象山港海域海洋環(huán)境監(jiān)測站位優(yōu)化及驗(yàn)證分析

曹 維，仵彥卿，唐德富，楊耀芳，沈繼平，費(fèi)岳軍

（1.國家海洋局 寧波海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江 寧波 315012；2.上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

象山港位于寧波市東南部，穿山半島與象山半島之間，東臨大目洋，是一個(gè)由東北向西南深入內(nèi)陸的狹長型半封閉海灣，全港縱深60km，水深為10～15 m，港灣內(nèi)有西滬港、黃墩港和鐵港3個(gè)支港。象山港屬內(nèi)陸海港，為半封閉型海灣，盡管有潮汐的作用，但其海水交換能力差，不利于污染物的降解和擴(kuò)散，環(huán)境容量較小［1］。

20世紀(jì)70年代初期，寧波市衛(wèi)生防疫站負(fù)責(zé)象山港水質(zhì)監(jiān)測任務(wù)［2］；1976年起，寧波市環(huán)境監(jiān)測中心站承擔(dān)了象山港水質(zhì)監(jiān)測任務(wù)，設(shè)置了5個(gè)站位（吉奇、黃墩港、下山、黃避岙和野龍山）；1983年和1985年在上述5個(gè)站位增測了沉積物樣品；2002年，國家海洋局在象山港海域設(shè)置了赤潮監(jiān)控區(qū)［3］。受監(jiān)測能力和監(jiān)測經(jīng)費(fèi)的影響，象山港監(jiān)測站位數(shù)量有限，站位分布也不具代表性。隨著我國對海洋環(huán)境保護(hù)工作的重視，港灣海域監(jiān)測工作有待進(jìn)一步規(guī)范和深化，因此，有必要對監(jiān)測站位進(jìn)行優(yōu)化。本研究利用2011年度海洋環(huán)境評價(jià)項(xiàng)目《象山港海域海洋環(huán)境質(zhì)量綜合評價(jià)方法 DOMEP（MEA）－03－02》專題調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合同期赤潮監(jiān)控區(qū)和趨勢性監(jiān)測資料①，進(jìn)行站位優(yōu)化和驗(yàn)證分析，希望通過優(yōu)化后的監(jiān)測站位全面掌握港灣環(huán)境質(zhì)量，更好地為海洋環(huán)境保護(hù)管理提供決策依據(jù)。

1 站位優(yōu)化方法

目前關(guān)于監(jiān)測站位優(yōu)化的新方法，主要有物元分析法［4］、灰色局勢決策分析法［5］、序貫數(shù)論法［6］、模糊優(yōu)選法［7］、密切值法［8］、模糊聚類法［9］和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)選法［10］等，但上述方法在一定程度上存在缺陷。

克立金方法（Kriging）［11］是 G.Matheron教授以南非礦山地質(zhì)工程師D.G.Krige的名字命名的一種方法。從數(shù)學(xué)上講，克立金法是一種對空間分布數(shù)據(jù)

①寧波市海洋與漁業(yè)局.2011年寧波市海洋與漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測成果匯編（內(nèi)部資料）［G］.寧波：寧波市海洋與漁業(yè)局，2012.求最優(yōu)、線性、無偏內(nèi)插估計(jì)量的方法。從海洋環(huán)境研究角度講，它是根據(jù)已知監(jiān)測站位點(diǎn)上的環(huán)境要素變量，如某種污染物濃度的實(shí)測數(shù)據(jù)，對環(huán)境要素變量進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析（變差函數(shù)模型的確定）之后，為了對待估點(diǎn)作出一種線性、無偏、最小方差的估計(jì)，而對周圍已知站位點(diǎn)的測量值賦予一定權(quán)系數(shù)，進(jìn)行加權(quán)平均來估計(jì)待估點(diǎn)環(huán)境要素變量的方法。

本次站位優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用普通Kriging方差分析法，采用下式計(jì)算研究區(qū)海洋環(huán)境要素的估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差，同時(shí)結(jié)合研究區(qū)污染現(xiàn)狀，進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)測站位優(yōu)化分析：

式中：σ為估計(jì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差；λi（i＝1，2，...，N）為克立金權(quán)系數(shù)；N為已知監(jiān)測點(diǎn)總數(shù)；μ是拉格朗日乘子；xi＝（xi，yi），為已知監(jiān)測i點(diǎn)的坐標(biāo)；x0＝（x0，y0），為待插值點(diǎn)的坐標(biāo)；γ（xi，x0）＝γ（h）為變差函數(shù)，h為（x0，y0）到（xi，yi）之間的距離矢量，于是，γ（h）可用下列公式計(jì)算：

求得變差函數(shù)后，代入下式可以計(jì)算權(quán)系數(shù)λi（i＝1，2，...，N）和拉格朗日乘子μ：

將式（3）求得λi（i＝1，2，...，N）和μ代入到式（1），可以得到所有未知點(diǎn)的方差值。該方差的大小可反映已有監(jiān)測站位質(zhì)量的優(yōu)劣。

利用方差減少法，進(jìn)行現(xiàn)有監(jiān)測站位的優(yōu)化分析，站位優(yōu)化調(diào)整的原則為：

（1）污染物擴(kuò)散濃度梯度大的區(qū)域，加大監(jiān)測站位密度，否則，減少站位密度；

（2）考慮到海洋水動力條件，在流速梯度大的區(qū)域，加大監(jiān)測站位密度，否則，減少站位密度；

（3）污染源分布的地區(qū)，需要加密站位；

（4）對于有長序列的站位，盡可能保留；

（5）對海洋近岸地區(qū)，加大站位密度，遠(yuǎn)海區(qū)域減少站位密度；

（6）監(jiān)測站位優(yōu)化是一個(gè)過程，與經(jīng)費(fèi)投入和環(huán)境信息提取精度有關(guān)，因此，在站位優(yōu)化時(shí)，還要考慮目前的海洋環(huán)境研究狀況和經(jīng)費(fèi)投入。

2 站位優(yōu)化實(shí)例

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究采用的水質(zhì)、沉積物質(zhì)量、生物生態(tài)數(shù)據(jù)主要來源于2011年度海洋環(huán)境評價(jià)項(xiàng)目專題監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合同期象山港赤潮監(jiān)控區(qū)和趨勢性監(jiān)測數(shù)據(jù)；水文（水溫和鹽度）、沉積物類型采用2011年度海洋環(huán)境評價(jià)項(xiàng)目專題調(diào)查數(shù)據(jù)。

2.2 現(xiàn)有監(jiān)測站位

象山港現(xiàn)有13個(gè)赤潮監(jiān)控區(qū)站位、6個(gè)趨勢性監(jiān)測站位、31個(gè)專題調(diào)查站位（港口7個(gè)、港中11個(gè)、港底13個(gè)），共有50個(gè)監(jiān)測站位（圖1）。

2.3 站位優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)普通Kriging方差分析法，計(jì)算得到象山港現(xiàn)有監(jiān)測站位水質(zhì)要素估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差平均值為0.190（圖2），灣底和灣中部的估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差較小，而在灣口區(qū)域的估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差較大。此外，在觀測點(diǎn)較密的區(qū)域，估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差?。环粗?，估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差大。

同時(shí)，通過象山港海域水質(zhì)各監(jiān)測要素值的標(biāo)準(zhǔn)化和歸一化處理，進(jìn)行現(xiàn)有水質(zhì)污染狀況分析?？紤]到不同時(shí)期數(shù)據(jù)的差異性，采用31個(gè)專題調(diào)查站位的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行水質(zhì)污染狀況分析（圖3）?？梢缘贸觯笊礁蹫车孜廴境潭容^嚴(yán)重，灣中部區(qū)域次嚴(yán)重，灣口區(qū)域較輕。

結(jié)合象山港現(xiàn)有監(jiān)測站位水質(zhì)估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差和象山港現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測污染程度（圖2和圖3），對象山港水質(zhì)監(jiān)測站位進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后象山港有38個(gè)水質(zhì)測點(diǎn)（圖4），刪減了12個(gè)近岸站點(diǎn)，優(yōu)化后的水質(zhì)要素平均估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.168（圖5），增加了11.6%，刪減的監(jiān)測站位包括5個(gè)赤潮監(jiān)測站位（XS05、XS07、XS08、XS09和XS12）、2個(gè)趨勢性監(jiān)測站位（D33ZQ037和D33ZQ038）以及5個(gè)專題調(diào)查站監(jiān)測站位（QS2、QS6、QS10、QS22和 QS27）。

水質(zhì)站位設(shè)置：根據(jù)象山港豐水期和枯水期水體中各類污染物分布特點(diǎn)（圖6），充分考慮能監(jiān)測各類污染物重點(diǎn)分布區(qū)域，同時(shí)統(tǒng)籌考慮象山港水團(tuán)（圖7）和水動力［12］（圖8）分布區(qū)域，優(yōu)化后得到38個(gè)水質(zhì)監(jiān)測站位（圖4）。

圖1 象山港現(xiàn)有監(jiān)測站位Fig.1 Present monitoring stations in Xiangshangang Bay

圖2 現(xiàn)有站位水質(zhì)估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差Fig.2 Water quality estimated standard deviation of present stations

圖3 現(xiàn)有水質(zhì)污染狀況Fig.3 Present pollution condition of water quality

圖4 優(yōu)化后的監(jiān)測站位Fig.4 Optimized monitoring stations

圖5 優(yōu)化站位水質(zhì)估計(jì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差Fig.5 Water quality estimated standard deviation of optimized stations

圖6 水質(zhì)污染物分布Fig.6 Water pollutant distribution

圖7 水團(tuán)分布Fig.7 Water mass distribution

圖8 水體半交換時(shí)間Fig.8 Half exchange time of water

沉積物站位設(shè)置：原則上沉積物站位數(shù)為優(yōu)化后水質(zhì)監(jiān)測站位數(shù)的50%，合理布局，均勻分布。同時(shí)，充分考慮布點(diǎn)覆蓋所有沉積物類型（圖9），且各沉積物類型上設(shè)點(diǎn)密度基本保持一致，尤其是獅子口北面的QS26號站位因其僅有的貝殼－砂沉積物類型，故予以保留。對于有長序列的站位，盡可能保留，在站位設(shè)置中保留了具有多年沉積物監(jiān)測數(shù)據(jù)的趨勢性監(jiān)測站位（D33ZQ035）。優(yōu)化后共得到19個(gè)沉積物監(jiān)測站位（圖4）。

圖9 沉積物類型分布Fig.9 Distribution of sediment types

生物生態(tài)站位設(shè)置：充分考慮象山港水團(tuán)分布特征，浮游生物和底棲生物的群落分布特征，使站位覆蓋各類型水團(tuán)和各生物群落類型。根據(jù)水質(zhì)優(yōu)化站位來看，已覆蓋所有類型的水團(tuán)和浮游生物、底棲生物群落，生物生態(tài)站位數(shù)在取60%水質(zhì)站位數(shù)的過程中，做到均勻、有序地刪減。根據(jù)浮游植物優(yōu)勢種類的生態(tài)類型和分布特點(diǎn)，將象山港浮游植物進(jìn)行生態(tài)類型劃分。夏季象山港可劃分為沿岸種分布區(qū)、近岸溫帶種分布區(qū)和半咸水種分布區(qū)3個(gè)主分布區(qū)，在獅子口海域有少量熱帶種出現(xiàn)（圖10a）。冬季象山港可分為外洋廣溫種分布區(qū)、近岸暖海種分布區(qū)、廣溫廣布種分布區(qū)和半咸水種分布區(qū)4個(gè)區(qū)域（圖10b）。底棲生物站位應(yīng)充分考慮布點(diǎn)覆蓋所有沉積物類型，且各沉積物類型上設(shè)點(diǎn)密度基本保持一致，根據(jù)此原則，在獅子口北面的貝殼－砂沉積物類型中，保留QS26號站位，以充分覆蓋和均勻分布各底質(zhì)類型。為了盡可能保留長序列的站位，在站位設(shè)置中保留了具有多年生物監(jiān)測數(shù)據(jù)的趨勢性監(jiān)測站位（D33ZQ035）。優(yōu)化后共為23個(gè)生物生態(tài)監(jiān)測站位（圖4）。

圖10 浮游植物類型分布Fig.10 Distribution of phytoplankton communities

3 驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化后監(jiān)測站位所反映的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與現(xiàn)有監(jiān)測站位所反映的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量之間是否存在差異，需對2組數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中一般以概率（P）0.05作為顯著評定標(biāo)準(zhǔn)，即在100次試驗(yàn)中，由于偶然因素造成差異的可能性在5次以上，其差異被認(rèn)為是不顯著。如果兩者差異在概率為5%的范圍內(nèi)，出現(xiàn)這樣概率的機(jī)會非常小而出現(xiàn)了，那么我們就認(rèn)為此差數(shù)具有顯著差異程度。

根據(jù)2011年象山港生態(tài)環(huán)境專題調(diào)查結(jié)果，結(jié)合同年在象山港開展的赤潮監(jiān)控區(qū)、趨勢性監(jiān)測等相關(guān)資料，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的T檢驗(yàn)方法，對站位優(yōu)化前、后象山港海域的水質(zhì)、沉積物和生物生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。其中，水質(zhì)采用溶解氧、化學(xué)需氧量、活性磷酸鹽、無機(jī)氮、石油類、重金屬（汞、砷、銅、鉛、鋅、鎘、鉻）等12個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測值；沉積物采用石油類、滴滴涕、多氯聯(lián)苯、重金屬（汞、砷、銅、鉛、鋅、鎘、鉻）等10個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)；生物生態(tài)采用浮游植物、浮游動物和底棲生物的多樣性指數(shù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（表1），站位優(yōu)化前、后的2組數(shù)據(jù)之間無顯著性差異，說明優(yōu)化后的監(jiān)測站位（38個(gè)水質(zhì)站位、19個(gè)沉積物站位、23個(gè)生物生態(tài)站位）所表征的監(jiān)測信息量與現(xiàn)有50個(gè)監(jiān)測站位的信息量等效，可作為今后的常規(guī)監(jiān)測站位。

表1 站位優(yōu)化前、后監(jiān)測數(shù)據(jù)顯著性檢驗(yàn)Tab.1 Significant testing of original and optimized monitoring data

4 小結(jié)

根據(jù)2011年象山港海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測資料，運(yùn)用普通Kriging方差分析法進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)測站位優(yōu)化，再采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的T檢驗(yàn)方法，對站位優(yōu)化前、后象山港海域生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，2組數(shù)據(jù)之間無顯著性差異，說明優(yōu)化后的38個(gè)監(jiān)測站位能較好地代表象山港海域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，其所表征的監(jiān)測信息量與現(xiàn)有50個(gè)監(jiān)測站位的信息量等效，故可作為今后的常規(guī)監(jiān)測站位。

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