CN102903014A - 江湖交汇水系水环境质量监测站点的优化布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于江湖交汇水系的水环境质量监测站点优化布置方法。本发明通过将复杂交汇水系分为“水功能分区A”、“特征子分区B”和水质状况各异的“特征区C”三个层级，将多目标问题分解为若干个单目标优化问题；通过给出定量的优化准则和计算方法，减少人工经验的依赖，避免复杂地理环境要因素引起的模糊性和不相容性，实现以最小成本的投入对该区域水环境质量进行全面客观的监控。

Description

江湖交汇水系水环境质量监测站点的优化布置方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及一种水环境监测点的优化布置方法，更具体地，涉及一种适用于江河与湖泊交汇复杂水系的水环境质量监测网络站点的优化布置方法。

背景技术

内陆水系的基本形态一般分为江河与湖泊（水库）两类，但当这两类水体发生交汇而彼此联通时，会形成独特的江湖交汇水系。江湖交汇水系兼具一维河流与二维水面的复合特征，例如我国的长江中游地区，狭长的长江与宽广的鄱阳湖及洞庭湖交汇在一起，地理形态十分复杂，已不能简单归类为单一的河流或者湖泊水体。江湖交汇水体的水环境质量直接影响到该区域社会经济的发展和人民生命的安全，因此需要建成水环境监测网络，及时准确地获取水质和水量的时空分布状况，为水资源开发、利用与保护提供数据支撑和决策依据。

水环境监测网络站点的布设问题涉及到检测技术、通讯、投资成本等多个方面。据统计，我国在50年代有718个水质监测站，到90年代已经扩充到2547个，自动监测水质是目前发展的方向。但是，自动监测水质站点的建设和维护成本很高，每个站点约在120万至300万元人民币；因而，建设水环境监测网络需要进行统一规划，在初设骨干站点后进行优化调整，力求做到多用途、多功能，每个站点要有较强的局部代表性，避免控制区域的叠加或缺失。江湖交汇水系同时承受河流上游与湖泊流域两方面来水的影响，同时还受到水电站、堤岸、引调水、排污等涉水工程的强烈干扰，使得交汇水系的地理形态演变频繁，水环境特征比之常规河流或湖泊更为复杂。因此，开展水环境监测的难度大为增加，突出表现为监测网络中骨干站点的空间布设问题。

我国监测网络骨干站点布设的常见依据来自《水环境监测规范(SL219－98)》，该规范将地表水环境监测站点分为河流水质站和湖泊（水库）水质站两部分，其骨干监测点设置总体原则简述如下：对该水体进行全面调查，掌握地理环境因素（取水口、排污口分布、水文及河道地形、支流汇入、涉水工程情况、植被与水土流失情况等）和人为因素（重要城镇、工业集中区、居民生活区、农业区、水源地保护区等），进而在关键位置布设站点，最终形成水环境监测网络。该规范无论是对关键要素的判断还是站点的确定，都是应用专家判断法等定性方法，受到人为主观影响很大，缺少定量的依据。为此，一些文献探索性地采用最优分割分析法[周劲, 董吉文, 张平, 最优分割分析在水环境监测优化布点中的应用. 济南大学学报(自然科学版), 2005, 19(4): 316-318]，物元分析[高明慧. 用物元分析进行水质环境监测优化布点的研究. 环境科学进展, 1997, 5(3): 77-81]、聚类分析[梁伟臻, 叶锦润, 杨静. 模糊聚类分析法优化城市河涌水质监测点. 环境监测管理与技术, 2002, 14（3）: 6-7]以及复合优化[吴文强, 陈求稳, 李基明, 等. 江河水质监测断面优化布设方法。环境科学学报, 2010,30(8): 1537-1542]等技术进行水质监测点布置设计的优化。这些方法主要是在宏观预设布置站点的基础上，通过数学的方法进一步删减重复站点以达到优化网络的目的。但是这些方法往往具有操作复杂、成本较高或施用范围局限等不足，未能获得广泛的应用。

另外，水质监测中监测点的布设关系到监测***的成本及水质监测的准确度，但目前尚无公认的水环境监测网节点布设定量化流程或最优改进方法。已有优化方法也只能针对特定目的或特定水域进行半经验性的改进，实际应用时存在两个突出问题：（1）仅适用于河流（具有一维特征）或仅适用于湖泊（具有二维特征）水体，不能适用于江湖交汇水系这一具有一、二维复合特征的特殊水体；（2）江湖等水体不仅是纳污承纳对象，也是非常重要的水资源，不同河段以及不同湖泊水域的使用功能往往存在较大差异，已有方法很少考虑不同水功能区对水质的不同要求，划分过程较为简化和机械。

因此，需针对江湖交汇水系提出一种新的水环境质量站点定量优化布置方法，力求以较少的监测站点获取最具代表性的样品，全面客观地反映该区域水环境质量，减少过于依赖专家经验，使地表水水环境监测网络更加科学客观。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有水环境监测网络站点布置技术的缺点，提供一种适用于复杂一、二维河湖交汇水系的水环境质量监测站点定量优化布置方法，能减少确定水系监测站点空间位置时的困难，提高每个监测站点的代表性。

为实现上述目的，本发明提供一种江湖交汇水系水环境质量监测站点的优化布置方法，该方法包括以下步骤：

（1）依据历史水文资料统计平均流量与流向，明确河流及湖泊来水和交汇出水的方向，在地理信息***平台上确定监测水系的范围；

（2）依据为《水功能区划分标准》（GB/T 50594）对目标水系进行第一次分区即“水功能分区A”，具体到二级区划；

（3）按照下表中的主要用水目的，对功能区A进行第二次分区，得到子分区B；

（4）对每个子分区B进行第三次分区得到特征区C’；

（5）对各子分区B内的多个特征区C’进行初步合并；

（6）根据以上分区结果进行监测站点预设，形成预设站点集；

（7）在所有预设站点位置进行短期的水质监测，根据监测数据，对于每个子分区B内的预设站点，基于物源分析法进行优化分析，去除重叠站点，得到最终的优化站点布置方案。

优选地，上述方法步骤（4）中，分区依据考虑特征河流段和特征湖泊区两类：对于不同宽度的河流，基于混合区特征长度，将子分区B分为多个特征段；对于湖泊区，基于水力停留时间，将其分为多个特征区。

优选地，上述方法步骤（5）中所述的特征区初步合并的方法是：分别在丰水期、平水期和枯水期内短期监测特征区水质，测量频率不低于1次/周，时间间隔不低于4周，取各指标的平均值，评估每个特征河段或特征湖泊区的水质分类，合并具有相同水质类别的相邻特征区，最终确定整个水系特征区划集合C^*。

优选地，上述方法步骤（6）中所述的预设站点集的方法包括：每个特征区C内中心处若无已有监测站点，则在中心处增加一个预设站点；按照水质监测点的一般布设原则（《水环境监测规范(SL219－98)》），在所有重要位置预设新的水质监测站点；在河湖交汇口处，强制预设新的监测站。

优选地，上述方法步骤（7）中，对水功能分区内部的预设站点采用物元分析法进行优化分析后去除重叠站点。进一步优选地，所述方法步骤（7）中，对水功能分区内部的预设站点采用物元分析法进行优化分析后去除重叠站点的步骤为：分丰水期、平水期和枯水期计算每个监测点的水环境指标矩阵和两标准矩阵；计算待优化矩阵与两标准矩阵之间的“最佳”、“最次”关联函数，以及“最佳”、“最次”综合关联函数；以不同时期的“最佳”、“最次”关联函数为坐标轴,分别做出丰水期、平水期和枯水期三个时期的所有待优化站点的点聚图，依据图中点的空间分布聚合特征进行最终选取：对在两个或三个不同时期均有独立特征的站点，确定为需要设置站点；对三个时期独立特征不相同的点，确定为临时站点或进行合并。

更加优选地，所述的江湖交汇水系水环境质量监测站点的优化布置方法，该方法包括以下步骤：

（1）依据历史水文资料统计平均流量与流向，明确河流及湖泊各自来水和交汇水系出水的方向，在地理信息***平台上确定监测范围；

（2）按照《水功能区划分标准》（GB/T 50594）对研究水系进行第一次水功能分区，确定水功能分区集合A，属性为饮用水源区、工业用水区、农业用水区、渔业用水区、景观娱乐用水区和排污控制区之一

（3）对分区集合A进行第二次分区，得到子分区B，分区依据为水质级别和水力停留时间，如下表所示：

（4）针对河流情况，进行第三次分区，对河流子分区B_i（其中i指第i个河流子分区），首先计算B_i段的混合区特征长度L_i：

式中w为河流平均宽度，a为沿岸排污口至河岸平均距离，u为河流断面平均流速，h为平均水深，I为河流弯曲系数，g为重力加速度常数。在得到混合区特征长度L后将子分区B_i平均分为n段，n=l_j/L_i，其中l_j为B_i长度。

（5）针对湖泊情况，进行第三次分区，对湖泊区域的子分区B_j（其中j指第j个湖泊子分区），计算B_j区域内的水力停留时间T_j：

式中A为子分区水面面积，H为平均水深，Q_out为平均出水量，Q_in为平均流入水量。在得到水力停留时间后将子分区B_j平均分为n块，其中n=max(4, T_j/7)。

（6）在每一个子分区内（B_i或B_j），对步骤（4）或（5）过程中确定的n个特征区进行合并：分别在丰水期、平水期和枯水期内短期监测特征区水质，测量频率不低于1次/周，时间间隔不低于4周，依据各指标的平均值评估每个特征河段或特征湖泊区的水质分类[分属I、II、III、IV、V之一，地表水环境质量标准（GB 3838-2002）]，对相邻的具有相同水质类别的特征区进行合并，最终确定整个水系的特征区划集合C^*。

（7）预设所有初始站点（集合D），包括已有站点、针对特征区划集合C^*的增加新站点（每个特征区中心位置），并确保在以下地方有新增监测点：河湖交汇处、二级污水厂排污处、水利风景区、城市饮用水源地等重要水域。

（8）对水功能分区内部的预设站点，运用步骤（6）所监测的资料，分丰水期、平水期和枯水期计算每个监测点的水环境指标矩阵

、标准矩阵

和

，其中R_it为第i个监测点的t时期的水环境指标矩阵，S_gt为t时最优矩阵，S_bt为t时最次矩阵，γ_j为水环境指标，X_ij为第i个监测点的第j个指标的值，O_j、E_j、B_j分别为监测点的污染物浓度最小值、均值与最大值。

（9）计算待优化矩阵与两标准矩阵之间的“最佳”、“最次”关联函数

和

，以及“最佳”、“最次”综合关联函数

和

，其中的φ_j为第j个污染指标的权重。

（10）以不同时期的K_o和K_B为坐标轴,分别做出丰水期、平水期和枯水期三个时期的所有待优化站点的点聚图，依据图中点的空间分布聚合特征进行最终选取：对在两个或三个不同时期均有独立特征的站点，确定为需要设置站点；对三个时期独立特征不相同的点，确定为临时站点或进行合并。

应当说明的是，文中如无特别指明，则所述的“地理信息***平台”指的是目前地理学、水资源领域常用的一种解决空间问题的方法和技术，英文原称为“Geographic Information System（GIS）”，该方法可在计算机软硬件的支持下提供地理空间数据的获取、存储、处理、分析、输出和显示等功能；“历史水文资料统计”指的是不低于5年的历史水文资料统计；所述的“二级区划”指的是水功能二级区划。

由于采用了上述的技术方案，本发明的有益效果是：第一，将河湖交汇水系分为“水功能分区A”、 “子分区B”和子分区内水质状况各异的“特征区C”三个层级，将多目标站点布置问题分解为若干个单目标的站点优化布置问题，避免了非线性数据分析流程；第二，在子分区B内进行单目标优化计算时，基于不同的水功能目标给出定量的优化准则和计算方法，避免了复杂地理环境要因素引起的模糊性和不相容性，杜绝重复覆盖或覆盖范围不全的现象；第三，整个站点布置过程中，各步骤的依据定量技术准则，极大减少了对经验的依赖，所得监测网络能够全面客观地反映该区域水环境质量。

附图说明

图1  为本方法的监测点优化布置流程图

图2  为实施例1对长江中游某江湖交汇局部水系进行三次分区的示意图

图3  为实施例1对长江中游某江湖交汇局部水系站点优化的点聚图

图4  为实施例1对长江中游某江湖交汇水系水环境监测站点优化布设最终优化结果示意图

具体实施方式

下面结合具体的实施方式，对本发明的技术方案做进一步的阐述。

实施例1  长江中游某局部江湖交汇水系水环境质量监测站点的优化布置

本实施例以长江中游某局部江湖交汇水系为例说明本发明的具体实施方式，具体如下：

步骤一：根据历史资料分析研究区域所有河流、湖泊的水流交互关系，确定上下游；

步骤二：按照《水功能区划分标准》（GB/T 50594）对研究水系进行第一次水功能分区，得到水功能分区集合A，所属水功能分区为饮用水源区、工业用水区、农业用水区；

步骤三：对分区集合A进行第二次分区，依据如表1所示，得到子分区B，为城市饮用水源区、非城市饮用水源区、消耗工业用水区、非消耗工业用水区、有机农业用水区、一般农业用水区；

步骤四：本实施例选取某子区B_i（非城市饮用水源区）作进一步计算说明，依据河流混合长度对B_i进行细化分区为17个河流特征分区，对特征分区进行水质监测（四周，每周一次），依据水质监测数据评估水质等级，将水质等级为Ⅰ与Ⅱ的进行合并，Ⅲ类水单独一组，最终将17个特征区合并为9个合并区，如图2所示；

步骤五：在以上9个合并区内部进行监测站点的初设，每个水质合并区设置一个监测点；

步骤六：对所有预设站点，分别在丰水期、平水期和枯水期内短期监测水质，测量频率不低于1次/周，时间间隔不低于4周，取各指标的平均值，监测指标为地表水环境质量标准（GB 3838-2002）所列常规指标；

步骤七：对监测点进行优化分析，其中计算各指标的关联函数时权重φ_j取0.2，各关联函数计算值见下表

表 计算所得关联函数值

步骤八：根据以上计算结果，分别输出丰水期、平水期和枯水期的监测点优化点聚图，如图3所示，依据图中点的空间分布,可得出所有站点的独立性分类为：

	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ
						丰水期	1	2	3	5	4、6、7、8、9
平水期	2	3	4、5	1、6、7	8、9
						枯水期	2	3	4	5	1、6、7、8、9

步骤九：选取丰水期、平水期和枯水期内均有较强独立性特征的站点为最终站点，对具有较类似特征的站点群进行合并，并只保留一个站点为最终站点，最终，原有9个监测站点优化分类为6个，即编号为1、2、3、4、5、8。

该实施例所有监测站点优化布置结果如图4所示。

应当说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明的范围，凡在本发明的精神和原则之内所作出的任何修改、等同的替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种江湖交汇水系水环境质量监测站点的优化布置方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）依据历史水文资料统计平均流量与流向，明确河流及湖泊来水和交汇出水的方向，在地理信息***平台上确定监测水系的范围；

（2）依据为《水功能区划分标准》对目标水系进行第一次分区即“水功能分区A”，具体到二级区划；

（3）按照下表中的主要用水目的，对功能区A进行第二次分区，得到子分区B；

（4）对每个子分区B进行第三次分区得到特征区C’；

（5）对各子分区B内的多个特征区C’进行初步合并；

（6）根据以上分区结果进行监测站点预设，形成预设站点集；

（7）在所有预设站点位置进行短期的水质监测，根据监测数据，对于每个子分区B内的预设站点，基于物源分析法进行优化分析，去除重叠站点，得到最终的优化站点布置方案。

2.如权利要求1所述的江湖交汇水系水环境质量监测站点的优化布置方法，其特征在于，步骤（4）中，分区依据考虑特征河流段和特征湖泊区两类：对于不同宽度的河流，基于混合区特征长度，将子分区B分为多个特征段；对于湖泊区，基于水力停留时间，将其分为多个特征区。

3.如权利要求1所述的江湖交汇水系水环境质量监测站点的优化布置方法，其特征在于，步骤（5）中所述的特征区初步合并的方法是：分别在丰水期、平水期和枯水期内短期监测特征区水质，测量频率不低于1次/周，时间间隔不低于4周，取各指标的平均值，评估每个特征河段或特征湖泊区的水质分类，合并具有相同水质类别的相邻特征区，最终确定整个水系特征区划集合C^*。

4.如权利要求1所述的江湖交汇水系水环境质量监测站点的优化布置方法，其特征在于，步骤（6）中所述的预设站点集的方法包括：每个特征区C内中心处若无已有监测站点，则在中心处增加一个预设站点；按照水质监测点的布设原则（《水环境监测规范(SL219－98)》），在所有重要位置预设新的水质监测站点；在河湖交汇口处，强制预设新的监测站。

5.如权利要求1所述的江湖交汇水系水环境质量监测站点的优化布置方法，其特征在于：所述步骤（7）中，对水功能分区内部的预设站点采用物元分析法进行优化分析后去除重叠站点。

6.如权利要求5所述的江湖交汇水系水环境质量监测站点的优化布置方法，其特征在于，对水功能分区内部的预设站点采用物元分析法进行优化分析后去除重叠站点的步骤为：分丰水期、平水期和枯水期计算每个监测点的水环境指标矩阵和两标准矩阵；计算待优化矩阵与两标准矩阵之间的“最佳”、“最次”关联函数，以及“最佳”、“最次”综合关联函数；以不同时期的“最佳”、“最次”关联函数为坐标轴,分别做出丰水期、平水期和枯水期三个时期的所有待优化站点的点聚图，依据图中点的空间分布聚合特征进行最终选取：对在两个或三个不同时期均有独立特征的站点，确定为需要设置站点；对三个时期独立特征不相同的点，确定为临时站点或进行合并。

7.根据权利要求1～6任一项所述的江湖交汇水系水环境质量监测站点的优化布置方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

（1）依据历史水文资料统计平均流量与流向，明确河流及湖泊各自来水和交汇水系出水的方向，在地理信息***平台上确定监测范围；

（2）按照《水功能区划分标准》对研究水系进行第一次水功能分区，确定水功能分区集合A，属性为饮用水源区、工业用水区、农业用水区、渔业用水区、景观娱乐用水区和排污控制区之一；

（3）对分区集合A进行第二次分区，得到子分区B，分区依据为水质级别和水力停留时间，如下表所示：

（4）针对河流情况，进行第三次分区，对河流子分区B_i，其中i指第i个河流子分区，首先计算B_i段的混合区特征长度L_i：

式中w为河流平均宽度，a为沿岸排污口至河岸平均距离，u为河流断面平均流速，h为平均水深，I为河流弯曲系数，g为重力加速度常数。

8.在得到混合区特征长度L后将子分区B_i平均分为n段，n=l_j/L_i，其中l_j为B_i长度；

（5）针对湖泊情况，进行第三次分区，对湖泊区域的子分区B_j，其中j指第j个湖泊子分区，计算B_j区域内的水力停留时间T_j：

式中A为子分区水面面积，H为平均水深，Q_out为平均出水量，Q_in为平均流入水量。

9.在得到水力停留时间后将子分区B_j平均分为n块，其中n=max(4, T_j/7)；

（6）在每一个子分区内，B_i或B_j，对步骤（4）或（5）过程中确定的n个特征区进行合并：分别在丰水期、平水期和枯水期内短期监测特征区水质，测量频率不低于1次/周，时间间隔不低于4周，依据各指标的平均值评估每个特征河段或特征湖泊区的水质分类[分属I、II、III、IV、V之一，地表水环境质量标准（GB 3838-2002）]，对相邻的具有相同水质类别的特征区进行合并，最终确定整个水系的特征区划集合C^*；

（7）预设所有初始站点，记为集合D，包括已有站点、针对特征区划集合C^*的增加新站点，并确保在以下地方有新增监测点：河湖交汇处、二级污水厂排污处、水利风景区、城市饮用水源地等重要水域；

（8）对水功能分区内部的预设站点，运用步骤（6）所监测的资料，分丰水期、平水期和枯水期计算每个监测点的水环境指标矩阵

、标准矩阵

和

，其中R_it为第i个监测点的t时期的水环境指标矩阵，S_gt为t时最优矩阵，S_bt为t时最次矩阵，γ_j为水环境指标，X_ij为第i个监测点的第j个指标的值，O_j、E_j、B_j分别为监测点的污染物浓度最小值、均值与最大值；

（9）计算待优化矩阵与两标准矩阵之间的“最佳”、“最次”关联函数

和

，以及“最佳”、“最次”综合关联函数

和

，其中的φ_j为第j个污染指标的权重；

（10）以不同时期的K_o和K_B为坐标轴,分别做出丰水期、平水期和枯水期三个时期的所有待优化站点的点聚图，依据图中点的空间分布聚合特征进行最终选取：对在两个或三个不同时期均有独立特征的站点，确定为需要设置站点；对三个时期独立特征不相同的点，确定为临时站点或进行合并。

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