發布時間：2022-01-06所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:在采樣數據的基礎上, 應用地統計學的理論與方法, 嘗試研究太湖水質參數空間分布特性.結果顯示, 太湖水質參數的空間結構變異性是客觀存在的, 各水質參數都具有塊金效應;對太湖水質參數進行克立格插值, 并進行污染水平分類, 可以提供更為直觀的水環境信息.研究結果
摘要:在采樣數據的基礎上, 應用地統計學的理論與方法, 嘗試研究太湖水質參數空間分布特性.結果顯示, 太湖水質參數的空間結構變異性是客觀存在的, 各水質參數都具有塊金效應;對太湖水質參數進行克立格插值, 并進行污染水平分類, 可以提供更為直觀的水環境信息.研究結果對太湖的水環境管理有一定的參考價值.
關鍵詞:太湖;水質參數;地統計學
太湖水質污染目前已嚴重影響了整個流域的可持續發展, 并對人們的身體健康造成潛在的危害 .治理太湖、保護太湖已成為刻不容緩的任務.了解湖泊水質參數空間分布特征是進行太湖環境評價的重要前提 .
但是太湖水質參數的空間分布是不均勻的, 由于這種空間變異性既具有隨機性又具有結構性, 因此用傳統方法進行太湖水質參數空間分布的研究具有明顯的局限性, 地統計學的出現為解決這個問題提供了新的方法.本文應用地統計學的理論與方法, 嘗試在太湖水質參數空間分布研究方面做新的探討 .
1 太湖概況
太湖是我國的五大淡水湖之一, 位于長江三角洲 .湖面面積是 2460 km 2 , 實際水面面積為 2338 km 2 [ 1] .整個流域面積涉及上海市 、江蘇省、浙江省等省市 .太湖地區是我國經濟最發達的地區之一, 也是人口最密集的地區之一 .在經濟高速發展的同時, 在資源、環境等方面也付出了巨大的代價, 造成了生態系統的嚴重破壞和環境質量的下降, 尤其是人類活動給太湖造成的水質污染, 產生了水質性資源短缺及太湖生態環境的嚴重破壞
2 地統計學在太湖水質研究中的應用
2.1 地統計學及其在環境研究中的應用
地統計學( Geostatistics) 是為解決礦床從普查勘探 、礦山設計到礦山開采整個過程中各種儲量計算和誤差估計問題而發展起來的, 因此得名地統計學, 現在已發展成為能表征和估計各種自然資源的工程學科 [ 2] .近幾年, 地統計學在環境科學中得到了廣泛的應用, 已發表的研究如Burgess T .M . [ 3] 、Burrough P .A . [ 4, 5] 、沈思淵 [ 6] 、王學軍 [ 7] 等 .但是, 目前的研究主要集中在土壤科學方面, 而地統計學在水環境科學, 尤其是湖泊環境中的應用, 在國內還鮮有報道.
2.2 數據采集與處理
在采樣監測中, 考慮到湖岸線和湖中島的影響, 在太湖中均勻布置共 75 個采樣點 .采樣點分布見圖 1 .采樣時間為 1999 年 11 月 4 日, 我們委托國家環保局太湖流域環境監測網中心站進行采樣監測 .采樣和樣品的分析根據國家環境有關規范進行 .在監測中主要考慮了葉綠素 a ( chlorophyll a, 簡稱 chl-a ) 、總懸浮物( suspended sediment, 簡稱 SS ) 、透明度( secchi depth, 簡稱 SD) 3 種水質參數 .
本研究用 Grubbs 法 [ 8] 進行了異常值檢驗, 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 太湖水質參數的空間結構分析( 以總懸浮物為例)
結構分析的目的是建立一個變差函數的理論模型, 用它來定量地概括太湖水質參數的全部有效的結構信息, 表征此變量的主要結構特征 [ 9] .并在此模型的基礎上作進一步的地統計學研究( 如進行克立格估計和條件模擬等) .因此, 結構分析是應用地統計學研究太湖水質參數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 確定曲線類型 根據實驗變差函數 [ 10] 的計算公式可以得到總懸浮物的變差函數曲線圖( 圖 2) .從圖2 中可以看出, 總懸浮物區域化變量的變差散點圖可能是球狀模型曲線、指數模型曲線或高斯模型曲線 [ 11] 中的一種, 為了便于比較, 分別對線性有基臺值模型 、球狀模型 、指數模型和高斯模型進行了參數的最優估計 .
2.3.2 參數最優估計 理論模型最優擬合中最重要的一步是對模型中的參數進行最優估計 .變差函數的理論模型主要是曲線模型, 將曲線模型經過適當的變換, 化為線性模型, 然后用最小二乘法原理進行未知參數的估計.對于球狀模型 、指數模型和高斯模型而言。0
2.3.3 最優模型的判斷和檢驗 在模型間的比較時, 選用了殘差平方和( Q) 、標準誤差( S ) 和決定系數( R 2 ) 等參數, 計算結果見表 1 .從表 1 可以看出, 在 4 個理論模型中, 無論是殘差平方和還是標準誤差都是球狀模型最小, 而球狀模型的決定系數又是最大的.盡管它們之間的塊金常數和基臺值都基本相同, 選擇球狀模型作為太湖水質參數總懸浮物的變差函數理論模型是比較合適的.這個理論模型除了具有較高的擬合精度外, 對變程以內的模擬可以得到滿意的結果.
另外, 還需要對回歸模型進行顯著性檢驗, 檢驗所建立的球狀模型的回歸方程與回歸曲線是否是顯著的.通過檢驗, 球狀模型在變程內的擬合是顯著的.
2.3.4 結構分析結果 對在太湖中監測的 3 種水質參數進行球狀理論模型擬合, 擬合結果見表2 .
2.4 太湖水質參數的空間分布
2.4.1 克立格法是空間插值最優方法 地統計學主要包括空間結構分析和空間插值( 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象( 如總懸浮物) 的已知值之間相互不是完全獨立的, 而是存在著一定的相關關系 .這種相關性既隨數據點之間的距離變化, 也隨方向變化, 并可用變差函數來表征這種區域化變量的空間結構性 [ 13] .克立格法是以無偏為約束, 尋求估計方差最小的一種插值方法, 是最優空間插值方法 [ 14] .
從以往的研究 [ 15] 可以看出, 克立格插值方法的估計誤差均值和估計誤差方差兩項指標均最小, 這就表明了克立格插值方法在太湖的實際應用中確比傳統空間插值方法有著更強的有效性、最優性和無偏性.
2.4.2 插值結果及圖形顯示 應用地統計學就是為了更好地描述水質參數在太湖中的分布狀況 .應用克立格法的最優插值原理與方法, 以太湖湖岸線為邊界, 對水質參數進行整個太湖插值生成水質參數在太湖中的等值線 .按照湖泊富營養化劃分標準, 參照前人作過的工作 [ 16, 17] , 對等值線整理并用圖形顯示可生成水質參數在太湖中的分布圖.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太湖中的空間分布狀況, 這樣比零散的采樣數據更直觀 、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 .對于不同的區域采用不同的措施, 加以解決 .
3 結論
太湖中水質參數分布具有結構性和隨機性雙重性質, 具有空間變異性 .水質參數的這種特點, 決定了用經典統計學描述太湖水質參數的空間分布具有一定的局限性, 而地統計學則可以避免這種缺陷.在地統計學的應用中, 相對于線性有基臺值模型 、球狀模型 、指數模型和高斯模型等而言, 球狀模型是最優的理論模型, 能較好地擬合變差曲線, 同時擬合結果是顯著的 ;應用結構分析的結果, 根據克立格最優插值結果可以生成太湖水質的評價圖, 為太湖的治理提供有用的信息 .事實證明, 在太湖水質參數研究中, 地統計學可以充分利用水質參數的空間信息, 為太湖水質研究開辟了一條新的方向.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 , 王學軍 1 , 鄭 一 1 , 李 瑩 1 , 江耀慈 2 , 周修煒 2
參考文獻:
[ 1 ] 中國環境監測總站, 太湖流域環境監測網中心站.太湖水環境質量報告[ R] .無錫:中國環境監測總站, 太湖流域環境監測網中心站, 1999.1—2
[ 2 ] 儒爾奈耳 A G, 尤日布雷格茨 C H J.( 侯景儒, 黃競先, 楊爾煦, 等譯) 礦業地質統計學[ M] .北京:冶金工業出版社, 1982.1—5
[ 3] Burgess T M, Webster R.Optimal interopolation and isarithmic mapping of soil properties.Ⅱ .Block kriging [ J] .J Soil Sci, 1980 ( b) , 31:333—341
[ 4 ] Burrough P A.Multiscale sources of spatial variation in soil.Ⅰ .The application of fractal concepts to nested level of soil variation [ J] .J Soil Sci, 1983( a) , 34:577—597
[ 5 ] Burrough P A.Multiscale sources of spatial variation in soil .Ⅱ .A non-brownian fractal model and its application in soil survey [ J] .J Soil Sci, 1983( b) , 34:599—650
[ 6 ] 沈思淵.土壤空間變異研究中地統計學的應用及其展望[ J] .土壤研究進展, 1989, 2:11—24
[ 7 ] 王學軍, 鄧寶山, 張澤浦.北京東郊污灌區表層土壤微量元素的小尺度空間結構特征[ J] .環境科學學報, 1997, 17 ( 4) :412—416
[ 8 ] 陶 澍.應用數理統計方法[ M] .北京:中國環境科學出版社, 1994.51—56
[ 9 ] 侯景儒, 尹鎮南, 李維明, 等.實用地質統計學[ M] .北京:地質出版社, 1998.36—44
[ 10] 孫洪泉.地質統計學及其應用[ M] .徐州:中國礦業大學出版社, 1990.80—87
[ 11] 戴維M .( 孫惠文, 劉承祚譯) 礦產儲量的地質統計學評價[ M] .北京:地質出版社, 1989.122—134
[ 12] 王政權.地統計學及在生態學中的應用[ M] .北京:科學出版社, 1999.102—149
[ 13] 張 征, 張人權, 徐恒力, 等.定量預測巖溶含水介質滲透性空間分布的克立格法[ J] .中國巖溶, 1995, 14 ( 3) :1—8
[ 14] 王仁鐸, 胡光道.線性地質統計學[ M] .北京:地質出版社, 1988.123—126
[ 15] 劉瑞民, 王學軍.湖泊水質參數空間優化估算的原理與方法[ J] .中國環境科學, 2001, 21( 2) :177—179
[ 16] 黃漪平, 范成新.太湖富營養化綜合評價[ A] .中國科學院南京地理與湖泊研究所集刊[ C] .北京:科學出版社, 1993. 18—26
[ 17] 黃漪平, 范成新, 袁靜秀, 等.太湖水質現狀及變化趨勢[ A] .中國科學院南京地理與湖泊研究所集刊[ C] .北京:科學出版社, 1993.27—35
SCISSCIAHCI
