基于插值法的長湖水質(zhì)分析

基于插值法的長湖水質(zhì)分析

空間插值方法可以通過已知空間數(shù)據(jù)來估計未知空間的數(shù)據(jù)值，并將其應(yīng)用于不同因素（氣候、降水、環(huán)境等）的評估。污染物濃度的空間內(nèi)插法對于監(jiān)測點位少,需要描述評價總體環(huán)境狀況的研究對象具有實際意義。現(xiàn)利用空間插值法對長湖水質(zhì)進(jìn)行評價。1數(shù)據(jù)來源和分析1.1長湖市組成長湖是長江中游江漢平原的重要湖泊之一,面積138km2,東西長30km,南北最寬處為18km,水位1.7m時面積129km2,屬典型的崗邊洼地湖。長湖湖水依賴地表徑流和湖面降水補給,匯水面積2265.0km2,補給系數(shù)17.5。入湖河流有拾橋河、龍會橋河、太湖港和廣坪港等。出水由習(xí)家口、劉岺閘入四湖總干渠,沿內(nèi)荊河和田關(guān)河分別排入長江與東荊河(入漢水),多年平均可調(diào)水量3.87×108m3,平均最高水位32.0m,最低水位28.0m,平均水溫17.2℃。1.2取樣瓶和檢測采樣時間為2006年7月11日,利用GPS定位采樣點后在距水面下方0.5m處取樣3瓶(2個塑料瓶,1個玻璃瓶),具體操作依據(jù)《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》。采樣點分布見圖1。1.3評價標(biāo)準(zhǔn)與評價方法根據(jù)《湖北省地表水功能區(qū)劃類別》規(guī)定,長湖水體的水質(zhì)應(yīng)執(zhí)行Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。評價標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)。水質(zhì)評價采用水環(huán)境現(xiàn)狀評價方法中的單一指數(shù)評價法。水質(zhì)經(jīng)湖北省農(nóng)科院監(jiān)測中心檢測,結(jié)果見表1。2國內(nèi)外定量指標(biāo)研究現(xiàn)狀各指標(biāo)的實際觀測值只能在數(shù)目有限,具有代表性的采樣點上獲得。如何將這些點上同一時間內(nèi)實測的定量指標(biāo)信息外推到整個研究區(qū)域,國內(nèi)外已進(jìn)行了大量的研究,并總結(jié)出了多種方法。該研究及其他學(xué)者相關(guān)研究結(jié)果表明,反距離加權(quán)法與克立格內(nèi)插法空間估值的效果明顯好于其他方法。2.1模型1:dipi1p反距離加權(quán)法是最常用的空間內(nèi)插方法之一。其表示公式為:Ζ=n∑i=11(Di)pΖi∑1(Di)p(1)Z=∑i=1n1(Di)pZi∑1(Di)p(1)式中Z為估計值,Zi為第i(i=1,…,n)個樣本,Di為距離,p為距離的冪,其顯著影響內(nèi)插的結(jié)果,它的選擇標(biāo)準(zhǔn)是最小平均絕對誤差。2.2未采樣點檢測克立格法分為兩步:第一步是對空間場進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析;第二步是在該模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行克立格計算。Matheron給出了克立格法的一般公式:?Ζ(x0)=n∑i=1λiz(xi)(2)Z?(x0)=∑i=1nλiz(xi)(2)式中z(xi)為觀測值,它們分別位于區(qū)域內(nèi)xi位置;x0是一個未采樣點;λi為權(quán),并且其和等于1。即n∑i=1λi=1(3)∑i=1nλi=1(3)選取λi,使?Ζ(x0)Z?(x0)的估計無偏,并且使方差⌒σ2e小于任意觀測值線形組合的方差。克立格法以空間結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)進(jìn)行估值,因此該法充分利用了數(shù)據(jù)空間場的性質(zhì),在插值過程中可以反映空間場的各向異性,并且充分利用數(shù)據(jù)點之間的空間相關(guān)性,可以自動識別樣品點的空間分布。3反距離加權(quán)法分別以COD、總氮、總磷為參照指標(biāo)進(jìn)行插值分析,再使用環(huán)境影響綜合評價方法中的圖形疊置法及《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)得出綜合水質(zhì)評價結(jié)果,見圖1和圖2。對比圖1和圖2發(fā)現(xiàn)反距離加權(quán)法與克立格法得出的結(jié)果有所不同,故采用交叉驗證法來驗證插值的效果,在空間插值所得到的長湖水質(zhì)分布圖上可以讀出相應(yīng)檢驗站點的模擬值,然后計算檢驗站點實測值與模擬值的誤差,以此來判斷估值方法的優(yōu)劣。通過相對均方差(RMSE)的比較,發(fā)現(xiàn)兩種方法得出的結(jié)果盡管有所不同,但都具有較高的精度。只是反距離加權(quán)法略遜于克立格法。這是因為克立格法在插值過程中充分利用了數(shù)據(jù)點之間的空間相關(guān)性。但從整個插值計算過程來看,反距離加權(quán)法比克立格法要相對簡單。表明此兩種方法在湖泊水質(zhì)插值模型中均能獲得比較好的效果。根據(jù)實際情況,最終結(jié)果取自克立格法插值結(jié)果?？臻g內(nèi)插方法是研究區(qū)域變量空間分布的基本方法,各種方法都有其特定假設(shè)、適用范圍、算法和優(yōu)缺點,必須指出,對于眾多的空間內(nèi)插方法而言,沒有絕對最優(yōu)的空間內(nèi)插方法,只有特定條件下的最優(yōu)方法。從圖2可以看出整個長湖污染比較嚴(yán)重,大部分水域水質(zhì)都處于Ⅴ類和劣Ⅴ類,只是在其主要出水口習(xí)家口和劉岺閘附近的部分水域水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。也就是說,長湖的全部水域均超過了規(guī)定應(yīng)執(zhí)行的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。從長湖水體的水質(zhì)分布狀況來看,上游污染嚴(yán)重,如:上游的和尚橋、雙橋口、新陽橋、吳家洼、橋河口等各項指標(biāo)都明顯超標(biāo);下游出水口處的劉苓閘、習(xí)家口和湖岔后港、長湖中部及大湖湖心的水質(zhì)相對較好。這表明靠近荊州市的上游接納了荊州市城區(qū)大量的生活污水和工業(yè)廢水,造成長湖水質(zhì)的惡化。另外,整個長湖流域以農(nóng)業(yè)種植為主,兼有養(yǎng)殖業(yè),故其農(nóng)業(yè)非點源污染也是其水質(zhì)惡化的重要原因。除此之外,其內(nèi)源污染也不可忽略,因為在其上游狹長段,幾乎全部圍欄養(yǎng)魚,加劇了水質(zhì)的惡化。上游與下游水質(zhì)的差別也表明了長湖具有較強的水體自凈能力,這與實地調(diào)查所看到的長湖(尤其是其大湖段)生長著大量的沉水植物有密切關(guān)系。因此,對長湖沉水植物的生物量、群落特征、凈化能力作深入研究,對制定長湖水污染防治規(guī)劃將有十分重要的意義。4監(jiān)測點空間插值模型(1)整個長湖污染比較嚴(yán)重,大部分水域水質(zhì)都處于Ⅴ類和劣Ⅴ類,也就是說,長湖的全部水域均超過了規(guī)定應(yīng)執(zhí)行的Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。(2)利用空間插值得出湖泊污染物的分布模式具有可行性與實用性,從而可用來合理布置監(jiān)測點,減少水質(zhì)監(jiān)測的投資。(3)監(jiān)測點數(shù)據(jù)的特性、樣本站點的位置、空間密度、測量數(shù)據(jù)的精度、空間變異性等都會影響插值結(jié)果的精度。在進(jìn)行要素空間插值之前,需對站點數(shù)據(jù)的空間變