基于空間插值分析的浙江省地表水質(zhì)分析研究

鄭靖雯 吳洲屹

【摘 要】了解當(dāng)前浙江省地表水質(zhì)的基本情況，對合理治理浙江省地表水質(zhì)具有重要的指導(dǎo)意義。本文以浙江省地表水質(zhì)中的高錳酸鹽、氨氮、總磷等3項(xiàng)指標(biāo)為例，對浙江省地表水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性插值處理，并分析各影響因子與地表水質(zhì)的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】地表水質(zhì)；水質(zhì)變化；空間插值；影響因素

隨著我國工業(yè)化的發(fā)展和城市化的加快，人類活動(dòng)對地表水資源的影響越來越大，出現(xiàn)水環(huán)境惡化、水體功能喪失等一系列水環(huán)境問題，水資源的現(xiàn)狀不容樂觀。浙江省人口眾多，人均水資源量僅為2140.9m3，約為世界人均水平的23.7%。因此，研究地表水質(zhì)情況，了解影響其變化的因素，科學(xué)準(zhǔn)確評價(jià)浙江省地表水環(huán)境質(zhì)量，對改善浙江省地表水質(zhì)具有重要的指導(dǎo)意義。

一、研究方法與資料來源

1.研究方法

筆者收集了浙江省94個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在不同月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將其每3個(gè)月劃為一個(gè)階段，分為4個(gè)階段，通過Arcgis的反距離插值法、徑向基函數(shù)法、局部多項(xiàng)式法和克里金插值法4種空間插值法，選擇不同權(quán)重和內(nèi)部類型，對比得出插值精度最高的方法并用其做出相應(yīng)的空間分布圖，并從時(shí)間上和空間上進(jìn)行分析，得出當(dāng)前浙江省地表水質(zhì)的基本情況。從統(tǒng)計(jì)年鑒、浙江政府服務(wù)網(wǎng)上收集可能對地表水質(zhì)有影響的因素，以每3個(gè)月為一個(gè)劃為階段，分為4個(gè)階段，通過Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出統(tǒng)計(jì)圖，與空間分布圖對比，找到影響水質(zhì)各監(jiān)測項(xiàng)時(shí)空變化的因素。

2.資料來源

本文監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)來源于浙江省環(huán)境保護(hù)廳水環(huán)境質(zhì)量下的地表水質(zhì)月均值，運(yùn)用Excel2010整理出浙江省94個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的基本資料，包括監(jiān)測點(diǎn)名稱、各月CODMn、氨氮和總磷的濃度。浙江省地表水質(zhì)94個(gè)監(jiān)測點(diǎn)見圖1。在分析過程中，將12個(gè)月的數(shù)據(jù)每3個(gè)月劃為一個(gè)階段，分為4個(gè)階段，監(jiān)測指標(biāo)包括CODMn、氨氮和總磷。

通過浙江省統(tǒng)計(jì)年鑒獲得浙江省11個(gè)市2016年10月到2017年7月的生產(chǎn)總值、工業(yè)增加值和2015年浙江省土地規(guī)劃利用圖，研究其與浙江省地表水質(zhì)變化的關(guān)系。

3.插值結(jié)果比較選擇

將同一插值方法不同權(quán)重和類型下的預(yù)測值與實(shí)測值進(jìn)行散點(diǎn)圖分析，通過建立預(yù)測值與實(shí)測值之間的回歸方程，并且通過Excel相應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算，以決定系數(shù)（R2）、平均絕對誤差（MAE）、平均相對誤差（MRE）和均方根誤差（RMSE）來判斷同一插值方法各權(quán)重、類型以及各插值方法間的擬合程度的高低。

R2可通過Excel的回歸計(jì)算得到，式中，Za，i為監(jiān)測點(diǎn)的真實(shí)數(shù)值，Zb，i為監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)測數(shù)值，n為監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量。計(jì)算得到的結(jié)果，MAE和MRE越接近于0，RMSE越小，R2越接近于1，空間插值預(yù)測精度越高，監(jiān)測點(diǎn)的空間插值預(yù)測誤差越小。

通過分析表1得出，各空間插值精度最高的情況下，克里金插值法在各月和各監(jiān)測指標(biāo)中均為精度最高，所以選擇普通克里金插值法對數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值處理。

二、結(jié)果分析

通過普通克里金插值法處理后，從CODMn含量分布總體情況來看，在空間上，水質(zhì)最好的是衢州市和麗水市，最差的是嘉興市；從時(shí)間上來看，III類水分布面積呈先減小后增大再減小的趨勢，但基本上都分布在嘉興市及其周邊各市。II類水整體分布面積變化不大，但其內(nèi)部高濃度II類水的分布面積呈先減小后增大的趨勢。I類水在西南方向的分布面積變化不大，但在紹興、金華、寧波和臺(tái)州的交界處呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。從2016年10月到2017年7月，浙江省水質(zhì)情況呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

對于氨氮，在空間上，浙江省沿海地區(qū)氨氮含量較高，為III類水，臺(tái)州市和溫州市也出現(xiàn)IV類、V類甚至是劣V類的水。浙江省中部的氨氮含量也相對較高，在III類水以上。整個(gè)浙江省不存在I類水，但氨氮含量較少的II類水主要分布在衢州市、麗水市以及杭州市的部分地區(qū)；從時(shí)間上看，IV類、V類以及劣V類水出現(xiàn)在2017年1月和2017年4月。對于IV以下的水，它的分布面積呈先增大后減小的趨勢。對于III類水，其分布面積呈先增大后減小的趨勢，而對于II類水中氨氮含量較少的水，其分布面積呈一直增大的趨勢，杭州市II類水氨氮含量較少的面積也是同步在增大，從2016年10月到2017年7月，浙江省水質(zhì)情況呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。

對于總磷，從空間上來看，水質(zhì)較好的是麗水市；從時(shí)間上來看，IV類和V類水分布面積總體上呈先減小后增大的趨勢，但分布的廣度在增加。II類和III類水整體分布面積變化不大，I類水的面積呈先增大后減小的趨勢，并且在2017年4月達(dá)到最大面積。從總磷含量分布總體情況來看，從2016年10月到2017年7月，浙江省水質(zhì)情況呈現(xiàn)先下降后上升后又下降的趨勢。

由上述分析可知，對于浙江省地表水質(zhì)，從空間上來看，浙江省北部、中部以及沿海地區(qū)的水質(zhì)最差，尤其是嘉興市，其次臺(tái)州市和寧波市。浙江省西南部的水質(zhì)最好，尤其是麗水市、衢州市，其次是杭州市；從時(shí)間上看，浙江省地表水質(zhì)沒有明顯統(tǒng)一的變化趨勢；從研究指標(biāo)看，所檢測的浙江省地表水質(zhì)3項(xiàng)指標(biāo)中，CODMn的情況最好，氨氮的情況最差，出現(xiàn)了劣V類，所以氨氮是浙江省地表水質(zhì)中最主要的污染物，同時(shí)總磷的情況也較差。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 李健，胡笑研.地表水環(huán)境監(jiān)測進(jìn)展與問題分析[J].科技資訊，2013（16）：125-126.

[2] 趙鵬宇，馮文勇，崔嬙等.2004—2011年忻州市滹沱河系地表水質(zhì)變化及影響因素分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2015，15（04）：374-380.

[3] 劉淼，陳開寧，孫淑雲(yún)等.大溪水庫水質(zhì)變化趨勢及污染成因解析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2017，37（07）：2514-2523.

[4] 陳利頂，李俊然，郭旭東等. 薊運(yùn)河流域地表水質(zhì)時(shí)空變化特征分析[J].環(huán)境科學(xué)，2000，21（06）：61-64.

[5] 胡艷玲，齊學(xué)斌，李平等.微污染水灌溉對土壤-作物系統(tǒng)Cd動(dòng)態(tài)的影響及小麥敏感期分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2015，31（20）：162-170.

[6] 張廣勝，郝李霞，陸應(yīng)誠.水污染對土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響[J].國土與自然資源研究，2005（03）：81-82.

[7] 王爾德.落實(shí)政府工作報(bào)告生態(tài)環(huán)境保護(hù)任務(wù) 大力推進(jìn)大氣、水和土壤污染治理——專訪中國國際經(jīng)濟(jì)交流中心特邀研究員范必[J].中國環(huán)境管理，2017，9（02）：14-16.

[8] 劉青，張治，宋曉巍等.1978—2007年遼寧省平均氣溫空間插值方法研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2016（03）：278-279+281.

[9] 孟春霞，王成見，董少杰.大沽河青島段地表水水質(zhì)變化分析[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào).2008（1）：73-76.

[10] 錢夾理財(cái).2017中國“互聯(lián)網(wǎng)+”指數(shù)發(fā)布數(shù)字經(jīng)濟(jì)占GDP總量三成.百家號(hào).2017.浙江省水利廳.全省水利統(tǒng)計(jì)簡報(bào)[R].廳規(guī)劃計(jì)劃處.2017.