方差分析在河道水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)選上的應(yīng)用

汪璐

摘 要：在水質(zhì)監(jiān)測方面，方差分析為常用監(jiān)測數(shù)據(jù)評價(jià)手段，利用其分析結(jié)果能夠?yàn)閿嗝婧侠聿荚O(shè)提供依據(jù)?；诖耍疚慕Y(jié)合河道水質(zhì)監(jiān)測實(shí)踐，運(yùn)用方差分析方法對監(jiān)測結(jié)果展開了分析，發(fā)現(xiàn)各斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)差異不顯著。引入Agent模型，根據(jù)各指標(biāo)方差貢獻(xiàn)度進(jìn)行篩分，最終能夠完成斷面的優(yōu)選，使河道水質(zhì)監(jiān)測方法得到優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：方差分析;河道水質(zhì)監(jiān)測;斷面優(yōu)選

引言：

在城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)的過程中，水環(huán)境問題日益凸顯。而在河道水質(zhì)監(jiān)測方面，未能做好斷面的布設(shè)，將造成得到的監(jiān)測結(jié)果不具代表性，在浪費(fèi)物資的同時(shí)，給監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性帶來影響。采用方差分析方法，能夠從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度對各斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)差異顯著性和對監(jiān)測結(jié)果貢獻(xiàn)度展開分析。因此根據(jù)分析結(jié)果，能夠?qū)嗝孢M(jìn)行優(yōu)選，保證河道水質(zhì)監(jiān)測工作得以科學(xué)開展。

1方差分析與水質(zhì)監(jiān)測

在水質(zhì)監(jiān)測過程中，需要通過方差分析確定兩個(gè)及以上樣本總體均值是否存在差異，屬于常用的顯著性檢驗(yàn)方法。采取該方法，可以對不同來源的變化給總變異的貢獻(xiàn)程度進(jìn)行分析，從而使可控因素對研究結(jié)果帶來的影響得到反映。在分析的過程中，需要將數(shù)據(jù)變異量分解為組間和組內(nèi)兩種，前者由可控因素引發(fā)，后者由隨機(jī)誤差引起[2]。結(jié)合控制變量個(gè)數(shù)差異，則可以將方差分析劃分為單因素和多因素兩類。在河道水質(zhì)監(jiān)測中，可以將斷面或時(shí)間當(dāng)成是變異，因此可以通過單因素方差分析對水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果展開評價(jià)。

2河道水質(zhì)監(jiān)測斷面優(yōu)選分析

2.1研究區(qū)的采樣點(diǎn)布設(shè)

研究對象為位于遼寧省東部地區(qū)，自東向西流。對流域沈撫交界區(qū)域的河道水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，區(qū)域內(nèi)分布多個(gè)支流和排污口，選取閘壩進(jìn)行干流采樣，然后將剩余具有代表性的8個(gè)支流當(dāng)成是采樣點(diǎn)，完成總計(jì)9個(gè)監(jiān)測斷面的布設(shè)。為判斷9個(gè)監(jiān)測斷面的布設(shè)是否合理，需要利用方差分析法對各斷面間監(jiān)測數(shù)據(jù)指標(biāo)差異展開分析，判斷各斷面監(jiān)測結(jié)果是否具有統(tǒng)計(jì)意義上差別。根據(jù)分析結(jié)果，可以確定是否需要完成斷面優(yōu)選。

2.2水質(zhì)監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析

2.2.1水質(zhì)監(jiān)測

在開展水質(zhì)監(jiān)測工作過程中，從2018年6月-2019年6月，按照每月1次的頻繁，完成12次水質(zhì)監(jiān)測。結(jié)合河道實(shí)際水質(zhì)情況選取化學(xué)氨氮、導(dǎo)電率、能見度、溶解氧、總氮、總磷、pH值等各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。采用SPSS軟件對監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠得到數(shù)據(jù)的年平均值，發(fā)現(xiàn)河道溶解氧達(dá)到6.5m/L，透明度能夠得到0.54m，pH無量綱值為7，總氮達(dá)到1.12mh/L，總磷達(dá)到0.058mg/L。從河道污染情況來看，溶解氧、總磷等數(shù)據(jù)均存在超標(biāo)情況，說明河道受到了嚴(yán)重污染。

2.2.2方差分析

采用方差分析方法展開分析，可以先對總磷監(jiān)測結(jié)果作無效假設(shè)，設(shè)定各均數(shù)來自同一總體，對離均差平方和SS總進(jìn)行計(jì)算，并確定各斷面和頻次間的離均差平方和，利用自由度完成均方M.S和F值計(jì)算。在F值超出分布表中數(shù)值時(shí)，可以判斷P<0.05，說明監(jiān)測結(jié)果存在顯著差異，假設(shè)無效，否則說明假設(shè)有效，需要重新完成斷面選擇。從各斷面總磷監(jiān)測數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果來看，如表1中的數(shù)據(jù)所示，各斷面間監(jiān)測結(jié)果不存在顯著性差異，說明假設(shè)有效，需要對斷面進(jìn)行優(yōu)選。

2.3監(jiān)測斷面優(yōu)選分析

2.3.1優(yōu)選方法

水質(zhì)監(jiān)測具有較強(qiáng)的復(fù)雜性和系統(tǒng)性，想要保證監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確，還要完成最佳采樣斷面位置選擇，以便使水質(zhì)樣品具有代表性。在實(shí)際布設(shè)斷面時(shí)，需要結(jié)合河流功能完成斷面布置，掌握流域工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染源的分布情況，確保監(jiān)測斷面能夠得到綜合布設(shè)。考慮到研究的河流分支較多，還要采用多Agent模型對監(jiān)測數(shù)據(jù)展開進(jìn)一步分析。具體來講，就是在對單因素展開分析的基礎(chǔ)上，完成多因素分析，同時(shí)對多種水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評價(jià)，得到主成分和非主成分的綜合評分。從總體上來看，模型包含三層，基礎(chǔ)層為原始斷面層，為斷面優(yōu)選的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上可以建立粗分模型和細(xì)分模型，完成各斷面平均分計(jì)算。運(yùn)用模型展開評價(jià)，需要將對元素主成分綜合評價(jià)得分進(jìn)行計(jì)算，然后確定各元素在模型間的相似度。如果兩個(gè)元素?fù)碛休^高相似度，可以進(jìn)入細(xì)分模型。在細(xì)分模型中如果相似度較高，同時(shí)斷面相鄰，需要將連接關(guān)系取消，通過篩分進(jìn)入粗分模型，最終計(jì)算得到斷面布設(shè)面積區(qū)的平均值[2]。根據(jù)得到的結(jié)果，在中心點(diǎn)位置完成斷面布設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)斷面優(yōu)選。采取該種方法，需要保證斷面監(jiān)測采樣頻率達(dá)到12次。在完成12次監(jiān)測數(shù)據(jù)采集后，可以對各斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)展開分析評價(jià)，獲得監(jiān)測評價(jià)因子，然后通過相似度分析使斷面布設(shè)得到優(yōu)化。借助仿真分析軟件，能夠完成整個(gè)過程分析，因此該方法具有較強(qiáng)可操作性，能夠得到準(zhǔn)確分析結(jié)果。

2.3.2優(yōu)選結(jié)果

在實(shí)際分析的過程中，可以根據(jù)河道水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果主成分與非主成分綜合評價(jià)得分確定模型變量，完成Agent模型搭建。通過分析，可以得到河流氨氮、導(dǎo)電率、能見度、溶解氧、總氮、總磷、pH值的初始特征值分別達(dá)到0.948、3.245、1.645、1.458、2.166E-16、0.006和3.326，方差百分?jǐn)?shù)分別達(dá)到11%、36%、26%、18%、15%、1%和37%?？傮w上來看，方差貢獻(xiàn)度最大的為導(dǎo)電率、溶解度、能見度和pH值四個(gè)因素，可以作為主成分元素，方差貢獻(xiàn)率之和能夠達(dá)到90%以上，其他因素為非主成分元素，方差貢獻(xiàn)率不超10%。在最初9個(gè)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)模型中，需要將原本干流斷面監(jiān)測點(diǎn)當(dāng)成是基礎(chǔ)，將主成分綜合評價(jià)得分當(dāng)成是粗分依據(jù)，然后將非主成分分析元素評分當(dāng)成是細(xì)分依據(jù)，完成斷面優(yōu)化。經(jīng)過處理后，斷面從原本的9個(gè)縮減為5個(gè)，能夠在保證監(jiān)測效率的同時(shí)，使監(jiān)測作業(yè)成本得到降低。采用分層聚類方法完成原始數(shù)據(jù)的聚類分析，可以得到與模型分析相同的監(jiān)測結(jié)果，因此能夠證明分析方法的有效性。

結(jié)論：

綜上所述，在河道水質(zhì)監(jiān)測過程中，還要合理完成水質(zhì)監(jiān)測斷面的布設(shè)，才能保證監(jiān)測數(shù)據(jù)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，在保證監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性的同時(shí)，避免造成大量人力、物力浪費(fèi)。實(shí)際采用方差分析方法確定各斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)是否存在顯著差異后，可以引入Agent模型進(jìn)一步完成各元素方差百分?jǐn)?shù)計(jì)算，根據(jù)方差貢獻(xiàn)度完成元素綜合評分，為斷面優(yōu)選提供依據(jù)，繼而使河道水質(zhì)監(jiān)測工作得以高效開展。

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