張欣煬，于保起，李賀

（東南大學(xué)，江蘇 南京 211189）

0 引言

生態(tài)引領(lǐng)區(qū)（宜興市）位于太湖流域西側(cè)，囊括了多個(gè)水生態(tài)功能分區(qū)，各區(qū)有著不同的生態(tài)保護(hù)目標(biāo)和水質(zhì)目標(biāo)。為了滿足各區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的需求，本研究在功能分區(qū)的基礎(chǔ)上對(duì)引領(lǐng)區(qū)內(nèi)水生態(tài)環(huán)境進(jìn)行布點(diǎn)、監(jiān)測(cè)，運(yùn)用貼近度法優(yōu)化點(diǎn)位布置，最終形成了較為完善的生態(tài)引領(lǐng)區(qū)（宜興市）水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)位布置

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布置原則

為了體現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置的代表性和科學(xué)性，現(xiàn)依據(jù)宜興地區(qū)河流分布，并結(jié)合已有的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位信息和宜興市水生態(tài)功能分區(qū)，制定以下布點(diǎn)原則：

（1）全面兼顧、重點(diǎn)突出。水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)應(yīng)該覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)各級(jí)水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)中的主要河流，并且為了突出區(qū)域內(nèi)不同研究水域的重要性，結(jié)合行政區(qū)劃實(shí)施疏密差別化布點(diǎn)。

（2）依托水質(zhì)，擴(kuò)展生態(tài)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)應(yīng)在現(xiàn)存各類水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)斷面的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究需要酌情增加典型點(diǎn)位，既充分結(jié)合已有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，又?jǐn)U大了監(jiān)測(cè)面，體現(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性和延續(xù)性。

（3）量體裁衣，科學(xué)可行。監(jiān)測(cè)網(wǎng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的數(shù)量和代表性應(yīng)能夠滿足水質(zhì)監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)分析的需要，盡可能全面地分析水質(zhì)狀況。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位圖

結(jié)合水生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布置原則，在宜興市生態(tài)引領(lǐng)區(qū)內(nèi)選取分散在7個(gè)水生態(tài)功能分區(qū)的63個(gè)重點(diǎn)斷面作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，分別進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。初步構(gòu)建的水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)基本覆蓋宜興市生態(tài)引領(lǐng)區(qū)內(nèi)河流流域，其中生態(tài)I級(jí)區(qū)5個(gè)、生態(tài)II級(jí)區(qū)10個(gè)、生態(tài)III級(jí)區(qū)48個(gè)。

2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)位優(yōu)化

依據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布置原則初步確定水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位后，按照研究區(qū)域內(nèi)平水期和枯水期獲取水質(zhì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)時(shí)間分別于2019年11月和2020年3月。在水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本文選擇貼近度法綜合評(píng)價(jià)分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水質(zhì)情況，并結(jié)合優(yōu)化原則提出點(diǎn)位優(yōu)化建議，最終獲得較為理想的水生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括水溫、pH值、透明度、溶解氧、總磷、總氮、氨氮、五日生化需氧量、電導(dǎo)率、懸浮物、葉綠素a等。

2.1 優(yōu)化原則

水生態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以反映所在河流多方面的水質(zhì)狀況。宜興市已有的監(jiān)測(cè)斷面以及依據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)布點(diǎn)原則新增的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位雖然具有一定的代表性，但較多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏針對(duì)性，大量的數(shù)據(jù)處理也增加了水生態(tài)健康分析的難度。另外，也要考慮行政區(qū)劃與流域的有機(jī)結(jié)合，盡量滿足行政區(qū)劃和流域管理的一致性和完整性，增強(qiáng)水質(zhì)檢測(cè)網(wǎng)的可操作性[1]。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的優(yōu)化原則包括以下幾個(gè)方面：

（1）盡量保留現(xiàn)有國控、省控水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面和水生態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。

（2）盡量保留位于市鎮(zhèn)交界處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。

（3）在不同水生態(tài)功能分區(qū)內(nèi)至少保留一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。

（4）同一水生態(tài)功能分區(qū)內(nèi)經(jīng)過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析后水生態(tài)狀況相似的點(diǎn)位至少保留一個(gè)。

在以上優(yōu)化原則的基礎(chǔ)上對(duì)初步制定的水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行優(yōu)化，保留具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，對(duì)宜興市水生態(tài)的健康評(píng)估具有重要意義。

2.2 貼近度法與步驟

監(jiān)測(cè)布點(diǎn)的優(yōu)化目標(biāo)在于以最少的點(diǎn)位客觀完整地反映區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境質(zhì)量。目前優(yōu)化水環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的方法較多且各有特色，包括物元分析法、模糊聚類法、主成分分析法、密切值法、最優(yōu)分割法等。本文利用貼近度法[2]對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行優(yōu)化，將多個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能夠綜合反映水質(zhì)的單指標(biāo)參數(shù)，對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，然后通過計(jì)算貼近度的大小對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行聚類,利用相似程度聚類后在各組中留取具有代表性的點(diǎn)位[3]，并用雙樣本t檢驗(yàn)法驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的合理性，得到優(yōu)化后水生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的最終方案。

2.2.1 建立樣本矩陣

將m-1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值點(diǎn)的n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)值，構(gòu)成初始樣本矩陣R0：

其中aij表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)i中評(píng)價(jià)指標(biāo)j的監(jiān)測(cè)值；amj是所取標(biāo)準(zhǔn)中指標(biāo)j的數(shù)值。將初始樣本矩陣歸一化處理后，用rij表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)i中評(píng)價(jià)指標(biāo)j的取值：

通過歸一化處理后得到樣本矩陣：

2.2.2 構(gòu)建“最優(yōu)點(diǎn)”和“最劣點(diǎn)”

“最優(yōu)點(diǎn)”和“最劣點(diǎn)”是由各監(jiān)測(cè)點(diǎn)每個(gè)指標(biāo)分別擇優(yōu)和擇劣后組合而成的，并非真實(shí)存在的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。水質(zhì)指標(biāo)作為一個(gè)負(fù)向指標(biāo)，其值越大表示水質(zhì)越差。因此，最優(yōu)點(diǎn)（rij）Y各水質(zhì)指標(biāo)數(shù)值由各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相應(yīng)指標(biāo)的最小值構(gòu)成，最劣點(diǎn)（rij）L則由相應(yīng)最大值構(gòu)成，即

最優(yōu)點(diǎn)：

最劣點(diǎn)：

2.2.3 計(jì)算各樣本點(diǎn)到“最優(yōu)點(diǎn)”和“最劣點(diǎn)”的距離

在該研究中假設(shè)各指標(biāo)權(quán)重一致，則監(jiān)測(cè)點(diǎn)i到“最優(yōu)點(diǎn)”的距離di-Y定義為

同理，對(duì)第i個(gè)樣本點(diǎn)到“最劣點(diǎn)”的距離為

式中：i=1,2,…,m。當(dāng)i=m時(shí)，dm-Y和dm-L表示標(biāo)準(zhǔn)值點(diǎn)與“最優(yōu)點(diǎn)”和“最劣點(diǎn)”的距離。

2.2.4 計(jì)算各樣本點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)值點(diǎn)的貼近度

綜合多個(gè)指標(biāo)評(píng)估河流水質(zhì)使得監(jiān)測(cè)樣本點(diǎn)水質(zhì)與“最優(yōu)點(diǎn)”和“最劣點(diǎn)”的關(guān)系并不絕對(duì)，因此將標(biāo)準(zhǔn)值點(diǎn)作為水質(zhì)參考點(diǎn)，計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位與標(biāo)準(zhǔn)值點(diǎn)的貼近度，作為綜合多指標(biāo)后的單指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)分析。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)i與標(biāo)準(zhǔn)值點(diǎn)m的貼近度為：

對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)i而言，Ui-m越接近1，表明樣本點(diǎn)的水質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)值越接近；Ui-m＞1表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)整體優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值點(diǎn)，Ui-m＜1則表示樣本點(diǎn)水質(zhì)整體劣于標(biāo)準(zhǔn)值點(diǎn)。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的貼近度值

根據(jù)宜興市水生態(tài)環(huán)境水質(zhì)污染特征，選取總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和五日生化需氧量作為分析指標(biāo)[4]，將《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中評(píng)價(jià)指標(biāo)的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)值作為標(biāo)準(zhǔn)值點(diǎn)的取值。根據(jù)貼進(jìn)度的分析過程，將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位在2019年11月和2020年3月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，分別進(jìn)行以下計(jì)算過程：建立初始樣本矩陣，進(jìn)行歸一化處理后得到樣本矩陣，篩選出各指標(biāo)數(shù)據(jù)的極值構(gòu)建樣本集的最優(yōu)點(diǎn)和最劣點(diǎn)，并計(jì)算各樣本點(diǎn)與之的距離，最后將標(biāo)準(zhǔn)值點(diǎn)作為參考點(diǎn)，計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的貼進(jìn)度，結(jié)果如表1所示。

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩次監(jiān)測(cè)結(jié)果的貼進(jìn)度值

續(xù)表

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的貼進(jìn)度結(jié)果顯示，只有Ⅱ-03生態(tài)功能區(qū)內(nèi)w11點(diǎn)位的貼近度平均值小于1，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)位所在斷面的水質(zhì)情況均優(yōu)于《國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）中評(píng)價(jià)指標(biāo)的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)值，其中43個(gè)點(diǎn)位平均值處于（1-2]區(qū)間，17個(gè)點(diǎn)位處于（2-3]區(qū)間，w1和w5水質(zhì)明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值，貼進(jìn)度平均值分別為4.36和5.27。

2.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位優(yōu)化

在相同區(qū)域的點(diǎn)位中，貼近度值的相近表明斷面的綜合水質(zhì)情況基本相似。通過比較點(diǎn)位的區(qū)域分布和貼近度值，發(fā)現(xiàn)初布的水生態(tài)檢測(cè)網(wǎng)中相似的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位共有9組，其對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)位置、貼近度以及根據(jù)優(yōu)化原則進(jìn)行優(yōu)化后的結(jié)果如表2所示。

表2 相似監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的信息及優(yōu)化結(jié)果

表3 相似點(diǎn)位標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)和顯著性結(jié)果

最終優(yōu)化結(jié)果由原來63個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位縮減至54個(gè)，根據(jù)優(yōu)化原則調(diào)整后的水生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)在科學(xué)性、代表性上仍滿足監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布置原則。

3 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

為了判斷監(jiān)測(cè)點(diǎn)位優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，將相似點(diǎn)位的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，采用雙樣本t檢驗(yàn)法進(jìn)行驗(yàn)證[5]。該驗(yàn)證方法反映出相似點(diǎn)位各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果是否具有一致性，若差異性不明顯，說明可以取消優(yōu)化結(jié)果中刪除點(diǎn)位的設(shè)置，使用保留點(diǎn)位作為區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)斷面。各組監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果和雙樣本t檢驗(yàn)法的顯著性結(jié)果如表3所示。

雙樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示，按α=0.05水準(zhǔn)，刪除的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位水質(zhì)狀況與保留點(diǎn)位無顯著性差異，表明根據(jù)優(yōu)化原則得出的優(yōu)化結(jié)果是合理的。

4 結(jié)論

本研究為恢復(fù)和改善宜興市生態(tài)引領(lǐng)區(qū)的水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，在宜興市水生態(tài)功能分區(qū)的基礎(chǔ)上對(duì)宜興市水生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行布點(diǎn)，并通過分析初布點(diǎn)位兩次水質(zhì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，選取總磷、總氮、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)和五日生化需氧量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用貼近度法評(píng)價(jià)了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)情況，分析了調(diào)整部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的合理性，并根據(jù)點(diǎn)位優(yōu)化原則針對(duì)初設(shè)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行優(yōu)化以及針對(duì)優(yōu)化結(jié)果的驗(yàn)證，最終將初步設(shè)立的63個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位縮減至54個(gè)，增加了水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的科學(xué)性和代表性。