太湖水質(zhì)參數(shù)空間分布特性研究

太湖水質(zhì)參數(shù)空間分布特性研究

目前，太湖水質(zhì)污染嚴(yán)重影響了整個(gè)流域的可持續(xù)發(fā)展，給人們的健康和生活帶來(lái)了潛在的損害。太湖的管理和太湖的保護(hù)已經(jīng)成為一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。了解湖泊水質(zhì)參數(shù)的空間分布特征是評(píng)估太湖環(huán)境的重要前提。但是太湖水質(zhì)參數(shù)的空間分布是不均勻的,由于這種空間變異性既具有隨機(jī)性又具有結(jié)構(gòu)性,因此用傳統(tǒng)方法進(jìn)行太湖水質(zhì)參數(shù)空間分布的研究具有明顯的局限性,地統(tǒng)計(jì)學(xué)的出現(xiàn)為解決這個(gè)問(wèn)題提供了新的方法.本文應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論與方法,嘗試在太湖水質(zhì)參數(shù)空間分布研究方面做新的探討.1流域水質(zhì)污染情況太湖是我國(guó)的五大淡水湖之一,位于長(zhǎng)江三角洲.湖面面積是2460km2,實(shí)際水面面積為2338km2.整個(gè)流域面積涉及上海市、江蘇省、浙江省等省市.太湖地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一,也是人口最密集的地區(qū)之一.在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí),在資源、環(huán)境等方面也付出了巨大的代價(jià),造成了生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞和環(huán)境質(zhì)量的下降,尤其是人類(lèi)活動(dòng)給太湖造成的水質(zhì)污染,產(chǎn)生了水質(zhì)性資源短缺及太湖生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞.2土地統(tǒng)計(jì)學(xué)與太湖水質(zhì)研究2.1地統(tǒng)計(jì)學(xué)在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)(Geostatistics)是為解決礦床從普查勘探、礦山設(shè)計(jì)到礦山開(kāi)采整個(gè)過(guò)程中各種儲(chǔ)量計(jì)算和誤差估計(jì)問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的,因此得名地統(tǒng)計(jì)學(xué),現(xiàn)在已發(fā)展成為能表征和估計(jì)各種自然資源的工程學(xué)科.近幾年,地統(tǒng)計(jì)學(xué)在環(huán)境科學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用,已發(fā)表的研究如BurgessT.M.、BurroughP.A.、沈思淵、王學(xué)軍等.但是,目前的研究主要集中在土壤科學(xué)方面,而地統(tǒng)計(jì)學(xué)在水環(huán)境科學(xué),尤其是湖泊環(huán)境中的應(yīng)用,在國(guó)內(nèi)還鮮有報(bào)道.2.2采樣和分析在采樣監(jiān)測(cè)中,考慮到湖岸線(xiàn)和湖中島的影響,在太湖中均勻布置共75個(gè)采樣點(diǎn).采樣點(diǎn)分布見(jiàn)圖1.采樣時(shí)間為1999年11月4日,我們委托國(guó)家環(huán)保局太湖流域環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)中心站進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè).采樣和樣品的分析根據(jù)國(guó)家環(huán)境有關(guān)規(guī)范進(jìn)行.在監(jiān)測(cè)中主要考慮了葉綠素a(chlorophylla,簡(jiǎn)稱(chēng)chl-a)、總懸浮物(suspendedsediment,簡(jiǎn)稱(chēng)SS)、透明度(secchidepth,簡(jiǎn)稱(chēng)SD)3種水質(zhì)參數(shù).本研究用Grubbs法進(jìn)行了異常值檢驗(yàn),為減少信息損失,顯著性水平取5%,僅有少量異常值被剔除.2.3克立格結(jié)構(gòu)分析在太子回歸分析中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析的目的是建立一個(gè)變差函數(shù)的理論模型,用它來(lái)定量地概括太湖水質(zhì)參數(shù)的全部有效的結(jié)構(gòu)信息,表征此變量的主要結(jié)構(gòu)特征.并在此模型的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究(如進(jìn)行克立格估計(jì)和條件模擬等).因此,結(jié)構(gòu)分析是應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究太湖水質(zhì)參數(shù)空間分布中非常重要的一步.2.3.1總懸浮物區(qū)域化變量的變差散點(diǎn)圖根據(jù)實(shí)驗(yàn)變差函數(shù)的計(jì)算公式可以得到總懸浮物的變差函數(shù)曲線(xiàn)圖(圖2).從圖2中可以看出,總懸浮物區(qū)域化變量的變差散點(diǎn)圖可能是球狀模型曲線(xiàn)、指數(shù)模型曲線(xiàn)或高斯模型曲線(xiàn)中的一種,為了便于比較,分別對(duì)線(xiàn)性有基臺(tái)值模型、球狀模型、指數(shù)模型和高斯模型進(jìn)行了參數(shù)的最優(yōu)估計(jì).2.3.2線(xiàn)性回歸模型理論模型最優(yōu)擬合中最重要的一步是對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì).變差函數(shù)的理論模型主要是曲線(xiàn)模型,將曲線(xiàn)模型經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q,化為線(xiàn)性模型,然后用最小二乘法原理進(jìn)行未知參數(shù)的估計(jì).對(duì)于球狀模型、指數(shù)模型和高斯模型而言,只討論0<h≤a時(shí)的擬合問(wèn)題.根據(jù)最小二乘法原理對(duì)這兩類(lèi)線(xiàn)性回歸模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)計(jì)算,估計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1.2.3.3球形模型的擬合在模型間的比較時(shí),選用了殘差平方和(Q)、標(biāo)準(zhǔn)誤差(S)和決定系數(shù)(R2)等參數(shù),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.從表1可以看出,在4個(gè)理論模型中,無(wú)論是殘差平方和還是標(biāo)準(zhǔn)誤差都是球狀模型最小,而球狀模型的決定系數(shù)又是最大的.盡管它們之間的塊金常數(shù)和基臺(tái)值都基本相同,選擇球狀模型作為太湖水質(zhì)參數(shù)總懸浮物的變差函數(shù)理論模型是比較合適的.這個(gè)理論模型除了具有較高的擬合精度外,對(duì)變程以?xún)?nèi)的模擬可以得到滿(mǎn)意的結(jié)果.另外,還需要對(duì)回歸模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),檢驗(yàn)所建立的球狀模型的回歸方程與回歸曲線(xiàn)是否是顯著的.通過(guò)檢驗(yàn),球狀模型在變程內(nèi)的擬合是顯著的.2.3.4結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果對(duì)在太湖中監(jiān)測(cè)的3種水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行球狀理論模型擬合,擬合結(jié)果見(jiàn)表2.2.4太湖水質(zhì)參數(shù)的空間分布2.4.1克立格插值方法的優(yōu)勢(shì)地統(tǒng)計(jì)學(xué)主要包括空間結(jié)構(gòu)分析和空間插值(克立格法)2部分.克立格法是基于這樣一種理解,即用于推斷的研究對(duì)象(如總懸浮物)的已知值之間相互不是完全獨(dú)立的,而是存在著一定的相關(guān)關(guān)系.這種相關(guān)性既隨數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離變化,也隨方向變化,并可用變差函數(shù)來(lái)表征這種區(qū)域化變量的空間結(jié)構(gòu)性.克立格法是以無(wú)偏為約束,尋求估計(jì)方差最小的一種插值方法,是最優(yōu)空間插值方法.從以往的研究可以看出,克立格插值方法的估計(jì)誤差均值和估計(jì)誤差方差兩項(xiàng)指標(biāo)均最小,這就表明了克立格插值方法在太湖的實(shí)際應(yīng)用中確比傳統(tǒng)空間插值方法有著更強(qiáng)的有效性、最優(yōu)性和無(wú)偏性.2.4.2水質(zhì)參數(shù)在太湖中的分布應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)就是為了更好地描述水質(zhì)參數(shù)在太湖中的分布狀況.應(yīng)用克立格法的最優(yōu)插值原理與方法,以太湖湖岸線(xiàn)為邊界,對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行整個(gè)太湖插值生成水質(zhì)參數(shù)在太湖中的等值線(xiàn).按照湖泊富營(yíng)養(yǎng)化劃分標(biāo)準(zhǔn),參照前人作過(guò)的工作,對(duì)等值線(xiàn)整理并用圖形顯示可生成水質(zhì)參數(shù)在太湖中的分布圖.由于篇幅所限,這里僅給出總懸浮物在整個(gè)太湖中的分布狀況(圖3).從圖3中可以明顯地看出總懸浮物在整個(gè)太湖中的空間分布狀況,這樣比零散的采樣數(shù)據(jù)更直觀、有效,更有利于人們的分析和研究,有助于找出太湖污染的根源.對(duì)于不同的區(qū)域采用不同的措施,加以解決.3.地統(tǒng)計(jì)學(xué).太湖中水質(zhì)參數(shù)分布具有結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性雙重性質(zhì),具有空間變異性.水質(zhì)參數(shù)的這種特點(diǎn),決定了用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)描述太湖水質(zhì)參數(shù)的空間分布具有一定的局限性,而地統(tǒng)計(jì)學(xué)則可以避免這種缺陷.在地統(tǒng)計(jì)學(xué)的應(yīng)用中,相對(duì)于線(xiàn)性有基臺(tái)值模型、球狀模型、指數(shù)模型和高斯模型等而言,球狀模型是最優(yōu)的理論模型,能較好地?cái)M合變差曲線(xiàn),同時(shí)擬合結(jié)果是