粤西海域水质评价方法的研究及应用-张莹

第３０卷第２期２０１２年４月海洋科学进展ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮＭＡＲＩＮＥＳＣＩＥＮＣＥＶｏｌ．３０Ｎｏ．２Ａｐｒｉｌ，２０１２粤西海域水质评价方法的研究及应用＊张莹１，谢仕义１＊，杨锋２（１．广东海洋大学海洋遥感与信息技术实验室，广东湛江５２４０８８；２．湛江市海洋与渔业环境监测站，广东湛江５２４０３９）摘要：针对海洋水质评价问题，建立了一套先利用主成分分析法明确各水质指标权重关系，继而参考权重关系依照海水水质分类标准建立分类样本，最终通过判别分析方法建立判别函数实现水体自动分类的方案。该方案在粤西海域，水体分类回判符合率达到９１．４％。依据自动分类结果绘制了粤西海域２００８—２０１０年水体分布专题图，为粤西海域环境污染防治提供了决策依据。关键词：粤西海域；水体分类；主成分分析；判别分析中图分类号：Ｘ８２４文献标志码：Ａ文章编号：１６７１－６６４７（２０１２）０２－０１９８－０７海洋水质评价是海洋环境管理和决策的重要组成部分，其评价内容是根据海水水体的主要物质成分及其含量，按照《国家海水水质标准》方案，分析水质的时空分布状况，从而为海洋养殖业、临海工业及地方经济图１粤西海域站位分布图Ｆｉｇ．１ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｓｉｎｓｅａｗａｔｅｒｓｏｆｆｗｅｓｔｅｒｎＧｕａｎｇｄｏｎｇ的发展规划及管理决策提供依据。从１９６５年Ｊａｃｏｂｓ提出水质指数概念以及相应公式［１］以来，有关各类水体评价方法的研究成果不断涌现。早期主要有单因子指数法［２－４］、综合指数法［５－６］、分级评价法［７］等，近期主要有模糊理论、灰色系统理论、投影寻踪及神经网络等方法［８－１１］。但由于水质系统是一个随时空变化的多维因子组成的复杂系统，依据不同区域，不同时期水体情况建立起来的评价模型很难通用，因而至今国内外还没有统一的水质评价模型与方法。我们针对南海粤西海域水质实测资料，为完成海水水质评价工作，设计下述方案：首先，利用主成分分析法明确海水水质各指标的权重关系；其次，依据权重关系按照《国家海水水质标准》建立水体分类样本；最后，利用判别分析方法分析样本数据，建立水质自动分类模型。利用上述方案对粤西海域２０１０年３５个站位水质实测资料进行了处理，其数点回判正确率达到９１．４％。同时利用建立的自动分类模型对另外１０个站位的水质实测资料进行了自动分类，分类结果全部正确。又将上述方案应用到２００８和２００９年粤西海域水体分类中，通过绘制水体分类专题图，对比分析了粤西海域２００８—２０１０年水体类型分布的变化情况，为粤西海域的生态治理与资源规划提供了依据。＊收稿日期：２０１１－０２－１４资助项目：广东省科技项目———粤西海域卫星遥感水质监测速报与预警系统（２００９Ｂ０３０６００００７）作者简介：张莹（１９８２－），女，吉林四平人，讲师，博士，主要从事海洋探测信息处理与解释方面研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙｉｎｇ１９８２０６＠１２６．ｃｏｍ＊通讯作者，男，四川巴中人，教授，硕士．Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｉｙｘｉｅ＠１２６．ｃｏｍ（陈靖编辑）２期张莹，等：粤西海域水质评价方法的研究及应用１９９１研究区及水质资料概况粤西海域重点研究范围为２０°２０′～２１°４０′Ｎ，１１０°１０′～１１１°００′Ｅ。沿海地区包括茂名和湛江两市，是广东海洋经济圈的重要组成部分。该海域水质采样站位共计４５个（图１），其中国定站位８个，省定站位３７个。水质资料包括全氮（ＴＮ）、全磷（ＴＰ）、溶解氧（ＤＯ）、化学需氧量（ＣＯＤ）、酸碱度（ｐＨ）、石油类（Ｏｉｌｓ）共计６个水质指标，时间为２００８—２０１０年每年８月。我们选用２０１０年粤西海域水质资料为研究对象，选取其中平面分布均匀的３５个站位水质资料作为样本，其余１０个站位水质资料作为预测（图１）。在２０１０年水体分类方案应用的基础上，又利用该方案得出了２００８和２００９年粤西海域水体类型的分布情况。２水质指标关系海洋水质评价是１种多指标的复杂评价问题，因此明确影响水体分类的主导指标，对于后续的水质评价图２２０１０年主成分分析碎石图Ｆｉｇ．２Ｓｃｒｅｅｐｌｏｔｏｆｐｒｉｎｃｉｐａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｉｎ２０１０研究尤为重要。主成分分析是研究如何通过少数几个主成分来解释多个变量的方差—协方差结构的１种数学变换方法，它能够将多个实测变量转换为少数几个不相关的综合指标，并描述原始实测变量与后期综合指标间的关系。由此我们可以通过主成分分析方法来描述海洋水质各指标间的权重关系，为后续的水体分类研究奠定基础。将粤西海域２０１０年４５个采样站位的６个水质指标（ＴＮ，ＴＰ，ＤＯ，ＣＯＤ，ｐＨ和Ｏｉｌｓ）利用主成分分析方法进行处理。第１个主成分的特征根为３．０５，解释６个原始变量总方差的５０．８３１％；第２个主成分