發(fā)布時(shí)間：2022-01-06所屬分類(lèi)：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:在采樣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上, 應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論與方法, 嘗試研究太湖水質(zhì)參數(shù)空間分布特性.結(jié)果顯示, 太湖水質(zhì)參數(shù)的空間結(jié)構(gòu)變異性是客觀存在的, 各水質(zhì)參數(shù)都具有塊金效應(yīng);對(duì)太湖水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行克立格插值, 并進(jìn)行污染水平分類(lèi), 可以提供更為直觀的水環(huán)境信息.研究結(jié)果
摘要:在采樣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上, 應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論與方法, 嘗試研究太湖水質(zhì)參數(shù)空間分布特性.結(jié)果顯示, 太湖水質(zhì)參數(shù)的空間結(jié)構(gòu)變異性是客觀存在的, 各水質(zhì)參數(shù)都具有塊金效應(yīng);對(duì)太湖水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行克立格插值, 并進(jìn)行污染水平分類(lèi), 可以提供更為直觀的水環(huán)境信息.研究結(jié)果對(duì)太湖的水環(huán)境管理有一定的參考價(jià)值.
關(guān)鍵詞:太湖;水質(zhì)參數(shù);地統(tǒng)計(jì)學(xué)
太湖水質(zhì)污染目前已嚴(yán)重影響了整個(gè)流域的可持續(xù)發(fā)展, 并對(duì)人們的身體健康造成潛在的危害 .治理太湖、保護(hù)太湖已成為刻不容緩的任務(wù).了解湖泊水質(zhì)參數(shù)空間分布特征是進(jìn)行太湖環(huán)境評(píng)價(jià)的重要前提 .
但是太湖水質(zhì)參數(shù)的空間分布是不均勻的, 由于這種空間變異性既具有隨機(jī)性又具有結(jié)構(gòu)性, 因此用傳統(tǒng)方法進(jìn)行太湖水質(zhì)參數(shù)空間分布的研究具有明顯的局限性, 地統(tǒng)計(jì)學(xué)的出現(xiàn)為解決這個(gè)問(wèn)題提供了新的方法.本文應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論與方法, 嘗試在太湖水質(zhì)參數(shù)空間分布研究方面做新的探討 .
1 太湖概況
太湖是我國(guó)的五大淡水湖之一, 位于長(zhǎng)江三角洲 .湖面面積是 2460 km 2 , 實(shí)際水面面積為 2338 km 2 [ 1] .整個(gè)流域面積涉及上海市 、江蘇省、浙江省等省市 .太湖地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一, 也是人口最密集的地區(qū)之一 .在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí), 在資源、環(huán)境等方面也付出了巨大的代價(jià), 造成了生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞和環(huán)境質(zhì)量的下降, 尤其是人類(lèi)活動(dòng)給太湖造成的水質(zhì)污染, 產(chǎn)生了水質(zhì)性資源短缺及太湖生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞
2 地統(tǒng)計(jì)學(xué)在太湖水質(zhì)研究中的應(yīng)用
2.1 地統(tǒng)計(jì)學(xué)及其在環(huán)境研究中的應(yīng)用
地統(tǒng)計(jì)學(xué)( Geostatistics) 是為解決礦床從普查勘探 、礦山設(shè)計(jì)到礦山開(kāi)采整個(gè)過(guò)程中各種儲(chǔ)量計(jì)算和誤差估計(jì)問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的, 因此得名地統(tǒng)計(jì)學(xué), 現(xiàn)在已發(fā)展成為能表征和估計(jì)各種自然資源的工程學(xué)科 [ 2] .近幾年, 地統(tǒng)計(jì)學(xué)在環(huán)境科學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用, 已發(fā)表的研究如Burgess T .M . [ 3] 、Burrough P .A . [ 4, 5] 、沈思淵 [ 6] 、王學(xué)軍 [ 7] 等 .但是, 目前的研究主要集中在土壤科學(xué)方面, 而地統(tǒng)計(jì)學(xué)在水環(huán)境科學(xué), 尤其是湖泊環(huán)境中的應(yīng)用, 在國(guó)內(nèi)還鮮有報(bào)道.
2.2 數(shù)據(jù)采集與處理
在采樣監(jiān)測(cè)中, 考慮到湖岸線和湖中島的影響, 在太湖中均勻布置共 75 個(gè)采樣點(diǎn) .采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖 1 .采樣時(shí)間為 1999 年 11 月 4 日, 我們委托國(guó)家環(huán)保局太湖流域環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)中心站進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè) .采樣和樣品的分析根據(jù)國(guó)家環(huán)境有關(guān)規(guī)范進(jìn)行 .在監(jiān)測(cè)中主要考慮了葉綠素 a ( chlorophyll a, 簡(jiǎn)稱 chl-a ) 、總懸浮物( suspended sediment, 簡(jiǎn)稱 SS ) 、透明度( secchi depth, 簡(jiǎn)稱 SD) 3 種水質(zhì)參數(shù) .
本研究用 Grubbs 法 [ 8] 進(jìn)行了異常值檢驗(yàn), 為減少信息損失, 顯著性水平取 5 %, 僅有少量異常值被剔除.
2.3 太湖水質(zhì)參數(shù)的空間結(jié)構(gòu)分析( 以總懸浮物為例)
結(jié)構(gòu)分析的目的是建立一個(gè)變差函數(shù)的理論模型, 用它來(lái)定量地概括太湖水質(zhì)參數(shù)的全部有效的結(jié)構(gòu)信息, 表征此變量的主要結(jié)構(gòu)特征 [ 9] .并在此模型的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究( 如進(jìn)行克立格估計(jì)和條件模擬等) .因此, 結(jié)構(gòu)分析是應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究太湖水質(zhì)參數(shù)空間分布中非常重要的一步 . 圖2 總懸浮物的變差曲線圖 Fig .2 Variogram curve of SS
2.3.1 確定曲線類(lèi)型 根據(jù)實(shí)驗(yàn)變差函數(shù) [ 10] 的計(jì)算公式可以得到總懸浮物的變差函數(shù)曲線圖( 圖 2) .從圖2 中可以看出, 總懸浮物區(qū)域化變量的變差散點(diǎn)圖可能是球狀模型曲線、指數(shù)模型曲線或高斯模型曲線 [ 11] 中的一種, 為了便于比較, 分別對(duì)線性有基臺(tái)值模型 、球狀模型 、指數(shù)模型和高斯模型進(jìn)行了參數(shù)的最優(yōu)估計(jì) .
2.3.2 參數(shù)最優(yōu)估計(jì) 理論模型最優(yōu)擬合中最重要的一步是對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì) .變差函數(shù)的理論模型主要是曲線模型, 將曲線模型經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q, 化為線性模型, 然后用最小二乘法原理進(jìn)行未知參數(shù)的估計(jì).對(duì)于球狀模型 、指數(shù)模型和高斯模型而言。0
2.3.3 最優(yōu)模型的判斷和檢驗(yàn) 在模型間的比較時(shí), 選用了殘差平方和( Q) 、標(biāo)準(zhǔn)誤差( S ) 和決定系數(shù)( R 2 ) 等參數(shù), 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 1 .從表 1 可以看出, 在 4 個(gè)理論模型中, 無(wú)論是殘差平方和還是標(biāo)準(zhǔn)誤差都是球狀模型最小, 而球狀模型的決定系數(shù)又是最大的.盡管它們之間的塊金常數(shù)和基臺(tái)值都基本相同, 選擇球狀模型作為太湖水質(zhì)參數(shù)總懸浮物的變差函數(shù)理論模型是比較合適的.這個(gè)理論模型除了具有較高的擬合精度外, 對(duì)變程以內(nèi)的模擬可以得到滿意的結(jié)果.
另外, 還需要對(duì)回歸模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn), 檢驗(yàn)所建立的球狀模型的回歸方程與回歸曲線是否是顯著的.通過(guò)檢驗(yàn), 球狀模型在變程內(nèi)的擬合是顯著的.
2.3.4 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果 對(duì)在太湖中監(jiān)測(cè)的 3 種水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行球狀理論模型擬合, 擬合結(jié)果見(jiàn)表2 .
2.4 太湖水質(zhì)參數(shù)的空間分布
2.4.1 克立格法是空間插值最優(yōu)方法 地統(tǒng)計(jì)學(xué)主要包括空間結(jié)構(gòu)分析和空間插值( 克立格法) 2 部分 [ 12] .克立格法是基于這樣一種理解, 即用于推斷的研究對(duì)象( 如總懸浮物) 的已知值之間相互不是完全獨(dú)立的, 而是存在著一定的相關(guān)關(guān)系 .這種相關(guān)性既隨數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離變化, 也隨方向變化, 并可用變差函數(shù)來(lái)表征這種區(qū)域化變量的空間結(jié)構(gòu)性 [ 13] .克立格法是以無(wú)偏為約束, 尋求估計(jì)方差最小的一種插值方法, 是最優(yōu)空間插值方法 [ 14] .
從以往的研究 [ 15] 可以看出, 克立格插值方法的估計(jì)誤差均值和估計(jì)誤差方差兩項(xiàng)指標(biāo)均最小, 這就表明了克立格插值方法在太湖的實(shí)際應(yīng)用中確比傳統(tǒng)空間插值方法有著更強(qiáng)的有效性、最優(yōu)性和無(wú)偏性.
2.4.2 插值結(jié)果及圖形顯示 應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)就是為了更好地描述水質(zhì)參數(shù)在太湖中的分布狀況 .應(yīng)用克立格法的最優(yōu)插值原理與方法, 以太湖湖岸線為邊界, 對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行整個(gè)太湖插值生成水質(zhì)參數(shù)在太湖中的等值線 .按照湖泊富營(yíng)養(yǎng)化劃分標(biāo)準(zhǔn), 參照前人作過(guò)的工作 [ 16, 17] , 對(duì)等值線整理并用圖形顯示可生成水質(zhì)參數(shù)在太湖中的分布圖.由于篇幅所限, 這里僅給出總懸浮物在整個(gè)太湖中的分布狀況( 圖 3) .
從圖 3 中可以明顯地看出總懸浮物在整個(gè)太湖中的空間分布狀況, 這樣比零散的采樣數(shù)據(jù)更直觀 、有效, 更有利于人們的分析和研究, 有助于找出太湖污染的根源 .對(duì)于不同的區(qū)域采用不同的措施, 加以解決 .
3 結(jié)論
太湖中水質(zhì)參數(shù)分布具有結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性雙重性質(zhì), 具有空間變異性 .水質(zhì)參數(shù)的這種特點(diǎn), 決定了用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)描述太湖水質(zhì)參數(shù)的空間分布具有一定的局限性, 而地統(tǒng)計(jì)學(xué)則可以避免這種缺陷.在地統(tǒng)計(jì)學(xué)的應(yīng)用中, 相對(duì)于線性有基臺(tái)值模型 、球狀模型 、指數(shù)模型和高斯模型等而言, 球狀模型是最優(yōu)的理論模型, 能較好地?cái)M合變差曲線, 同時(shí)擬合結(jié)果是顯著的 ;應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果, 根據(jù)克立格最優(yōu)插值結(jié)果可以生成太湖水質(zhì)的評(píng)價(jià)圖, 為太湖的治理提供有用的信息 .事實(shí)證明, 在太湖水質(zhì)參數(shù)研究中, 地統(tǒng)計(jì)學(xué)可以充分利用水質(zhì)參數(shù)的空間信息, 為太湖水質(zhì)研究開(kāi)辟了一條新的方向.作為一種研究手段, 此種方法可以推廣到其它湖泊研究中.——論文作者： 劉瑞民 1 , 王學(xué)軍 1 , 鄭 一 1 , 李 瑩 1 , 江耀慈 2 , 周修煒 2
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