該斷面水質(zhì)穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。

    對于6—9月多雨、污染物濃度變化幅度較小的夏、秋季,監(jiān)測頻次的優(yōu)化采用水質(zhì)類別分析法,即水質(zhì)穩(wěn)定,可適當(dāng)減少監(jiān)測頻次。

    3.3.2 監(jiān)測頻次的優(yōu)化結(jié)果

    隨著遼河流域治理的深入,氨氮污染突顯,將成為遼河流域的首要污染指標(biāo),因此在頻次優(yōu)化中主要以氨氮為主要研究因子。

    以鐵嶺朱爾山、盤錦興安和營口遼河公園為例進(jìn)行監(jiān)測頻次的優(yōu)化研究,這3 個斷面的各月氨氮數(shù)據(jù)變異系數(shù)見表1。

    表1 自動監(jiān)測斷面各月氨氮數(shù)據(jù)變異系數(shù) %

    由表1可確定,1、5、10月應(yīng)保持每個月2 次的監(jiān)測頻次,2—4月、11—12月保持每月1 次監(jiān)測即可。6—9月污染物濃度變化不大,基本都在Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以下,所以采用水質(zhì)類別分析法,6—9月的4 個月中,只監(jiān)測1 ~2 次的監(jiān)測頻次。優(yōu)化后每年監(jiān)測次數(shù)仍為12 次,但更趨于合理分布。

    在水質(zhì)分析時(shí),以每月2 次的監(jiān)測頻次為基準(zhǔn),未監(jiān)測時(shí)間段以上一次監(jiān)測數(shù)據(jù)為參照。

    3.4 監(jiān)測項(xiàng)目的優(yōu)化

    3.4.1 監(jiān)測項(xiàng)目的優(yōu)化方法

    以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)表1中的23 項(xiàng)(糞大腸菌群除外)及流量為監(jiān)測項(xiàng)目范圍,采用連續(xù)3年未檢出判斷法,即根據(jù)《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)[21],且入庫斷面需考慮加測總氮,飲用水源地上游斷面監(jiān)測所有項(xiàng)目,其余斷面無需監(jiān)測總氮,并兼顧上下游一致性,在全面分析2009—2011年歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化遼河流域水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測項(xiàng)目。

    3.4.2 監(jiān)測項(xiàng)目的優(yōu)化結(jié)果

    遼河流域各監(jiān)測斷面監(jiān)測項(xiàng)目優(yōu)化結(jié)果見表2,必測項(xiàng)目為12 ~20 項(xiàng),其他項(xiàng)目可作為選測項(xiàng)目,主要是部分重金屬。

    表2 遼河干流監(jiān)測項(xiàng)目優(yōu)化結(jié)果

    另外,太子河興安斷面為參窩水庫入庫斷面,需加測總氮;遼河趙圈河和大遼河遼河公園2 個斷面為潮汐斷面,需加測氯離子;所有斷面均需測流量。

    3.5 優(yōu)化后驗(yàn)證

    顯著性水平選取0.05,以遼河流域主要污染指標(biāo),即氨氮、化學(xué)需氧量、BOD5為樣品變量對4條河流進(jìn)行檢驗(yàn)。從表3可以看出,遼河流域4條河流原始斷面樣本與優(yōu)化斷面樣本方差齊,且均值無明顯差異??梢哉J(rèn)為2 個樣本方差相等,來自于同一總體,因此優(yōu)化后斷面對原斷面具有很好的代表性,優(yōu)化后的結(jié)果符合實(shí)際環(huán)境狀況。

    表3 遼河斷面優(yōu)化后檢驗(yàn)結(jié)果

    4 結(jié)論

    1)采用最優(yōu)分割法,并結(jié)合流域?qū)嶋H情況,對遼河流域干流監(jiān)測斷面進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果:遼河流域布設(shè)18 個監(jiān)測斷面,遼河包括福德店、三合屯、朱爾山、紅廟子、盤錦興安、趙圈河;渾河包括阿及堡、七間房、砂山、于家房;太子河包括老官砬子、興安、參窩壩下、下王家、唐馬寨、小姐廟;大遼河包括三岔河、遼河公園,比優(yōu)化前減少8 個。

    2)污染物濃度變化劇烈的少雨期,采用分析自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的變異系數(shù)的方法確定監(jiān)測頻次。1、5、10月應(yīng)保持每個月2 次的監(jiān)測頻次;2—4月、11—12月保持每月監(jiān)測1 次即可,監(jiān)測時(shí)間定在1—7日;多雨期,監(jiān)測頻次的優(yōu)化采用自動監(jiān)測日均濃度水質(zhì)類別分析法。6—9月的4 個月中,監(jiān)測1 ~2 次。優(yōu)化后每年監(jiān)測次數(shù)依然為12 次,但更趨于合理分布。

    3)根據(jù)《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002),同時(shí)考慮上下游監(jiān)測一致性,在全面分析2009—2011年歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化遼河流域水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測項(xiàng)目。各監(jiān)測斷面監(jiān)測項(xiàng)目為12 ~20 項(xiàng),比優(yōu)化前最多減少11 項(xiàng),選測的項(xiàng)目主要為部分重金屬。

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