秦 成，劉 浩，劉 念

重慶市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,重慶 401147

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站能夠連續(xù)、實(shí)時(shí)、全天候地對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，節(jié)省大量人力和時(shí)間，并且能及時(shí)預(yù)警和防范水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，是地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)和方向[1-3]。目前，國(guó)家考核地表水環(huán)境質(zhì)量的手工監(jiān)測(cè)斷面位置已經(jīng)確定，后續(xù)水質(zhì)自動(dòng)站建設(shè)是國(guó)家地表水監(jiān)測(cè)事權(quán)上收的重要內(nèi)容，是進(jìn)一步提高地表水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量、厘清水環(huán)境保護(hù)責(zé)任、推動(dòng)水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善的重要舉措。國(guó)家高度重視水質(zhì)自動(dòng)站的建設(shè),2017年以來(lái)原環(huán)境保護(hù)部下發(fā)[2017]70號(hào)、[2017]1 762號(hào)文件推進(jìn)水質(zhì)自動(dòng)站建設(shè)相關(guān)工作。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水質(zhì)自動(dòng)站也展開(kāi)了大量研究，但成果主要集中在運(yùn)營(yíng)管理[4-5]、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量保證[6]、系統(tǒng)集成[7]等方面，對(duì)自動(dòng)站選址的系統(tǒng)研究較少。

水質(zhì)自動(dòng)站建設(shè)的首要前提是選址，但由于影響選址的因素眾多，加之這些因素以定性指標(biāo)居多，因此，目前缺少能夠?qū)λ|(zhì)自動(dòng)站選址適宜性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的方法，造成各地在水質(zhì)自動(dòng)站建設(shè)過(guò)程中缺乏科學(xué)的選址依據(jù)和方法，影響工作進(jìn)度。

現(xiàn)階段，環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域已有的關(guān)于選址評(píng)價(jià)問(wèn)題主要集中在大氣污染物監(jiān)測(cè)布點(diǎn)選址[8-9]、水源地選址[10-11]、排污口選址[12-13]等方面。評(píng)價(jià)方法多樣化(如層次分析法[14-15]、多目標(biāo)規(guī)劃[16]、理想解法[17-18]、模糊綜合評(píng)價(jià)[19-20]等都得到較好的應(yīng)用)。

上述相關(guān)成果的研究思路和方法可為水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站選址適宜性評(píng)價(jià)提供參考。

1 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站選址適宜性分析

1.1 選址原則

為保證自動(dòng)站水質(zhì)的代表性、點(diǎn)位的長(zhǎng)期性，以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站選址需遵循下列原則。

1)一致性原則。擬建地點(diǎn)與手工考核斷面位置原則上應(yīng)該保持一致，以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

2)可行性原則。手工考核斷面現(xiàn)場(chǎng)確不具備建站條件的，需要關(guān)注擬建站位置處與手工斷面處有無(wú)水質(zhì)類(lèi)別差異；有無(wú)支流、排污口匯入；距離是否合適等以保證擬建站位置的可行性。

3)適宜性原則。水質(zhì)自動(dòng)站的選址，可行是前提，但由于不同位置水文條件、污染源情況、土地利用和供水供電條件差異造成建站成本和運(yùn)維條件不同，因此在選址可行的基礎(chǔ)上需要重點(diǎn)關(guān)注選址適宜性。

1.2 適宜性的概念

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站選址首先應(yīng)考慮選址的可行性。當(dāng)原本手工監(jiān)測(cè)斷面位置處具備建站條件，則此處建站必然是可行的，也是首選的；但由于地形、水文以及社會(huì)等因素造成手工考核斷面現(xiàn)場(chǎng)確不具備建站條件的，需要在手工監(jiān)測(cè)斷面上下游一定距離內(nèi)另外選址，只有與手工斷面處水質(zhì)差異小、無(wú)支流匯入、距離不遠(yuǎn)的擬建站位置才是可行的。

可行的選址方案往往不止一個(gè)，這就需要找出最適宜的方案，即對(duì)各可行方案進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，選擇其中最適宜位置作為自動(dòng)站的選址處。適宜性體現(xiàn)在選址處的水文條件、采水條件、外界保障條件等較為理想。因此，適宜性的概念可歸結(jié)為可行的選址方案中水文條件、采水條件和外界保障等因素的理想程度。據(jù)此概念，河流水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站選址適宜性評(píng)價(jià)流程見(jiàn)圖1。

圖1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)站選址適宜性評(píng)價(jià)流程Fig.1 The evaluation process of location suitability of water quality automatic monitoring station

1.3 適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)水質(zhì)自動(dòng)站選址評(píng)價(jià)所涉及的因素具有定性和定量相結(jié)合的特點(diǎn),筆者利用廣泛應(yīng)用于多目標(biāo)決策的層次分析法(AHP)作為構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的方法。

1.3.1 選址可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)

當(dāng)自動(dòng)站選址與手工監(jiān)測(cè)斷面位置不一致時(shí)，首先需要考慮選址位置的水質(zhì)情況與以往手工斷面的差別，若差異較大則不能正確反映考核斷面的水質(zhì)情況，所選位置是不可行的；其次若選址位置與以往手工斷面位置之間有較大支流匯入，使2處水文情勢(shì)發(fā)生變化，必然造成2處的水質(zhì)差異，則這樣的選址位置也是不可行的；最后，若選址位置與以往手工斷面距離相差太遠(yuǎn)，受河流的自?xún)糇饔?、沿岸的污染?fù)荷造成2處水質(zhì)差異，則這樣的選址位置同樣不可行?；诖?，構(gòu)建選址可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)及其賦值見(jiàn)表1。

表1 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站選址可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 1 The evaluation index for location feasibility of water quality automatic monitoring station

1.3.2 選址適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)

選址適宜性評(píng)價(jià)的目的是從選址處水文條件、建站成本、日常運(yùn)維和管理等方面來(lái)確定某一可行方案的適宜程度。結(jié)合水質(zhì)自動(dòng)站建設(shè)要求，利用層次分析法構(gòu)建選址適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)，見(jiàn)表2。

表2 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站選址適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 The evaluation index for location suitability of water quality automatic monitoring station

為保證能采集到代表性樣品，水站選址要充分考慮采水處河道水文條件，優(yōu)先選擇常年水深比較穩(wěn)定，豐、枯水季節(jié)河道擺幅較小河段。并考慮流速、最小水深以便于采水設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)，保證采水安全。

采水口處要有良好的水力交換條件(由好到差分別賦值0.25、0.5、0.75、1)，周邊無(wú)明顯污染源(污染源情況按無(wú)、零星、少量、較多分別賦值0.25、0.5、0.75、1)。一般應(yīng)設(shè)在沖刷岸，在不影響航道運(yùn)行的前提下盡量靠近主航道，取水點(diǎn)應(yīng)防止底質(zhì)淤泥對(duì)采水水質(zhì)的影響(由好到差分別賦值0.25、0.5、0.75、1)。同時(shí)采水點(diǎn)與水站站址距離不宜過(guò)遠(yuǎn)，以便于鋪設(shè)管線(xiàn)和安裝管線(xiàn)保溫設(shè)施；與手工斷面距離遵循就近原則，以保證數(shù)據(jù)的可比性和連續(xù)性。

考慮水站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和日常運(yùn)行管理需求，還需關(guān)注站址處土地、交通、通訊、電力、自來(lái)水或自備井等條件要便于獲得。根據(jù)其獲得難易程度(已有、容易獲得、較易獲得和不易獲得)分別賦值0.25、0.5、0.75、1。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 一致性判斷

為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，首選建站地點(diǎn)應(yīng)與手工斷面位置一致。若手工斷面位置處具備建站條件，則直接以此為選址地點(diǎn)；否則，需要在手工斷面上下游另外選址并進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)。

2.2 可行性評(píng)價(jià)

選址可行性評(píng)價(jià)結(jié)果只有可行與不可行。結(jié)合可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出可行性指數(shù)公式為

(1)

式中：Xi為第i個(gè)可行性評(píng)價(jià)指標(biāo)，取值為0，1；n為指標(biāo)數(shù)量。F=1，說(shuō)明選址可行，可進(jìn)入適宜性評(píng)價(jià)；F=0，選址不可行，需重新選址。

2.3 適宜性評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)處理選址適宜性評(píng)價(jià)這樣多因素、多層次的復(fù)雜問(wèn)題效果較好，并具有模型簡(jiǎn)單，容易掌握等優(yōu)點(diǎn)。筆者提出用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行選址適宜性評(píng)價(jià)，步驟如下：

建立評(píng)價(jià)因子集(U)。適宜性評(píng)價(jià)具體由15個(gè)評(píng)價(jià)因子構(gòu)成，見(jiàn)表2。

U={I1,I2，…，Ij}

式中：Ij為第j個(gè)適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

建立評(píng)價(jià)集(V)。參考其他類(lèi)似選址評(píng)價(jià)問(wèn)題，劃分水質(zhì)自動(dòng)站選址適宜性評(píng)價(jià)集:V={高度適宜(Ⅰ)，中度適宜(Ⅱ)，較不適宜(Ⅲ)，不適宜(Ⅳ)}。按環(huán)辦監(jiān)測(cè)函[2017]1 762號(hào)文件提出的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，結(jié)合實(shí)際調(diào)查資料分析，將15個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行分級(jí)，見(jiàn)表2。

隸屬函數(shù)確定。模糊綜合評(píng)判的關(guān)鍵是因子隸屬度的確定，通過(guò)建立隸屬函數(shù)，代入指標(biāo)值計(jì)算隸屬度。基于指標(biāo)數(shù)據(jù)的分布特征，借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，建立“梯形分布”函數(shù)，其公式如下:

式中：x為評(píng)價(jià)指標(biāo)值，s1、s2、s3為表2中的各指標(biāo)分界值，r1、r2、r3、r4為指標(biāo)對(duì)應(yīng)各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。

權(quán)重確定。采用AHP法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 選址適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 3 The evaluation index weight of location suitability of water quality automatic monitoring station

模糊綜合評(píng)價(jià)。隸屬函數(shù)(f)可以看作是從U～V的模糊映射，通過(guò)映射推導(dǎo)出模糊矩陣R=(rjk)m×p，0≤rjk≤1。式中:rjk表示U中因子Ij對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集V中等級(jí)vk的隸屬度;m為因子數(shù)量，p為評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)量。U中的每一個(gè)因子Ij對(duì)應(yīng)權(quán)重構(gòu)成集合A={a1，a2，…，am}，則可確定U～V的模糊變換B=A.R。記B={b1，b2，…，bp}，其中bk表示被評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)應(yīng)等級(jí)vk的隸屬度。根據(jù)最大隸屬原則，如果:bk0=max{bk: 1≤k≤p}，則等級(jí)vk0就是最終評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)應(yīng)的等級(jí)。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 概況

梅溪河羅漢大橋國(guó)考斷面為重慶考核奉節(jié)縣斷面，屬長(zhǎng)江-梅溪河水系，上游無(wú)國(guó)考斷面，下游為國(guó)考長(zhǎng)江干流-白帝城斷面。斷面控制奉節(jié)、云陽(yáng)、巫溪境內(nèi)梅溪河羅漢大橋以上流域。

由于羅漢大橋國(guó)考斷面所在位置左岸為陡坡，右岸為不穩(wěn)定河岸，同時(shí)考慮洪水的影響，擬將水質(zhì)自動(dòng)站選址確定于國(guó)考斷面下游150 m的已拆除養(yǎng)殖場(chǎng)空地。由于選址與手工斷面不一致，需對(duì)該選址進(jìn)行可行性評(píng)價(jià)和適宜性評(píng)價(jià)。

3.2 可行性評(píng)價(jià)

2017年12月1—5日對(duì)水質(zhì)自動(dòng)站采水口和國(guó)考斷面水質(zhì)開(kāi)展比對(duì)監(jiān)測(cè)，比對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4?？芍尚行栽u(píng)價(jià)指標(biāo)X1～X6取值為1，同時(shí)，選址位置與手工斷面間無(wú)較大支流匯入、無(wú)排污口，且距離小于10 km,因此，X7～X9取值也為1。則可行性指數(shù)F=1,即此選址可行。

表4 自動(dòng)站采水口和手工斷面水質(zhì)對(duì)比及賦值表Table 4 Comparison with the water quality of automatic station and manual monitoring section

3.3 適宜性評(píng)價(jià)

選址處平均流速為1.02 m/s，水位落差為12 m，水深為1～2 m，河道擺幅<5 m;采水口離岸距離為7.5 m,位于沖刷岸水下0.5～1 m，水力條件好，周邊無(wú)污染源，與站址距離25 m，與手工斷面距離150 m。交通利用已有道路，從距離150 m處農(nóng)戶(hù)處接入電源、自來(lái)水，并可接入光纖網(wǎng)絡(luò)，可直接利用原養(yǎng)殖場(chǎng)經(jīng)營(yíng)者挖掘后的場(chǎng)坪，土建工作量小。

將上述各指標(biāo)值帶入適宜性評(píng)價(jià)計(jì)算公式中，模糊合成結(jié)果:B=(0.650 4，0.139 9，0.209 7，0)，此選址評(píng)價(jià)結(jié)果屬于高度適宜(Ⅰ)。

4 結(jié)論

自動(dòng)站選址應(yīng)考慮一致性、可行性和適宜性，三者遞進(jìn)，前者是后者的基礎(chǔ)，后者是前者的深入。運(yùn)用AHP模型構(gòu)建自動(dòng)站選址可行性、適宜性評(píng)價(jià)2套指標(biāo)，較好地表達(dá)了水質(zhì)自動(dòng)站選址能否科學(xué)、客觀(guān)、經(jīng)濟(jì)地反映斷面水質(zhì)情況。以自動(dòng)站選址與手工斷面不一致為前提，采用累乘法判斷選址可行性，在可行的基礎(chǔ)上利用模糊綜合評(píng)價(jià)法、層次分析法進(jìn)行選址的適宜性評(píng)價(jià)，使選址問(wèn)題邏輯性更強(qiáng)，實(shí)用性更高。

羅漢大橋水質(zhì)自動(dòng)站選址適宜性評(píng)價(jià)表明此選址方法可行，并且具有較高適宜性。