撫河流域綜合治理監測布局優化

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境重點實驗室，江西 南昌 330029)

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

監測布局優化方法一般有數理統計法、網格(網絡)法和模型模擬法等[4-5]，常用的數理統計方法有定性優化法[6-7]、水質分段法[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，提高了監測點優化的準確性和合理性[12]。

2016年撫河流域組織開展流域生態保護與綜合治理，實施污染治理工程、生態保護和修復工程，流域水環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，區域面積大，覆蓋范圍廣，針對全流域綜合治理效果的監測點布設不僅僅局限于特定工程、特定節點，需綜合考慮流域綜合治理水環境監測的完整性和普遍性，更加注重流域整體性和系統性[17]。

目前針對撫河流域水環境監測長期系統布設的站點主要為水文監測站點，監測點數量較多，監測點布設重點考慮源頭區、干支流控制區、支流入口處、縣區界、重要水功能區和生態保護區、水源地、保護地、入河排污口等重點區域[18]，由于其監測目標明確，一定程度上忽略了流域水環境監測點布設的空間離散性，導致部分監測點集中布設在局部河段，依托現有監測點獲得的監測結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測點，以撫河流域為單元，開展水環境監測布局優化分析，并驗證優化布局的合理性，構建撫河流域綜合治理監測優化布局方案，為撫河流域綜合治理效果評估、水環境保護與管理提供有效支撐，為其他流域水環境監測布局提供借鑒。

1 研究概況與方法

1.1 研究區概況

撫河流域地處東經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，距南城縣洪門鎮上游2 km處。廖坊水利樞紐位于撫河干流，地處臨川區、金溪縣、南城縣交界處，以防洪、灌溉為主，兼顧發電、供水和航運等綜合利用功能。

1.2 監測布局現狀

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

1.3 初始監測布局原則

為有效監測流域綜合治理效果，結合流域水環境監測布點要求[16]，撫河流域綜合治理監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測點，干流相隔約10 km布設監測點，支流相隔約20 km布設監測點。②統籌兼顧原則：監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，不需要布設監測點。③全面布設原則：支流在匯入干流前，布設支流監測點；多個支流匯入干流后，布設干流監測點。④重要節點布設原則：在干支流的源頭區、重要城市節點布置監測點；分別在重點生態水利工程上下游區域布設監測點[19]。

1.4 監測布局優化原則

監測布局優化原則主要包括以下5個方面：在水環境特征相似監測點中，由樣點監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，可以選擇該監測點為該類的代表點。在樣本較多條件下，如果相似監測點數量較多，則在該類監測點中，結合空間布局，適當增加與該類樣本平均值擬合度差異較大的監測點作為該類的代表點。若兩個相鄰監測點具有相似水環境特征時，在上游區域，優化布局時選擇接近源頭點作為代表點；在中下游區域，選擇下游監測點作為代表點位。若3個相鄰監測點具有相似水環境特征時，優化布局時選擇中間監測點作為代表點位?？紤]監測布局水環境差異顯著特征，若優化后監測點距離較近，并且同類監測點已經有代表性監測點，需增加其他類別的監測點，使監測點空間離散分布。

1.5 數據分析方法

數據分析方法包括監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測點進行分類，采用SPSS16.0進行統計分析。后者根據監測點已有歷史數據，對優化前后監測指標的參數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]。

數據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個時段的監測數據，采用平均值進行統計分析，監測指標包括總氮(TN)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(CODMn)、生化需氧量(BOD5)和葉綠素a(Chla)等6個指標。相對偏差等于優化前后特征值之差與優化前特征值之比。

2 監測布局方案

2.1 初始監測布局方案

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

圖1 撫河流域綜合治理監測點初始布設

2.2 監測布局優化方案

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

表1 撫河流域綜合治理監測布局優化

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

圖2 第一次優化布局

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

圖3 第二次優化布局

表2 撫河流域綜合治理監測點表征含義

2.3 優化對比分析

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

表3 水環境監測優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分類進行統計。在各類優化中，第五類優化后，相對偏差大于0.1的占比超過50%；其他各類優化中，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%，表明各類指標優化后，各類之間的相對偏差較小，基本上保留了優化前監測點水環境監測特征。

優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，占總優化次數的54.17%；0.05～0.1的共7項，占總優化次數的14.58%；大于0.1的共15項，占總優化次數的31.25%。

在各類別各指標優化后，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化后相對偏差大于0.05且小于0.1，其他類別優化后與優化前相比，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、第一次優化布局和第二次優化布局的前4類監測點特征值進行方差分析，檢驗優化前后各類別各指標是否存在顯著差異，結果如表4示。優化后，各類別各指標方差分析結果顯著性檢驗值均大于0.05，表明優化前后各類別指標無顯著差異，則優化布局監測點指標均保留了初始監測布局監測指標的基本特征。

表4 優化后第一類至第四類監測點各指標方差分析結果顯著性檢驗值

3 討 論

3.1 優化后水環境特征變化分析

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

3.2 空間離散性和合理性分析

與初始監測布局相比，撫河流域綜合治理優化布局方案監測點既覆蓋了干支流各個河段，同時也覆蓋了重要節點。撫河流域干支流中，盱江、撫河、黎灘河、相水、寶塘水、宜黃水和東鄉水均布設監測點，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和下游；32號和34號分別位于相水源頭區和下游；35號寶塘水源頭區；布設38號位于崇仁水下游；40號監測點位于東鄉水下游。重要河段、工程和城市節點監測點上，盱江、黎灘河、寶塘水、相水、宜黃水等河流源頭區分別保留了2號、24號、35號、32號和28號監測點；黎灘河、盱江、相水、宜黃水、崇仁水、東鄉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號監測點；洪門水庫和廖坊水庫下游保留了26號和15號監測點；撫州市下游保留了18號監測點。

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

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

4 結 論

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

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

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