動態(tài)貼近度法在徒駭河干流水質(zhì)監(jiān)測點優(yōu)化中的應(yīng)用

崔海波，殷永泉，崔兆杰，吳德華，賈雪清，劉瑜

(山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

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動態(tài)貼近度法在徒駭河干流水質(zhì)監(jiān)測點優(yōu)化中的應(yīng)用

崔海波，殷永泉*，崔兆杰，吳德華，賈雪清，劉瑜

(山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

根據(jù)2010—2012年的COD、BOD5、NH3-N、TP和Cr6+的例行監(jiān)測數(shù)據(jù),采用動態(tài)貼近度法，對徒駭河干流13個監(jiān)測點進(jìn)行優(yōu)化。分別計算豐水期、平水期和枯水期的最優(yōu)點和最劣點的距離，從而計算出最優(yōu)貼近度值。利用t檢驗和F檢驗對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確度和精確度檢驗，結(jié)果表明，優(yōu)化后的8個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以代表整個干流的水質(zhì)狀況。

動態(tài)貼近度法；優(yōu)化布點；t檢驗；F檢驗;徒駭河干流

流域水環(huán)境監(jiān)測斷面的優(yōu)化布設(shè)是保證監(jiān)測質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)[1-5]。目前常用物元分析法[6-15]、聚類分析法[16-18]、最優(yōu)分割法[19-22]、動態(tài)貼近度法[23-25]等數(shù)理統(tǒng)計分析方法進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測優(yōu)化布點，通過分析監(jiān)測斷面結(jié)果相近與否判斷鄰近斷面是否需要優(yōu)化[4]。

物元分析法選點概念明確，計算簡便，但未考慮點位空間關(guān)系和實際情況[12]，并且關(guān)聯(lián)度函數(shù)權(quán)重值的選擇也有待于進(jìn)一步探索[15]。聚類分析法在樣本數(shù)量較少的情況下操作比較簡單，但是忽視了相互作用過程且會造成空間覆蓋率的問題[25]。最優(yōu)分割法能夠解決有序樣本的分類優(yōu)化問題，但對直徑的描述方式不夠完善。主成分分析法能概括長期監(jiān)測所獲得的大量數(shù)據(jù)，在損失較少信息的情況下減少評價指標(biāo)，抓住主要矛盾進(jìn)行分析評價，但是監(jiān)測項目較少時無法應(yīng)用。動態(tài)貼近度法考慮了水質(zhì)環(huán)境的時空變化[23]，動態(tài)地進(jìn)行優(yōu)化工作[24]，其模型對計算結(jié)果具有放大作用，聚類效果好，能很好地解決不同的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果不同的問題[24]。

此外，當(dāng)只有一年的豐、平、枯水期或每月監(jiān)測數(shù)據(jù)時也可以考慮用動態(tài)貼近度法。動態(tài)貼近度法是通過計算相關(guān)時段各評價監(jiān)測點各項指標(biāo)的規(guī)范化值，尋求水質(zhì)虛擬最優(yōu)點和最劣點，計算規(guī)范化后的監(jiān)測值與最優(yōu)點、最劣點的歐氏距離，根據(jù)最優(yōu)貼近度的定義建立優(yōu)化模型，最后按貼近度值的大小進(jìn)行聚類，實現(xiàn)監(jiān)測點的優(yōu)化布設(shè)[22]。張亦飛[23]、續(xù)衍雪[24]、曹波[25]等利用動態(tài)貼近度法實現(xiàn)流域水質(zhì)監(jiān)測點的優(yōu)化。

1 徒駭河干流監(jiān)測點優(yōu)化

1.1 斷面布設(shè)與數(shù)據(jù)來源

徒駭河干流自西向東設(shè)置13個監(jiān)測斷面：畢屯、莘縣橋、李鳳桃、雙樓橋、四河頭、博平橋、老南鎮(zhèn)橋、小楊屯、申橋、前油坊、夏口橋、商橋、富國。

數(shù)據(jù)來源：徒駭河2010—2012年3年月平均水質(zhì)例行監(jiān)測數(shù)據(jù)， 涵蓋了COD、BOD5、NH3-N、TP和Cr6+在內(nèi)的5項污染指標(biāo)。

根據(jù)山東省環(huán)保廳印發(fā)的《山東省環(huán)境安全預(yù)警水質(zhì)監(jiān)測方案(試行)》(2011年)中環(huán)境預(yù)警監(jiān)測點位匯總表，選擇Cr6+作為徒駭河流域重金屬監(jiān)測表征因子。

1.2 建立相關(guān)矩陣

1.2.1 初始決策矩陣X(t)

分別建立豐水期、平水期和枯水期3個時段的初始決策矩陣X(t)。該流域7、8月份為豐水期，2—5月份為枯水期，1、6、9、10、11和12月份為平水期。矩陣由13個監(jiān)測點組成監(jiān)測點集，每一個監(jiān)測點由5個評價指標(biāo)組成指標(biāo)集。

1.2.2 樣本矩陣R(t)

分別建立豐水期、平水期和枯水期的樣本矩陣，見式1和式2。

(1)

(2)

式中：rij(t)——第i個監(jiān)測點第j項指標(biāo)在t時段內(nèi)的規(guī)范值；

xij(t)——第i個監(jiān)測點第j項指標(biāo)在t時段內(nèi)的監(jiān)測值；

t——豐水期、平水期和枯水期，n=13，m=5。

計算所得豐水期、平水期和枯水期樣本矩陣如下：

1.3 最優(yōu)點和最劣點的距離

S+(豐)=[0.198 0 0.216 0 0.069 9 0.022 0 0.056 8]

S-(豐)=[0.387 6 0.365 5 0.504 4 0.559 9 0.466 4]

S+(平)=[0.195 7 0.144 1 0.061 8 0.039 7 0.156 0]

S-(平)=[0.373 9 0.400 7 0.520 1 0.542 9 0.329 3]

S+(枯)=[0.171 9 0.108 3 0.088 2 0.101 3 0.139 6]

S-(枯)=[0.331 3 0.490 8 0.444 2 0.497 8 0.466 4]

t時段內(nèi)第i個監(jiān)測點與最優(yōu)點的距離及t時段內(nèi)第i個監(jiān)測點與最劣點的距離計算方法見式3和式4 ，結(jié)果見表1。

(3)

(4)

式中：wj——不同監(jiān)測因子的權(quán)重值，認(rèn)為各污染因子重要性相同，故均取1。

1.4 最優(yōu)貼近度的計算

根據(jù)式5計算最優(yōu)貼近度值ui，結(jié)果見表1。

(5)

表1 監(jiān)測點與最優(yōu)點和最劣點的距離和最優(yōu)貼近度值

貼近度值相近表明斷面的綜合水質(zhì)情況基本一致，可以歸為一類[24]。由表1可見，申橋和富國、莘縣橋和夏口橋、博平橋和商橋、雙樓橋和老南鎮(zhèn)橋、畢屯和李鳳桃可歸為一類，建議分別保留1個監(jiān)測點位。根據(jù)各監(jiān)測斷面的位置，擬去掉莘縣橋、李風(fēng)桃、老南鎮(zhèn)橋、申橋和商橋5個監(jiān)測點。

1.5 監(jiān)測優(yōu)化檢驗

為確定優(yōu)化后監(jiān)測點的代表性和可行性，采用t檢驗法和F檢驗法進(jìn)行優(yōu)化驗證，確保檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度。

1.5.1 雙總體t檢驗

分別對申橋和富國、莘縣橋和夏口橋、博平橋和商橋、雙樓橋和老南鎮(zhèn)橋、畢屯和李鳳桃5組監(jiān)測斷面進(jìn)行雙總體t檢驗。雙總體t檢驗分為2種情況：一是相關(guān)樣本平均數(shù)差異的顯著性檢驗，用于檢驗匹配而成的2組被試獲得的數(shù)據(jù)或同組被試在不同條件下所獲得的數(shù)據(jù)的差異性；二是獨立樣本(各實驗處理組之間毫無相關(guān)存在，即為獨立樣本)平均數(shù)差異的顯著性檢驗，用于檢驗2組非相關(guān)樣本被試所獲得的數(shù)據(jù)的差異性，即檢驗2組樣本均值是否相等，文章屬于第2種情況。獨立樣本平均數(shù)的顯著性檢驗方法見式6和式7。

(6)

(7)

S1、S2——樣本1和樣本2的標(biāo)準(zhǔn)差。

取0.05為顯著性水平，df=n1+n2-2=8，查t值表。若|t|≤t1-a/2(n1+n2-2)則認(rèn)為差異性不顯著，反之則顯著，不能歸類。臨界值t0.975(8)=2.132 。將規(guī)范的監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入Excel，利用統(tǒng)計函數(shù)中的t.test進(jìn)行單側(cè)t檢驗，結(jié)果見表2。

表2 各對比斷面不同水期t檢驗數(shù)據(jù)

由表2可見，5組樣本3個不同時段的t值均<2.132，差異性不顯著，可以歸為一類。

1.5.2F檢驗

運用F檢驗法確定2組數(shù)據(jù)的精密度是否有顯著性差異，計算方法見式8，結(jié)果見表3。

(8)

式中：S——標(biāo)準(zhǔn)差；

S1——優(yōu)化前后較大的標(biāo)準(zhǔn)差；

S2——優(yōu)化前后較小的標(biāo)準(zhǔn)差。

取0.05為顯著性水平，查F值表，F(xiàn)0.05(12,7)=3.57。若F>F0.05(12,7)，則認(rèn)為優(yōu)化前后的監(jiān)測點各監(jiān)測數(shù)據(jù)的精密度有較大的差異不能優(yōu)化，反之精密度和總體方差相同，可進(jìn)行優(yōu)化。

表3 優(yōu)化前后監(jiān)測斷面不同水期F檢驗數(shù)據(jù)

由表3可見，除豐水期BOD5外，其他優(yōu)化前后的監(jiān)測斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)的精密度基本相同且平水期和枯水期BOD5的精密度和總體方差相同，認(rèn)為優(yōu)化是可行的。

2 結(jié)語

以2010—2012年不同水期(豐水期、平水期和枯水期)5種污染因子例行監(jiān)測數(shù)據(jù)為依托，采用動態(tài)貼近度法，對徒駭河干流現(xiàn)有13個監(jiān)測點進(jìn)行優(yōu)化。利用t檢驗對貼近度值相近的5組監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本均值檢驗，結(jié)果表明這5組監(jiān)測點組內(nèi)差異不顯著，各組監(jiān)測點可以合并為一類。利用F檢驗對優(yōu)化前13個監(jiān)測點和優(yōu)化后8個監(jiān)測點進(jìn)行精密度檢驗，結(jié)果表明精密度和總體方差均相同，優(yōu)化后8個監(jiān)測點可以代表整個河流水環(huán)境質(zhì)量狀況。但是，有些因素會影響優(yōu)化的結(jié)果，如閘壩的設(shè)置。徒駭河流域?qū)儆跇O度缺水區(qū)，為儲存水資源整個河流設(shè)置多處閘壩，閘壩的起落會造成監(jiān)測數(shù)據(jù)的驟變，例如突然開閘放水，導(dǎo)致下游監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)突增或忽減。采用2010—2012年3年不同水期(豐水期、平水期和枯水期)例行監(jiān)測數(shù)據(jù)，雖然在一定程度上使得監(jiān)測數(shù)據(jù)代表性更強(qiáng)，但也無法完全排除這種影響，因此在選擇監(jiān)測數(shù)據(jù)時要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)修正。

動態(tài)貼近度法可為流域水質(zhì)監(jiān)測點優(yōu)化提供重要的理論支持，能節(jié)約成本并提高監(jiān)測點的代表性。但是，在實際應(yīng)用時不僅要參考最優(yōu)貼近度值，還應(yīng)該結(jié)合流域?qū)嶋H情況和水污染防控要求。如優(yōu)化時需結(jié)合流域污染源分布情況和各支流匯入情況，保留上游有重大污染源和支流匯入的監(jiān)測點。同時，還應(yīng)該考慮流域水污染管理需要，保留可減少流域水污染糾紛的跨界斷面。

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Application of the Dynamic Similarity Method in Optimization of Water Quality Monitoring Sites of the Mainstream of the Tuhaihe River

CUI Hai-bo,YIN Yong-quan*,CUI Zhao-jie,WU De-hua,JIA Xue-qing,LIU Yu

(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,ShandongUniversity,Jinan,Shandong250100,China)

In order to properly set up water quality monitoring sections for the mainstream of the Tuhaihe River,the dynamic similarity method was used to optimize a total of 13 water quality monitoring sites along the river based on the monitoring data of COD,BOD5,NH3-N,TP,and Cr6+from 2010 to 2012. The optimal similarity was calculated by computing the distances between the optimum sites and the worst sites during the abundant water period,normal water period,and low water period. To test the accuracy and precision of the measurements,the optimization results were verified by theT-test andF-test. The results showed that 8 out of the 13 monitoring sites that were optimized were able to reflect the water quality of the mainstream of the Tuhaihe River,and that the dynamic similarity method was feasible to optimize the water quality monitoring sites of the river．

Dynamic similarity method; Optimized site;t-test;F-test; Mainstream of the Tuhaihe River

2014-07-15；

2015-03-09

崔海波(1987—)，女，在讀碩士，主要研究方向為環(huán)境規(guī)劃管理與評價。

*通訊作者：殷永泉 E-mail：yqyin@sdu.edu.cn

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1674-6732(2015)03-0017-05