撫河流域綜合治理監(jiān)測布局優(yōu)化

劉聚濤，溫春云，韓 柳，胡 芳，樓 倩，楊 平

(江西省水利科學研究院江西省鄱陽湖水資源與環(huán)境重點實驗室，江西 南昌 330029)

監(jiān)測布局是水環(huán)境保護與管理、水污染控制與水生態(tài)修復的重要基礎[1]。監(jiān)測點布設是水環(huán)境監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，直接影響水環(huán)境監(jiān)測工作效率。通常情況下，水環(huán)境監(jiān)測點的數(shù)量經(jīng)歷由少到多、由多到少的探索過程。在一定空間范圍內(nèi)布設的監(jiān)測點數(shù)量多，雖然能夠較好地反映水環(huán)境質(zhì)量狀況，但需要付出較高的時間和經(jīng)濟成本，因此，在保證數(shù)據(jù)正確合理的基礎上，優(yōu)化監(jiān)測點是其關鍵環(huán)節(jié)。通過優(yōu)化設計，合理布設水環(huán)境監(jiān)測點，用最少的監(jiān)測點獲取最具空間代表性的環(huán)境信息成為水環(huán)境監(jiān)測優(yōu)化布局需要解決的關鍵問題[2-3]。

監(jiān)測布局優(yōu)化方法一般有數(shù)理統(tǒng)計法、網(wǎng)格(網(wǎng)絡)法和模型模擬法等[4-5]，常用的數(shù)理統(tǒng)計方法有定性優(yōu)化法[6-7]、水質(zhì)分段法[8]、均值偏差法[9]、對應分析法[10]、主成分分析法[11]、聚類分析法[12]、動態(tài)貼近度法[13]、物元分析法[14]、遺傳算法[15]等，其中聚類分析方法克服了以往依賴主觀分析的缺點，提供了客觀分析的方法，提高了監(jiān)測點優(yōu)化的準確性和合理性[12]。

2016年撫河流域組織開展流域生態(tài)保護與綜合治理，實施污染治理工程、生態(tài)保護和修復工程，流域水環(huán)境取得了明顯的改善，2015年和2018年撫河流域Ⅰ～Ⅲ類水占比分別為89.9%和99.4%，優(yōu)于Ⅲ類水所占比例提升近10%[16]。撫河流域綜合治理工程涉及全流域，區(qū)域面積大，覆蓋范圍廣，針對全流域綜合治理效果的監(jiān)測點布設不僅僅局限于特定工程、特定節(jié)點，需綜合考慮流域綜合治理水環(huán)境監(jiān)測的完整性和普遍性，更加注重流域整體性和系統(tǒng)性[17]。

目前針對撫河流域水環(huán)境監(jiān)測長期系統(tǒng)布設的站點主要為水文監(jiān)測站點，監(jiān)測點數(shù)量較多，監(jiān)測點布設重點考慮源頭區(qū)、干支流控制區(qū)、支流入口處、縣區(qū)界、重要水功能區(qū)和生態(tài)保護區(qū)、水源地、保護地、入河排污口等重點區(qū)域[18]，由于其監(jiān)測目標明確，一定程度上忽略了流域水環(huán)境監(jiān)測點布設的空間離散性，導致部分監(jiān)測點集中布設在局部河段，依托現(xiàn)有監(jiān)測點獲得的監(jiān)測結(jié)果難以全面反映流域整體情況。為科學有效地布設撫河流域綜合治理監(jiān)測點，以撫河流域為單元，開展水環(huán)境監(jiān)測布局優(yōu)化分析，并驗證優(yōu)化布局的合理性，構(gòu)建撫河流域綜合治理監(jiān)測優(yōu)化布局方案，為撫河流域綜合治理效果評估、水環(huán)境保護與管理提供有效支撐，為其他流域水環(huán)境監(jiān)測布局提供借鑒。

1 研究概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

撫河流域地處東經(jīng)115°35′～117°09′、北緯26°30′～28°50′之間，位于江西省東部。撫河主河道長348 km，流域面積為16 493 km2，約占全省總面積的10%。流域內(nèi)山地占27%，丘陵占63%，平原占10%。撫河流域共有2座大型水庫，分別為洪門水庫和廖坊水庫。洪門水庫位于撫河支流黎灘河下游，距南城縣洪門鎮(zhèn)上游2 km處。廖坊水利樞紐位于撫河干流，地處臨川區(qū)、金溪縣、南城縣交界處，以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、供水和航運等綜合利用功能。

1.2 監(jiān)測布局現(xiàn)狀

根據(jù)撫州市水資源公報[16]，撫河流域共設置44個監(jiān)測站點，其中19個監(jiān)測點與水文站重合，1個與縣區(qū)界監(jiān)測點重合，8個為水廠監(jiān)測點，16個為地表水功能區(qū)監(jiān)測點。

1.3 初始監(jiān)測布局原則

為有效監(jiān)測流域綜合治理效果，結(jié)合流域水環(huán)境監(jiān)測布點要求[16]，撫河流域綜合治理監(jiān)測布局遵循以下原則。①空間離散原則：全面對流域主要干支流布設監(jiān)測點，干流相隔約10 km布設監(jiān)測點，支流相隔約20 km布設監(jiān)測點。②統(tǒng)籌兼顧原則：監(jiān)測點布設既要考慮河流上游、中游和下游，同時考慮干流和支流；較小的支流可以概化，不需要布設監(jiān)測點。③全面布設原則：支流在匯入干流前，布設支流監(jiān)測點；多個支流匯入干流后，布設干流監(jiān)測點。④重要節(jié)點布設原則：在干支流的源頭區(qū)、重要城市節(jié)點布置監(jiān)測點；分別在重點生態(tài)水利工程上下游區(qū)域布設監(jiān)測點[19]。

1.4 監(jiān)測布局優(yōu)化原則

監(jiān)測布局優(yōu)化原則主要包括以下5個方面：在水環(huán)境特征相似監(jiān)測點中，由樣點監(jiān)測值與該類樣本平均值進行擬合程度分析，擬合程度越接近的點，誤差越小，可以選擇該監(jiān)測點為該類的代表點。在樣本較多條件下，如果相似監(jiān)測點數(shù)量較多，則在該類監(jiān)測點中，結(jié)合空間布局，適當增加與該類樣本平均值擬合度差異較大的監(jiān)測點作為該類的代表點。若兩個相鄰監(jiān)測點具有相似水環(huán)境特征時，在上游區(qū)域，優(yōu)化布局時選擇接近源頭點作為代表點；在中下游區(qū)域，選擇下游監(jiān)測點作為代表點位。若3個相鄰監(jiān)測點具有相似水環(huán)境特征時，優(yōu)化布局時選擇中間監(jiān)測點作為代表點位。考慮監(jiān)測布局水環(huán)境差異顯著特征，若優(yōu)化后監(jiān)測點距離較近，并且同類監(jiān)測點已經(jīng)有代表性監(jiān)測點，需增加其他類別的監(jiān)測點，使監(jiān)測點空間離散分布。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)分析方法包括監(jiān)測點分類方法和合理性分析方法。前者采用樣本聚類分析對初始監(jiān)測點進行分類，采用SPSS16.0進行統(tǒng)計分析。后者根據(jù)監(jiān)測點已有歷史數(shù)據(jù)，對優(yōu)化前后監(jiān)測指標的參數(shù)均值的差異性進行檢驗，采用方差分析、F檢驗方法和相對偏差進行合理性分析[20-21]。

數(shù)據(jù)來源于撫河流域豐水期(2017年8月)、枯水期(2017年12月)和平水期(2018年5月)等3個時段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用平均值進行統(tǒng)計分析，監(jiān)測指標包括總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、生化需氧量(BOD5)和葉綠素a(Chla)等6個指標。相對偏差等于優(yōu)化前后特征值之差與優(yōu)化前特征值之比。

2 監(jiān)測布局方案

2.1 初始監(jiān)測布局方案

根據(jù)監(jiān)測點布設原則，撫河流域綜合治理監(jiān)測點共布設40個，覆蓋了干支流、上中下游和重要節(jié)點(圖1)，其中干支流源頭分別在盱江、黎灘河、宜黃水、相水、寶塘水源頭區(qū)布設1號、24號、27號、32號、35號共5個監(jiān)測點；在廖坊水庫和洪門水庫下游分別布設26號和12號監(jiān)測點；支流匯入干流監(jiān)測點包括宜黃水39號和東鄉(xiāng)水40號；撫州市上游、市內(nèi)河段、撫州市下游分別布設16號、17號和18號共3個監(jiān)測點。

圖1 撫河流域綜合治理監(jiān)測點初始布設

2.2 監(jiān)測布局優(yōu)化方案

通過對撫河流域綜合治理監(jiān)測點進行聚類分析，分類結(jié)果共7類，見表1。根據(jù)聚類分析結(jié)果，第六、第七類均只有1個監(jiān)測點，表明該類別監(jiān)測點水環(huán)境特征和其他監(jiān)測點水環(huán)境特征具有顯著差異，則優(yōu)化后需要保留該類監(jiān)測點，監(jiān)測布局優(yōu)化重點針對其他五類監(jiān)測點。

表1 撫河流域綜合治理監(jiān)測布局優(yōu)化

根據(jù)監(jiān)測布局優(yōu)化原則，第一次優(yōu)化監(jiān)測點由最初的40個優(yōu)化為24個(表1，圖2)，優(yōu)化后監(jiān)測點數(shù)量占初始布局布點的60%；第一類監(jiān)測點主要分布在撫河流域干支流的源頭區(qū)域，包括7個監(jiān)測點；第二類監(jiān)測點主要分布在干支流的中游區(qū)域，包括6個監(jiān)測點；第三類監(jiān)測點主要分布在干支流的下游區(qū)域，包括4個監(jiān)測點；第四類監(jiān)測點主要分布在支流與干流交匯處或干流下游區(qū)域，包括4個監(jiān)測點；第五類監(jiān)測點為22號，位于干流最下游監(jiān)測點。

圖2 第一次優(yōu)化布局

根據(jù)第一次優(yōu)化結(jié)果，相鄰監(jiān)測點之間水環(huán)境特征仍具有一定的相似性。在此基礎上，進行第二次優(yōu)化，結(jié)果如表1和圖3。第二次優(yōu)化布局方案共包括16個監(jiān)測點，占初始布局布點的40%，大幅度減少了水環(huán)境監(jiān)測點數(shù)量，各監(jiān)測點的表征含義如表2所示，其中第一類代表上游監(jiān)測點；第二類代表支流和干流中下游監(jiān)測點；第三類代表下游監(jiān)測點；第四類代表支流下游監(jiān)測點。

圖3 第二次優(yōu)化布局

表2 撫河流域綜合治理監(jiān)測點表征含義

2.3 優(yōu)化對比分析

根據(jù)撫河流域綜合治理監(jiān)測布局優(yōu)化結(jié)果，初始布局、第一次優(yōu)化布局和第二次優(yōu)化布局各類別監(jiān)測點水環(huán)境特征值如表3所示。在各類別指標中，第一至第四類進行了兩次優(yōu)化，第五類進行了第一次優(yōu)化，第六類和第七類不需要優(yōu)化。

表3 水環(huán)境監(jiān)測優(yōu)化前后各類別指標特征值

2.3.1相對偏差分析

以相對偏差為統(tǒng)計特征進行分析，按照相對偏差絕對值小于0.05、0.05～0.1和大于0.1分類進行統(tǒng)計。在各類優(yōu)化中，第五類優(yōu)化后，相對偏差大于0.1的占比超過50%；其他各類優(yōu)化中，相對偏差小于0.05的占比均超過50%，小于0.1的占比均超過75%，表明各類指標優(yōu)化后，各類之間的相對偏差較小，基本上保留了優(yōu)化前監(jiān)測點水環(huán)境監(jiān)測特征。

優(yōu)化后各類別各指標與初始布局各指標相比，存在一定的偏差，但偏差相對較小，其中相對偏差小于0.05的共26項，占總優(yōu)化次數(shù)的54.17%；0.05～0.1的共7項，占總優(yōu)化次數(shù)的14.58%；大于0.1的共15項，占總優(yōu)化次數(shù)的31.25%。

在各類別各指標優(yōu)化后，ρ(TP)指標相對偏差小于0.05的有3項，其他5項均大于0.1；ρ(TN)指標相對偏差小于0.05的有5項，其他3項均大于0.1；ρ(NH3-N)指標相對偏差小于0.05的有3項，0.05～0.1有1項，大于0.1的有4項；ρ(Chla)指標僅第一類第一次優(yōu)化后相對偏差大于0.05且小于0.1，其他類別優(yōu)化后與優(yōu)化前相比，相對偏差均小于0.05；ρ(CODMn)指標相對偏差小于0.05的有4項，相對偏差在0.05～0.1有2項，有2項大于0.1，分別為-0.157和0.287；ρ(BOD5)指標相對偏差小于0.05的有4項，相對偏差在0.05～0.1有3項，僅有1項大于0.1，為-0.173。

2.3.2顯著性差異分析

分別對初始布局、第一次優(yōu)化布局和第二次優(yōu)化布局的前4類監(jiān)測點特征值進行方差分析，檢驗優(yōu)化前后各類別各指標是否存在顯著差異，結(jié)果如表4示。優(yōu)化后，各類別各指標方差分析結(jié)果顯著性檢驗值均大于0.05，表明優(yōu)化前后各類別指標無顯著差異，則優(yōu)化布局監(jiān)測點指標均保留了初始監(jiān)測布局監(jiān)測指標的基本特征。

表4 優(yōu)化后第一類至第四類監(jiān)測點各指標方差分析結(jié)果顯著性檢驗值

3 討 論

3.1 優(yōu)化后水環(huán)境特征變化分析

根據(jù)撫河流域綜合治理監(jiān)測點優(yōu)化布局方案，優(yōu)化后共布設16個監(jiān)測點，各監(jiān)測點指標變化趨勢基本一致，ρ(Chla)由河段源頭區(qū)至河段下游區(qū)，基本上呈增大趨勢，同一河段相鄰監(jiān)測點監(jiān)測指標濃度之間存在一定的差異，表明優(yōu)化后各監(jiān)測點水環(huán)境特征仍然存在差異，優(yōu)化后各監(jiān)測點可表征初始布局水環(huán)境監(jiān)測點特征。

3.2 空間離散性和合理性分析

與初始監(jiān)測布局相比，撫河流域綜合治理優(yōu)化布局方案監(jiān)測點既覆蓋了干支流各個河段，同時也覆蓋了重要節(jié)點。撫河流域干支流中，盱江、撫河、黎灘河、相水、寶塘水、宜黃水和東鄉(xiāng)水均布設監(jiān)測點，其中2號、6號和11號分別位于盱江上中下游；12號和15號位于撫河干流；18號和22號位于撫河下游；24號和26號分別位于黎灘河上游和下游；28號和31號分別位于宜黃水源頭區(qū)和下游；32號和34號分別位于相水源頭區(qū)和下游；35號寶塘水源頭區(qū)；布設38號位于崇仁水下游；40號監(jiān)測點位于東鄉(xiāng)水下游。重要河段、工程和城市節(jié)點監(jiān)測點上，盱江、黎灘河、寶塘水、相水、宜黃水等河流源頭區(qū)分別保留了2號、24號、35號、32號和28號監(jiān)測點；黎灘河、盱江、相水、宜黃水、崇仁水、東鄉(xiāng)水和撫河等河流下游分別保留了26號、11號、34號、31號、38號、40號和22號監(jiān)測點；洪門水庫和廖坊水庫下游保留了26號和15號監(jiān)測點；撫州市下游保留了18號監(jiān)測點。

將撫河流域綜合治理監(jiān)測布局優(yōu)化方案與現(xiàn)狀進行對比，如果優(yōu)化后監(jiān)測點與現(xiàn)狀監(jiān)測點重合或接近，則優(yōu)化后監(jiān)測點可依托現(xiàn)狀監(jiān)測點進行布設；如果優(yōu)化后監(jiān)測點附近無現(xiàn)狀監(jiān)測點，則需新增布設監(jiān)測點。對比發(fā)現(xiàn)：①撫河上游盱江上游河段保留了2號監(jiān)測點，該監(jiān)測點與東坑水文站接近，因此優(yōu)化后的監(jiān)測點可依托東坑水文站進行布設，不需要新增監(jiān)測點；撫河上游盱江中游河段保留了6號監(jiān)測點，該監(jiān)測點與白舍水位站接近，該監(jiān)測點可依托白舍水位站進行布設，不需要新增監(jiān)測點；撫河上游盱江下游河段優(yōu)化后保留的11號監(jiān)測點與南城水位站基本重合，該監(jiān)測點可依托南城水位站進行布設。②撫河干流上游監(jiān)測點12號與其他監(jiān)測點存在顯著差異，并且該監(jiān)測點附近并無現(xiàn)狀監(jiān)測點，因此建議在撫河流域綜合治理監(jiān)測點布設中增加12號監(jiān)測點；撫河干流優(yōu)化后保留15號監(jiān)測點，該監(jiān)測點與滸灣水文站距離較近，因此15號監(jiān)測點可依托滸灣水文站進行布設。③撫河下游優(yōu)化后保留18號和22號監(jiān)測點，其中18號監(jiān)測點為臨水匯入撫河干流后的監(jiān)測點，22號監(jiān)測點為東鄉(xiāng)水匯入撫河干流后的流域控制監(jiān)測點，并且這2個監(jiān)測點附近并無現(xiàn)狀監(jiān)測點，因此在18號和22號點位置需要增設監(jiān)測點。④黎灘河源頭優(yōu)化后保留24號監(jiān)測點，該監(jiān)測點附近已布設龍安水文站，因此，黎灘河源頭監(jiān)測點可依托龍安水文站進行布設，不需要新增監(jiān)測點；黎灘河下游保留26號為監(jiān)測點，該監(jiān)測點與洪門水庫監(jiān)測點相重合，不需要新增監(jiān)測點。⑤臨水干支流宜黃水、相水和寶塘水源頭保留了28號、32號和35號監(jiān)測點，并且該監(jiān)測點附近并無其他距離較近的現(xiàn)狀監(jiān)測點；宜黃河下游優(yōu)化后保留的31號監(jiān)測點為宜黃水與崇仁水交匯前的監(jiān)測點，該點附近有臨川水廠二取水口、鐘嶺水廠取水口和廖家灣監(jiān)測點，現(xiàn)狀監(jiān)測點相對集中，可調(diào)整31號監(jiān)測點向下游布設，依托廖家灣進行布設；相水下游優(yōu)化后保留的34號監(jiān)測點為相水與寶塘水交匯前的監(jiān)測點，由于該點上游為現(xiàn)狀舒家監(jiān)測點，因此該監(jiān)測點可依托舒家監(jiān)測點進行布設；崇仁河下游優(yōu)化后保留38號監(jiān)測點，該監(jiān)測點上游有孫坊水位站，因此該監(jiān)測點可依托孫坊水位站進行布設。⑥東鄉(xiāng)水入撫河干流40號監(jiān)測點保留，該監(jiān)測點與云山水文站比較接近，因此該監(jiān)測點可依托云山水文站進行布設。

根據(jù)撫河流域綜合治理監(jiān)測布局優(yōu)化方案，優(yōu)化監(jiān)測點覆蓋了撫河干支流和重要節(jié)點，盱江分別在上中下游布設3個監(jiān)測點；撫河干流、黎灘河、宜黃水、相水分別在上下游布設2個監(jiān)測點；寶塘水、崇仁水、東鄉(xiāng)水根據(jù)實際情況分別在源頭區(qū)或下游區(qū)分別布設1個監(jiān)測點；撫河下游段布設1個監(jiān)測點。為避免監(jiān)測點重復建設，2號、6號、11號、15號、24號、26號、31號、34號、38號和40號等10個監(jiān)測點可依托現(xiàn)狀水文站進行布設，其他監(jiān)測點需在12號、18號、22號、28號、32號和35號共6個監(jiān)測點位置增設，進而提高撫河流域水環(huán)境監(jiān)測點的空間離散性和合理性。

4 結(jié) 論

a.撫河流域綜合治理初始布設40個監(jiān)測點，覆蓋流域干支流和重要節(jié)點。分別對撫河流域綜合治理監(jiān)測點進行兩次優(yōu)化。第一次優(yōu)化布局后共包括監(jiān)測點24個，占初始布局的60%，第二次優(yōu)化布局后共包括16個監(jiān)測點，占初始布點的40%，提高了監(jiān)測點的有效性和代表性。合理性檢驗結(jié)果表明，優(yōu)化后各類別各指標之間相對偏差較小，優(yōu)化前后各類別各指標無顯著差異，基本保留了初始水環(huán)境監(jiān)測布局的水環(huán)境監(jiān)測特征。

b.撫河流域綜合治理監(jiān)測布局優(yōu)化方案監(jiān)測點覆蓋了撫河流域干支流各個河段以及流域重要節(jié)點，共布設16個監(jiān)測點，其中10個監(jiān)測點可依托該監(jiān)測點附近現(xiàn)有監(jiān)測點進行布設，其他6個監(jiān)測點需在撫河干流上游12號監(jiān)測點、臨水匯入干流后的18號監(jiān)測點、撫河下游22號監(jiān)測點、宜黃水上游28號監(jiān)測點、相水上游32號監(jiān)測點和寶塘水上游35號監(jiān)測點位置增設，該方案可有效節(jié)約監(jiān)測時間和經(jīng)濟成本。

c.為高效開展水環(huán)境監(jiān)測，初始布局時，可在河流干流上中下游分別布設2個監(jiān)測點，較大的支流在上游和下游分別布設1個監(jiān)測點，較小的河流則在入干流處布設1個監(jiān)測點。同時，根據(jù)干流下游監(jiān)測點位置，結(jié)合實際情況布設1個流域控制監(jiān)測點。各監(jiān)測點布設時，需結(jié)合流域重要節(jié)點進行布設。