河流水質自動監測站選址適宜性評價

秦 成，劉 浩，劉 念

重慶市生態環境監測中心,重慶 401147

水質自動監測站能夠連續、實時、全天候地對水質進行監測，節省大量人力和時間，并且能及時預警和防范水環境風險，是地表水環境質量監測的發展趨勢和方向[1-3]。目前，國家考核地表水環境質量的手工監測斷面位置已經確定，后續水質自動站建設是國家地表水監測事權上收的重要內容，是進一步提高地表水監測數據質量、厘清水環境保護責任、推動水環境質量持續改善的重要舉措。國家高度重視水質自動站的建設,2017年以來原環境保護部下發[2017]70號、[2017]1 762號文件推進水質自動站建設相關工作。國內外學者對水質自動站也展開了大量研究，但成果主要集中在運營管理[4-5]、監測數據質量保證[6]、系統集成[7]等方面，對自動站選址的系統研究較少。

水質自動站建設的首要前提是選址，但由于影響選址的因素眾多，加之這些因素以定性指標居多，因此，目前缺少能夠對水質自動站選址適宜性進行定量評價的方法，造成各地在水質自動站建設過程中缺乏科學的選址依據和方法，影響工作進度。

現階段，環境科學領域已有的關于選址評價問題主要集中在大氣污染物監測布點選址[8-9]、水源地選址[10-11]、排污口選址[12-13]等方面。評價方法多樣化(如層次分析法[14-15]、多目標規劃[16]、理想解法[17-18]、模糊綜合評價[19-20]等都得到較好的應用)。

上述相關成果的研究思路和方法可為水質自動監測站選址適宜性評價提供參考。

1 水質自動監測站選址適宜性分析

1.1 選址原則

為保證自動站水質的代表性、點位的長期性，以及運營維護的經濟性，水質自動監測站選址需遵循下列原則。

1)一致性原則。擬建地點與手工考核斷面位置原則上應該保持一致，以保證監測數據的連續性。

2)可行性原則。手工考核斷面現場確不具備建站條件的，需要關注擬建站位置處與手工斷面處有無水質類別差異；有無支流、排污口匯入；距離是否合適等以保證擬建站位置的可行性。

3)適宜性原則。水質自動站的選址，可行是前提，但由于不同位置水文條件、污染源情況、土地利用和供水供電條件差異造成建站成本和運維條件不同，因此在選址可行的基礎上需要重點關注選址適宜性。

1.2 適宜性的概念

水質自動監測站選址首先應考慮選址的可行性。當原本手工監測斷面位置處具備建站條件，則此處建站必然是可行的，也是首選的；但由于地形、水文以及社會等因素造成手工考核斷面現場確不具備建站條件的，需要在手工監測斷面上下游一定距離內另外選址，只有與手工斷面處水質差異小、無支流匯入、距離不遠的擬建站位置才是可行的。

可行的選址方案往往不止一個，這就需要找出最適宜的方案，即對各可行方案進行適宜性評價，選擇其中最適宜位置作為自動站的選址處。適宜性體現在選址處的水文條件、采水條件、外界保障條件等較為理想。因此，適宜性的概念可歸結為可行的選址方案中水文條件、采水條件和外界保障等因素的理想程度。據此概念，河流水質自動監測站選址適宜性評價流程見圖1。

圖1 自動監測站選址適宜性評價流程Fig.1 The evaluation process of location suitability of water quality automatic monitoring station

1.3 適宜性評價指標體系構建

根據水質自動站選址評價所涉及的因素具有定性和定量相結合的特點,筆者利用廣泛應用于多目標決策的層次分析法(AHP)作為構建評價指標體系的方法。

1.3.1 選址可行性評價指標

當自動站選址與手工監測斷面位置不一致時，首先需要考慮選址位置的水質情況與以往手工斷面的差別，若差異較大則不能正確反映考核斷面的水質情況，所選位置是不可行的；其次若選址位置與以往手工斷面位置之間有較大支流匯入，使2處水文情勢發生變化，必然造成2處的水質差異，則這樣的選址位置也是不可行的；最后，若選址位置與以往手工斷面距離相差太遠，受河流的自凈作用、沿岸的污染負荷造成2處水質差異，則這樣的選址位置同樣不可行。基于此，構建選址可行性評價指標及其賦值見表1。

表1 水質自動監測站選址可行性評價指標Table 1 The evaluation index for location feasibility of water quality automatic monitoring station

1.3.2 選址適宜性評價指標

選址適宜性評價的目的是從選址處水文條件、建站成本、日常運維和管理等方面來確定某一可行方案的適宜程度。結合水質自動站建設要求，利用層次分析法構建選址適宜性評價指標，見表2。

表2 水質自動監測站選址適宜性評價指標Table 2 The evaluation index for location suitability of water quality automatic monitoring station

為保證能采集到代表性樣品，水站選址要充分考慮采水處河道水文條件，優先選擇常年水深比較穩定，豐、枯水季節河道擺幅較小河段。并考慮流速、最小水深以便于采水設施的建設和運行維護，保證采水安全。

采水口處要有良好的水力交換條件(由好到差分別賦值0.25、0.5、0.75、1)，周邊無明顯污染源(污染源情況按無、零星、少量、較多分別賦值0.25、0.5、0.75、1)。一般應設在沖刷岸，在不影響航道運行的前提下盡量靠近主航道，取水點應防止底質淤泥對采水水質的影響(由好到差分別賦值0.25、0.5、0.75、1)。同時采水點與水站站址距離不宜過遠，以便于鋪設管線和安裝管線保溫設施；與手工斷面距離遵循就近原則，以保證數據的可比性和連續性。

考慮水站建設的經濟性和日常運行管理需求，還需關注站址處土地、交通、通訊、電力、自來水或自備井等條件要便于獲得。根據其獲得難易程度(已有、容易獲得、較易獲得和不易獲得)分別賦值0.25、0.5、0.75、1。

2 評價方法

2.1 一致性判斷

為保證監測數據的連續性，首選建站地點應與手工斷面位置一致。若手工斷面位置處具備建站條件，則直接以此為選址地點；否則，需要在手工斷面上下游另外選址并進行可行性評價。

2.2 可行性評價

選址可行性評價結果只有可行與不可行。結合可行性評價指標，提出可行性指數公式為

(1)

式中：Xi為第i個可行性評價指標，取值為0，1；n為指標數量。F=1，說明選址可行，可進入適宜性評價；F=0，選址不可行，需重新選址。

2.3 適宜性評價

模糊綜合評價對處理選址適宜性評價這樣多因素、多層次的復雜問題效果較好，并具有模型簡單，容易掌握等優點。筆者提出用模糊綜合評價法進行選址適宜性評價，步驟如下：

建立評價因子集(U)。適宜性評價具體由15個評價因子構成，見表2。

U={I1,I2，…，Ij}

式中：Ij為第j個適宜性評價指標。

建立評價集(V)。參考其他類似選址評價問題，劃分水質自動站選址適宜性評價集:V={高度適宜(Ⅰ)，中度適宜(Ⅱ)，較不適宜(Ⅲ)，不適宜(Ⅳ)}。按環辦監測函[2017]1 762號文件提出的相關技術參數，結合實際調查資料分析，將15個評價因子進行分級，見表2。

隸屬函數確定。模糊綜合評判的關鍵是因子隸屬度的確定，通過建立隸屬函數，代入指標值計算隸屬度。基于指標數據的分布特征，借鑒相關經驗，建立“梯形分布”函數，其公式如下:

式中：x為評價指標值，s1、s2、s3為表2中的各指標分界值，r1、r2、r3、r4為指標對應各評價等級的隸屬度。

權重確定。采用AHP法計算各指標權重，結果見表3。

表3 選址適宜性評價指標權重Table 3 The evaluation index weight of location suitability of water quality automatic monitoring station

模糊綜合評價。隸屬函數(f)可以看作是從U～V的模糊映射，通過映射推導出模糊矩陣R=(rjk)m×p，0≤rjk≤1。式中:rjk表示U中因子Ij對應評價集V中等級vk的隸屬度;m為因子數量，p為評價等級數量。U中的每一個因子Ij對應權重構成集合A={a1，a2，…，am}，則可確定U～V的模糊變換B=A.R。記B={b1，b2，…，bp}，其中bk表示被評價對象對應等級vk的隸屬度。根據最大隸屬原則，如果:bk0=max{bk: 1≤k≤p}，則等級vk0就是最終評價結果對應的等級。

3 實例應用

3.1 概況

梅溪河羅漢大橋國考斷面為重慶考核奉節縣斷面，屬長江-梅溪河水系，上游無國考斷面，下游為國考長江干流-白帝城斷面。斷面控制奉節、云陽、巫溪境內梅溪河羅漢大橋以上流域。

由于羅漢大橋國考斷面所在位置左岸為陡坡，右岸為不穩定河岸，同時考慮洪水的影響，擬將水質自動站選址確定于國考斷面下游150 m的已拆除養殖場空地。由于選址與手工斷面不一致，需對該選址進行可行性評價和適宜性評價。

3.2 可行性評價

2017年12月1—5日對水質自動站采水口和國考斷面水質開展比對監測，比對監測結果見表4。可知可行性評價指標X1～X6取值為1，同時，選址位置與手工斷面間無較大支流匯入、無排污口，且距離小于10 km,因此，X7～X9取值也為1。則可行性指數F=1,即此選址可行。

表4 自動站采水口和手工斷面水質對比及賦值表Table 4 Comparison with the water quality of automatic station and manual monitoring section

3.3 適宜性評價

選址處平均流速為1.02 m/s，水位落差為12 m，水深為1～2 m，河道擺幅<5 m;采水口離岸距離為7.5 m,位于沖刷岸水下0.5～1 m，水力條件好，周邊無污染源，與站址距離25 m，與手工斷面距離150 m。交通利用已有道路，從距離150 m處農戶處接入電源、自來水，并可接入光纖網絡，可直接利用原養殖場經營者挖掘后的場坪，土建工作量小。

將上述各指標值帶入適宜性評價計算公式中，模糊合成結果:B=(0.650 4，0.139 9，0.209 7，0)，此選址評價結果屬于高度適宜(Ⅰ)。

4 結論

自動站選址應考慮一致性、可行性和適宜性，三者遞進，前者是后者的基礎，后者是前者的深入。運用AHP模型構建自動站選址可行性、適宜性評價2套指標，較好地表達了水質自動站選址能否科學、客觀、經濟地反映斷面水質情況。以自動站選址與手工斷面不一致為前提，采用累乘法判斷選址可行性，在可行的基礎上利用模糊綜合評價法、層次分析法進行選址的適宜性評價，使選址問題邏輯性更強，實用性更高。

羅漢大橋水質自動站選址適宜性評價表明此選址方法可行，并且具有較高適宜性。