陳 昊，盧士強(qiáng)，邵一平，楊漪帆，劉 揚(yáng)

(1.同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200135)

1 引言

在人民群眾對水環(huán)境質(zhì)量的需求尚未滿足的背景下，對水環(huán)境質(zhì)量的精細(xì)化管理提出了更高的要求，而水質(zhì)監(jiān)測的能力提升是水環(huán)境質(zhì)量高效管理的基礎(chǔ)。長期以來，國家及各地市級的水利系統(tǒng)與環(huán)保系統(tǒng)分別構(gòu)建了針對管理目標(biāo)的區(qū)域河湖水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測體系并開展了長時間序列的水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測[1]。在2018年3月第十三屆全國人民代表大會第一次會議批準(zhǔn)的國務(wù)院機(jī)構(gòu)改革方案實(shí)施后，水功能區(qū)管理職責(zé)由水利部轉(zhuǎn)隸至生態(tài)環(huán)境部，與地表水環(huán)境質(zhì)量結(jié)合管理[2]。上海市的水務(wù)系統(tǒng)水功能區(qū)等河湖水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)的地表水環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)，在近年來都得到了快速建設(shè)和發(fā)展，在2018年水功能區(qū)管理整合至生態(tài)環(huán)境部后，兩套水質(zhì)監(jiān)測體系在逐步合并同步監(jiān)測的過程中，發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)位重疊、點(diǎn)位臨近等問題。

為了兼顧現(xiàn)有水功能區(qū)劃職責(zé)由水利部門轉(zhuǎn)隸至生態(tài)環(huán)境部門，結(jié)合目前河長制管理需求不斷強(qiáng)化的趨勢，同時由于上海市的中小河道水質(zhì)監(jiān)管治理也是后續(xù)上海市重點(diǎn)關(guān)注的方向[3]，因此，在原有兩套水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測體系的基礎(chǔ)上，有必要結(jié)合前述需求，研究探索現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)的優(yōu)化方法，提出監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)完善的思路。

2 材料與方法

2.1 河流概況

上海市位于長江入海口處，處于太湖流域下游，域內(nèi)江湖河網(wǎng)密布，港汊縱橫交錯，主要包括有黃浦江、蘇州河、吳淞江等水系[4]。根據(jù)2019年上海市河道(湖泊)報告統(tǒng)計，上海市共有河道(湖泊)47332條(個)，河道湖泊面積632.79 km2，河湖水面率達(dá)到9.98%，河網(wǎng)密度4.71 km/km2。其中市管河道31條，長853.88 km，市管湖泊2個，面積48.27 km2；區(qū)管河道515條，長2931.78 km，區(qū)管湖泊19個，面積21.43 km2；鎮(zhèn)管河道2655條，長6524.13 km，鎮(zhèn)管湖泊20個，面積3.04 km2；村級河道39045條，長達(dá)18452.95 km。除此以外，上海市有小微水體共計51898個，面積達(dá)到68.69 km2(表1)。

表1 上海市各等級河道(湖泊)情況統(tǒng)計表

2.2 監(jiān)測站網(wǎng)概況

上海市河湖水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)經(jīng)過多年發(fā)展，逐步形成了分別以水務(wù)系統(tǒng)和環(huán)保系統(tǒng)為主線的對重要江河湖泊水功能區(qū)管理、全市主要河流水質(zhì)狀況評價、中小河道綜合治理、城市黑臭水體的消黑除劣攻堅戰(zhàn)、全市水污染防治行動計劃推進(jìn)、飲用水水源地監(jiān)管、出入境河流水質(zhì)監(jiān)測等多套上海市水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測站網(wǎng)體系。

上海市全國重要江河湖泊水功能區(qū)共計117個，設(shè)置監(jiān)測斷面217個，上海市與江浙省界河流93條，設(shè)置監(jiān)測斷面26個，上海市中小河道綜合治理河流共計1864條段，設(shè)置斷面1918個，水污染防治行動計劃實(shí)施方案中明確全市國市考水質(zhì)監(jiān)測斷面259個，另外區(qū)界斷面生態(tài)環(huán)境部門設(shè)置51個，水務(wù)部門設(shè)置7個。通過初步合并規(guī)整，將水務(wù)系統(tǒng)及生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的所有鎮(zhèn)級以上河流監(jiān)測斷面進(jìn)行合并，最終形成全市4016個鎮(zhèn)級以上河流水質(zhì)監(jiān)測斷面。

不同監(jiān)測斷面的設(shè)置和監(jiān)測體系的構(gòu)建滿足了各方面行政管理和污染治理等需求，然而，不同的監(jiān)測體系間存在較多差異，包括行政管理部門的不同，監(jiān)測因子、監(jiān)測頻次、分析方法等監(jiān)測需求的不同，管理目標(biāo)和要求的不同等。這些不同監(jiān)測體系間的差異，帶來了同一點(diǎn)位的監(jiān)測斷面重復(fù)監(jiān)測、同一河流上下游監(jiān)測斷面水質(zhì)趨同、相交河流點(diǎn)位距離較近等問題，監(jiān)測站網(wǎng)的優(yōu)化完善存在較大空間。

2.3 優(yōu)化思路

2.3.1 相鄰斷面合理性分析

利用QGIS中distance matrix矢量分析工具，計算各點(diǎn)間直線距離的距離矩陣，保留相鄰斷面中等級較高河道的監(jiān)測斷面，同等級監(jiān)測斷面保留監(jiān)測數(shù)據(jù)更全面的斷面[5]，以此進(jìn)行相鄰斷面的合理性分析和斷面優(yōu)化。

2.3.2 斷面水質(zhì)相關(guān)性分析

利用斯皮爾曼Spearman相關(guān)系數(shù)，計算相鄰斷面間的水質(zhì)相關(guān)系數(shù)，同時判斷溶解氧、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮和總磷4項指標(biāo)的相關(guān)性，并進(jìn)行相關(guān)系數(shù)累加比較[6]，以此篩選水質(zhì)存在較大相關(guān)性的相鄰斷面，作為斷面優(yōu)化的篩選條件。

2.4 統(tǒng)計方法

斯皮爾曼Spearman相關(guān)系數(shù)被定義成等級變量之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)。Spearman秩相關(guān)可用等級相關(guān)系數(shù)rs來說明變量間的直線相關(guān)關(guān)系的密切程度與相關(guān)方向[7]。其基本思想是將n對觀察值Xi、Yi(i=1，2，…，n)分別由小到大編秩，Pi表示Xi的秩，Qi表示Yi的秩，di=Pi-Qi表示X、Y兩變量秩排列的一致性情況，對于樣本容量為n的樣本，n個原始數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成等級數(shù)據(jù)，相關(guān)系數(shù)ρ為：

(1)

3 結(jié)果與分析

3.1 距離計算

將全市鎮(zhèn)級以上河道4016斷面根據(jù)經(jīng)緯度信息導(dǎo)入QGIS地理信息系統(tǒng)，利用矢量分析工具distance matrix對各斷面間相互距離一一進(jìn)行計算，設(shè)置計算每個斷面最近距離的3個斷面，共獲得20238組距離數(shù)據(jù)。進(jìn)一步對其中重復(fù)值進(jìn)行篩選，獲得12266組斷面間距數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 QGIS距離矩陣distance matrix 設(shè)置及輸出結(jié)果

3.2 距離篩選

根據(jù)12266組斷面間距離進(jìn)行統(tǒng)計，整體呈正態(tài)分布，如下圖2。其中，間距范圍在1000～2000 m有6591組，占總體組數(shù)的53.7%，其次為500～1000 m間距范圍的斷面有3206組，占整體26.1%，2000～3000 m間距范圍的斷面有1205組，占9.8%，100～500 m間距范圍的斷面有921組，占整體的7.5%。上述4個范圍段即100～3000 m間距范圍的斷面占整體的97%。

除此以外，完全重合的斷面有19組，即19個斷面為重復(fù)設(shè)置斷面，間距在0～10 m的斷面有45組，10～100 m范圍的斷面有92組(表2、圖2)。

表2 斷面間距計算結(jié)果分布范圍

圖2 斷面間距分布情況

3.3 斷面間相關(guān)性分析

利用RStudio軟件中相關(guān)系數(shù)計算函數(shù)cor()，逐一計算前述12266組斷面間月度水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(溶解氧DO、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、氨氮NH3-N、總磷TP)相關(guān)性，形成每組斷面間水質(zhì)監(jiān)測因子相關(guān)系數(shù)矩陣。將四項因子相關(guān)系數(shù)進(jìn)行加和，得到每組斷面組的相關(guān)系數(shù)加和數(shù)(表3、圖3)。

表3 相鄰斷面的相關(guān)系數(shù)計算(部分)

圖3 Rstudio處理語句示意

統(tǒng)計12266組相鄰斷面組，有效組數(shù)11884組，另有382組因兩個斷面有1個以上斷面月度監(jiān)測數(shù)少于7個月，主要原因包括施工停測、斷面調(diào)整等，不納入本次斷面優(yōu)化調(diào)整考慮范圍。在11884組相鄰斷面組中，參考各項因子相關(guān)系數(shù)為0、0～0.5、0.5～0.6、0.6～0.7、0.7～0.8、0.8～0.9、0.9～1、1以及<0共計9個梯度，將各因子相關(guān)系數(shù)總和范圍劃分為0、0～2、2～2.4、2.4～2.8、2.8～3.2、3.2～3.6、3.6～4、4以及<0同樣9個組別進(jìn)行統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果可以看出，相關(guān)系數(shù)總和在3.6以上的斷面組數(shù)達(dá)到51組，相關(guān)系數(shù)總和在3.2～3.6的斷面組數(shù)為453組，為同組兩個斷面存在強(qiáng)相關(guān)性組別，建議進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

同時，從斷面間距離范圍的角度分析，有18組斷面位置完全重復(fù)、45組斷面間距在10 m以內(nèi)，多數(shù)為同一斷面不同監(jiān)測部門進(jìn)行監(jiān)測，盡管部分?jǐn)嗝嫦嚓P(guān)系數(shù)不高，同樣進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整(表4、圖4)。

表4 各因子相關(guān)系數(shù)綜合范圍組數(shù)情況

圖4 各相鄰斷面組間距范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)總和比例

3.4 斷面優(yōu)化過程

基于上述相關(guān)性分析及斷面間距統(tǒng)計，確定斷面優(yōu)化范圍的選取原則，斷面優(yōu)化范圍主要考慮各斷面間相鄰距離和水質(zhì)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)，具體如下。

(1)間距為0的兩個斷面，即為同一位置的兩個斷面，多為不同監(jiān)測部門對同一點(diǎn)位的重復(fù)監(jiān)測，建議進(jìn)行優(yōu)化。

(2)間距為0～10 m的兩個斷面，若為同一河流，多為不同監(jiān)測部門對同一河流點(diǎn)位的重復(fù)監(jiān)測，建議進(jìn)行優(yōu)化。

(3)相關(guān)系數(shù)總和大于3.2的兩個相鄰斷面組。

在此基礎(chǔ)上，篩選出需優(yōu)化的斷面組別，進(jìn)一步按照河道管理等級、監(jiān)測頻次、水質(zhì)狀況為原則進(jìn)行優(yōu)化[8]。具體判斷邏輯如下。

(1)判斷河道管理等級，河道管理等級基于河道長度、寬度、所涉及行政區(qū)域等確定，因此，在河道管理等級不同的斷面組別中，保留河道管理等級較高的斷面。

(2)若相鄰斷面組中河道管理等級一致，則進(jìn)一步判斷河道監(jiān)測頻次，監(jiān)測頻次較高的斷面可認(rèn)為具有更多歷史數(shù)據(jù)，并往往具有更好的采樣監(jiān)測條件，因此，若河道管理等級相同則保留年度監(jiān)測頻次更高的斷面。

(3)當(dāng)兩個相鄰斷面的河道管理等級相同且監(jiān)測頻次一致的情況下，保留年均值水質(zhì)較差的斷面，以上海市主要水質(zhì)超標(biāo)因子氨氮、總磷為參考因子，分別比較兩個斷面氨氮年均值之差與所有斷面氨氮年均值的比值，以及兩個斷面總磷年均值之差與所有斷面總磷年均值的比值，以兩個比值的絕對值相對大值來判斷兩個斷面的相對水質(zhì)優(yōu)劣[9]。

3.5 斷面優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)斷面優(yōu)化的選定范圍及篩選原則，共選定符合優(yōu)化范圍的相鄰斷面組共570組，按照篩選原則進(jìn)行優(yōu)化后，共選定439個斷面予以優(yōu)化，其中，依據(jù)河道等級予以取舍的斷面72個，依據(jù)監(jiān)測頻次予以取舍的斷面34個，依據(jù)水質(zhì)優(yōu)劣程度進(jìn)行取舍的斷面333個(表5)。

表5 建議優(yōu)化斷面調(diào)整依據(jù)統(tǒng)計

將相鄰斷面按照水體(是否同一水體)、管理部門(是否同一管理部門，生態(tài)環(huán)境、水務(wù))、行政區(qū)(是否數(shù)據(jù)同一行政區(qū))進(jìn)行歸類，作為相鄰斷面優(yōu)化的判別依據(jù)之一，并對優(yōu)化結(jié)果按此分類進(jìn)行統(tǒng)計，439個斷面中，水體、部門、行政區(qū)完全相同的相鄰斷面24組，其間距多集中于100～4000 m范圍內(nèi)，以1000～2000 m范圍居多；同水體、同行政區(qū)但不同管理的斷面36組，其間距多集中于0～1000 m范圍內(nèi)，以0～10 m范圍居多，說明該類型斷面組多為不同部門設(shè)置的重復(fù)斷面；同水體、同部門但不同行政區(qū)的相鄰斷面2組，間距在500～2000 m范圍內(nèi)；同水體、不同部門、不同行政區(qū)的相鄰斷面5組，其間距均小于10 m，說明該類型斷面組可理解為不同行政區(qū)設(shè)置的跨區(qū)重復(fù)斷面；另有不同水體的相鄰斷面372組，多集中于100～2000 m范圍內(nèi)，是本次優(yōu)化的主要區(qū)間范圍(表6)。

表6 建議優(yōu)化斷面相鄰間距統(tǒng)計

4 結(jié)論與討論

上海市的水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測站網(wǎng)需考慮各方面需求，包括對水功能區(qū)管理和評估考核的需求、全市河長制管理考核的需求、水污染防治行動計劃管理考核的需求，以及中小河道的水質(zhì)評估和治理需求。不同的管理需求在現(xiàn)階段存在較大差異[10]，目前階段尚不具備將各方面考核評估體系作合并和優(yōu)化的條件，應(yīng)在現(xiàn)有體系的基礎(chǔ)上繼續(xù)按照各自體系需求進(jìn)行完善優(yōu)化。從長遠(yuǎn)來看，水功能區(qū)、河長制等不同體系對于河道的水質(zhì)要求、管理要求將逐步協(xié)調(diào)，隨著監(jiān)測能力的持續(xù)提升，應(yīng)在滿足現(xiàn)有管理需求的前提下，以全市鎮(zhèn)級以上河道監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步兼顧村溝宅河等中小水體的水質(zhì)狀況評價。

水質(zhì)監(jiān)測的站網(wǎng)優(yōu)化方式各式各樣，常用的理論方法包括模糊聚類分析法、主成分分析法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化法[11,12]等，核心理論都是基于水質(zhì)歷史狀況進(jìn)行相似斷面的優(yōu)化合并。本研究針對全市鎮(zhèn)級以上河道，提出了利用空間地理信息進(jìn)行的相鄰斷面合理性分析和spearman相關(guān)特征分析相結(jié)合的優(yōu)化方法，形成了439個斷面的優(yōu)化方案?？傮w而言，水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)應(yīng)加快水務(wù)系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)等不同管理部門之間數(shù)據(jù)共享共建，提升水質(zhì)監(jiān)測效率和效益。