白 亮

(福建省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，福建福州350003)

閩江是福建省最大的河流，總長(zhǎng)2872km，流域面積60992km2，約占全省陸域總面積的一半。流域集水面積在1000km2以上的支流有19條，500～1000km2的有21條，100～500km2的有150條。福建省環(huán)保部門分別在閩江流域布設(shè)了57個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)斷面的設(shè)置主要以城市為中心，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市規(guī)劃布局和水環(huán)境條件的變遷，現(xiàn)有的地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)斷面已不能全面、客觀、科學(xué)地反映流域水環(huán)境總體質(zhì)量、說(shuō)清污染的變化趨勢(shì)和滿足環(huán)境管理需要的要求［1～3］。因此，地表水監(jiān)測(cè)斷面的布設(shè)需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整以適應(yīng)新的變化，保證監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置的科學(xué)性。

數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法常用于監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化布設(shè)［4］，如聚類分析法［5］、經(jīng)驗(yàn)公式法［6］、主成分分析法［7］、多目標(biāo)決策法［8］、物元分析法［9］、遺傳算法［10］等，但數(shù)理統(tǒng)計(jì)類的優(yōu)化方法僅適用于對(duì)已有水質(zhì)斷面的優(yōu)化分析。較大的江河流域廣闊，無(wú)法對(duì)全流域開(kāi)展水質(zhì)監(jiān)測(cè)，基于GIS技術(shù)及克里格插值技術(shù)的水環(huán)境空間插值方法可解決水質(zhì)的時(shí)空分布問(wèn)題［3］，地表水環(huán)境數(shù)值模擬方法可以提供流域任意斷面的水質(zhì)信息，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)全流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的優(yōu)化布設(shè)。但GIS技術(shù)是對(duì)數(shù)據(jù)的空間分析，物理基礎(chǔ)不牢靠，地表水環(huán)境數(shù)值模擬方法要掌握詳盡的水文資料和污染源排放資料，模型的建立存在難度［11～12］。本文利用河流水質(zhì)分段優(yōu)化法對(duì)閩江全流域開(kāi)展監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)研究，形成一套層次分明、分級(jí)管理、目標(biāo)明確的河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，每級(jí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、頻率，從而使流域監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)具有客觀性、全面性以及合理性。

1 現(xiàn)有監(jiān)測(cè)斷面及水質(zhì)狀況

福建省環(huán)保部門在閩江流域上共布設(shè)74個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面，其中國(guó)控?cái)嗝?個(gè)，省控?cái)嗝?8個(gè)，市控?cái)嗝?7個(gè)。其中省、市、縣行政區(qū)間交界斷面29個(gè)。2010年，閩江水質(zhì)保持優(yōu)等，水域功能達(dá)標(biāo)率99.4%，Ⅰ類～Ⅲ類水質(zhì)比例99.1%，交界斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率99.4%。各類水質(zhì)比例中，Ⅰ類水質(zhì)比例3.5%，Ⅱ類水質(zhì)比例59.9%，Ⅲ類水質(zhì)比例35.7%，Ⅳ類水質(zhì)比例0.9%，未出現(xiàn)Ⅴ類和劣Ⅴ類水。全水系超過(guò)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)的斷面有3個(gè):干流福州段閩清梅溪口斷面、沙溪水汾橋斷面和建溪建陽(yáng)洪尾斷面，超標(biāo)項(xiàng)目為溶解氧、氨氮、總磷和石油類［13］。運(yùn)用GIS空間插值技術(shù)分析閩江流域水質(zhì)分布情況，沙溪流域水質(zhì)較差，尤其沙縣河段河流污染相對(duì)嚴(yán)重;富屯溪流經(jīng)邵武和順昌后，水質(zhì)明顯下降;建溪流域水質(zhì)較好，閩江干流在古田溪和梅溪匯入后，水質(zhì)有所下降。

2 監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)研究

2.1 河流的分級(jí)控制

根據(jù)閩江流域的基礎(chǔ)資料調(diào)研，繪制流域水系柘撲圖，由河流流域面積和河長(zhǎng)等指標(biāo)確定河流控制級(jí)別。

(1)省控河流:閩江干流和流域面積 ＞1000km2，且河道長(zhǎng)度＞100km的重要一、二級(jí)支流和跨界河流、入海河流，大型水利設(shè)施所在水體等要納入省控河流;另外，斷面的設(shè)置應(yīng)考慮跨省、市、縣交界的環(huán)境管理的需要，以及流域的綜合整治的需要。結(jié)果表明，閩江流域面積 ＞1000km2，河道長(zhǎng)度＞100km的河流共有12條，分別為南浦溪、松溪、麻陽(yáng)溪、崇陽(yáng)溪、建溪、金溪、富屯溪、沙溪、尤溪、大樟溪、古田溪、閩江;流域面積＞1000km2，河道長(zhǎng)度＜100km，但屬于跨市縣交界的河流共有4條，分別為羅口、文川溪、文江溪、均溪;流域面積＜1000km2，但流經(jīng)市縣行政單位的河流共有2條，分別為杉溪、大浐溪。因此，確定以上18條河流為省控河流。

(2)市控河流:閩江流域的污染較嚴(yán)重 (水質(zhì)低于III類標(biāo)準(zhǔn))的一級(jí)支流，閩江流域中流域面積 ＞500km2的二級(jí)支流，流域面積在800～1000km2的河流，流經(jīng)市、縣行政區(qū)域和大中型水利設(shè)施所在水體等要納入市控河流，斷面的設(shè)置應(yīng)考慮市縣交界的環(huán)境管理需求。結(jié)果表明，閩江流域面積在800～1000km2的河流共有7條，分別為七星溪、光澤北溪和西溪、鋪溪、寧化東溪、沙縣東溪和梅溪;流域面積＞500km2二級(jí)以上支流共有9條，分別為高陽(yáng)溪、仁壽溪、寧化西溪、桂口溪、漁塘溪、清印溪、后亭溪、武步溪和吉源溪;閩江一級(jí)支流共有7條，分別為大目溪、第一溪、杜溪、荊溪、陶江、新嶺溪和玉西溪。基于環(huán)境管理需要，污染較為嚴(yán)重的小流域碧溪、安豐溝、曬口溪也應(yīng)納入市控河流，因此，確定以上26條河流為市控河流。

(3)縣控河流:閩江流域的污染較嚴(yán)重 (水質(zhì)低于III類標(biāo)準(zhǔn))的一級(jí)支流，閩江流域中流域面積 ＞500km2的二級(jí)支流，流域面積在800～1000km2的河流，流經(jīng)市、縣行政區(qū)域和大中型水利設(shè)施所在水體等要納入市控河流，斷面的設(shè)置應(yīng)考慮市縣交界的環(huán)境管理需求。結(jié)果表明，閩江流域面積在500～800km2的河流共有7條，分別為富嶺溪、臨江溪、九曲溪、五夫溪、瀾溪、長(zhǎng)潭河和文昌溪;流域面積＞200km2二級(jí)以上支流共有20條，分別為小松溪、小橋溪、古山溪、同青溪、水口寨溪、路茲溪、嵩溪、羅峰溪、溪源溪、胡貢溪、清溪、華蘭溪、涌溪、長(zhǎng)慶溪、潼關(guān)溪、富泉溪、清涼溪、柏源溪、芹溪、安仁溪和芝溪。環(huán)境管理需要將寧溪、大田溪、泰寧北溪 (流域水資源保護(hù))，沙縣南溪 (規(guī)劃水源地)、杉溪 (源頭、飲用水源地)和渭田溪納入縣控河流。因此，閩江流域縣控河流共有33條。

2.2 確定水質(zhì)突變點(diǎn)

在河流水文特性和污染源調(diào)查的基礎(chǔ)上，確定水質(zhì)突變點(diǎn)，將河流劃分為若干水質(zhì)不同的河段，水質(zhì)突變點(diǎn)類型如下［1～2］:

(1)支流匯入口型:當(dāng)支流與干流屬同一控制級(jí)別時(shí)，支流匯入口可直接確定為該干流的水質(zhì)突變點(diǎn);當(dāng)支流的控制級(jí)別僅次于干流的控制級(jí)別時(shí)，如果支流流量占干流流量份額較大、水質(zhì)又與干流有顯著差別，或支流流量雖小，但納污量很大，對(duì)干流水質(zhì)有明顯影響，則該支流的匯入口確定為干流的水質(zhì)突變點(diǎn)。

(2)污染源排入口型:縣城、縣級(jí)市及其以上城市市政污水的排入口可直接確定為河流的水質(zhì)突變點(diǎn);對(duì)人口較多、工商業(yè)較發(fā)達(dá)的建制鎮(zhèn)，當(dāng)確知其污水的排入導(dǎo)致河流水質(zhì)發(fā)生顯著變化時(shí)，則該污水排入口確定為該河流的水質(zhì)突變點(diǎn);較大污染源的污水直接排入河流時(shí)，河流水質(zhì)發(fā)生顯著變化時(shí)，確定該污水入河口為污染源直排口型水質(zhì)突變點(diǎn)。

(3)其他水質(zhì)突變點(diǎn):當(dāng)相鄰水質(zhì)突變點(diǎn)之間距離太遠(yuǎn)時(shí)，污染物經(jīng)過(guò)降解，水質(zhì)已發(fā)生顯著變化，可以在中間適當(dāng)位置暫設(shè)一個(gè)斷面;當(dāng)水質(zhì)突變點(diǎn)較為分布集中、間隔距離較小時(shí)，可將一定區(qū)域內(nèi)水質(zhì)突變點(diǎn)歸納為一個(gè)水質(zhì)突變點(diǎn)。

依據(jù)地理信息系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)河流流經(jīng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣市，水系拓?fù)鋱D中支流匯入的個(gè)數(shù)，再結(jié)合流域污染源分布和當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，最終閩江流域共確認(rèn)98個(gè)水質(zhì)突變點(diǎn)。其中支流匯入型水質(zhì)突變點(diǎn)共19個(gè)，分別為七星溪、崇陽(yáng)溪和南浦溪匯合口，松溪、里沙溪、鋪溪、杉溪、五夫溪、曬口溪、夏陽(yáng)溪、文川溪、羅口溪、文江溪、芝溪、富屯溪與沙溪匯合，尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪和閩江入?？诘群涌?市政排入口型和污染源型的水質(zhì)突變點(diǎn)共75個(gè);富屯溪干流邵武至順昌段、羅口溪和尤溪干流尤溪縣至河口段確定距離衰減型水質(zhì)突變點(diǎn);閩江干流上水口電站確定為水質(zhì)突變點(diǎn)。

2.3 監(jiān)測(cè)斷面的布設(shè)

根據(jù)河流水質(zhì)的明顯分段性質(zhì)對(duì)河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行優(yōu)化，將河流劃分為若干水質(zhì)明顯不同的河段，每個(gè)河段設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，從而組成河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，各監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果代表其所在河段的水質(zhì)，即將不同控制級(jí)別的河流根據(jù)水質(zhì)突變點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)級(jí)別的控制監(jiān)測(cè)斷面。按照河流監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置原則、技術(shù)要求，通過(guò)實(shí)地考察和地理信息系統(tǒng)，充分考慮斷面采樣的可操作性，考察斷面定位是否落在河道順直、水流順暢、無(wú)邊灘心灘、無(wú)急流湍流、采樣及樣品運(yùn)輸方便處;同時(shí)利用完全混合模型對(duì)較大污染源帶進(jìn)行估算，使斷面布設(shè)于水質(zhì)混合均勻處，避開(kāi)附近的污染源和直接排放口等因素［14］。運(yùn)用GIS技術(shù)將監(jiān)測(cè)斷面空間定位，輸出的結(jié)果可視化。

建溪流域原設(shè)置14個(gè)省控?cái)嗝?，?yōu)化后省控?cái)嗝?9個(gè)，市控?cái)嗝?個(gè)，縣控?cái)嗝?2個(gè);對(duì)于省控?cái)嗝?，南浦溪新?個(gè)，分別位于浦城縣上游、富嶺溪河口上游、浦城縣茅洲村和建陽(yáng)市小湖鎮(zhèn)下游;麻陽(yáng)溪新增1個(gè)，位于建陽(yáng)市杜潭村，將建陽(yáng)西門電站斷面調(diào)整至上游考亭村;崇陽(yáng)溪增1個(gè)，位于武夷山市上游;因局部污染源，將水東大橋斷面調(diào)整至上游陳墩村;九曲溪將省控?cái)嗝嬲{(diào)整為市控?cái)嗝妗?/p>

富屯溪流域原設(shè)置8個(gè)省控?cái)嗝妫瑑?yōu)化后省控?cái)嗝鏋?7個(gè)，市控?cái)嗝?個(gè)，縣控?cái)嗝?4個(gè);對(duì)于省控?cái)嗝?，杉溪新?個(gè)，分別位于泰寧縣上游約5km和泰寧縣下游約3km;金溪新增4個(gè)，分別位于將樂(lè)縣積善村、將樂(lè)縣乾灘村、泰寧縣梅口村和建寧縣水西村;富屯溪干流新增4個(gè)，分別位于邵武市下游、順昌縣上游、順昌縣上鳳村和金溪河口上游。將邵武曬口溪橋斷面調(diào)整至下游吳家塘鎮(zhèn)，浪石斷面調(diào)整至峽陽(yáng)鎮(zhèn);取消邵武越王橋斷面。

沙溪流域原設(shè)置15個(gè)省控?cái)嗝妫瑑?yōu)化后省控?cái)嗝?6個(gè)，市控?cái)嗝?個(gè)，縣控?cái)嗝?個(gè);對(duì)于省控?cái)嗝?，沙溪干流新?個(gè)，位于沙縣茅坪村、永安市蝦蛤村和清流縣下游;羅口溪新增1個(gè)，位于清流縣田口村;將莘口斷面調(diào)整至荊西街道下游，永安洪田斷面調(diào)整至河口上游的吉山村;將沙縣東溪斷面調(diào)整為市控?cái)嗝?取消沙縣渡口和翁墩渡口斷面。

尤溪流域原設(shè)置2個(gè)省控?cái)嗝?，?yōu)化后省控?cái)嗝?個(gè)，市控?cái)嗝?個(gè)，縣控?cái)嗝?個(gè)。對(duì)于省控?cái)嗝妫慕略?個(gè)，位于大田縣大中村;尤溪干流新增3個(gè)，分別位于尤溪縣西濱鎮(zhèn)、尤溪縣埔頭村和尤溪縣蔣坑村。大樟溪流域原設(shè)置3個(gè)省控?cái)嗝?，?yōu)化后省控?cái)嗝?個(gè)，市控?cái)嗝?個(gè)，縣控?cái)嗝?個(gè)。對(duì)于省控?cái)嗝?，大樟溪干流新?個(gè)，位于永泰縣富泉鄉(xiāng)。

2.4 確定斷面的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和頻率

河流斷面的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和頻率應(yīng)依據(jù)不同的水文地質(zhì)條件，結(jié)合當(dāng)?shù)匚廴驹?、污染物排放?shí)際情況，力求以最低的采樣頻次，取得最有時(shí)間代表性的樣品，達(dá)到全面反映區(qū)域水質(zhì)狀況、污染原因和規(guī)律的目的。即明確不同控制級(jí)別監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)目的和監(jiān)測(cè)要求，省控?cái)嗝嬷塾诜从澈恿鞯恼w水質(zhì)情況和監(jiān)控重要敏感目標(biāo)水質(zhì);市控?cái)嗝鎽?yīng)監(jiān)控重要污染源排放情況和當(dāng)?shù)刂饕|(zhì)敏感目標(biāo);縣控?cái)嗝鎽?yīng)貼近當(dāng)?shù)鼐用裆?、以服?wù)基層環(huán)境管理工作為主要目標(biāo)。

(1)省控?cái)嗝?監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 (GB3838－2002)表1的基本項(xiàng)目 (24項(xiàng)，含總氮)。感潮河段加測(cè)鹽度，入海河口加測(cè)鹽度、硝酸鹽、亞硝酸鹽。監(jiān)測(cè)頻率為重點(diǎn)斷面(含國(guó)控?cái)嗝?每月監(jiān)測(cè)1次，其它省控?cái)嗝娣陠卧卤O(jiān)測(cè)1次。

(2)市控?cái)嗝?基本必測(cè)項(xiàng)目為pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、五日生化需氧量、氨氮、總磷等6項(xiàng);特征污染物閩江梅溪加測(cè)揮發(fā)酚，曬口溪加測(cè)氟化物，仁壽溪加測(cè)氰化物;其他河流根據(jù)具體情況加測(cè)特殊污染物。監(jiān)測(cè)頻率為每年監(jiān)測(cè)4次，時(shí)間為3月、5月、7月、11月。

(3)縣控?cái)嗝?基本必測(cè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為pH值、溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮等4項(xiàng)，各河流根據(jù)具體情況加測(cè)特殊污染物。監(jiān)測(cè)頻率:每年監(jiān)測(cè)2次，時(shí)間為5月、11月。

3 結(jié)論

(1)河流分段優(yōu)化法適用于區(qū)域地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化，具有監(jiān)測(cè)斷面分級(jí)管理、分類分段有序優(yōu)化、監(jiān)測(cè)斷面與監(jiān)測(cè)頻率同時(shí)優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)。

(2)通過(guò)河流分段法，按照斷面優(yōu)選原則，綜合考慮各種因素。本研究在福建省閩江流域共設(shè)置168個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中省控?cái)嗝?7個(gè)、市控?cái)嗝?9個(gè)、縣控?cái)嗝?2個(gè)。不同級(jí)別的斷面對(duì)應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和頻率，并充分考慮地域的差異性。

(3)將GIS運(yùn)用到地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)中，將含有流域自然和人文屬性的圖層、含有水系信息的圖層與含有斷面屬性的圖層疊加分析，將監(jiān)測(cè)斷面空間定位，輸出的結(jié)果可視化。

［1］丁衛(wèi)東，王中平，趙穎，等.水質(zhì)分段法優(yōu)化河流監(jiān)測(cè)斷面及其在水功能區(qū)達(dá)標(biāo)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 ［J］.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2005，21(6):4－7.

［2］王中平，孟西林，霍清廣，等.河南省地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化的原則及其運(yùn)用［J］.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2003，19(5):15－18.

［3］吳文強(qiáng)，陳求穩(wěn)，李基明，等.江河水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化布設(shè)方法 ［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30(8):1537－1542.

［4］Hunt C，Rust S，Sinnott L.Application of statistical modeling to optimize a coastal water quality monitoring p rogram［J］.Environmental Monitoring and Assessment，2008，137(1):505 －522.

［5］馬飛，蔣莉.河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化設(shè)置研究—以南運(yùn)河為例［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2006，31(8):171－172.

［6］Macdonald D D，Clark M J R，Whitfield P H，et al.Designing monitoring programs for water quality based on experience in Canada I.Theory and framework ［J］.TrAC Trends in Analytical Chemistry，2009，28(2):204－213.

［7］Strobl R，Robillard P，Day R，et al.A water quality monitoring network design methodology for the selection of critical sampling points:Part II ［J］.Environmental Monitoring and Assessment，2006，122(1):319－334.

［8］Chilundo M，Kelderman P，Okeeffe J H.Design of a water quality monitoring network for the Limpopo River Basin in Mozambique［J］.Physics and Chemistry of the Earth，PartsA/B/C，2008，33(8213):655－665.

［9］高明慧.用物元分析進(jìn)行水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)的研究 ［J］.環(huán)境科學(xué)進(jìn)展，1997，5(3):77－81.

［10］Telci I T，Nam K，Guan J，et al.Optimal water quality monitoring network design for river systems［J］.Journal of Environmental Management，2009，90(10):2987 －2998.

［11］肖中新.安徽省轄淮河流域省控地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位優(yōu)化研究［D］.安徽:合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

［12］董超.山東省河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化布點(diǎn)［D］.山東:山東大學(xué)，2004.

［13］福建省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站.福建省環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(shū) (2006年－2010年)［R］.2011.

［14］國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范 ［M］.北京:環(huán)境科學(xué)出版社，2003.