CN112215463B - 基于水环境监测的河流健康评估单元划分方法 - Google Patents

基于水环境监测的河流健康评估单元划分方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于水环境监测的河流健康评估单元划分方法，包括：步骤1、采用网格法布设河流水环境监测点，每个网格中河段布设1个监测点；步骤2、以水环境监测指标为样本，采用统计软件中样本聚类分析方法对监测点进行初始分类并进行优化；步骤3、以水环境监测指标为基础，结合监测点分类，采用Pearson方法分析水环境监测指标之间及其与分类之间的相关关系，选择具有显著性相关的指标作为关键指标，在此基础上，选择与分类相关系数最大且相关水平最为显著的指标，作为河流健康评估单元划分的分区指标；步骤4、采用Arcgis10.2软件对步骤3得到的分区指标进行空间插值，以标准值为边界，结合河流形态和空间插值范围，综合划分河流健康评估单元。

Description

基于水环境监测的河流健康评估单元划分方法
技术领域
本发明属于生态环境保护技术领域，具体涉及一种基于水环境监测的河流健康评估单元划分方法。
背景技术
河流健康状态是河流水生态系统保护与管理的重要基础。河流水生态系统主要由水生生物群落与水环境共同组成，并且其结构和功能存在空间分异现象，其中水环境因子是影响水生生物组成、生物量及多样性的重要因素，水环境因子的变化直接影响河流健康状态。
河流健康评估单元是河流健康评估和生态系统保护的重要基础，可以揭示河流生态系统健康空间特征差异，为水生态健康评估、保护措施的制定提供科学依据。
目前，河流健康评估单元多集中于区域或者流域尺度，通常以监测样点为基础，结合上中下游河段、区域或流域开展样点-上中下游河段、样点-区域、样点-流域、流域等评估单元的河流健康状态评估研究，其中以流域为评估单元的研究多基于流域数字高程模型，采用Arcgis软件中水文分析模块进行划分小流域作为评估单元，少量的研究依托河流水文和水环境监测点情况，定性的对河流进行上中下游分段，作为健康评估单元。由于河流水生态系统具有连续性，依托地理、水文特征和行政单元划分的健康评估单元，忽略了样点的代表性和河流水环境与生态系统的连续性，具有一定的局限性，因此，有必要以水环境监测数据为依托，科学划分河流健康评估单元，使河流健康评估单元内水生态环境具有一致性和连续性，不同评估单元之间具有空间差异性，同时为进一步增加不同评估单元在河流健康评估中的权重提供量化依据。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种基于水环境监测的河流健康评估单元划分方法，该方法科学布设河流水环境监测点，结合水环境监测数据，甄别河流健康评估单元划分指标，构建河流健康评估单元划分方法，科学划定河流健康评估单元，量化各评估单元所占比重，为抚河流域健康评估、生态保护与综合管理提供支撑。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案：
基于水环境监测的河流健康评估单元划分方法，包括以下步骤：
步骤1、布局监测点
采用网格法布设河流水环境监测点，每个网格中河段布设1个监测点；
步骤2、对监测点进行初始分类及优化
以水环境监测指标TN、TP、NH3-N、CODMn、BOD5和Chla六个指标在丰水期、平水期和枯水期三个时段的平均值为样本，采用SPSS16.0统计软件中样本聚类分析方法对监测点进行初始分类；然后对水环境监测点进行分类及优化，确定水环境点分类；
步骤3、河流健康评估单元分区指标确定
以水环境监测指标为基础，结合监测点分类，采用Pearson方法分析水环境监测指标之间及其与分类之间的相关关系，选择具有显著性相关的指标作为关键指标，在此基础上，选择与分类相关系数最大且相关水平最为显著的指标，作为河流健康评估单元划分的分区指标；
步骤4、河流健康评估单元分区划分
采用Arcgis10.2软件对步骤3得到的分区指标进行空间插值，以标准值为边界，结合河流形态和空间插值范围，综合划分河流健康评估单元。
所述步骤1中，水环境监测点布局遵循以下原则：
A.空间离散原则，全面对流域主要干支流进行布设监测点，干流10km布设监测点，支流20km布设监测点；
B.上、中、下游统筹，干支流兼顾原则，监测布设既要考虑河流上游、中游和下游，同时考虑干流和支流；较小的支流可以概化，不需要布设监测点；
C.支流在汇入干流前，布设支流监测点，多个支流汇入干流后，布设干流监测点；
D.重要节点布设监测点，在干支流的源头区、重要城市节点布置监测点；重点生态水利工程，分别在工程上下游区域布设监测点。
步骤2中，水环境监测点布局优化原则主要包括以下五个方面：
(1)在水环境特征相似监测点中，由样点监测值与该类样本平均值进行拟合程度分析，拟合程度接近的点，误差越小，选择该监测点为该类样本的优选点；
(2)在样本较多条件下，如果相似监测点数量较多，则在该类监测点中，结合空间布局，适当增加与该类样本平均值拟合度差异较大的监测点作为该类的优选点；
(3)若两个相邻监测点具有相似水环境特征时，在上游区域，优化布局时选择接近源头点作为代表点；中游和下游区域，选择下游监测点作为代表点位；
(4)若三个相邻监测点具有相似水环境特征时，优化布局时选择中间监测点作为代表点位；
(5)考虑监测布局水环境差异显著特征，若代表点距离较近，并且同类监测点已经有代表性监测点，增加其他类别的监测点，使监测点空间离散分布。
步骤4中还包括河流健康评估单元划分标准确定步骤，具体是：
假设因子I共m个监测数据，分为n类，分别为S1，S2，……，Sn，在各类中，该类别的最大值和最小值采用取整计算，则第i类最大值为[Simax]+1，最小值为[Simin]；计算第j类和第j+1类的划分标准时，分别计算第j类中最大值Sjmax和j+1类最小值Sj+1min，然后进行取整，[]为取整函数，则取[Sjmax]+1[([Sj+1min]-([Sjmax]+1))/2]作为j类和第j+1类的划分标准；第1类和第n类的[S1min]和[Sn]+1)分别按照实际指标值进行划分。
每个评估单元包含至少一个监测点。
支流按照汇入干流节点为控制点划分评估单元。
源头区按照空间分区边界进行划分。
具有差异的监测布局分类划分为不同的评估单元。
有益效果：
本发明科学构建了河流健康评估单元指标选择、分区标准和划分方法，以水环境监测数据为基础，具有适用性，使河流健康评估单元内水生态环境具有一致性和连续性，不同评估单元之间具有空间差异性，同时为进一步增加不同评估单元在河流健康评估中的权重提供量化依据，为进一步科学开展河流健康综合评估提供支撑。
附图说明
图1为抚河流域概化及水环境监测点布设图；
图2为河流健康评估分区指标筛选概念图；
图3为抚河健康评估分区指标空间插值图；
图4为抚河健康评估分区图。
具体实施方式
下面结合具体实施例以及说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，以使本领域技术人员能够更加充分理解本发明。
抚河是鄱阳湖水系的第二大河流，为改善流域水生态环境，以抚河流域全流域为单元，实施水资源保护工程、污染治理工程、水土保持工程、生态保护和修复工程、环境监测平台建设工程等流域生态保护与综合治理项目，产生了显著的生态和环境效益。本发明以抚河为对象，基于水环境监测点布局及其优化方法，科学布设河流水环境监测点，结合水环境监测数据，甄别河流健康评估单元划分指标，构建河流健康评估单元划分方法，科学划定河流健康评估单元，量化各评估单元所占比重，为抚河流域健康评估、生态保护与综合管理提供支撑。
区域概况
如图1所示，抚河流域地处东经115°35＇-117°09＇、北纬26°30＇-28°50＇之间，位于江西省东部。抚河主河道长348km，流域面积15717km2。源头至南城158km为上游，河宽200-400m；南城至临水汇合口为77.4km为中游，河宽400-600m；临川以下为下游段，河宽400-1000m；抚河流域以李家渡水文站为控制站点。
2 材料与方法
2.1 监测点布局方法
抚河水环境监测点初始布设如图1所示。结合上中下游、干支流、重大水利工程和城市节点分布特征，采用网格法布设抚河流域进行水环境监测点，其中干流以10km×10km格网为基础，每个网格中河段布设1个监测点；支流以20km×20km格网为基础，每个网格中河段布设1个监测点。抚河流域水环境监测布局遵循以下原则：(1)空间离散原则。全面对流域主要干支流进行布设监测点，干流约10km布设监测点，支流约20km布设监测点。(2)上中下游统筹，干支流兼顾。监测布设既要考虑河流上游、中游和下游，同时考虑干流和支流；较小的支流可以概化，不需要布设监测点。(3)支流在汇入干流前，布设支流监测点。多个支流汇入干流后，布设干流监测点。(4)重要节点布设监测点。在干支流的源头区、重要城市节点布置监测点；重点生态水利工程，分别在工程上下游区域布设监测点。
2.2水环境监测指标与方法
本研究分别于2017年8月(丰水期)、12月(枯水期)和2018年5月(平水期)开展野外取样和室内检测分析，检测指标包括总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、生化需氧量(BOD5)和叶绿素a(Chla)等六个指标，检测方法参考《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T 91-2002)[14]。
2.3监测点分类及优化布局方法
(1)监测点分类方法。以水环境监测指标TN、TP、NH3-N、CODMn、BOD5和Chla等六个指标丰平枯平均值为样本，采用SPSS16.0统计软件中样本聚类分析方法对监测点进行初始分类。
(2)监测点优化布局方法。在初始分类中，选择与各类样本平均值拟合程度最近的点作为优化布局点；不同类别的监测点中，统筹考虑监测点空间布局，确定监测点优化布局点。
监测布局优化原则主要包括以下五个方面：(1)在水环境特征相似监测点中，由样点监测值与该类样本平均值进行拟合程度分析，拟合程度接近的点，误差越小，可以选择该监测点为该类的优选点。(2)在样本较多条件下，如果相似监测点数量较多，则在该类监测点中，结合空间布局，适当增加与该类样本平均值拟合度差异较大的监测点作为该类的优选点。(3)若两个相邻监测点具有相似水环境特征时，在上游区域，优化布局时选择接近源头点作为代表点；中游和下游区域，选择下游监测点作为代表点位。(4)若三个相邻监测点具有相似水环境特征时，，优化布局时选择中间监测点作为代表点位。(5)考虑监测布局水环境差异显著特征，若代表点距离较近，并且同类监测点已经有代表性监测点，增加其他类别的监测点，使监测点空间离散分布。
2.4健康评估单元划分指标确定方法
以水环境监测指标为基础，结合监测点分类，采用Pearson方法分析水环境监测指标之间及其与分类之间的相关关系，选择具有显著性相关的指标作为关键指标。在此基础上，选择与分类相关系数最大且相关水平最为显著的指标，作为河流健康评估单元划分的分区指标(图2)。
2.5河流健康评估单元划分方法
(1)评估单元划分标准确定方法。假设因子I共m个监测数据，分为n类，分别为S1，S2，……，Sn，在各类中，该类别的最大值和最小值采用取整计算，则第i类最大值为[Simax]+1，最小值为[Simin]；计算第j类和第j+1类的划分标准时，分别计算第j类中最大值Sjmax和j+1类最小值Sj+1min，然后进行取整，[]为取整函数，则取[Sjmax]+1[([Sj+1min]-([Sjmax]+1))/2]作为j类和第j+1类的划分标准；第1类和第n类的[S1min]和[Sn]+1)分别按照实际指标值进行划分。
(2)评估单元划分原则。①每个评估单元必须包含至少一个监测点；②支流按照汇入干流节点为控制点划分评估单元；③源头区按照空间分区边界进行划分；④具有差异的监测布局分类划分为不同的评估单元。
(3)评估单元划分方法。采用Arcgis10.2软件对分区指标进行空间插值，以标准值为边界，结合河流形态和空间插值范围，综合划分河流健康评估单元。
3结果与分析
3.1水环境监测点优化布局分析
根据水环境监测点分类方法，对抚河水环境监测点进行聚类分析，结果如表1所示。抚河流域水环境监测分类结果为7类，其中第一类包括1，2，3，7，14，24，25，28，29，32，33，35，36共13个监测点；第二类包括4，5，6，9，10，13，15，23，26，27，34共11个监测点；第三类包括8，16，17，18，30，37，38，39共8个监测点；第四类包括11，19，21，40共4个监测点；第五类包括20，22共2个监测点；第六类为31号监测点；第七类为12号监测点。
表1为抚河水环境监测空间布局优化布点结果
Table 1Spatial layout optimization of water environment monitoring inFuhe River
根据水环境监测点优化布局方法，确定优化后抚河水环境监测点如表1所示。优化布局后共包括了16个监测点，占初始布局布点的40％。第一类监测点包括2，24，28，32，35等5个监测点，第二类监测点包括6，15，26，34等4个监测点，第三类监测点包括18，38等2个监测点，第四类监测点包括11，40等2个监测点，第五类为22号监测点，第六类为31号监测点，第七类为12号监测点。
3.2河流健康评估单元划分指标识别
以抚河六个水环境监测指标和分类结果为基础，相关性分析结果如表2所示。根据各指标与分类之间的相关关系结果，在0.01水平上，TN与氨氮呈显著性相关，Chla与BOD5和分类之间呈显著相关；在0.05水平上，TN与CODMn，BOD5与分类之间呈显著相关。
根据各水环境监测指标与分类之间的相关分析结果，Chla和BOD5两个指标与分类之间存在显著相关关系，则确定Chla和BOD5为河流健康评估单元划分的关键指标。同时，由于Chla与分类之间在0.01水平上显著相关，并且相关系数为0.994，则选择Chla作为抚河健康评估单元划分的分区指标。
表2抚河水环境监测与分类相关分析
注：**表示相关性在0.01水平显著；*表示相关性在0.05水平显著。
3.3河流健康评估分区标准
抚河健康分区指标Chla浓度值如表3所示。根据评估单元划分标准确定方法，第一类最大和最小划分标准为1和5，第二类最大和最小划分标准为5和8，确定第一类和第二类划分标准为5；第三类最大和最小划分标准为11和8，确定第二类和第三类划分标准为8；第四类最大和最小划分标准为14和11，确定第三和第四类划分标准为11；第五类最大和最小划分标准为15和16，则计算第四类和第五类划分标准时，[S4max]+1+[([S5min]-([S4max]+1))/2]＝14+[(15-14)/2]＝14，确定第四类和第五类的划分标准为14；第六类的最大和最小划分标准为21和20，则计算第五类和第六类划分标准时，[S5max]+1+[([S6min]-([S5max]+1))/2]＝15+(21-15)/2＝18，确定第五类和第六类的划分标准为18；第七类的最大和最小划分标准为28和27，则计算第六类和第七类划分标准时，[S6max]+1+[([S7min]-([S6max]+1))/2]＝21+(27-21)/2＝24，确定第五类和第六类的划分标准为24。
根据抚河健康评估单元划分标准计算结果，则第一类、第二类、第三类、第四类、第五类、第六类、第七类的分区指标Chla浓度(mg/m3)的分区标准分别为(0,5)，[5,8)，[8,11)，[11,14)，[14,18)，[18,24)，[24,+∞)。
表3抚河健康评估分区指标值及分区标准
Table 3key indicators values and criteria for river health assessmentzoning in Fuhe River
3.4河流健康评估分区划分
根据抚河水环境监测点优化布局结果，采用IDW(Inverse Distance Weighted)方法进行空间插值(图3)，结合河流健康评估划分指标标准确定结果，确定抚河健康评估单元，共划分为16个河流健康评估单元，如图4所示，各评估单元特征如表4所示。
根据抚河健康评估单元划分结果，盱江划分为盱江上游、盱江中游和盱江下游3个评估单元；抚河干流分为抚河干流上游、抚河干流中游、抚河干流下游3个评估单元；黎滩河分为黎滩河源头区和黎滩河下游2个评估单元；宜黄水分为宜黄水源头区和宜黄水下游2个评估单元；相水分为相水源头区和相水干流2个评估单元；宝塘水分为宝塘水源头区和宝塘水-崇仁河2个评估单元；东乡水为1个评估单元；抚河下游为1个评估单元。
表4抚河健康评估单元特征及所占比重
4讨论与结论
抚河水环境监测点布局优化后，共包括16个监测点。根据抚河健康评估单元划分结果，每个监测点代表一个评估单元，其中在主支干流包含上游、中游、下游3个评估河段；在其他支流，一般分为源头区和下游2个河段；较小的支流和流域下游单独划分为1个评估单元。
根据抚河健康评估单元水环境特征及其分类可知，相邻评估单元所包含的水环境监测点基本上属于不同的分类，表明相邻评估单元存在一定差异。抚河各评估单元中，相水源头区和相水干流划分两个评估单元，但其所包含的水环境监测点属于同一分类，可能是由于该评估单元中多个样点指标值平均后减小了两个评估单元之间的差距所造成的。在相水源头区评估单元中，包含32号一个监测点，该监测点Chla浓度为3.122mg/m3，属于评估单元划分的第一类；在相水干流评估单元中，分别包括33和34两个监测点，该监测点的Chla浓度分别为1.380mg/m3和5.828mg/m3，分别属于评估单元划分的第一类和第二类，其中34号监测点作为优化点位，但评估单元Chla浓度平均值为3.604mg/m3，属于评估单元划分的第一类，平均值减小了该两个评估单元之间的差异。
根据抚河健康评估单元划分，16个评估单元所代表的河长不同，在河流健康评估中各评估单元所占的比重也不相同(表4)。已有河流健康评估通常采用各样点的特征值进行算数平均进行综合评估[7-10]，但根据本研究结果，各监测点所代表的评估单元所占比重属于0.025-0.192范围内，表明各评估单元所占比重存在较大的差异，则采用河流健康评估单元所占比重开展河流健康综合评估考虑了各评估单元健康状况的差异性，评估结果更加符合实际。
本发明科学构建了河流健康评估单元划分指标、标准和方法，并以抚河流域为对象验证其适用性。以抚河为对象，以水环境监测数据为基础，通过河流健康评估单元划分指标识别方法确定Chla为抚河健康评估单元划分分区指标，并且划分标准按照浓度由低到高分为七类。按照河流健康评估单元划分方法，抚河共分为16个河流健康评估单元，其中仅有相水源头区和相水干流两个相邻评估单元属于同一类别，其他各相邻评估单元均属于不同的分类，表明河流健康评估单元划分方法具有适用性，为进一步科学开展河流健康综合评估提供支撑。

Claims (6)

1.基于水环境监测的河流健康评估单元划分方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、布局监测点
采用网格法布设河流水环境监测点，每个网格中河段布设1个监测点；
步骤2、对监测点进行初始分类及优化
以水环境监测指标TN、TP、NH3-N、CODMn、BOD5和Chla六个指标在丰水期、平水期和枯水期三个时段的平均值为样本，采用SPSS16.0统计软件中样本聚类分析方法对监测点进行初始分类；然后对水环境监测点进行分类及优化，确定水环境点分类；
步骤3、河流健康评估单元分区指标确定
以水环境监测指标为基础，结合监测点分类，采用Pearson方法分析水环境监测指标之间及其与分类之间的相关关系，选择具有显著性相关的指标作为关键指标，在此基础上，选择与分类相关系数最大且相关水平最为显著的指标，作为河流健康评估单元划分的分区指标；
步骤4、河流健康评估单元分区划分
采用Arcgis10.2软件对步骤3得到的分区指标进行空间插值，以标准值为边界，结合河流形态和空间插值范围，综合划分河流健康评估单元；
所述步骤1中，水环境监测点布局遵循以下原则：
A.空间离散原则，全面对流域主要干支流进行布设监测点，干流10km布设监测点，支流20km布设监测点；
B.上、中、下游统筹，干支流兼顾原则，监测布设既要考虑河流上游、中游和下游，同时考虑干流和支流；较小的支流能够概化，不需要布设监测点；
C.支流在汇入干流前，布设支流监测点，多个支流汇入干流后，布设干流监测点；
D.重要节点布设监测点，在干支流的源头区、重要城市节点布置监测点；重点生态水利工程，分别在工程上下游区域布设监测点；
步骤4中还包括河流健康评估单元划分标准确定步骤，具体是：
假设因子I共m个监测数据，分为n类，分别为S1，S2，……，Sn，在各类中，该类别的最大值和最小值采用取整计算，则第i类最大值为[Simax]+1，最小值为[Simin]；计算第j类和第j+1类的划分标准时，分别计算第j类中最大值Sjmax和j+1类最小值Sj+1min，然后进行取整，[]为取整函数，则取[Sjmax]+1+[([Sj+1min]-([Sjmax]+1))/2]作为j类和第j+1类的划分标准；第1类和第n类的[S1min]和[Sn]+1分别按照实际指标值进行划分。
2.根据权利要求1所述的基于水环境监测的河流健康评估单元划分方法，其特征在于，步骤2中，水环境监测点布局优化原则主要包括以下五个方面：
(1)在水环境特征相似监测点中，由样点监测值与样本平均值进行拟合程度分析，拟合程度接近的点，误差越小，选择该监测点为该类样本的优选点；
(2)在样本较多条件下，如果相似监测点数量较多，则在该类监测点中，结合空间布局，适当增加与该类样本平均值拟合度差异较大的监测点作为该类的优选点；
(3)若两个相邻监测点具有相似水环境特征时，在上游区域，优化布局时选择接近源头点作为代表点；中游和下游区域，选择下游监测点作为代表点位；
(4)若三个相邻监测点具有相似水环境特征时，优化布局时选择中间监测点作为代表点位；
(5)考虑监测布局水环境差异显著特征，若代表点距离较近，并且同类监测点已经有代表性监测点，增加其他类别的监测点，使监测点空间离散分布。
3.根据权利要求1所述的基于水环境监测的河流健康评估单元划分方法，其特征在于，每个评估单元包含至少一个监测点。
4.根据权利要求1所述的基于水环境监测的河流健康评估单元划分方法，其特征在于，支流按照汇入干流节点为控制点划分评估单元。
5.根据权利要求1所述的基于水环境监测的河流健康评估单元划分方法，其特征在于，源头区按照空间分区边界进行划分。
6.根据权利要求1所述的基于水环境监测的河流健康评估单元划分方法，其特征在于，具有差异的监测布局分类划分为不同的评估单元。
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陕西省渭河健康状况分析;刘铁龙 等;陕西水利(第04期);第51-53页 *

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