宋盼盼，周 猛，肖 瑩

(湖北省孝感市水文水資源勘測局，湖北 孝感 432100)

水體營養(yǎng)狀態(tài)評價是地表水環(huán)境質(zhì)量評價的重要組成部分，是對水體富營養(yǎng)化發(fā)展過程中某一階段的營養(yǎng)狀況進行定量描述，通過對代表性指標(biāo)的監(jiān)測與調(diào)查，判定水體的營養(yǎng)狀態(tài)，了解其富營養(yǎng)化進程及預(yù)測其發(fā)展趨勢，為水體水質(zhì)管理及富營養(yǎng)化防治提供科學(xué)依據(jù)[1]。其本質(zhì)是按照一定的標(biāo)準(zhǔn)和方法對水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行加工處理，最終形成水體優(yōu)劣程度的評判結(jié)論。

長期以來，水體營養(yǎng)狀態(tài)評價主要借助于Microsoft Excel、WPS表格或SPSS等常規(guī)辦公軟件的數(shù)據(jù)處理功能。在具體執(zhí)行大批量運算時，對軟件運行環(huán)境、原始數(shù)據(jù)質(zhì)量和格式要求較高，尤其是處理大批量數(shù)據(jù)時效率較低且容易出錯，在實際使用中存在一定的局限性。

python是一種面向?qū)ο蟮慕忉屝缘挠嬎銠C程序設(shè)計語言，具有簡潔、易讀、易維護、免費開源、可移植性和可擴展性等特性。經(jīng)歷幾十年的發(fā)展，Python工具箱現(xiàn)已涵蓋數(shù)據(jù)爬蟲、數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)、人工智能和Web開發(fā)等技術(shù)的常用庫和外部工具，可廣泛應(yīng)用于各種交叉學(xué)科。近年來，python在水文分析計算、水資源水環(huán)境監(jiān)測與評價領(lǐng)域中應(yīng)用的案例不斷涌現(xiàn)[2-7]，為水資源、水環(huán)境監(jiān)測與評價工作開辟了一條更加高效、便捷的途徑。筆者采用python語言設(shè)計一種可以應(yīng)用于水體營養(yǎng)狀態(tài)評價的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有一定的可行性和實用價值。

1 評價方案的選取

常用的水體營養(yǎng)狀態(tài)評價方法主要有營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法(卡爾森營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSI)[8]、修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TSIM)[9]、綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(TLI)[10])、營養(yǎng)度指數(shù)法[11]、模糊聚類數(shù)學(xué)模型法[12]和評分法[13]等。筆者結(jié)合當(dāng)前水利系統(tǒng)水環(huán)境監(jiān)測與評價工作實際情況，水體營養(yǎng)狀態(tài)評價方案采用評分法。其主要依據(jù)為水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》(SL 395—2007)，其中湖泊營養(yǎng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)及分級方法源自中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所舒金華1990年提出的評分法[14]。

評分法是根據(jù)水體營養(yǎng)狀態(tài)相關(guān)評價因子和對應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)，在0～100分的范圍內(nèi)分別賦予各評價參數(shù)相應(yīng)的分值，其分值與水體富營養(yǎng)化程度呈正相關(guān)。評價指標(biāo)為葉綠素a(chl-a)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)和高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)，其中葉綠素a(chl-a)為必評項目。依據(jù)水體營養(yǎng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)，采用線性插值法將水質(zhì)項目濃度值轉(zhuǎn)換為賦分值，按公式(1)計算營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI，根據(jù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)確定營養(yǎng)狀態(tài)分級。水體營養(yǎng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)及分級方法見表1[15]。

表1 水體營養(yǎng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)及分級方法

(1)

式中，EI—營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；En—評價項目賦分值；N—評價項目個數(shù)。

2 工作流程的設(shè)計

利用python出色的數(shù)據(jù)處理能力可以完成對監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理，從原始監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取出需要參評的數(shù)據(jù)，然后依據(jù)水體營養(yǎng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)建立項目濃度值與賦分值的函數(shù)關(guān)系曲線方程，分別按照對應(yīng)的曲線方程進行賦值運算，再根據(jù)運算結(jié)果對樣品代表的水體進行分級評價，最后對必評項目“葉綠素a”是否參評進行自動復(fù)核，輸出營養(yǎng)狀態(tài)分級評價成果。本評價系統(tǒng)使用的所有數(shù)據(jù)文件均為.xlsx或.xls格式。水體營養(yǎng)狀態(tài)評價系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 水體營養(yǎng)狀態(tài)評價系統(tǒng)工作流程

3 主要功能的實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)處理

一般情況下，原始的水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)包含的信息量較大，為方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理，需篩選出水體營養(yǎng)狀態(tài)相關(guān)評價因子。使用pandas模塊提取文件“原始檢測數(shù)據(jù).xlsx”中的樣品信息(如“樣品編號”“樣品名稱”“采樣日期”等)和評價參數(shù)(“高錳酸鹽指數(shù)”“總磷”“總氮”“葉綠素a”“透明度”)等參評必要數(shù)據(jù)，生成文件“水體營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測成果.xlsx”。數(shù)據(jù)處理的主要代碼如下：

import pandas as pd

df=pd.read_excel('原始檢測數(shù)據(jù).xlsx')

df=df.reindex(columns=['樣品編號'，'樣品名稱'，' 采樣日期'，'高錳酸鹽指數(shù)'，'總磷'，'總氮'，'葉綠素a'，'透明度'])

print(df)

df.to_excel('水體營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測成果.xlsx'，index=False)

3.2 建立關(guān)系曲線

根據(jù)水體營養(yǎng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)及分級方法表中“評價項目賦分值En”和各項指標(biāo)濃度值的對應(yīng)關(guān)系，可整理成五個獨立的分段函數(shù)，分別表示葉綠素a(chl-a)、總磷(TP)、總氮(TN)、透明度(SD)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)五項指標(biāo)的濃度值與賦分值En的函數(shù)關(guān)系。以葉綠素a(chl-a)和透明度(SD)2項為例，其關(guān)系曲線分別用python代碼表示如下：

#項目"葉綠素a"營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分段函數(shù)

def Eutrophication_index_Chlorophyll_a(x)：

if 0.000<=x<0.0005：

return 20000*x+0

elif 0.0005<=x<0.0010：

return 20000*x+0

elif 0.0010<=x<0.0020：

return 10000*x+10

elif 0.0020<=x<0.0040：

return 5000*x+20

elif 0.0040<=x<0.010：

return 5000/3*x+100/3

elif 0.010<=x<0.026：

return 625*x+175/4

elif 0.026<=x<0.064：

return 5000/19*x+1010/19

elif 0.064<=x<0.16：

return 625/6*x+190/3

elif 0.16<=x<0.40：

return 250/6*x+220/3

elif 0.40<=x<1.0：

return 50/3*x+250/3

elif x>=1.0：

return 100

else：

return ""

#項目"透明度"營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)分段函數(shù)

def Eutrophication_index_Transparency(x)：

if x>=10：

return-2*x+30

elif 5.0<=x<10：

return-2*x+30

elif 3.0<=x<5.0：

return-5*x+45

elif 1.5<=x<3.0：

return-20/3*x+50

elif 1.0<=x<1.5：

return-20*x+70

elif 0.5<=x<1.0：

return-20*x+70

elif 0.4<=x<0.5：

return-100*x+110

elif 0.3<=x<0.4：

return-100*x+110

elif 0.2<=x<0.3：

return-100*x+110

elif 0.12<=x<0.2：

return-125*x+115

elif x<0.12：

return 100

else：

return ""

3.3 賦分計算

將3.1中提取的監(jiān)測數(shù)據(jù)分別帶入3.2中對應(yīng)的關(guān)系曲線，計算出各項指標(biāo)對應(yīng)的賦分值En和樣品所代表水體的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI。主要代碼如下：

#分別計算各指標(biāo)富營養(yǎng)化指數(shù)En

d=pd.read_excel('水體營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測成果.xlsx')

d['葉綠素a']=d['葉綠素a'].apply(lambda x：Eutrophication_index_Chlorophyll_a(x))

d['總磷']=d['總磷'].apply(lambda x：Eutrophication_index_TP_lake(x))

d['總氮']=d['總氮'].apply(lambda x：Eutrophication_index_TN_lake(x))

d['高錳酸鹽指數(shù)']=d['高錳酸鹽指數(shù)'].apply(lambda x：Eutrophication_index_CODmn(x))

d['透明度']=d['透明度'].apply(lambda x：Eutrophication_index_Transparency(x))

print(d)

d.to_excel('水體營養(yǎng)狀態(tài)評分.xlsx'，index=False)

#計算參評項目賦分的平均值EI，結(jié)果保留2位小數(shù)

d=pd.read_excel('水體營養(yǎng)狀態(tài)評分.xlsx')

d['EI(營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù))']=d.loc[：，['葉綠素a'，'總磷'，'總氮'，'高錳酸鹽指數(shù)'，'透明度']].mean(axis=1)

d=round(d，2)

print(d)

d.to_excel('水體營養(yǎng)狀態(tài)評分.xlsx'，index=False)

3.4 評價成果輸出

按照水體營養(yǎng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)及分級方法，根據(jù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)EI確定水體營養(yǎng)狀態(tài)級別，生成“水體營養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果.xlsx”。主要代碼如下：

def Eutrophication_index_grade(EI)：

if 0<=EI<=20：

return "貧營養(yǎng)"

elif 20

return "中營養(yǎng)"

elif 50

return "輕度富營養(yǎng)"

elif 60

return "中度富營養(yǎng)"

elif 80

return "重度富營養(yǎng)"

else：

return ""

d=pd.read_excel('水體營養(yǎng)狀態(tài)評分.xlsx')

d['營養(yǎng)狀態(tài)分級']=d[' EI(營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù))'].apply(lambda x：Eutrophication_index_grade(x))

print(d)

d.to_excel('水體營養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果.xlsx'，index=False)

3.5 必評指標(biāo)復(fù)核

根據(jù)SL 395—2007《地表水資源質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》中5.1.2的規(guī)定，“葉綠素a”為必評項目，即“葉綠素a”是否參評直接決定評價結(jié)果是否有效。因此，須對項目“葉綠素a”的參評情況進行復(fù)核。如未參評，應(yīng)標(biāo)注提示信息“葉綠素a未參評！”。必評指標(biāo)復(fù)核的代碼如下：

def check_Chlorophyll_a(x)：

if x>=0：

return ""

else：

return "葉綠素a未參評！"

d=pd.read_excel('水體營養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果.xlsx')

print(d)

d['必評項目復(fù)核']=d['葉綠素a'].apply(lambda x：check_Chlorophyll_a(x))

print(d)

d.to_excel('水體營養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果.xlsx'，index=False)

4 典型案例的測試

為實現(xiàn)評價功能可在任何其他未安裝python軟件的PC上正常運行，可使用auto-py-to-exe工具可將寫好的python代碼打包成可執(zhí)行文件“水體營養(yǎng)狀態(tài)評價系統(tǒng).exe”。將待測數(shù)據(jù)文件“原始檢測數(shù)據(jù).xlsx”(數(shù)據(jù)量為10000個樣本)置于可執(zhí)行程序所在的文件夾，運行“水體營養(yǎng)狀態(tài)評價系統(tǒng).exe”后，分別生成“水體營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測成果.xlsx”“水體營養(yǎng)狀態(tài)評分.xlsx”和“水體營養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果.xlsx”3個xlsx格式文件，軟件運行用時約25s。為驗證評價的有效性，同時采用傳統(tǒng)的excel、wps等軟件的函數(shù)功能按照線性插值法對案例中部分樣品進行營養(yǎng)狀態(tài)評分和分級評價。結(jié)果顯示：其評分和分級評價結(jié)果與python代碼運行結(jié)果完全一致，分級評價結(jié)果亦完全吻合。水體營養(yǎng)狀態(tài)評價系統(tǒng)測試結(jié)果見表2—4。

表2 水體營養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測成果

表3 水體營養(yǎng)狀態(tài)評分

表4 水體營養(yǎng)狀態(tài)評價結(jié)果

5 結(jié)語

利用python語言將水體營養(yǎng)狀態(tài)評價方法設(shè)計成能在多種平臺上運行的水體營養(yǎng)狀態(tài)評價系統(tǒng)，體現(xiàn)了水環(huán)境評價與計算機程序設(shè)計學(xué)科交叉融合的可行性?；趐ython語言設(shè)計的水體營養(yǎng)狀態(tài)評價系統(tǒng)可以在很大程度上彌補常規(guī)辦公軟件在數(shù)據(jù)處理方面的不足，尤其是在處理海量的水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)時，python語言具有更加便捷、高效、準(zhǔn)確的優(yōu)點，在實際的水環(huán)境質(zhì)量評價工作中具有較高的應(yīng)用價值。