基于時(shí)間序列的三沙灣水質(zhì)狀況變化趨勢(shì)分析

王臻

(福建省海洋環(huán)境與漁業(yè)資源監(jiān)測(cè)中心，福建福州 350003)

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基于時(shí)間序列的三沙灣水質(zhì)狀況變化趨勢(shì)分析

王臻

(福建省海洋環(huán)境與漁業(yè)資源監(jiān)測(cè)中心，福建福州 350003)

根據(jù)2007—2016年福建省寧德市三沙灣海水水質(zhì)狀況調(diào)查資料，采用時(shí)間序列模型對(duì)三沙灣海域水體的富營(yíng)養(yǎng)化和劣四類(lèi)海水水質(zhì)面積比例變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。同時(shí)，利用資源與環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型對(duì)三沙灣海域空間開(kāi)發(fā)強(qiáng)度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，三沙灣海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度指數(shù)為0.33，開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較高。2017年海水富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)預(yù)測(cè)為4.5，變化不大，依然處于中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。劣四類(lèi)水質(zhì)面積比例為36.77%，較2016年有所惡化。三沙灣水質(zhì)的惡化可能與其開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較高有關(guān)。

三沙灣；水質(zhì)變化趨勢(shì)；時(shí)間序列

三沙灣位于福建省東北部沿海，是我國(guó)天然良港，漁業(yè)資源十分豐富。海灣由一澳(三都澳)、三港(盧門(mén)港、白馬港、鹽田港)、三洋(東吾洋、官井洋、福鼎洋)等次一級(jí)海灣匯集而成[1]，是福建省重要的港灣之一。作為許多專(zhuān)家學(xué)者的研究對(duì)象，對(duì)三沙灣水質(zhì)狀況的研究報(bào)告也頗為眾多[2-6]。但是對(duì)水質(zhì)狀況變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)較少，行政管理部門(mén)在對(duì)三沙灣的開(kāi)發(fā)與保護(hù)的決策上，缺少科學(xué)依據(jù)。本文利用2007—2016年三沙灣的調(diào)查結(jié)果，從水體污染總體狀況出發(fā)，利用SPSS軟件中的時(shí)間序列模型預(yù)測(cè)三沙灣水質(zhì)變化趨勢(shì)，為相關(guān)部門(mén)做出決策提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 水樣采集與監(jiān)測(cè)方法

水樣的采集依據(jù)《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范 第3部分樣品采集、貯存和運(yùn)輸》(GB 17378.3—2007)執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)室分析方法分按照《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范 第四部分：海水分析》(GB 17378.4—2007)執(zhí)行，其中COD采用堿性高錳酸鉀法，石油類(lèi)采用紫外分光光度法，PO4-P采用磷鉬藍(lán)分光光度法，NO2-N采用重氮-偶氮分光光度法，NO3-N采用鋅-鎘還原法，NH4-N采用次溴酸鈉氧化法進(jìn)行分析。

1.2 評(píng)價(jià)依據(jù)和方法

1.2.1 評(píng)價(jià)依據(jù)

水質(zhì)評(píng)價(jià)按照《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3097—1997)。

1.2.2 空間插值法

劣四類(lèi)水質(zhì)面積采用距離反比例法進(jìn)行空間插值。

1.2.3 富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)法

海水中富營(yíng)養(yǎng)化狀況評(píng)價(jià)采用富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)法，見(jiàn)公式：

E=(CCOD×CDIN×CDIP×106)/4500

式中，E為富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)；CCOD為化學(xué)需氧量濃度，mg/L；CDIN為無(wú)機(jī)氮濃度，即亞硝酸鹽氮(NO2--N)、硝酸鹽氮(NO3--N)、氨氮(NH4+-N)的總和，mg/L；CDIP為活性磷酸鹽濃度，mg/L。

1.3 預(yù)測(cè)模型

本文主要采用SPSS軟件中的B-J模型來(lái)預(yù)測(cè)水質(zhì)趨勢(shì)，基本模型有3種：自回歸(AR)模型、移動(dòng)平均(MA)模型和自回歸綜合移動(dòng)(ARIMA)模型。

1.3.1 自回歸模型

一般形式為：xt=Φ1xt-1+Φ2xt-2+…+Φpxt-p+εt

式中，εt假設(shè)為白噪聲序列，且和t時(shí)刻之前的原始序列xk(k

1.3.2 移動(dòng)平均模型

一般形式為：xt=εt+θ1εt-1+θ2εt-2+…+θqεt-q

式中，εt為白噪聲序列，說(shuō)明時(shí)間序列xt能表示是為若干個(gè)白噪聲的加權(quán)平均和。此式稱(chēng)為q階移動(dòng)平均模型，記為MA(q)。

1.3.3 自回歸移動(dòng)平均模型

一般形式為：xt=Φ1xt-1+Φ2xt-2+…+Φpxt-p+εt+θ1εt-1+θ2εt-2+…+θqεt-q

式中，εt為白噪聲序列，且和t時(shí)刻之前的原始序列xk(k

2 結(jié)果與討論

2.1 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表1中可以看出，十年來(lái)，活性磷酸鹽、無(wú)機(jī)氮、石油類(lèi)含量和COD基本變化不大。2013年后富營(yíng)養(yǎng)化程度有所減輕，劣四類(lèi)水質(zhì)面積逐漸減少。由于2013年劣四類(lèi)水質(zhì)比例面積變化太大，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果可能產(chǎn)生較大影響，因此在預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)作特殊處理，如圖1所示。

圖1 2007—2016年水質(zhì)變化趨勢(shì)Fig.1 The variation trend of water quality from 2007 to 2016

圖2 富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)自相關(guān)函數(shù)和偏相關(guān)函數(shù)值Fig.2 The ACF and PACF of eutrophication index

年份活性磷酸鹽/(mg/L)無(wú)機(jī)氮/(mg/L)石油類(lèi)/(mg/L)COD/(mg/L)富營(yíng)養(yǎng)化劣四類(lèi)水質(zhì)面積比例/%20070.0320.3760.0320.902.439.120080.0230.2750.0140.550.845.620090.0570.4280.0140.573.151.420100.0480.4120.0130.924.045.120110.0430.3460.0120.872.934.420120.0350.3750.0120.992.931.420130.0560.3800.0141.245.999.920140.0470.5110.0160.864.658.820150.0390.4860.0170.803.434.820160.0370.4540.0180.823.014.4

2.2 預(yù)測(cè)與分析

2.2.1 富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)

從圖2可以看出富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)的ACF(自相關(guān)函數(shù)值)和PACF(偏自相關(guān)函數(shù)值)完全落入上下置信區(qū)間，判斷序列為平穩(wěn)序列。通過(guò)表2看出，自相關(guān)函數(shù)拖尾，偏自相關(guān)函數(shù)5階截尾，因此采用AR(5)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到2017年富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)預(yù)測(cè)值為4.5，處于中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

表2 富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)偏相關(guān)和偏自相關(guān)函數(shù)值

圖3可以看出AR(5)在2009年以后觀(guān)測(cè)值與預(yù)測(cè)值可以較好地?cái)M合。由表3看出，5階滯后t統(tǒng)計(jì)量顯著性(Sig.)小于0.05，判斷該模型較為恰當(dāng)[7]。根據(jù)圖4殘差自相關(guān)和偏相關(guān)函數(shù)值均在置信區(qū)間以?xún)?nèi)，表明殘差統(tǒng)計(jì)值滿(mǎn)足白噪聲的兩個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)[8-9]，由此說(shuō)明AR(5)可以較好地模擬富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)變化趨勢(shì)，2017年預(yù)測(cè)值基本可信。

圖3 富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)擬合圖Fig.3 The fitting chart of eutrophication index

估計(jì)SEtSig.常數(shù)3.3410.22414.9230.000AR滯后10.3910.1402.8030.049滯后2-0.0900.202-0.4440.680滯后3-0.0510.176-0.2920.785滯后40.3710.1852.0060.115滯后5-0.9460.151-6.2490.003

圖4 殘差自相關(guān)和偏相關(guān)函數(shù)值Fig.4 The ACF and PACF of residual

2.2.2 劣四類(lèi)水質(zhì)面積比例

在剔除了2013年的異常數(shù)據(jù)后，在SPSS軟件中采用線(xiàn)性插值法替換缺失值，替換值為45.1%，并對(duì)新的數(shù)據(jù)組進(jìn)行自相關(guān)分析。

表4 劣四類(lèi)水質(zhì)面積比例偏相關(guān)和偏自相關(guān)函數(shù)值

圖5 劣四類(lèi)水質(zhì)面積比例自相關(guān)函數(shù)和偏相關(guān)函數(shù)Fig.5 The ACF and PACF of the water area worse than Grade IV

從圖5可以看出，劣四類(lèi)水質(zhì)面積比例的ACF(自相關(guān)函數(shù)值)和PACF(偏自相關(guān)函數(shù)值)基本落入上下置信區(qū)間，判斷序列為平穩(wěn)序列。通過(guò)表4看出，自相關(guān)函數(shù)拖尾，偏自相關(guān)函數(shù)2階截尾，因此采用AR(2)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到2017年劣四類(lèi)水質(zhì)面積預(yù)測(cè)值為36.77%，見(jiàn)圖6。

由圖7看出AR(5)觀(guān)測(cè)值與預(yù)測(cè)值可以較好地?cái)M合。2階滯后t統(tǒng)計(jì)量顯著性(Sig.)小于0.05，判斷該模型較為恰當(dāng)(見(jiàn)表5)。由圖7看出，AR(2)模型殘差自相關(guān)和偏自相關(guān)函數(shù)值均在置信區(qū)間以?xún)?nèi)，預(yù)測(cè)值基本可信。

圖6 劣四類(lèi)水質(zhì)面積比例擬合圖Fig.6 The fitting chart of the proportion of water area worse than Grade IV

估計(jì)SEtSig.常數(shù)41.0701.64125.0280.000AR滯后10.3740.2631.4200.199滯后2-0.9040.324-2.7880.027

圖7 殘差自相關(guān)和偏自相關(guān)函數(shù)值Fig.7 The ACF and PACF of residual

2.3 海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度評(píng)價(jià)

鑒于三沙灣的富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)和劣四類(lèi)水質(zhì)面積比例較2016年均有所提高可能是由于海域開(kāi)發(fā)造成的，因此以2015年的海域調(diào)查資料為基礎(chǔ)，對(duì)三沙灣海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。海洋資源環(huán)境承載力的模型眾多[10-12]，本文采用國(guó)家海洋局海洋領(lǐng)域研究組編制的《海洋資源環(huán)境承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方法

(2016)》進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.3.1 海域開(kāi)發(fā)資源效應(yīng)指數(shù)

三沙灣海域使用類(lèi)型有漁業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施用海、圍海養(yǎng)殖用海、開(kāi)放式養(yǎng)殖用海、港口用海、路橋用海、臨海工業(yè)用海、旅游基礎(chǔ)設(shè)施用海、城鎮(zhèn)建設(shè)用海和海岸防護(hù)工程用海,如圖8所示

海域開(kāi)發(fā)資源效應(yīng)指數(shù)(PE)采用如下計(jì)算公式：

式中，PE為海域開(kāi)發(fā)資源效應(yīng)指數(shù)，n為海域使用類(lèi)型數(shù)，Si為第i種用海類(lèi)型的面積，S為省級(jí)海洋功能區(qū)劃數(shù)據(jù)獲得的海域總面積，li為第i種用海類(lèi)型的資源耗用系數(shù)。通過(guò)遙感影像及現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)充調(diào)查，統(tǒng)計(jì)得到各類(lèi)型用海面積，見(jiàn)表6。根據(jù)表6，計(jì)算得三沙灣海域開(kāi)發(fā)資源效應(yīng)指數(shù)PE=0.15。

圖8 三沙灣海域開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀Fig.8 The current status of development and utilization of the sea area in Sansha Bay

2.3.2 海域空間開(kāi)發(fā)利用標(biāo)準(zhǔn)

以《福建省海洋功能區(qū)劃(2011—2020年)》為基礎(chǔ)得出三沙灣海域各類(lèi)功能區(qū)面積，并計(jì)算該海域空間開(kāi)發(fā)利用標(biāo)準(zhǔn)。海域空間開(kāi)發(fā)利用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式如下：

式中，PM0為海洋空間開(kāi)發(fā)利用標(biāo)準(zhǔn);ai為第i類(lèi)海洋功能區(qū)面積;hi為第i類(lèi)海洋功能區(qū)允許的海洋開(kāi)發(fā)程度，賦值方法見(jiàn)表7;S為區(qū)域海洋功能區(qū)劃面積總和。經(jīng)計(jì)算，三沙灣海域海洋空間開(kāi)發(fā)利用標(biāo)準(zhǔn)PM0=0.46。

2.3.3 三沙灣海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度評(píng)估

根據(jù)海域開(kāi)發(fā)資源效應(yīng)指數(shù)與海洋空間開(kāi)發(fā)利用標(biāo)準(zhǔn)之比，得到三沙灣海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度S2，其計(jì)算公式如下：

經(jīng)計(jì)算，三沙灣海域開(kāi)發(fā)資源效應(yīng)指數(shù)PE=0.15。海洋空間開(kāi)發(fā)利用標(biāo)準(zhǔn)PM0=0.46，因此，海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度S2=0.33。

表6 海域使用類(lèi)型資源耗用指數(shù)

由于當(dāng)S2>0.3時(shí)，海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較高；當(dāng)S2介于0.15～0.3時(shí)，海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度臨界；當(dāng)S2≤0.15時(shí)，海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度適宜。因此，三沙灣海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較高。

表7 主要海洋功能區(qū)海洋開(kāi)發(fā)對(duì)海域空間資源的影響

3 結(jié)論

(1)時(shí)間序列模型預(yù)測(cè)水質(zhì)變化，能在一定程度上反映排除人為因素干擾下，水體變化情況。預(yù)測(cè)過(guò)程需要排除異常值的影響。異常值不能直接剔除，需要通過(guò)替換缺失值的方式進(jìn)行補(bǔ)齊，否則會(huì)導(dǎo)致原有時(shí)間序列周期性的破壞，而無(wú)法得到正確的預(yù)測(cè)分析結(jié)果。

(2)三沙灣的主要污染物為無(wú)機(jī)氮和活性磷酸鹽。近年來(lái)，各參數(shù)變化幅度不大。2013年的劣四類(lèi)水質(zhì)面積上升幅度較大，之后幾年回落到正常水平。2013年水質(zhì)狀況較為異常，需要結(jié)合當(dāng)年多方面因素對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步分析判斷。

(3)2017年富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)預(yù)測(cè)值為4.5，較2016年有所升高，但變化幅度不大，屬于基本維持現(xiàn)狀，依然處于中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。劣四類(lèi)水質(zhì)面積比例預(yù)測(cè)值為36.77%，〗較2016年來(lái)說(shuō)，水質(zhì)有所惡化。三沙灣海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度為0.33，開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較高，水質(zhì)惡化原因可能與三沙灣海域開(kāi)發(fā)強(qiáng)度較高有關(guān)。相關(guān)行政主管部門(mén)應(yīng)對(duì)此高度重視。

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Analysis of Variation Trend of Water Quality Based on Time Series in Sansha Bay

WANG Zhen

(Ocean Environment and Fishery Resources Monitoring Center of Fujian Province, Fuzhou 350003, China)

According to the survey data of water quality in Sansha Bay, Ningde City, Fujian Province from 2007 to 2016, the time series model is used to analyze the variation trend of the eutrophication and proportion of the water area which was worse than Grade IV. At the same time, the paper analyzes the spatial development intensity of the area in Sansha Bay based on the resource and environment bearing capacity model. The results showed that the development intensity index was 0.33 in Sansha Bay, which indicated high development intensity. In 2017, the eutrophication index was forecasted to be 4.5, still a moderate eutrophication. The proportion of the water area worse than Grade IV was 36.77%, which was worse than that in 2016. The deterioration of water quality in Sansha Bay may be related to its high development intensity.

Sansha Bay; variation trend of water quality; time series

2017-06-08

福建省海洋與漁業(yè)廳資源與環(huán)境承載力監(jiān)測(cè)專(zhuān)項(xiàng)(閩海漁〔2015〕289號(hào))

王臻(1982—)，男，福建福州人，工程師，本科，主要從事海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)工作，E-mail：wangcom20@126.com

10.14068/j.ceia.2017.04.017

X824

A

2095-6444(2017)04-0076-06