流域水環(huán)境監(jiān)測學(xué)方法論研究

劉巍

（松遼流域水資源保護(hù)局，吉林 長春130021）

0 引言

流域水環(huán)境監(jiān)測學(xué)的方法論基礎(chǔ)是：系統(tǒng)論、信息論與控制論，這是由水環(huán)境監(jiān)測學(xué)的學(xué)科性質(zhì)所決定的，水環(huán)境監(jiān)測學(xué)的方法論構(gòu)成要件應(yīng)該是：布點(diǎn)方法學(xué)、采樣方法學(xué)、測試方法學(xué)、數(shù)據(jù)處理方法學(xué)、評價(jià)方法學(xué)等。

概括之，方法是因果之間必然聯(lián)系的程序表現(xiàn)。從辯證唯物主義觀點(diǎn)出發(fā)，世界一切事物的變化原因與各種各樣的結(jié)果之間必然遵循某種程序，通過對這種聯(lián)系程序的研究與推演，可以找出關(guān)于事物運(yùn)動(dòng)、變化與發(fā)展所必須遵循的基本原則。因此，也就構(gòu)成了各門科學(xué)研究方法的理論與思想基礎(chǔ)，即方法論基礎(chǔ)。

1 概述

人類的科學(xué)世界存在著兩大體系，即自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)。自然科學(xué)實(shí)現(xiàn)著理想化的嚴(yán)格的定量化抽象，社會(huì)科學(xué)則由于其規(guī)律很難用嚴(yán)格的數(shù)量關(guān)系來描述，被稱為“藝術(shù)”。隨著時(shí)代的前進(jìn)和社會(huì)的發(fā)展，自然科學(xué)的研究方法發(fā)生了一場深刻的變化，其重要標(biāo)志就是“系統(tǒng)論”、“信息論”、“控制論”的相繼問世，這便使科學(xué)研究的方法突破了自然科學(xué)原有的狹隘性，自然科學(xué)的研究方法進(jìn)入到社會(huì)科學(xué)的研究方法之中，使社會(huì)科學(xué)度過了“藝術(shù)”階段。由于現(xiàn)代管理學(xué)引入了定量分析、數(shù)學(xué)及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)等自然科學(xué)手段，大大地增強(qiáng)了駕馭社會(huì)的能力，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展?？梢哉f“三論”的出現(xiàn)，使自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)在研究方法論方面產(chǎn)生了變化，也給跨學(xué)科研究工作帶來了福音。將“三論”引入水環(huán)境監(jiān)測，大大地推動(dòng)了水環(huán)境監(jiān)測學(xué)的發(fā)展。系統(tǒng)方法為水環(huán)境監(jiān)測學(xué)知識數(shù)學(xué)化提供了過度模式，加快了水環(huán)境監(jiān)測學(xué)數(shù)學(xué)化的進(jìn)程，對于一些難以用直觀方法描述的對象，有了系統(tǒng)模式，是以應(yīng)付水環(huán)境監(jiān)測的概念系統(tǒng)研究。以信息論為基礎(chǔ)的信息方法，把水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)各種因素的相互聯(lián)系和關(guān)系看作信息的交換過程而加以研究的方法，使監(jiān)測對象與監(jiān)測結(jié)果之間構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體。以控制論為理論指導(dǎo)的功能模擬方法，能有效地控制水環(huán)境監(jiān)測各環(huán)節(jié)的功能發(fā)揮，可以保證監(jiān)測質(zhì)量，使監(jiān)測活動(dòng)處于受控制狀態(tài)。

2 水環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)方法原則

科學(xué)研究的方法論體系十分復(fù)雜，一般可分為兩類：傳統(tǒng)的方法論研究，主要關(guān)心和側(cè)重實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方法，對確定目標(biāo)的方法研究較為薄弱；系統(tǒng)方法則正好加強(qiáng)了系統(tǒng)方法的薄弱環(huán)節(jié)。所謂系統(tǒng)方法就是合理地研究和處理組成系統(tǒng)的全體對象的整體聯(lián)系的方法論。水環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)方法就是研究和處理水環(huán)境監(jiān)測環(huán)節(jié)，如：布點(diǎn)、采樣、分析、數(shù)據(jù)處理和綜合分析評價(jià)等整體聯(lián)系的方法論。在研究和處理過程中，必須遵守系統(tǒng)方法的基本原則：

1）整體性原則。水環(huán)境監(jiān)測是以把脈江、河、湖、庫等水域的水質(zhì)現(xiàn)狀、變化規(guī)律及發(fā)展趨勢為目的而存在的，但水環(huán)境質(zhì)量概念決不是幾個(gè)環(huán)境要素的加和，而是各環(huán)境要素關(guān)系的總和，要考慮整體性，要體現(xiàn)出各要素之間的聯(lián)系總和。

2）相關(guān)性原則。系統(tǒng)方法的相關(guān)性原則，是辯證法的普遍聯(lián)系觀點(diǎn)的具體體現(xiàn)的實(shí)際運(yùn)用，水環(huán)境監(jiān)測作為一個(gè)客觀存在的系統(tǒng)，它是由監(jiān)測活動(dòng)諸環(huán)節(jié)互相聯(lián)系而構(gòu)成的整體，正如地表水的分析數(shù)據(jù)再精確也代表不了地下水水質(zhì)一樣，因?yàn)樗x開了布點(diǎn)、采樣等環(huán)節(jié)的聯(lián)系。所以，水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方法原則的相關(guān)性原則就是監(jiān)測全過程各環(huán)節(jié)的聯(lián)系原則。

3）有序性原則。水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是有序的，要提高運(yùn)行機(jī)制，必須把握其有序性。從客觀角度說，水環(huán)境監(jiān)測是獲取、解釋和運(yùn)用數(shù)據(jù)的過程，這三者是相互聯(lián)系，互為前提的，不看到這一點(diǎn)，監(jiān)測工作是要失敗的。如不顧布點(diǎn)、采樣技術(shù)水平，一味追求高、精、尖儀器設(shè)備，即數(shù)據(jù)很難準(zhǔn)確，就是準(zhǔn)確，也無法進(jìn)行環(huán)境質(zhì)量的解釋。

4）動(dòng)態(tài)性原則。水環(huán)境監(jiān)測發(fā)展的動(dòng)力是什么？就是不斷提高環(huán)境管理服務(wù)水平（或說質(zhì)量），集中體現(xiàn)這種服務(wù)的及時(shí)性、針對性、準(zhǔn)確性和科學(xué)性。在這種動(dòng)態(tài)推動(dòng)下前行。要使水環(huán)境監(jiān)測工作不斷發(fā)展，必須把握動(dòng)態(tài)原則，充分發(fā)揮水環(huán)境監(jiān)測各環(huán)節(jié)的內(nèi)涵作用，嚴(yán)格按環(huán)境監(jiān)測的內(nèi)在規(guī)律辦事。

3 水環(huán)境監(jiān)測與控制論信息論的關(guān)聯(lián)性探討

水環(huán)境監(jiān)測方法除應(yīng)遵循系統(tǒng)論的要求外，還應(yīng)以控制論、信息論為指導(dǎo)，才可能動(dòng)地把握水環(huán)境監(jiān)測的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。所謂控制論就是尋求、研究、探索事物向規(guī)定方向發(fā)展的原因，把握、控制事物發(fā)展過程的理論，掌握事物的變化規(guī)律，創(chuàng)造必要的條件，使其向有益于人類的方向運(yùn)動(dòng)、變化和發(fā)展。很顯然，水環(huán)境監(jiān)測要向有益于環(huán)境管理的方向發(fā)展，其過程必須處于受控狀態(tài)，比如：水環(huán)境監(jiān)測要逐漸實(shí)現(xiàn)以最少的測點(diǎn)和頻率獲取最有代表性的數(shù)據(jù)為目的，從而提高監(jiān)測效率。要建立優(yōu)化布點(diǎn)理論和方法，發(fā)展簡易、快速、高效的分析理論與方法，研究水環(huán)境質(zhì)量描述理論與方法等。就看到，在水環(huán)境監(jiān)測過程中，會(huì)不斷產(chǎn)生新矛盾、新問題，要適時(shí)地、能動(dòng)地加以解決，使水環(huán)境監(jiān)測朝有益的方向發(fā)展。

信息是水環(huán)境監(jiān)測的靈魂。水環(huán)境監(jiān)測的首要任務(wù)是捕獲最有代表性的信息，經(jīng)加工后，提供給部、委、局有關(guān)部門。

4 水環(huán)境監(jiān)測學(xué)方法論構(gòu)件的創(chuàng)新性研究

4.1 布點(diǎn)方法學(xué)

水環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)位和點(diǎn)數(shù)選擇是水環(huán)境監(jiān)測過程的第一環(huán)節(jié)。所謂布點(diǎn)方法，狹義說，就是確定監(jiān)測點(diǎn)數(shù)和點(diǎn)位的手段；廣義將，布點(diǎn)方法是測點(diǎn)數(shù)量和點(diǎn)位的選擇與監(jiān)測數(shù)據(jù)空間代表性之間必然聯(lián)系的程序表述。布點(diǎn)方法學(xué)就是水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)空間代表性的因果關(guān)系變化之學(xué)，它是專門研究監(jiān)測點(diǎn)合理選擇的學(xué)問，其中心任務(wù)是探索監(jiān)測點(diǎn)選擇必須遵循的基本原則。

4.1.1 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)的主要影響因素

1）污染物在水環(huán)境中的擴(kuò)散性、活性和持久性、生物可分解性和生物累積性；

2）污染源的分布及其排污規(guī)律；

3）監(jiān)測范圍及范圍內(nèi)的自然環(huán)境狀況；

4）監(jiān)測活動(dòng)可能投入的人力、物力及財(cái)力情況；5）現(xiàn)場條件及樣品傳輸條件等。

4.1.2 水環(huán)境監(jiān)測布點(diǎn)方法

水環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)主要是由監(jiān)測目的、水體功能、測點(diǎn)性質(zhì)及所處位置等情況所決定。

1）江、河水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)的選擇

江河水環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)位的選擇有兩個(gè)含義，一是監(jiān)測斷面的選擇（含斷面位置及數(shù)量），二是斷面上點(diǎn)位的選擇（含點(diǎn)位和點(diǎn)數(shù)）。斷面有3種類型，即：對照斷面、控制斷面和削減斷面。3種斷面的含義分別是：對照斷面是判斷水體污染程度時(shí)起對照作用的，由有背景斷面的意思；控制斷面是受到污染需要及時(shí)掌握現(xiàn)狀及變化動(dòng)態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行污染控制的斷面；削減斷面是判斷污染河段和長度，污染狀況明顯減緩的斷面。3種斷面在水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)中有著不同的作用，都是水環(huán)境污染防治工作必須掌握的基本信息。

2）湖泊（水庫）監(jiān)測點(diǎn)的選擇

湖泊（水庫）監(jiān)測點(diǎn)的選擇實(shí)際上是監(jiān)測垂線及垂線上測點(diǎn)的選擇。這種選擇一般是按不同水域，如進(jìn)水區(qū)、出水區(qū)、深水區(qū)、淺水區(qū)、湖心區(qū)、岸邊區(qū)、視水體功能分別設(shè)置監(jiān)測垂線。若湖（庫）區(qū)無明顯功能分區(qū)，可用網(wǎng)絡(luò)法均勻設(shè)置。

監(jiān)測垂線上的采樣點(diǎn)設(shè)置一般與河流的選擇方法相同。但對有可能出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)先作水溫、溶解氧的探索性試驗(yàn)再定。

3）優(yōu)化布點(diǎn)原則

①尺度原則。優(yōu)化布點(diǎn)系指一定地區(qū)范圍內(nèi)的優(yōu)化。不可能有適用于一切尺度，如：國家級尺度、省級尺度、市地級尺度、縣級尺度乃至于全球級尺度等的測點(diǎn)數(shù)，測點(diǎn)數(shù)根據(jù)需要可適時(shí)調(diào)整。

②信息量原則。從理論上講，應(yīng)盡可能的最少的測點(diǎn)數(shù)獲取代表性最好的數(shù)據(jù)。足夠的信息量包括：各種污染因子的污染現(xiàn)狀、污染物特征、污染規(guī)律及污染趨勢，不能只追求代表性而失去信息量。

③經(jīng)濟(jì)性原則的各種尺度優(yōu)化布點(diǎn)，都應(yīng)作到人力、物力、財(cái)力等投入最少，而受益最大。

④不斷優(yōu)化原則。優(yōu)化布點(diǎn)不是一勞永逸的，根據(jù)變化與需要，要不斷的優(yōu)化最佳監(jiān)測點(diǎn)。

⑤可控性原則。在優(yōu)化布點(diǎn)時(shí)，應(yīng)針對性地選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。常用的參數(shù)有：污染物濃度值及其頻數(shù)分布、污染物超標(biāo)率及其頻數(shù)分布等等。

4.2 采樣方法學(xué)

采樣方法學(xué)是水環(huán)境監(jiān)測學(xué)方法論構(gòu)成的重要內(nèi)容之一，如果說水環(huán)境監(jiān)測是準(zhǔn)確測取、科學(xué)解釋及合理使用監(jiān)測數(shù)據(jù)的話，即么，采樣方法學(xué)和布點(diǎn)方法學(xué)則是準(zhǔn)確地測取水環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)的方法論基礎(chǔ)。

4.2.1 采樣的時(shí)間尺度

大體分為3個(gè)時(shí)間尺度：1）短期瞬時(shí)的，只能用于特殊目的的監(jiān)測，如污染事故的應(yīng)急監(jiān)測、科研監(jiān)測、調(diào)查性監(jiān)測等；2）周期性瞬時(shí)的，這種多樣方式，可粗略地說明一些問題，但偏差較大，數(shù)據(jù)難以完整；3）長期連續(xù)的，這種采樣方式，可避免前兩種采樣方式的缺陷，是最好的采樣方式。

4.2.2 采樣頻率的決定因素

有兩個(gè)決定因素：1）污染物的時(shí)間分布特征。所謂監(jiān)測數(shù)據(jù)要有時(shí)間代表性，指的就是應(yīng)反應(yīng)污染物的時(shí)間分布特征。2）不同的監(jiān)測目的所要求的監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度。

4.2.3 采樣方法和采樣器

采樣方法的共同原則：1）必須保證所采水樣的代表性；2）必須避免污染物在采集過程中發(fā)生變化，保證水樣真實(shí)性；3）必須以盡可能少的測點(diǎn)和測次獲得代表性的水樣；4）必須有較高的采集效率，保證水樣安全期；5）必須操作簡便，且方便與隨后的分析測試；6）必須滿足監(jiān)測目的要求。

4.3 測試方法學(xué)

測試方法學(xué)研究的主要內(nèi)容是：研究環(huán)境污染現(xiàn)象的量化方法，揭示影響環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、精確性、可比性的內(nèi)在因素。

測試方法學(xué)的基本任務(wù)是：

測試方法學(xué)是在布點(diǎn)方法學(xué)和采樣方法學(xué)研究成果基礎(chǔ)上，定性和定量地測定污染程度的專門學(xué)問。它通過化學(xué)的、物理的和生物的測試手段，對環(huán)境污染物的性質(zhì)、來源、含量和分布狀態(tài)以及環(huán)境背景值進(jìn)行測定，為綜合分析、評價(jià)環(huán)境質(zhì)量狀況提供可靠數(shù)據(jù)，其基本任務(wù)是：

1）研究測試對象的物理、化學(xué)構(gòu)成，尋求測試對象構(gòu)成變異的測試方法、定性、定量地說明這種變異的過程；

2）研究環(huán)境污染物性質(zhì)、來源的測試方法；

3）研究環(huán)境污染物在環(huán)境中含量水平及其分布狀態(tài)的測試方法；

4）研究環(huán)境背景值的測試方法；

5）研究測試對象和測試方法之間的聯(lián)系，尋找提高測試方法可靠性的途徑；

6）對測試方法的準(zhǔn)確性、精確性進(jìn)行質(zhì)量控制，研究并確定測試方法的質(zhì)量控制程序；

7）引進(jìn)近代化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)及其他科學(xué)技術(shù)的最新成就，建立新型的環(huán)境監(jiān)測新方法。

隨著監(jiān)測科學(xué)的發(fā)展，測試方法也在向深度與廣度發(fā)展。測試方法學(xué)的發(fā)展趨勢是：

1）系統(tǒng)化。測試方法學(xué)，含容了各種測試方法，已形成了較完整的方法學(xué)系統(tǒng)。要發(fā)展測試方法學(xué)的研究工作，必須以系統(tǒng)論為指導(dǎo)，按照環(huán)境污染的產(chǎn)生、變化規(guī)律，逐步建立從污染物測試方法到污染遷移、轉(zhuǎn)化諸過程的測試方法系列，使測試方法得以滿足測試工作全過程的需要。

2）標(biāo)準(zhǔn)化。評價(jià)環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要特征是可比性，測試數(shù)據(jù)失去可比性，則無法作為管理的依據(jù)。因而，測試方法學(xué)將日益重視測試方法學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化的研究。

3）整體化。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新型的測試手段應(yīng)用多學(xué)科的原理和方法，測試方法的學(xué)科界線日趨模糊。同時(shí)，環(huán)境污染本身就是有綜合性。因此，測試方法的研究越來越多的注意多種方法的聯(lián)合使用，形成一個(gè)高效率的方法整體，比如，色譜—質(zhì)譜—計(jì)算機(jī)聯(lián)用，就是這種整體化研究的體現(xiàn)。

4）自動(dòng)化。環(huán)境監(jiān)測效率的出路是自動(dòng)化，目前，測試方法學(xué)的研究已經(jīng)從經(jīng)典的化學(xué)分析過渡到儀器分析，由手工操作過渡到連續(xù)自動(dòng)操作。

4.4 數(shù)據(jù)處理方法學(xué)

環(huán)境監(jiān)測的直接產(chǎn)品是數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的研究十分重要。數(shù)據(jù)處理方法學(xué)的基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)科學(xué)，它是將數(shù)學(xué)科學(xué)引入水環(huán)境監(jiān)測中，由于污染物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)、變化與發(fā)展無不表現(xiàn)為一定的數(shù)量關(guān)系，因此，數(shù)學(xué)這門高度概括和抽象的科學(xué)，完全可以用于描述污染現(xiàn)象，一是利用數(shù)學(xué)模型描述環(huán)境質(zhì)量變化規(guī)律，二是利用數(shù)學(xué)模型描述污染與環(huán)境質(zhì)量之間的因果關(guān)系。環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法原則是應(yīng)用數(shù)學(xué)原理，緊密結(jié)合水環(huán)境實(shí)際，建立起的學(xué)科理論與方法。它研究的主要內(nèi)容有：水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)基本特征、統(tǒng)計(jì)量構(gòu)成、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)類型及驗(yàn)證方法等。

4.5 評價(jià)方法學(xué)

評價(jià)方法學(xué)是環(huán)境監(jiān)測學(xué)方法論的基本支柱，它在水環(huán)境監(jiān)測學(xué)中占有十分重要的位置。水環(huán)境監(jiān)測全過程中的布點(diǎn)、采樣、分析、數(shù)據(jù)處理都是為評價(jià)服務(wù)的。是環(huán)境管理的基礎(chǔ)，是重要手段之一。環(huán)境監(jiān)測學(xué)的發(fā)展，在很大程度上取決于評價(jià)方法學(xué)的進(jìn)展情況，因?yàn)?，評價(jià)不僅僅作為監(jiān)測工作的最終環(huán)節(jié)而存在，而且對于監(jiān)測全過程有著極強(qiáng)的反饋?zhàn)饔?，一種新的評價(jià)方法的出現(xiàn)，往往引起監(jiān)測學(xué)的相應(yīng)變化。評價(jià)方法學(xué)主要的研究內(nèi)容是：環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的原理與方法；環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的程序與內(nèi)容；環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的精度與范圍。