崔海波，殷永泉，崔兆杰，吳德華，賈雪清，劉瑜

(山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

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動(dòng)態(tài)貼近度法在徒駭河干流水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化中的應(yīng)用

崔海波，殷永泉*，崔兆杰，吳德華，賈雪清，劉瑜

(山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

根據(jù)2010—2012年的COD、BOD5、NH3-N、TP和Cr6+的例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用動(dòng)態(tài)貼近度法，對(duì)徒駭河干流13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。分別計(jì)算豐水期、平水期和枯水期的最優(yōu)點(diǎn)和最劣點(diǎn)的距離，從而計(jì)算出最優(yōu)貼近度值。利用t檢驗(yàn)和F檢驗(yàn)對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確度和精確度檢驗(yàn)，結(jié)果表明，優(yōu)化后的8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以代表整個(gè)干流的水質(zhì)狀況。

動(dòng)態(tài)貼近度法；優(yōu)化布點(diǎn)；t檢驗(yàn)；F檢驗(yàn);徒駭河干流

流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)斷面的優(yōu)化布設(shè)是保證監(jiān)測(cè)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)[1-5]。目前常用物元分析法[6-15]、聚類分析法[16-18]、最優(yōu)分割法[19-22]、動(dòng)態(tài)貼近度法[23-25]等數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行水環(huán)境監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)，通過分析監(jiān)測(cè)斷面結(jié)果相近與否判斷鄰近斷面是否需要優(yōu)化[4]。

物元分析法選點(diǎn)概念明確，計(jì)算簡(jiǎn)便，但未考慮點(diǎn)位空間關(guān)系和實(shí)際情況[12]，并且關(guān)聯(lián)度函數(shù)權(quán)重值的選擇也有待于進(jìn)一步探索[15]。聚類分析法在樣本數(shù)量較少的情況下操作比較簡(jiǎn)單，但是忽視了相互作用過程且會(huì)造成空間覆蓋率的問題[25]。最優(yōu)分割法能夠解決有序樣本的分類優(yōu)化問題，但對(duì)直徑的描述方式不夠完善。主成分分析法能概括長期監(jiān)測(cè)所獲得的大量數(shù)據(jù)，在損失較少信息的情況下減少評(píng)價(jià)指標(biāo)，抓住主要矛盾進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，但是監(jiān)測(cè)項(xiàng)目較少時(shí)無法應(yīng)用。動(dòng)態(tài)貼近度法考慮了水質(zhì)環(huán)境的時(shí)空變化[23]，動(dòng)態(tài)地進(jìn)行優(yōu)化工作[24]，其模型對(duì)計(jì)算結(jié)果具有放大作用，聚類效果好，能很好地解決不同的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果不同的問題[24]。

此外，當(dāng)只有一年的豐、平、枯水期或每月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)也可以考慮用動(dòng)態(tài)貼近度法。動(dòng)態(tài)貼近度法是通過計(jì)算相關(guān)時(shí)段各評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各項(xiàng)指標(biāo)的規(guī)范化值，尋求水質(zhì)虛擬最優(yōu)點(diǎn)和最劣點(diǎn)，計(jì)算規(guī)范化后的監(jiān)測(cè)值與最優(yōu)點(diǎn)、最劣點(diǎn)的歐氏距離，根據(jù)最優(yōu)貼近度的定義建立優(yōu)化模型，最后按貼近度值的大小進(jìn)行聚類，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化布設(shè)[22]。張亦飛[23]、續(xù)衍雪[24]、曹波[25]等利用動(dòng)態(tài)貼近度法實(shí)現(xiàn)流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化。

1 徒駭河干流監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化

1.1 斷面布設(shè)與數(shù)據(jù)來源

徒駭河干流自西向東設(shè)置13個(gè)監(jiān)測(cè)斷面：畢屯、莘縣橋、李鳳桃、雙樓橋、四河頭、博平橋、老南鎮(zhèn)橋、小楊屯、申橋、前油坊、夏口橋、商橋、富國。

數(shù)據(jù)來源：徒駭河2010—2012年3年月平均水質(zhì)例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)， 涵蓋了COD、BOD5、NH3-N、TP和Cr6+在內(nèi)的5項(xiàng)污染指標(biāo)。

根據(jù)山東省環(huán)保廳印發(fā)的《山東省環(huán)境安全預(yù)警水質(zhì)監(jiān)測(cè)方案(試行)》(2011年)中環(huán)境預(yù)警監(jiān)測(cè)點(diǎn)位匯總表，選擇Cr6+作為徒駭河流域重金屬監(jiān)測(cè)表征因子。

1.2 建立相關(guān)矩陣

1.2.1 初始決策矩陣X(t)

分別建立豐水期、平水期和枯水期3個(gè)時(shí)段的初始決策矩陣X(t)。該流域7、8月份為豐水期，2—5月份為枯水期，1、6、9、10、11和12月份為平水期。矩陣由13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成監(jiān)測(cè)點(diǎn)集，每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)由5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成指標(biāo)集。

1.2.2 樣本矩陣R(t)

分別建立豐水期、平水期和枯水期的樣本矩陣，見式1和式2。

(1)

(2)

式中：rij(t)——第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第j項(xiàng)指標(biāo)在t時(shí)段內(nèi)的規(guī)范值；

xij(t)——第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第j項(xiàng)指標(biāo)在t時(shí)段內(nèi)的監(jiān)測(cè)值；

t——豐水期、平水期和枯水期，n=13，m=5。

計(jì)算所得豐水期、平水期和枯水期樣本矩陣如下：

1.3 最優(yōu)點(diǎn)和最劣點(diǎn)的距離

S+(豐)=[0.198 0 0.216 0 0.069 9 0.022 0 0.056 8]

S-(豐)=[0.387 6 0.365 5 0.504 4 0.559 9 0.466 4]

S+(平)=[0.195 7 0.144 1 0.061 8 0.039 7 0.156 0]

S-(平)=[0.373 9 0.400 7 0.520 1 0.542 9 0.329 3]

S+(枯)=[0.171 9 0.108 3 0.088 2 0.101 3 0.139 6]

S-(枯)=[0.331 3 0.490 8 0.444 2 0.497 8 0.466 4]

t時(shí)段內(nèi)第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與最優(yōu)點(diǎn)的距離及t時(shí)段內(nèi)第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與最劣點(diǎn)的距離計(jì)算方法見式3和式4 ，結(jié)果見表1。

(3)

(4)

式中：wj——不同監(jiān)測(cè)因子的權(quán)重值，認(rèn)為各污染因子重要性相同，故均取1。

1.4 最優(yōu)貼近度的計(jì)算

根據(jù)式5計(jì)算最優(yōu)貼近度值ui，結(jié)果見表1。

(5)

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)與最優(yōu)點(diǎn)和最劣點(diǎn)的距離和最優(yōu)貼近度值

貼近度值相近表明斷面的綜合水質(zhì)情況基本一致，可以歸為一類[24]。由表1可見，申橋和富國、莘縣橋和夏口橋、博平橋和商橋、雙樓橋和老南鎮(zhèn)橋、畢屯和李鳳桃可歸為一類，建議分別保留1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。根據(jù)各監(jiān)測(cè)斷面的位置，擬去掉莘縣橋、李風(fēng)桃、老南鎮(zhèn)橋、申橋和商橋5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

1.5 監(jiān)測(cè)優(yōu)化檢驗(yàn)

為確定優(yōu)化后監(jiān)測(cè)點(diǎn)的代表性和可行性，采用t檢驗(yàn)法和F檢驗(yàn)法進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證，確保檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度。

1.5.1 雙總體t檢驗(yàn)

分別對(duì)申橋和富國、莘縣橋和夏口橋、博平橋和商橋、雙樓橋和老南鎮(zhèn)橋、畢屯和李鳳桃5組監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行雙總體t檢驗(yàn)。雙總體t檢驗(yàn)分為2種情況：一是相關(guān)樣本平均數(shù)差異的顯著性檢驗(yàn)，用于檢驗(yàn)匹配而成的2組被試獲得的數(shù)據(jù)或同組被試在不同條件下所獲得的數(shù)據(jù)的差異性；二是獨(dú)立樣本(各實(shí)驗(yàn)處理組之間毫無相關(guān)存在，即為獨(dú)立樣本)平均數(shù)差異的顯著性檢驗(yàn)，用于檢驗(yàn)2組非相關(guān)樣本被試所獲得的數(shù)據(jù)的差異性，即檢驗(yàn)2組樣本均值是否相等，文章屬于第2種情況。獨(dú)立樣本平均數(shù)的顯著性檢驗(yàn)方法見式6和式7。

(6)

(7)

S1、S2——樣本1和樣本2的標(biāo)準(zhǔn)差。

取0.05為顯著性水平，df=n1+n2-2=8，查t值表。若|t|≤t1-a/2(n1+n2-2)則認(rèn)為差異性不顯著，反之則顯著，不能歸類。臨界值t0.975(8)=2.132 。將規(guī)范的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入Excel，利用統(tǒng)計(jì)函數(shù)中的t.test進(jìn)行單側(cè)t檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 各對(duì)比斷面不同水期t檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可見，5組樣本3個(gè)不同時(shí)段的t值均<2.132，差異性不顯著，可以歸為一類。

1.5.2F檢驗(yàn)

運(yùn)用F檢驗(yàn)法確定2組數(shù)據(jù)的精密度是否有顯著性差異，計(jì)算方法見式8，結(jié)果見表3。

(8)

式中：S——標(biāo)準(zhǔn)差；

S1——優(yōu)化前后較大的標(biāo)準(zhǔn)差；

S2——優(yōu)化前后較小的標(biāo)準(zhǔn)差。

取0.05為顯著性水平，查F值表，F(xiàn)0.05(12,7)=3.57。若F>F0.05(12,7)，則認(rèn)為優(yōu)化前后的監(jiān)測(cè)點(diǎn)各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精密度有較大的差異不能優(yōu)化，反之精密度和總體方差相同，可進(jìn)行優(yōu)化。

表3 優(yōu)化前后監(jiān)測(cè)斷面不同水期F檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可見，除豐水期BOD5外，其他優(yōu)化前后的監(jiān)測(cè)斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精密度基本相同且平水期和枯水期BOD5的精密度和總體方差相同，認(rèn)為優(yōu)化是可行的。

2 結(jié)語

以2010—2012年不同水期(豐水期、平水期和枯水期)5種污染因子例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依托，采用動(dòng)態(tài)貼近度法，對(duì)徒駭河干流現(xiàn)有13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。利用t檢驗(yàn)對(duì)貼近度值相近的5組監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本均值檢驗(yàn)，結(jié)果表明這5組監(jiān)測(cè)點(diǎn)組內(nèi)差異不顯著，各組監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以合并為一類。利用F檢驗(yàn)對(duì)優(yōu)化前13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和優(yōu)化后8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精密度檢驗(yàn)，結(jié)果表明精密度和總體方差均相同，優(yōu)化后8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以代表整個(gè)河流水環(huán)境質(zhì)量狀況。但是，有些因素會(huì)影響優(yōu)化的結(jié)果，如閘壩的設(shè)置。徒駭河流域?qū)儆跇O度缺水區(qū)，為儲(chǔ)存水資源整個(gè)河流設(shè)置多處閘壩，閘壩的起落會(huì)造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的驟變，例如突然開閘放水，導(dǎo)致下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)突增或忽減。采用2010—2012年3年不同水期(豐水期、平水期和枯水期)例行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，雖然在一定程度上使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代表性更強(qiáng)，但也無法完全排除這種影響，因此在選擇監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)修正。

動(dòng)態(tài)貼近度法可為流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化提供重要的理論支持，能節(jié)約成本并提高監(jiān)測(cè)點(diǎn)的代表性。但是，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不僅要參考最優(yōu)貼近度值，還應(yīng)該結(jié)合流域?qū)嶋H情況和水污染防控要求。如優(yōu)化時(shí)需結(jié)合流域污染源分布情況和各支流匯入情況，保留上游有重大污染源和支流匯入的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，還應(yīng)該考慮流域水污染管理需要，保留可減少流域水污染糾紛的跨界斷面。

[1] 劉穎,劉丹.中國流域水環(huán)境監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀分析[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2008,33(3):127-131.

[2] 王晶.巢湖流域地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究[D].安徽:合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,2012.

[3] 孫景云,樓玉蓉,陳佩漩,等.全國地表水環(huán)境監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)方案的研究[J].中國環(huán)境監(jiān)測(cè),1987,3(5):1-4.

[4] HUNT C,RUST S,SINNOTT L.Application of statistical modeling to optimize a coastal water quality monitoring program[J].Environmental Monitoring and Assessment,2008,137(1):505-522.

[5] 莊世堅(jiān).關(guān)于環(huán)境監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方法的分析[J].環(huán)境科學(xué),1988,9(3):.21-24.

[6] 李祚泳.環(huán)境監(jiān)測(cè)優(yōu)化選點(diǎn)的物元分析模型[J].環(huán)境工程,1996,14 (3):46-49.

[7] 吳文強(qiáng),陳求穩(wěn),李基明.江河水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化布設(shè)方法[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(8):1537-1542.

[8] 高明慧.用物元分析進(jìn)行水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)的研究[J].環(huán)境科學(xué)進(jìn)展,1997,5(3):78-81.

[9] 張勇,黃醒群,易志偉,等.灰色局勢(shì)物元分析進(jìn)行河流優(yōu)化布點(diǎn)[J].中國環(huán)境監(jiān)測(cè),1999,15(3):24-26.

[10] 張勇,黎雪梅.物元分析在環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)及優(yōu)化布點(diǎn)的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2005,28(S1):114-115.

[11] 弓曉峰,陳春麗,趙晉,等.鄱陽湖樂安河流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)[J].湖泊科學(xué),2006,18(5):545-549.

[12] 曹毅.物元分析法在水質(zhì)監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)中的應(yīng)用[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警,2012,4(1):43-46.

[13] 屈宜春,關(guān)慶利.水質(zhì)監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)的物元分析法[J].黑龍江水利科技,1998,25(1):50-55.

[14] 林鴻雁,張江山,溫?zé)蠲?等.熵權(quán)物元分析法在地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)選中的應(yīng)用[J].福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2010,26(1):109-113.

[15] 李祚泳.環(huán)境監(jiān)測(cè)優(yōu)化選點(diǎn)的物元分析模型[J].環(huán)境工程,1996,14(3):46-49.

[16] 梁偉臻,葉錦潤,楊靜.模糊聚類分析法優(yōu)化城市河涌水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù),2002,14(3):6-7.

[17] 馬飛,蔣莉.河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化設(shè)置研究——以南運(yùn)河為例[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2006,31(8):171-172.

[18] 周志軍,潘三軍,楊培慧.SPSS模糊聚類分析法在水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面聚類分析中的應(yīng)用[J].儀器儀表與分析監(jiān)測(cè),2007,22(4):32-35.

[19] 張青新.最優(yōu)分割法在河流斷面優(yōu)化中的應(yīng)用[J],環(huán)境科技,1991,11(6):28-31.

[20] 董超.山東省河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化布點(diǎn)[D].濟(jì)南:山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,2004.

[21] 周勁,董吉文,張平.最優(yōu)分割分析在水環(huán)境監(jiān)測(cè)優(yōu)化布點(diǎn)中的應(yīng)用[J].濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,19(4):316-318.

[22] 于連生.環(huán)境模糊系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].長春:吉林大學(xué)出版社,1992:61-64.

[23] 張亦飛,楊曉蘭,張健.動(dòng)態(tài)貼近度法及其在水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布設(shè)中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2006,6(3):110-112.

[24] 續(xù)衍雪,鄭丙輝,劉琰,等.貼近度法在湘江干流水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面優(yōu)化中的應(yīng)用[J].水資源保護(hù),2012,28(6):46-48.

[25] 曹波,高怡寧.水質(zhì)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)優(yōu)化模型設(shè)計(jì)[J].科協(xié)論壇,2013,29(2):137-138.

Application of the Dynamic Similarity Method in Optimization of Water Quality Monitoring Sites of the Mainstream of the Tuhaihe River

CUI Hai-bo,YIN Yong-quan*,CUI Zhao-jie,WU De-hua,JIA Xue-qing,LIU Yu

(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,ShandongUniversity,Jinan,Shandong250100,China)

In order to properly set up water quality monitoring sections for the mainstream of the Tuhaihe River,the dynamic similarity method was used to optimize a total of 13 water quality monitoring sites along the river based on the monitoring data of COD,BOD5,NH3-N,TP,and Cr6+from 2010 to 2012. The optimal similarity was calculated by computing the distances between the optimum sites and the worst sites during the abundant water period,normal water period,and low water period. To test the accuracy and precision of the measurements,the optimization results were verified by theT-test andF-test. The results showed that 8 out of the 13 monitoring sites that were optimized were able to reflect the water quality of the mainstream of the Tuhaihe River,and that the dynamic similarity method was feasible to optimize the water quality monitoring sites of the river．

Dynamic similarity method; Optimized site;t-test;F-test; Mainstream of the Tuhaihe River

2014-07-15；

2015-03-09

崔海波(1987—)，女，在讀碩士，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境規(guī)劃管理與評(píng)價(jià)。

*通訊作者：殷永泉 E-mail：yqyin@sdu.edu.cn

X832

B

1674-6732(2015)03-0017-05