貼近度法在湘江干流水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化中的應(yīng)用

續(xù)衍雪，鄭丙輝，劉 琰，秦延文，羅岳平，廖月華

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(huán)境保護(hù)河口與海岸帶環(huán)境重點實驗室，北京 100012;2.湖南省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖南長沙 410014)

設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測斷面是開展水質(zhì)監(jiān)測工作的重要環(huán)節(jié)。合理設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測斷面，不僅能夠保證水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表性，而且能夠節(jié)約監(jiān)測成本。目前監(jiān)測斷面優(yōu)化的方法主要有貼近度法[1]、聚類分析法[2-3]、主成分分析法[4-5]、統(tǒng)計計算方法[6]、均值偏差法[7]、經(jīng)驗公式法等。

本研究以湘江干流為研究區(qū)，采用貼近度法優(yōu)化水質(zhì)監(jiān)測斷面，并采用t值檢驗法對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗證。

1 研究方法

貼近度法是采用監(jiān)測數(shù)據(jù)與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)之間的貼近度，并依據(jù)貼近度的大小對監(jiān)測點進(jìn)行科學(xué)合理的聚類，再從每類中選出代表點位，最后實現(xiàn)點位優(yōu)化的目標(biāo)[8]。

該方法首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，然后找出各監(jiān)測點多指標(biāo)參數(shù)中每個指標(biāo)的最大或最小值，將這些單指標(biāo)的最大值或最小值合成為一個虛擬的“最優(yōu)值”或“最差值”，即最大點與最小點集合，求出各個樣本點及標(biāo)準(zhǔn)值點與該兩虛擬點之間的距離，再根據(jù)它們的距離值計算出各樣本點與選取的標(biāo)準(zhǔn)值點之間的貼近度(可任意選取一個監(jiān)測斷面為標(biāo)準(zhǔn)點)，即可為各水質(zhì)監(jiān)測點的優(yōu)化提供計算判斷的依據(jù)。

第i個樣本點與最優(yōu)點的距離di-G及最差點的距離di-B的計算公式分別為

式中:rij為標(biāo)準(zhǔn)化值，(rij)G和(rij)B分別為各指標(biāo)的最大點集合及最小點集合，n為指標(biāo)個數(shù)，αj為第j個指標(biāo)在水質(zhì)評價中的權(quán)重(因為每個指標(biāo)在評價中的權(quán)重都是相同的，所以認(rèn)為αj=1)。

第i個樣本點與標(biāo)準(zhǔn)值點的貼近度ci-m的計算公式為

式中:dm-G為標(biāo)準(zhǔn)點與最優(yōu)點距離，dm-B為標(biāo)準(zhǔn)點與最差點距離。

貼近度法通過計算數(shù)值得出各個斷面與標(biāo)準(zhǔn)值的量化距離，它可以定量描述各個斷面的相似程度，具有概念明確、計算簡便、形象直觀、結(jié)論唯一等特點。

2 湘江干流監(jiān)測斷面優(yōu)化

2.1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源

湘江是長江的主要支流之一，為湖南省最大河流，其水質(zhì)狀況對湘江流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生產(chǎn)生活有著重要影響。目前，湘江干流自上而下布設(shè)有綠埠頭、港子口、歸陽鎮(zhèn)、松柏下、黃茶嶺、熬洲、朱亭鎮(zhèn)、楓溪、白石、霞灣、馬家河、五星、易家灣、昭山、猴子石、三汊磯、喬口、樟樹港等18個水質(zhì)監(jiān)測斷面。本研究所采用的數(shù)據(jù)為溶解氧、高錳酸鉀指數(shù)、化學(xué)需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、氟化物、硒、砷、汞、鎘、陰離子、糞大腸菌群等13項代表性指標(biāo)2006—2009年的月平均監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2 斷面優(yōu)化結(jié)果

首先計算出各斷面13項指標(biāo)的年均值，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，辨識出最優(yōu)點以及最劣點。結(jié)果如下:最優(yōu)點 ={0.212 8，0.106 8，0.151 8，0.031 3，0.0306，0.06，0.0783，0.005，0.037，0.0143，0.01，0.0408，0.0076};最劣點 ={0.2815，0.3132，0.330 4，0.246 3，0.427 9，0.245 6，0.241 7，0.14，0.3648，0.0535，0.305，0.2192，4.5322}。

選取樟樹港斷面為標(biāo)準(zhǔn)點，然后通過公式(1)～(3)分別計算出各斷面與最優(yōu)點和最劣點之間的距離和貼近度值，計算結(jié)果見表1。

貼近度值相近表明斷面的綜合水質(zhì)情況基本相同，可以歸為一類?？烧页鲑N近度值相近的斷面，對其進(jìn)行取舍優(yōu)化。由表1可見，朱亭鎮(zhèn)斷面與熬洲斷面貼近度值相差很小，表明兩監(jiān)測斷面綜合水質(zhì)情況基本相同，可只保留其中一個斷面;五星斷面與三汊磯斷面總體水質(zhì)狀況相差不大，建議保留其中一個斷面;昭山斷面與喬口斷面總體水質(zhì)狀況相差不大，建議保留其中一個斷面。

3 方法驗證

為了判斷采用貼近度法進(jìn)行斷面優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，可采用t值檢驗法[9]來進(jìn)行驗證。該驗證方法可以反映出貼近度值相近的兩個斷面所反映的水質(zhì)信息是否具有一致性。

3.1 t值檢驗原理及步驟

t值檢驗方法屬于統(tǒng)計檢驗法，又稱假設(shè)檢驗法或檢驗假設(shè)法，是統(tǒng)計推斷的一個重要組成部分。其內(nèi)容是，對總體某個參數(shù)給定一個值，即提出一個假設(shè)，然后對用子樣算出的相應(yīng)的統(tǒng)計量加以檢驗。在實驗數(shù)據(jù)處理中常用到統(tǒng)計檢驗，以往需要查表來確定統(tǒng)計檢驗的臨界值，根據(jù)程序計算出統(tǒng)計量的結(jié)果，經(jīng)比較后下結(jié)論[10]。

式中，n為樣本數(shù)，μ則由顯著性水平α及自由度為n-1的t1-α來計算。

選擇檢驗顯著性水平α，查t分布分點表獲得自由度為n-1的t1-α，計算μ:

3.2 t值檢驗驗證

通過貼近度法可得出結(jié)論，朱亭鎮(zhèn)與熬洲、五星與三汊磯、昭山與喬口兩兩斷面所反映的綜合水質(zhì)情況基本相同。下面運(yùn)用t值檢驗法對上述兩兩斷面進(jìn)行檢驗。

運(yùn)用SPSS軟件進(jìn)行t值檢驗，錄入熬洲斷面與朱亭鎮(zhèn)斷面標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，選擇分析項目中的獨立樣本t檢驗選項，點擊確定即可輸出結(jié)果。統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 熬洲斷面與朱亭鎮(zhèn)斷面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果

通過SPSS軟件計算出t值為24，μ為0.819，大于顯著水平0.05，表明兩個樣本總體均值無顯著差異，綜合水質(zhì)狀況相近，即朱亭鎮(zhèn)斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息完全可以代替熬洲斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。

同理，將五星斷面與三汊磯斷面標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)錄入SPSS軟件，進(jìn)行t值檢驗，計算出μ為0.986，大于顯著水平0.05，表明兩個樣本總體均值無顯著差異，綜合水質(zhì)狀況相近，五星斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)完全可以代替三汊磯斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)。選取昭山斷面與喬口斷面標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)錄入SPSS軟件，進(jìn)行t值檢驗，計算出 μ 為 0.952，大于顯著水平0.05，表明兩個樣本總體均值無顯著差異，綜合水質(zhì)狀況相近，昭山斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)完全可以代替喬口斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)。

由上述t值檢驗可以看出，通過貼近度法計算出數(shù)值相近的兩斷面之間的差異不顯著，表示兩兩斷面的水質(zhì)總體差距相差不大，水質(zhì)情況基本相同，一個點位的信息可代替另一個點位的信息，貼近度法對湘江干流段監(jiān)測斷面優(yōu)化結(jié)果比較準(zhǔn)確。

4 優(yōu)化結(jié)果的可行性分析

貼近度法對監(jiān)測斷面的優(yōu)化只是一種理論上的計算，而實際上，監(jiān)測斷面的設(shè)置除考慮水質(zhì)的代表性外，還需考慮水環(huán)境管理的實際需要，如污染源監(jiān)測、跨界水體管理以及重要水環(huán)境功能區(qū)管理的需要等。結(jié)合湘江流域水環(huán)境管理的實際需求，對貼近度法優(yōu)化結(jié)果的可行性進(jìn)行分析:朱亭鎮(zhèn)斷面是衡陽市與株洲市的交界斷面，三汊磯斷面是支流瀏陽河入湘江斷面，昭山斷面是湘潭市與長沙市的交界斷面，由于“十二五”期間，要推行流域生態(tài)補(bǔ)償和排污權(quán)交易政策，市州交界斷面必須監(jiān)測，因此，上述3個斷面應(yīng)予以保留。此外，五星斷面和喬口斷面分別是湘潭市和長沙市望城區(qū)的飲用水水源地監(jiān)測斷面，為保障飲水安全，這2個斷面也應(yīng)保留。因此，根據(jù)貼近度法的優(yōu)化結(jié)果，結(jié)合實際水環(huán)境管理需要，建議去除熬洲斷面，保留其余的17個斷面。

5 結(jié)語

選用貼近度法對湘江干流18個監(jiān)測斷面進(jìn)行優(yōu)化研究，并結(jié)合湘江流域水環(huán)境管理的實際需求，對貼近度法優(yōu)化結(jié)果的可行性進(jìn)行分析，建議去除熬洲斷面，保留其余17個監(jiān)測斷面。優(yōu)化后的17個斷面完全可以反映原有監(jiān)測斷面的水質(zhì)信息，能夠準(zhǔn)確地反映湘江干流的水質(zhì)狀況，同時也節(jié)約了監(jiān)測成本。

貼近度法在水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)化過程中具有一定的應(yīng)用價值，t值檢驗也證明了該方法的準(zhǔn)確性，但貼近度法只是一種理論上的斷面優(yōu)化方法，仍需結(jié)合水環(huán)境管理的實際需求，對理論上的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行修正。

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