水质监测网的布点与优化
——以生态引领区（宜兴市）为例

张欣炀，于保起，李贺

（东南大学，江苏 南京 211189）

0 引言

生态引领区（宜兴市）位于太湖流域西侧，囊括了多个水生态功能分区，各区有着不同的生态保护目标和水质目标。为了满足各区水质监测的需求，本研究在功能分区的基础上对引领区内水生态环境进行布点、监测，运用贴近度法优化点位布置，最终形成了较为完善的生态引领区（宜兴市）水质监测网。

1 水质监测网点位布置

1.1 监测点位的布置原则

为了体现监测点位布置的代表性和科学性，现依据宜兴地区河流分布，并结合已有的水质监测点位信息和宜兴市水生态功能分区，制定以下布点原则：

（1）全面兼顾、重点突出。水质监测网应该覆盖监测区域内各级水环境生态功能分区中的主要河流，并且为了突出区域内不同研究水域的重要性，结合行政区划实施疏密差别化布点。

（2）依托水质，扩展生态。水质监测网应在现存各类水环境质量监测断面的基础上，根据研究需要酌情增加典型点位，既充分结合已有的监测系统，又扩大了监测面，体现监测网络的系统性和延续性。

（3）量体裁衣，科学可行。监测网中监测点位的数量和代表性应能够满足水质监测与评估技术分析的需要，尽可能全面地分析水质状况。

1.2 监测点位图

结合水生态监测网的布置原则，在宜兴市生态引领区内选取分散在7个水生态功能分区的63个重点断面作为监测点位，分别进行水质监测。初步构建的水质监测网基本覆盖宜兴市生态引领区内河流流域，其中生态I级区5个、生态II级区10个、生态III级区48个。

2 水质监测网点位优化

依据监测点位的布置原则初步确定水质监测点位后，按照研究区域内平水期和枯水期获取水质监测的数据，监测时间分别于2019年11月和2020年3月。在水质监测数据的基础上，本文选择贴近度法综合评价分析监测点位的水质情况，并结合优化原则提出点位优化建议，最终获得较为理想的水生态监测网。水质监测指标包括水温、pH值、透明度、溶解氧、总磷、总氮、氨氮、五日生化需氧量、电导率、悬浮物、叶绿素a等。

2.1 优化原则

水生态监测点位得到的监测数据可以反映所在河流多方面的水质状况。宜兴市已有的监测断面以及依据水质监测网布点原则新增的监测点位虽然具有一定的代表性，但较多的监测数据缺乏针对性，大量的数据处理也增加了水生态健康分析的难度。另外，也要考虑行政区划与流域的有机结合，尽量满足行政区划和流域管理的一致性和完整性，增强水质检测网的可操作性[1]。监测点位的优化原则包括以下几个方面：

（1）尽量保留现有国控、省控水质监测断面和水生态监测点位。

（2）尽量保留位于市镇交界处的监测点位。

（3）在不同水生态功能分区内至少保留一个监测点位。

（4）同一水生态功能分区内经过监测数据分析后水生态状况相似的点位至少保留一个。

在以上优化原则的基础上对初步制定的水质环境监测方案进行优化，保留具有代表性的监测点位，对宜兴市水生态的健康评估具有重要意义。

2.2 贴近度法与步骤

监测布点的优化目标在于以最少的点位客观完整地反映区域内的水环境质量。目前优化水环境监测点位的方法较多且各有特色，包括物元分析法、模糊聚类法、主成分分析法、密切值法、最优分割法等。本文利用贴近度法[2]对监测点位进行优化，将多个指标的监测数据转化为能够综合反映水质的单指标参数，对比监测数据与标准数据，然后通过计算贴近度的大小对监测点位进行聚类,利用相似程度聚类后在各组中留取具有代表性的点位[3]，并用双样本t检验法验证优化结果的合理性，得到优化后水生态监测网的最终方案。

2.2.1 建立样本矩阵

将m-1个监测点和一个标准值点的n个评价指标的监测值，构成初始样本矩阵R0：

其中aij表示监测点i中评价指标j的监测值；amj是所取标准中指标j的数值。将初始样本矩阵归一化处理后，用rij表示监测点i中评价指标j的取值：

通过归一化处理后得到样本矩阵：

2.2.2 构建“最优点”和“最劣点”

“最优点”和“最劣点”是由各监测点每个指标分别择优和择劣后组合而成的，并非真实存在的监测点。水质指标作为一个负向指标，其值越大表示水质越差。因此，最优点（rij）Y各水质指标数值由各监测点相应指标的最小值构成，最劣点（rij）L则由相应最大值构成，即

最优点：

最劣点：

2.2.3 计算各样本点到“最优点”和“最劣点”的距离

在该研究中假设各指标权重一致，则监测点i到“最优点”的距离di-Y定义为

同理，对第i个样本点到“最劣点”的距离为

式中：i=1,2,…,m。当i=m时，dm-Y和dm-L表示标准值点与“最优点”和“最劣点”的距离。

2.2.4 计算各样本点与标准值点的贴近度

综合多个指标评估河流水质使得监测样本点水质与“最优点”和“最劣点”的关系并不绝对，因此将标准值点作为水质参考点，计算各监测点位与标准值点的贴近度，作为综合多指标后的单指标进行水质分析。

监测点i与标准值点m的贴近度为：

对于监测点i而言，Ui-m越接近1，表明样本点的水质与标准值越接近；Ui-m＞1表示监测点水质整体优于标准值点，Ui-m＜1则表示样本点水质整体劣于标准值点。

2.3 监测点位的贴近度值

根据宜兴市水生态环境水质污染特征，选取总磷、总氮、氨氮、高锰酸盐指数和五日生化需氧量作为分析指标[4]，将《国家地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中评价指标的Ⅲ类水标准值作为标准值点的取值。根据贴进度的分析过程，将各监测点位在2019年11月和2020年3月的监测数据作为基础，分别进行以下计算过程：建立初始样本矩阵，进行归一化处理后得到样本矩阵，筛选出各指标数据的极值构建样本集的最优点和最劣点，并计算各样本点与之的距离，最后将标准值点作为参考点，计算各监测点的贴进度，结果如表1所示。

表1 各监测点两次监测结果的贴进度值

续表

各监测点的贴进度结果显示，只有Ⅱ-03生态功能区内w11点位的贴近度平均值小于1，其余监测点位所在断面的水质情况均优于《国家地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中评价指标的Ⅲ类水标准值，其中43个点位平均值处于（1-2]区间，17个点位处于（2-3]区间，w1和w5水质明显优于标准值，贴进度平均值分别为4.36和5.27。

2.4 监测点位优化

在相同区域的点位中，贴近度值的相近表明断面的综合水质情况基本相似。通过比较点位的区域分布和贴近度值，发现初布的水生态检测网中相似的监测点位共有9组，其对应的监测位置、贴近度以及根据优化原则进行优化后的结果如表2所示。

表2 相似监测点位的信息及优化结果

表3 相似点位标准化数据和显著性结果

最终优化结果由原来63个监测点位缩减至54个，根据优化原则调整后的水生态监测网在科学性、代表性上仍满足监测点位的布置原则。

3 优化结果验证

为了判断监测点位优化结果的准确性，将相似点位的水质监测数据标准化，采用双样本t检验法进行验证[5]。该验证方法反映出相似点位各项指标的监测结果是否具有一致性，若差异性不明显，说明可以取消优化结果中删除点位的设置，使用保留点位作为区域内的监测断面。各组监测点位数据标准化结果和双样本t检验法的显著性结果如表3所示。

双样本t检验结果显示，按α=0.05水准，删除的监测点位水质状况与保留点位无显著性差异，表明根据优化原则得出的优化结果是合理的。

4 结论

本研究为恢复和改善宜兴市生态引领区的水生态环境质量，在宜兴市水生态功能分区的基础上对宜兴市水生态监测网进行布点，并通过分析初布点位两次水质监测的数据，选取总磷、总氮、氨氮、高锰酸盐指数和五日生化需氧量作为评价指标，利用贴近度法评价了各监测点的水质情况，分析了调整部分监测点位的合理性，并根据点位优化原则针对初设的水质监测方案进行优化以及针对优化结果的验证，最终将初步设立的63个监测点位缩减至54个，增加了水质监测网的科学性和代表性。