“十四五”地表水生态环境监测网优化调整方案——以南京市为例.pdf

第42 卷第4期2023年8 月环境管理“十四五”地表水生态环境监测网优化调整方案以南京市为例吕婷，钱秀雯，薛琼，金辉（1.南京市生态环境保护科学研究院，南京2 10 0 9 3；2.东南大学土木工程学院，南京2 10 0 9 8）四川环境SICHUAN ENVIRONMENTD0I:10.14034/ki.schj.2023.04.037Vol.42,No.4August 2023摘要：地表水生态环境监测网的优化调整，是通过有效地整合环境监测资源，以更合理的点位布设，用最少的监测点位获得最有代表性的监测数据，最大程度地客观反映地表水环境质量的状况，更科学地指导环境管理工作。采用聚类分析与兼顾管理需求并行的方式进行，在已有监测数据的断面中，采用系统聚类方法对点位进行优化、增设；选取南京市已有的例行监测点位共16 0 个（包括“十三五”国省市考断面、重点流域、城市内河、水功能区、饮用水源地等），按照流域分为长江干流58 个断面，秦淮河流域51个断面，滁河流域2 3 个断面，水阳江和太湖流域2 8 个断面进行优化调整。聚类分析完成后，可以从每一个类别中选取一个代表性监测断面组成新的优选断面系列，并结合点位优化前后的监测数据，对优化结果进行t检验和F一检验。经优化调整后，南京市四大水系河湖覆盖率明显提升，监测点位相较于“十三五”期间增加了3 5%；跨（区）界水体覆盖率也显著增加，为厘清各辖区水环境质量责任奠定了基础；重点区域、重点流域监控密度大幅增加，为强化流域环境管理提供了支撑。通过地表水生态环境监测网的优化调整，构建了南京市统一的水生态环境监测体系，更加全面、精准、有效地服务与支撑了“十四五”水生态环境管理，促进水生态环境的持续改善。关键词：十四五；地表水监测网优化；聚类分析中图分类号：X321Optimization and Adjustment Scheme of Surface Water Ecological EnvironmentMonitoring Network of The 14th Five-year Plan A Case Study of Nanjing(1.Nanjing Research Institute of Ecological&Enwironmnetal Protection,Nanjing 210093,China;2.School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing 210098,China)Abstract:The optimization and adjustment of surface water ecological environmental monitoring network is to effectivelyintegrate environmental monitoring resources,to obtain the most representative monitoring data with the least monitoring pointsthrough more reasonable points layout,objectively reflect the quality of surface water environment quality to the largest extent,and guide the environmental management work more scientifically.In this paper,cluster analysis and management requirementswere carried out simultaneously.Systematic clustering method was applied to optimize or add monitoring points based onmonitoringdata of existing sections.A total of 160 existing monitoring points in Nanjing were selected(including the national,provincial and municipal examination sections during the 13th Five-Year Plan,sections of major river basins,sections of theurban rivers,sections of water function areas,sections of drinking water sources etc.).According to the major river basin,it isdivided into 58 sections in the main stream of the Yangtze river basin,51 sections in the Qinhuai river basin,23 sections in theChuhe river basin,and 28 sections in the Shuiyang river and Tai lake basin.After the cluster analysis of the monitoring sites,representative monitoring sections were selected from each category to form a new preferred series.Combined with the monitoringdata before and after optimization,t-test and F-test were usd to test if the optimization results are reasonable.After optimizationand adjustment,the coverage of rivers and lakes of the four major river basins in Nanjing increased significantly,and themonitoring points increased by 35%compared with the 13th Five-Year Plan period.The rivers across the district boundary alsoincreased significantly,which laid a foundation for clarifying the responsibility of water environment quality in each jurisdiction.The monitoring density of key areas and key river basins increased significantly,providing support for river basin environmental收稿日期：2 0 2 2-0 6-2 8作者简介：吕婷（19 9 1），女，辽宁辽阳人,2 0 16 年毕业于南京大学化学工程专业，硕士研究生，工程师，研究方向为水环境监测与管理。文献标识码：ALV Ting,QIAN Xiu-wen,XUE Qiong,JIN Hui文章编号：10 0 1-3 6 44(2 0 2 3)0 4-0 2 7 0-0 74期management.Through the optimization and adjustment of the surface water ecological environment monitoring network,a unifiedwater ecological environment monitoring system was constructed in Nanjing,which has served and supported the 14thFive-Year Plan water ecological environment management more comprehensively,accurately and effectively,so as to promotethe continuous improvement of the water ecological environment.Keywords:The 14th Five-Year Plan;optimization of surface water monitoring network;cluster analysis吕婷等：“十四五”地表水生态环境监测网优化调整方案一一以南京市为例271引言随着社会经济快速发展，南京市地表水环境状况发生变化，部分监测点位已丧失原有功能，现有的地表水监测断面无法全面、科学、合理地反映南京市地表水水质状况，因此呕需筛选并构建一套科学系统的监测点位优化方案和考核办法。近十年来环境质量监测点优化布设大多运用数理统计方法，孙真!采用物元分析法将监测点从19 个减少到8个，节约了50%的成本；魏晓燕 2 等通过模糊聚类分析对黄河兰州段监测断面的水质分类标准进行了优化提高；但纯理论的数理统计分析方法存在计算繁琐、缺乏统计验证、以及人为误差等问题 3-5，很难满足点位优化的需求。此外，3 S技术（RS、G I S、G PS）技术也应用到监测布点中 6-7 。张利云等基于北斗的一体化环境监测平台，对环境指标进行监测和处理 8 ，使监测断面的布设具有空间合理性和科学性。故在实际应用中，数理统计分析通常与实地调研、专家咨询、水环境管理需求分析等相结合，使优化结果更切实可行。本文拟通过数学聚类分析与兼顾管理需求并行的方式进行，采用系统聚类方法对已监测点位进行优化、增设；对国省考断面重点流域的支流、骨干河流、跨界水体等河流湖库可兼顾管理需求进行断面的增设；对建成区则按需布设城市内河断面，以提高建成区的水环境质量。该监测管理体系建立后，可对南京市的水环境质量状况进行系统评价，对行政区水环境质量进行科学考核，对城市水环境的改善、水资源的合理利用与管理提供数据支持，从而营造良好的可持续发展的城市水生态环境。按河道特征又可细分出4条子水系，自北向南依次是滁河水系、长江南京段干流水系、秦淮河水系、水阳江水系。因此，南京市境内水系又可称有长江南京段干流水系、滁河水系、秦淮河水系、水阳江水系、淮河水系、太湖水系6 条水系。6 条水系涵盖主要河道116 条，包括大江大河干流4条，大江大河分洪河道6 条，大江大河干流（含石白湖和固城湖）的1级支流河道7 2 条，2 级支流河道3 1条，3 级支流河道3 条，详见图1。南京市水系图P3.57图例太浦水长红南京段接水车湖河水南推网冰系1研究区域概况本文以南京市为例探究了地表水生态环境监测网的优化调整方案。南京市位于江苏省西南部，属亚热带湿润季风气候区，四季分明。南京市境内有长江、淮河、太湖三大水系，其中长江水系是主要水系，占南京市国土总面积的9 5.49%。长江水系图1南京市水系图Fig.1 River system of Nanjing2“十三五”监测网现状及问题分析2.1“十三五”市考断面水环境状况及变化趋势“十三五”期间南京市水质考核的例行监测点272位包括地表水和水源地监测断面：其中地表水断面包括国考点位5个、省考点位2 2 个、市考点位8 4个，其他还包括10 条省控城镇内河和10 个集中式饮用水源地。“十三五”期间，全市地表水环境质量总体明显改善。2 0 16 2 0 2 0 年南京市江北新区及各辖区水质达标率均有不同程度提升，其中秦淮区和鼓楼区水质达标率均由0 提升至10 0%；2 0 18 2 0 2 0 年江北新区水质达标率提升50%。2.2“十三五”监测网存在问题分析近年来随着产业结构调整、基础设施建设和环境形势的变化，南京市地表水环境监测体系逐渐暴露出诸多问题。（1）监测断面布局不合理，长江水系中长江干流监测断面布设过密、而主要人江河流监测断面布设较少；各水系监测断面整体布设不平衡。（2）省界、市界、区界交界断面覆盖不全，特别是主要河流区交界断面设置较少，从而使监测数据不能有效体现地方政府对环境质量负责的法律责任。（3）随着经济发展，产业布局的调整，部分监测断面实际功能属性发生变化，有进行点位调整的必要。（4）因水利工程设施的建设、码头建设、河流断流等原因，有些监测断面现场监测条件发生变化，可操作性不强，且部分操作存在安全隐患，需要根据现场情况进行点位调整。因此，有必要根据现有监测资源对现有地表水环境监测断面进行优化调整、科学布设，更好的为环境管理决策提供依据。3“十四五”监测网优化原则及方法本文秉持“科学性、代表性、延续性和全面性”四点原则，根据国家、省“水十条”要求及南京市地表水流域特征，选取南京市已有的例行监测点位共16 0 个（包括“十三五”国省市考断面、重点流域、城市内河、水功能区、市县乡镇饮用水源地等），按照流域分为长江干流58 个断面，秦淮河流域51个断面，滁河流域2 3 个断面，水阳江和太湖流域2 8 个断面，分别进行优化。在已有监测数据的断面中，采用系统聚类方法兼顾管理需求对点位进行优化、增设；对国省考断面重点流域的支流、骨干河流、跨界水体等河流湖库可兼顾管理四川环境需求进行断面的增设；此外，还考虑对面积较小河流水库增设城市内河断面以符合各区平衡需要。优化指标以2 0 16 2 0 18 年各监测断面的监测数据为基础，将水质超过地表水环境质量标准（G B3 8 3 8 2 0 0 2）类标准的项目按其断面超标率大小排列，取断面超标率最大的前五项作为优化指标。经过计算比选，选择高锰酸盐指数、化学需氧量、生物需氧量、氨氮和总磷五个指标 9 作为变量进行系统聚类分析。结合点位优化前后的监测数据，对优化结果进行t检验和F-检验 10 。4“十四五”地表水环境监测网优化调整方案4.1长江南京段干流水系断面的调整入江支流断面水质聚类分析结果见图2（a）。由于长江流域断面繁多，根据欧氏距离系统聚类结果，可将入江支流断面分为8 类。首先，在第一类（图2（a）浅蓝色分支）中保留所有的“十四五”国、省考断面，包括三江河口（右岸）、江宁河口等共7 个，同时保留“十三五”市考断面七乡河B。在第二类（图2（a）黄色分支）保留包括划子口闸、龙王庙等在内的7 个“十四五”国、省考断面，同时保留玄武湖C、江宁河A等9 个“十三五”市考断面，另外为了加强对人江支流的管控，建议增设小江河A断面为新市考，作为八卦洲水系的代表。第三类（图2（a）紫色分支）保留国考断面石埠桥和原市考断面板桥河A。第四类（图2（a）绿色分支）仅金川河B一个断面，根据聚类分析结果，建议新增金川河B为市考断面。第五类（图2（a）蓝色分支）保留国考断面天桥和岳子河A和铜井河B两个原市考断面。第六类（图2（a）红色分支）保留所有国、省考及原市考断面，即除石头河A外所有断面。第七、八类（图2（a）浅棕色和深棕色分支）的滨江河A和石头河闸基于聚类分析结果应保留，同时分别作为原市考和“十四五”省考断面也应予以保留。此外，除了既有的监测断面，为了厘清玄武、栖霞、鼓楼区在南十里长沟的属地责任，建议增设南十里长沟B断面。同时为了加强对玄武湖和金川河的水环境管理，建议对其支流另增设唐家山沟A和西北护城河A两个断面。42卷4期吕婷等：“十四五”地表水生态环境监测网优化调整方案一一以南京市为例273准河日*(a）长江(b)秦淮河三江河A（铁心桥（将军大道桥）城南河B聚淮河上玄武湖A九乡河A运粮河玄武湖B玄武湖C江宁河A玄武湖D板桥闸内迎江路桥（老江口）马汉河A7烯桥姚庄￥江宁河B鹏马山河B石头河A26201中山水库京新引水河方便水库红山桥工农河A宝塔桥滨江河A头河闸小河口上游（省站）龙靖线（太平桥）七乡河江宁泰淮河上游A七桥熊内帮佳河B洋桥高阳河A三干河A开太桥秦淮河上游口二干河A粮河内秦淮河C内淮河A一友谊河B3外港河A南河A乌刹桥（江宁区）十友谊河A2铜井河A口点工九乡河口划子口河A三江河口长江A（右岸）前湖A“十四五”国省考断面保留8“十三五市考断面保留解溪河A云台山河A秦淮河上游C秦淮河上游E莫瑟湖A“十四五市考断面新增三(c）滁河石白湖D(d)水阳江流域钱家青河中黄河A朱家山河石白湖A固城湖A八百河A2河A水阳河永宁河A52水阳河B新禹河B授溪河A金牛湖心云鹤支河A耿跳河A新禹河A注：图中不同颜色的分枝表示不同聚类。图2 长江、秦淮河、滁河、水阳江流域各断面聚类分析谱系图Fig.2 Cluster analysis pedigree of various sections in Basin of the Yangtze River,Qinghuai River,Chuhe River,and Shuiyang River and Tai Lake4.2秦淮河流域断面的调整秦淮河干流监测点位水质聚类分析结果见图2（b）。由于秦淮河各流域断面之间差距并不明显，通过欧氏距离可将秦淮河流域断面分为大3 类。在第一类（图2（b）红色分支）中首先保留国、省考断面中山水库、方便水库、节制闸等10 个断面，同时保留10 个原“十三五”市考断面，包括内秦淮河A、B、D，外秦淮河A、C，三干河A，南河B、D 及运粮河A、B。在第二类（图2（b）蓝色分支）中保留省考断面乌刹桥和原市考断面莫愁湖A，且由于该类断面较多，宜另外新增12 个断面以增加覆盖范围，建议为友谊河A和云台山河A。在第三类（图2（b）绿色分支）中，由于友谊河B独成一类，和其他两类差别较大，因此新增该断面为“十四五”市考。此外，“十四五”期间秦淮河流域新增了句容河C 和汤水河B两个省考断面。作为南京市代表性河流，秦淮河流域的水环境管理至关重要，因此，建议在秦淮河一级和重要二级支流上新增6 个市考断面，包括牛首山河B、一干河B、响水河A、响水河B、东南护城河A以及南河E断面；此外，为了厘清玄武、栖霞两区的属地责任，建议增274设百水河A断面为市考。4.3源滁河流域断面的调整滁河流域监测断面水质聚类分析结果见图2（c）。滁河流域监测断面较少，差异相对较大，以欧氏距离系统聚类将滁河流域断面分为4大类。在第一类（图2（c）红色分支）保留国、省考断面三汉湾和滁河闸，同时保留原“十三五”市考断面滁河A、D 和朱家山河断面，另外建议增设滁河干流交接断面滁河J。第二类（图2（c）紫色分支）两个断面中，建议增设滁河支流永宁河A为“十四五”市考断面。第三类（图2（c）绿色分支）只有省考断面金牛湖心。第四类（图2（c）蓝色分支）仅有万寿河A这一段面，故建议增设其为“十四五”市考断面。“十三五”期间，滁河流域仅六个断面，很多滁河的一级支流均没有被覆盖，因此建议“十四五”期间新增4个市考断面，分别为八百河C、陈桥河A、新禹河C和招兵河A断面。4.4水阳江和太湖流域断面的调整水阳江和太湖流域监测断面水质聚类分析结果见图2（d）。以欧氏距离系统聚类将水阳江和太湖Tab.1 The layout of urban inland river suggested in the 14th Five-year Plan municipal assessment序号12345四川环境流域断面分为5类。第一类（图2（d）红色分支）中首先保留“十四五”国考、省考断面钱家渡、双河口排涝站、大湖区和双固桥，同时保留原“十三五”市考断面石白湖A、C和固城湖B、C断面。在第二类（图2（d）蓝色分支）中保留国、省考断面群英桥和落蓬湾，保留原“十三五”市考石白湖B断面。根据聚类结果，第三类（图2（d）绿色分支）至少需增设一个断面，建议增加人湖河流断面漆桥河A。第四类（图2（d）紫色分支）仅溪河A一个断面，建议增设为“十四五”新增市考断面。第五类（图2（d）黄色分支）中保留原“十三五”市考断面水阳河C。此外，“十四五”期间增设了石白湖省界湖心为国考断面，为了加强对石白湖水质的管控，建议增设入湖一级支流农坎河的断面A和高淳区入湖断面西山河A，强化高淳、溧水两区对石白湖的属地保护责任。4.5其他断面的调整市考断面作为南京市对各个区县的考核，需考虑各个区之间的平衡，建议在鼓楼区和建邺区城市内河分别增设2 3 个断面，如表1所示。表1“十四五”市考建议城市内河断面设置情况考核主体所在河流（湖库)建邺区穿洲中河鼓楼区里圩河鼓楼区中保河建邺区沙洲西河建邺区怡康河42卷断面（点位）代号属性穿洲中河A建议新增市考里圩河A建议新增市考中保河A建议新增市考沙洲西河A建议新增市考怡康河A建议新增市考4.6点位优化结果检验为了考察优化后方案的精确程度、可靠性以及代表性，需对调整后的水质监测点位的合理性进行检验。分别采用2 0 2 0 年监测数据与2 0 2 1年进行对Tab.2 Independent sample test of water quality monitoring data in 2020 and 2021莱文方差等同性检验F显著性高锰酸盐指数7.721化学需氧量5.861生化需氧量29.404氮0.042总磷0.006比，结果显示2 0 2 1年与2 0 2 0 年并无显著性差异（p 0.0 5），表明经过优化后点位可以代表南京市水环境以及各行政区水环境状况，见表2。表2 2 0 2 0 与2 0 2 1水质监测数据独立样本检验平均值等同性1检验t显著性（双尾）0.0061.2940.0161.3200.0000.9710.8390.1250.9400.2040.1970.1880.3330.9000.8394期5优化调整后的监测断面信息及水环境质量状况5.1南京市市考断面优化前后分布图经过优选比对，共建议新增市考断面3 2 个，“十三五”及“十四五”市考断面图如图3 和图4所示。水质目标的设定参考该断面2 0 19 年和2 0 2 0年水质类别进行确定，原则上不低于这两年的水质类别。同时参照相邻国考和省考点位水质目标要求，所设目标不低于国、省考点位目标。经过优选，监测断面更加有效地反应了六大水系的水质整体情况，在国省考断面保留的同时，在六大水系干流和主要支流区交界断面、河流源头及出人境处、一级支流汇人处、重要饮用水源地的断面等保留和增设断面，并兼顾了生态补偿、城市环境综合整治等环境管理需求，更加全面地反映了南京市的水环境状况和质量。南京市地表水监测点位图图例市考审控入江城市内河图3 南京市“十三五”市考断面分布图Fig.3 Section distribution map of Nanjing municipalassessment in the 13th Five-year Plan吕婷等：“十四五”地表水生态环境监测网优化调整方案一一以南京市为例275南京市市考断面图N16千米N图例国考千米省考市老图4南京市“十四五”市考断面分布图Fig.4Section distribution map of Nanjing municipalassessment in the 14th Five-year Plan5.22021年与2 0 2 0 年地表水环境质量状况分析2020年，南京市地表水总体水质状况为良好，主要定类指标为氨氮、总磷、高锰酸盐指数。8 4个市考考断面中，达到或优于类水质的断面有71个，比例为8 4.5%，劣V类水体断面比例为0，对照2 0 2 0 年考核目标，8 4个断面中均达标，断面水质达标率为10 0%。2021年，南京市地表水112 个考核断面中（南京市设置“十四五”地表水环境质量考核断面114个，有两个因施工未监测），达到或优于类水质的断面有8 6 个，比例7 6.8%，劣V类断面1个，比例为0.9%。参照“十四五”考核目标，有94个断面达标，达标率为8 3.9%。超标断面的主要污染指标为生化需氧量、化学需氧量、高锰酸盐指数、氨氮和总磷，其中生化需氧量和氨氮的超标频次较高。2762020年，8 4个市考断面的达标率已经达到了100%，但这并不能说明南京市水环境质量已经达到了10 0%的满意度，随着人民对水生态环境要求的提高，为了早日实现“水清岸绿、鱼翔浅底”的美景，需要在科学性、代表性、延续性的基础上，进一步提高重要水体环境监测网断面覆盖率，更加全面的反映南京市的水环境状况。2 0 2 1年，市考断面的达标率为8 3.9%，说明在增加了水环境监测网断面覆盖率的情况下，水环境质量还存在一些不足，因此进行监测断面的优化调整是非常有意义的。6结 论6.1河湖覆盖率明显提升与“十三五”相比，“十四五”市考断面监测点位从8 4个增至114个，增加3 5%，且114个断面共覆盖了全市范围内7 9 条河流（湖库），较“十三五”覆盖的53 条河流（湖库）增加45%。6.2跨界水体覆盖率明显提升“十四五”市考断面有16 个断面考核主体涉及到多个区（县），逐一明确断面流向，为厘清区界污染责任奠定坚实基础。结合南京市水环境区域补偿办法，可落实区（县）政府对本辖区环境质量负责的法律责任。6.3重点区域监控密度明显提升长江一二级支流（湖泊）断面44个，秦淮河支流（水库）断面3 3 个，滁河支流（水库）13个，水阳江流域支流（水库）14个，为强化流域环境管理，提升治污水平奠定基础。四川环境6.4#推动水生态环境持续改善“十四五”市考监测断面科学、全面地反映了全市水环境状况及流域功能保障情况，构建了统一的水生态环境监测体系，对我市地表水生态环境质量考核排名、功能评价、追因溯源提供有力支撑，有助于推动水生态环境持续改善，进一步压实各区级政府水生态环境保护责任，提升南京市各行政区水质达标率，为国省考断面水质改善提供有力保障。参考文献：【1孙真，张国奇，刘宇，等.物元分析法在池塘循环流水养殖模式监测点优化中的应用 J.环境监测管理与技术，2021,33(6):56-59.2 委魏晓燕，王浩，建军，等.基于聚类分析的黄河兰州段监测断面水质执行标准优化 J.兰州交通大学学报，2 0 2 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