象山港生態(tài)浮標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

趙賓峰，趙乾丞

（寧波市海洋與漁業(yè)信息監(jiān)測(cè)中心，浙江 寧波 315000）

象山港生態(tài)浮標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

趙賓峰，趙乾丞

（寧波市海洋與漁業(yè)信息監(jiān)測(cè)中心，浙江 寧波 315000）

生態(tài)浮標(biāo)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前已廣泛應(yīng)用于污染物監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警等多方面，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性是浮標(biāo)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)推廣與應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。選取象山港海域生態(tài)浮標(biāo)近3 a同時(shí)段的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件對(duì)比對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，結(jié)果顯示，浮標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有較好的一致性，無(wú)顯著的系統(tǒng)性偏差，大部分監(jiān)測(cè)指標(biāo)的正負(fù)偏差呈正態(tài)分布，可以用于對(duì)海水水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為決策部門(mén)及社會(huì)公眾提供準(zhǔn)確有效的海洋生態(tài)環(huán)境信息服務(wù)。

浮標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測(cè)；比對(duì)；SPSS軟件；正態(tài)分布

1 研究背景

海上浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有及時(shí)反映多參數(shù)、多介質(zhì)海洋環(huán)境要素動(dòng)態(tài)變化、預(yù)測(cè)預(yù)警其發(fā)展趨勢(shì)并加快處理突發(fā)事件等優(yōu)勢(shì)，在風(fēng)暴潮預(yù)警、赤潮預(yù)警、海洋污染監(jiān)測(cè)等方面正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]。利用浮標(biāo)實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)資料，及時(shí)了解和掌握海洋環(huán)境綜合質(zhì)量狀況及其變化規(guī)律，不僅可以掌握和了解海洋資源的變化狀況，更好地開(kāi)發(fā)利用海洋資源，有效避免和降低溢油、赤潮等海洋災(zāi)害對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的污染和海洋功能的損害，進(jìn)而改善海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，還可以為海上運(yùn)輸、漁業(yè)生產(chǎn)、海水養(yǎng)殖和濱海旅游等海洋產(chǎn)業(yè)提供及時(shí)、有效的服務(wù)，促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

浮標(biāo)承載的各類儀器設(shè)備和傳感器受海水侵蝕、生物附著污染、漁船等外力碰撞，容易導(dǎo)致傳感器靈敏度受損，使監(jiān)測(cè)值產(chǎn)生較大偏差。為了保證浮標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精確度，必須對(duì)浮標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。目前普遍采用的一種數(shù)據(jù)質(zhì)控方法是進(jìn)行比對(duì)監(jiān)測(cè)和偏差分析，即人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與浮標(biāo)監(jiān)測(cè)同時(shí)進(jìn)行，再將兩種方法獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差分析[2]。

2 研究方法

選取同時(shí)段的象山港生態(tài)浮標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（以下簡(jiǎn)稱浮標(biāo)值）和實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（以下簡(jiǎn)稱比對(duì)值），計(jì)算二者的相對(duì)偏差。研究參數(shù)為表層水溫、pH、鹽度、溶解氧、葉綠素a、亞硝酸鹽、硝酸鹽和活性磷酸鹽共8項(xiàng)表征海水水質(zhì)的主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)。其中，葉綠素、硝酸鹽、亞硝酸鹽和活性磷酸鹽指標(biāo)以相對(duì)偏差在30%以內(nèi)的數(shù)據(jù)作為比對(duì)合格數(shù)據(jù)；表層水溫、pH、鹽度、溶解氧指標(biāo)以相對(duì)偏差在5%以內(nèi)的數(shù)據(jù)作為比對(duì)合格數(shù)據(jù)。當(dāng)顯著性水平α為0.05時(shí)，利用SPSS軟件，對(duì)浮標(biāo)值與比對(duì)值的相對(duì)偏差進(jìn)行K-S檢驗(yàn)和相關(guān)性分析[3]。

2.1 SPSS軟件簡(jiǎn)介

社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件SPSS（Statistical Program for Social Sciences）是一款非常流行的專業(yè)統(tǒng)計(jì)軟件，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域和行業(yè)[4]。作為統(tǒng)計(jì)分析工具，SPSS軟件具有理論嚴(yán)謹(jǐn)、內(nèi)容豐富、操作簡(jiǎn)單、在線幫助方便、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能強(qiáng)、統(tǒng)計(jì)分析方法全面等優(yōu)點(diǎn)，能完成數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析和圖形繪制等功能，得到專業(yè)人士的青睞[5]。

2.2 傳感器配置及監(jiān)測(cè)方法

水質(zhì)監(jiān)測(cè)選用美國(guó)YSI6600多參數(shù)水質(zhì)傳感器，可測(cè)量溫度、電導(dǎo)率、鹽度、pH、溶解氧、葉綠素等參數(shù)。營(yíng)養(yǎng)鹽的測(cè)量選用意大利Systea公司的WIZ三通道流動(dòng)池傳感器，可測(cè)量氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽參數(shù)。磷酸鹽的測(cè)量使用美國(guó)Wetlabs公司的cycle-PO4傳感器，單獨(dú)測(cè)量活性磷酸鹽一個(gè)參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)和分析工作按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》（GB 17378-2007）、《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB/T 12763-2007）等監(jiān)測(cè)規(guī)范和分析方法執(zhí)行，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的分析方法見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分析方法

3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)SPSS軟件的計(jì)算及統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)其中5項(xiàng)參數(shù)（表層水溫、pH、鹽度、溶解氧和葉綠素a）進(jìn)行了深入分析。

3.1 表層水溫

試驗(yàn)共獲取表層水溫實(shí)際水樣比對(duì)數(shù)據(jù)76組。其中，比對(duì)合格的數(shù)據(jù)有76組，比對(duì)合格率為100%，表明浮標(biāo)值與比對(duì)值有很好的一致性。在合格的數(shù)據(jù)中，有2組浮標(biāo)值與比對(duì)值完全一致，正偏離占總數(shù)的57.9%，負(fù)偏離占總數(shù)的39.5%。通過(guò)直方圖，可以看到浮標(biāo)值與比對(duì)值的相對(duì)偏差大都落在±1%的區(qū)間內(nèi)（圖1）。當(dāng)顯著性水平α為0.05時(shí)，對(duì)浮標(biāo)值與比對(duì)值的相對(duì)偏差進(jìn)行K-S檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：P值Sig.(2-tailed)=0.147>0.05，說(shuō)明浮標(biāo)值與比對(duì)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差呈正態(tài)分布，無(wú)明顯的系統(tǒng)性誤差。

圖1 表層水溫監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)偏差統(tǒng)計(jì)圖

對(duì)浮標(biāo)值與比對(duì)值進(jìn)行線性分析，結(jié)果表明：相關(guān)系數(shù)R=0.998，浮標(biāo)值與比對(duì)值存在顯著相關(guān)性（表2，圖2）。綜合K-S檢驗(yàn)和線性分析，說(shuō)明表層水溫的浮標(biāo)值與比對(duì)值相比誤差較小，且穩(wěn)定可靠。

圖2 表層水溫浮標(biāo)值和比對(duì)值散點(diǎn)圖

表2 表層水溫浮標(biāo)值和比對(duì)值相關(guān)性分析

3.2 鹽度

試驗(yàn)共獲取鹽度實(shí)際水樣比對(duì)數(shù)據(jù)77組，其中，比對(duì)合格的數(shù)據(jù)68組，比對(duì)合格率為88.3%，表明浮標(biāo)值與比對(duì)值有很好的一致性。在合格的68組數(shù)據(jù)中，正偏離占總數(shù)的83.8%，負(fù)偏離占總數(shù)的16.2%。通過(guò)直方圖，看到鹽度浮標(biāo)值與比對(duì)值的相對(duì)偏差大都落在-3%～6%的區(qū)間內(nèi)(圖3)。當(dāng)顯著性水平α為0.05時(shí)，對(duì)浮標(biāo)值與比對(duì)值的相對(duì)偏差進(jìn)行K-S檢驗(yàn)，結(jié)果表明：P值Sig.(2-tailed)=0.003< 0.05，說(shuō)明浮標(biāo)值與比對(duì)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差沒(méi)有明顯的正態(tài)分布的特征，存在一定的系統(tǒng)性誤差。

對(duì)浮標(biāo)值與比對(duì)值進(jìn)行線性分析，得出相關(guān)系數(shù)R=0.870，浮標(biāo)值與比對(duì)值存在高度相關(guān)性（圖4，表3）。通過(guò)K-S檢驗(yàn)和線性分析，可以看到浮標(biāo)值與比對(duì)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差沒(méi)有明顯的正態(tài)分布的特征，宏觀表現(xiàn)為數(shù)據(jù)正偏離的比例明顯大于負(fù)偏離的比例，兩者線性相關(guān)性較好，考慮到鹽度的合格數(shù)據(jù)比例較高，總體上，鹽度測(cè)量的浮標(biāo)值比較穩(wěn)定可靠。

圖3 鹽度監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)偏差統(tǒng)計(jì)圖

圖4 鹽度浮標(biāo)值和比對(duì)值散點(diǎn)圖

表3 鹽度浮標(biāo)值和比對(duì)值相關(guān)性分析

3.3 溶解氧(DO)

試驗(yàn)獲取溶解氧實(shí)際水樣比對(duì)數(shù)據(jù)75組。其中，比對(duì)合格的數(shù)據(jù)有65組，比對(duì)合格率為86.7%，浮標(biāo)值與比對(duì)值有很好的一致性。在合格的數(shù)據(jù)中，正偏離占總數(shù)的57.9%，負(fù)偏離占總數(shù)的39.5%。通過(guò)直方圖，可以看到浮標(biāo)值與比對(duì)值的相對(duì)偏差大都落在±3%區(qū)間內(nèi)(圖5)。當(dāng)顯著性水平α為0.05時(shí)，對(duì)浮標(biāo)值與比對(duì)值的相對(duì)偏差進(jìn)行K-S檢驗(yàn)，結(jié)果表明：P值Sig.(2-tailed)=0.060>0.05，說(shuō)明浮標(biāo)值與比對(duì)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差呈正態(tài)分布，無(wú)明顯的系統(tǒng)性誤差。

圖5 DO監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)偏差統(tǒng)計(jì)圖

線性分析結(jié)果表明：相關(guān)系數(shù)R=0.975，溶解氧的浮標(biāo)值與比對(duì)值存在顯著相關(guān)性（圖6，表4）。綜合K-S檢驗(yàn)和線性分析，說(shuō)明溶解氧的浮標(biāo)測(cè)值準(zhǔn)確度良好。

圖6 溶解氧浮標(biāo)值和比對(duì)值散點(diǎn)圖

表4 溶解氧浮標(biāo)值和比對(duì)值相關(guān)性分析

3.4 pH值

試驗(yàn)共獲取pH實(shí)際水樣比對(duì)數(shù)據(jù)76組，其中，比對(duì)合格的數(shù)據(jù)76組，比對(duì)合格率為100%。表明浮標(biāo)值與比對(duì)值有很好的一致性。在合格的數(shù)據(jù)中，有3組浮標(biāo)值與比對(duì)值保持一致，正偏離占總數(shù)的59.2%，負(fù)偏離占總數(shù)的36.8%。通過(guò)直方圖，看到浮標(biāo)值與比對(duì)值的相對(duì)偏差大都落在-0.4%～0.8%的區(qū)間內(nèi)(圖7)。當(dāng)顯著性水平α為0.05時(shí)，對(duì)浮標(biāo)值與比對(duì)值的相對(duì)偏差進(jìn)行K-S檢驗(yàn),結(jié)果表明：P值Sig.(2-tailed)=0.167>0.05，說(shuō)明浮標(biāo)值與比對(duì)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差呈正態(tài)分布，無(wú)明顯的系統(tǒng)性誤差。

圖7 pH監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)偏差統(tǒng)計(jì)圖

線性分析結(jié)果表明：相關(guān)系數(shù)R=0.614，浮標(biāo)值與比對(duì)值存在中度相關(guān)性（圖8，表5）。綜合K-S檢驗(yàn)和線性分析，說(shuō)明pH的浮標(biāo)測(cè)值的準(zhǔn)確度較高，與比對(duì)值的誤差較小。

圖8 pH浮標(biāo)值和比對(duì)值散點(diǎn)圖

表5 pH浮標(biāo)值和比對(duì)值相關(guān)性分析

3.5 葉綠素

試驗(yàn)共獲取葉綠素實(shí)際水樣比對(duì)數(shù)據(jù)76組，其中，比對(duì)合格的數(shù)據(jù)有31組，比對(duì)合格率40.8%。在合格的數(shù)據(jù)中，正偏離占總數(shù)的48.4%，負(fù)偏離占總數(shù)的51.6%。通過(guò)直方圖，可以看到葉綠素浮標(biāo)值與比對(duì)值的相對(duì)偏差大都落在-60%～40%的區(qū)間內(nèi)（圖9）。當(dāng)顯著性水平α為0.05時(shí)，對(duì)浮標(biāo)值與比對(duì)值的相對(duì)偏差進(jìn)行K-S檢驗(yàn)，結(jié)果表明：P值Sig. (2-tailed)=0.536>0.05，說(shuō)明浮標(biāo)值與比對(duì)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差呈正態(tài)分布，無(wú)明顯的系統(tǒng)性誤差。

線性分析結(jié)果表明：相關(guān)系數(shù)R=0.909，浮標(biāo)值與比對(duì)值存在高度相關(guān)性，無(wú)顯著性差異。綜合KS檢驗(yàn)和線性分析，可以看出葉綠素浮標(biāo)值與比對(duì)值的相對(duì)偏差符合正態(tài)分布，兩者的相關(guān)度也較高，但是比對(duì)合格率較低。造成葉綠素比對(duì)誤差的主要原因是分析方法的不同，多參數(shù)水質(zhì)傳感器中測(cè)定葉綠素的方法為熒光法，不能區(qū)分不同類型的葉綠素含量。而實(shí)驗(yàn)室采用的是分光光度法，只能測(cè)定葉綠素a的含量。

圖9 葉綠素監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)偏差統(tǒng)計(jì)圖

圖10 葉綠素a浮標(biāo)值和比對(duì)值散點(diǎn)圖

表6 葉綠素a浮標(biāo)值和比對(duì)值相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)浮標(biāo)值和比對(duì)值的數(shù)據(jù)分析可得（表7）：

（1）表層水溫、鹽度、溶解氧、pH、硝酸鹽和活性磷酸鹽的浮標(biāo)值與比對(duì)值的比對(duì)合格率相對(duì)較高，均超過(guò)75%。其中，表層水溫和pH的比對(duì)合格率達(dá)到100%。葉綠素a和亞硝酸鹽浮標(biāo)值與比對(duì)值的比對(duì)合格率相對(duì)較低；

（2）采用電化學(xué)原理監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)比對(duì)合格率普遍較高，如表層水溫、鹽度和pH，采用熒光法或比色法原理監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)比對(duì)合格率相對(duì)較低，這是由于分析方法的復(fù)雜程度所決定的。比如營(yíng)養(yǎng)鹽的測(cè)試，需要進(jìn)行過(guò)濾懸浮物等預(yù)處理過(guò)程，海水濁度的變化、傳感器的生物附著以及化學(xué)試劑的玷污和非正常損耗均會(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精確度產(chǎn)生一定的影響；

（3）在測(cè)量范圍內(nèi)，鹽度和亞硝酸鹽浮標(biāo)值與比對(duì)值的相對(duì)偏差沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的正態(tài)分布特征，存在一定的系統(tǒng)性誤差。其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的相對(duì)偏差基本符合正態(tài)分布，無(wú)顯著的系統(tǒng)性偏差。

表7 統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

4 結(jié)論與建議

（1）浮標(biāo)及傳感器長(zhǎng)期受惡劣的海洋環(huán)境影響，主要是海生物附著、海水腐蝕、鹽霧侵襲、風(fēng)浪的襲擊，其測(cè)量精度會(huì)產(chǎn)生一定的漂移，影響了其測(cè)量參數(shù)的準(zhǔn)確性，化學(xué)傳感器試劑使用完后也需要更換。這些因素都會(huì)影響生態(tài)浮標(biāo)的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果。因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)浮標(biāo)及其傳感器的運(yùn)行管理，適當(dāng)增加維護(hù)頻率，定期標(biāo)定，按時(shí)更換備件等，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（2）部分儀器工作原理和分析方法與實(shí)驗(yàn)室分析存在的差異，也是造成比對(duì)誤差的原因。如葉綠素、硝酸鹽等，需進(jìn)行方法比對(duì)和校準(zhǔn)。

（3）總體來(lái)看，表層水溫、鹽度、pH、溶解氧、葉綠素a這5項(xiàng)參數(shù)的在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)比較成熟，可以綜合反映水質(zhì)變化情況，而營(yíng)養(yǎng)鹽等參數(shù)的變化往往引起指標(biāo)性參數(shù)的變化。以這些指標(biāo)性參數(shù)為指標(biāo)，結(jié)合海域的以往水質(zhì)情況，設(shè)置水質(zhì)警報(bào)線，實(shí)時(shí)掌握水質(zhì)變化情況，在突發(fā)事件處理中也能夠具體分析出污染情況[6]。

（4）為了提高海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)、完整、有效和準(zhǔn)確性，須進(jìn)一步推進(jìn)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、傳感器的計(jì)量檢定與校準(zhǔn)、海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)等工作，以提供高質(zhì)量的海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，更好地為海洋的防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)。

[1]蔡樹(shù)群，張文靜，王盛安.海洋環(huán)境觀測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].熱帶海洋學(xué)報(bào)，2007，26（3）：76-81.

[2]趙聰蛟，周燕.國(guó)內(nèi)海洋浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究概況[J].海洋開(kāi)發(fā)與管理，2013，11：13-18.

[3]夏文文，鐘聲，王經(jīng)順，等.江蘇省太湖流域水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與手工監(jiān)測(cè)比對(duì)情況簡(jiǎn)析[J].科技咨詢，2011，29：115-117.

[4]楊競(jìng)，童禎恭，劉玉哲.SPSS軟件對(duì)飲用水水質(zhì)主成分分析評(píng)價(jià)的運(yùn)用[J].環(huán)境科學(xué)與學(xué)報(bào)，2011，34（7）：171-174.

[5]謝炎福,周芬娜,張永耀,等.SPSS用于分光光度法的數(shù)據(jù)處理[J].理化檢驗(yàn)-化學(xué)分冊(cè)，2009，45：916-921.

[6]貝竹園，馮輝強(qiáng)，石鋼德.淺談水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在象山港進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用[J].海洋開(kāi)發(fā)與管理，2007，6：85-91.

Statistics and Analysis of the Monitoring Data from Autonomous Ecological Buoys in Xiangshan Bay,Zhejiang Province

ZHAO Bin-feng,ZHAOQian-cheng
Ocean and Fishery Information&Monitoring Center of Ningbo,Ningbo 315000,Zhejiang Province,China

The onlinemonitoring systems in ecological buoys have been widely used in pollutantmonitoring and disaster prediction.The reliability and accuracy ofmonitoring data is a premise and foundation of applying this system.Study has been conducted on the water qualitymonitoring data from ecological buoys and laboratories in Xiangshan Bay,Zhejiang Province over the past three years,using the SPSS software for comparison and analysis. Results show that themonitoring data from ecological buoys are consistentwith those from laboratories,and that no significant systematic bias exists.Most of the positive and negative deviations ofmonitoring indicators show a normal distribution.The system can be applied in real-time monitoring on seawater quality,providing accurate marine eco-environment information for the decisionmaker and the general public.

automatic buoymonitoring;comparison;SPSS software;normal distribution

P76

A

1003-2029（2017）01-0074-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.014

2016-03-03

象山港海域海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)建設(shè)資助項(xiàng)目

趙賓峰（1985-），男，工程師，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟊O(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。E-mail：binbin310@sina.com