粵西海域水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的研究及應(yīng)用＊

張 瑩，謝仕義＊，楊 鋒

（1.廣東海洋大學(xué) 海洋遙感與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江524088；2.湛江市海洋與漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測站，廣東 湛江524039）

粵西海域水質(zhì)評(píng)價(jià)方法的研究及應(yīng)用＊

張 瑩1，謝仕義1＊，楊 鋒2

（1.廣東海洋大學(xué) 海洋遙感與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江524088；2.湛江市海洋與漁業(yè)環(huán)境監(jiān)測站，廣東 湛江524039）

針對(duì)海洋水質(zhì)評(píng)價(jià)問題，建立了一套先利用主成分分析法明確各水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重關(guān)系，繼而參考權(quán)重關(guān)系依照海水水質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)建立分類樣本，最終通過判別分析方法建立判別函數(shù)實(shí)現(xiàn)水體自動(dòng)分類的方案。該方案在粵西海域，水體分類回判符合率達(dá)到91.4%。依據(jù)自動(dòng)分類結(jié)果繪制了粵西海域2008—2010年水體分布專題圖，為粵西海域環(huán)境污染防治提供了決策依據(jù)。

粵西海域；水體分類；主成分分析；判別分析

（陳 靖 編輯）

海洋水質(zhì)評(píng)價(jià)是海洋環(huán)境管理和決策的重要組成部分，其評(píng)價(jià)內(nèi)容是根據(jù)海水水體的主要物質(zhì)成分及其含量，按照《國家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》方案，分析水質(zhì)的時(shí)空分布狀況，從而為海洋養(yǎng)殖業(yè)、臨海工業(yè)及地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展規(guī)劃及管理決策提供依據(jù)。

從1965年Jacobs提出水質(zhì)指數(shù)概念以及相應(yīng)公式［1］以來，有關(guān)各類水體評(píng)價(jià)方法的研究成果不斷涌現(xiàn)。早期主要有單因子指數(shù)法［2－4］、綜合指數(shù)法［5－6］、分級(jí)評(píng)價(jià)法［7］等，近期主要有模糊理論、灰色系統(tǒng)理論、投影尋蹤及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法［8－11］。但由于水質(zhì)系統(tǒng)是一個(gè)隨時(shí)空變化的多維因子組成的復(fù)雜系統(tǒng)，依據(jù)不同區(qū)域，不同時(shí)期水體情況建立起來的評(píng)價(jià)模型很難通用，因而至今國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型與方法。

我們針對(duì)南?；浳骱Ｓ蛩|(zhì)實(shí)測資料，為完成海水水質(zhì)評(píng)價(jià)工作，設(shè)計(jì)下述方案：首先，利用主成分分析法明確海水水質(zhì)各指標(biāo)的權(quán)重關(guān)系；其次，依據(jù)權(quán)重關(guān)系按照《國家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》建立水體分類樣本；最后，利用判別分析方法分析樣本數(shù)據(jù)，建立水質(zhì)自動(dòng)分類模型。利用上述方案對(duì)粵西海域2010年35個(gè)站位水質(zhì)實(shí)測資料進(jìn)行了處理，其數(shù)點(diǎn)回判正確率達(dá)到91.4%。同時(shí)利用建立的自動(dòng)分類模型對(duì)另外10個(gè)站位的水質(zhì)實(shí)測資料進(jìn)行了自動(dòng)分類，分類結(jié)果全部正確。又將上述方案應(yīng)用到2008和2009年粵西海域水體分類中，通過繪制水體分類專題圖，對(duì)比分析了粵西海域2008—2010年水體類型分布的變化情況，為粵西海域的生態(tài)治理與資源規(guī)劃提供了依據(jù)。

圖1 粵西海域站位分布圖Fig.1 Distribution of monitoring stations in seawaters off western Guangdong

1 研究區(qū)及水質(zhì)資料概況

粵西海域重點(diǎn)研究范圍為20°20′～21°40′N，110°10′～111°00′E。沿海地區(qū)包括茂名和湛江兩市，是廣東海洋經(jīng)濟(jì)圈的重要組成部分。該海域水質(zhì)采樣站位共計(jì)45個(gè)（圖1），其中國定站位8個(gè)，省定站位37個(gè)。

水質(zhì)資料包括全氮（TN）、全磷（TP）、溶解氧（DO）、化學(xué)需氧量（COD）、酸堿度（pH）、石油類（Oils）共計(jì)6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，時(shí)間為2008—2010年每年8月。我們選用2010年粵西海域水質(zhì)資料為研究對(duì)象，選取其中平面分布均勻的35個(gè)站位水質(zhì)資料作為樣本，其余10個(gè)站位水質(zhì)資料作為預(yù)測（圖1）。在2010年水體分類方案應(yīng)用的基礎(chǔ)上，又利用該方案得出了2008和2009年粵西海域水體類型的分布情況。

2 水質(zhì)指標(biāo)關(guān)系

海洋水質(zhì)評(píng)價(jià)是1種多指標(biāo)的復(fù)雜評(píng)價(jià)問題，因此明確影響水體分類的主導(dǎo)指標(biāo)，對(duì)于后續(xù)的水質(zhì)評(píng)價(jià)研究尤為重要。主成分分析是研究如何通過少數(shù)幾個(gè)主成分來解釋多個(gè)變量的方差—協(xié)方差結(jié)構(gòu)的1種數(shù)學(xué)變換方法，它能夠?qū)⒍鄠€(gè)實(shí)測變量轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo)，并描述原始實(shí)測變量與后期綜合指標(biāo)間的關(guān)系。由此我們可以通過主成分分析方法來描述海洋水質(zhì)各指標(biāo)間的權(quán)重關(guān)系，為后續(xù)的水體分類研究奠定基礎(chǔ)。

將粵西海域2010年45個(gè)采樣站位的6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)（TN，TP，DO，COD，pH和Oils）利用主成分分析方法進(jìn)行處理。第1個(gè)主成分的特征根為3.05，解釋6個(gè)原始變量總方差的50.831%；第2個(gè)主成分的特征根為1.078，解釋6個(gè)原始變量總方差的17.968%；第3個(gè)主成分的特征根為0.874，解釋6個(gè)原始變量總方差的14.571%。截止到第3個(gè)主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到83.37%，說明前3個(gè)主成分已經(jīng)能夠很好的解釋原來6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的信息了。從主成分?jǐn)?shù)與特征值所繪制的碎石圖（圖2）也可以看出，第1，2主成分的特征值連線較之第2，3主成分特征值連線的斜率有較大差別，而第2，3主成分特征值連線與其后的各主成分特征值連線斜率基本一致。

利用回歸法計(jì)算得出各水質(zhì)指標(biāo)與各主成分的相關(guān)系數(shù)（表1）。其中第一主成分中TN的權(quán)重最高，繼而為TP。說明粵西海域2010年水體分類著重考慮的水質(zhì)指標(biāo)應(yīng)為TN和TP。

圖2 2010年主成分分析碎石圖Fig.2 Scree plot of principal component analysis in 2010

表1 2010年粵西海域水質(zhì)指標(biāo)與主成分關(guān)系Table 1 Relationship between the principal components and the water quality indexes in 2010in the sea area off western Guangdong

3 水體分類樣本的建立

擬采用判別分析方法建立粵西海域水質(zhì)自動(dòng)分類模型，判別分析是對(duì)已知分類的數(shù)據(jù)建立判別函數(shù)，然后把這樣的規(guī)則應(yīng)用到未知分類的數(shù)據(jù)中去實(shí)現(xiàn)其分類。因此首先應(yīng)建立粵西海域已知分類的水質(zhì)資料樣本。建立水體分類樣本的步驟如下：

1）建立粵西海域水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

按照GB3097－1997《國家海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，將粵西海域水體分為4類（表2）。

表2 粵西海域水質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 National standard for the sea water quality

2）依據(jù)水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重關(guān)系建立樣本

針對(duì)2010年粵西海域35個(gè)站位水質(zhì)資料，按照粵西海域水質(zhì)指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)考慮TN和TP質(zhì)量濃度的分類界限，建立粵西海域2010年由6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)（TN，TP，DO，COD，pH和Oils）組成的對(duì)應(yīng)4種水體類型的水體分類樣本。其中第一類水體16個(gè)樣本點(diǎn)，第二類水體2個(gè)樣本點(diǎn)，第三類水體5個(gè)樣本點(diǎn)，第四類水體12個(gè)樣本點(diǎn)。

4 水質(zhì)自動(dòng)分類方法

4.1 方法原理

判別分析在解決多元分析問題中應(yīng)用較廣，其基本思想是在已知若干個(gè)體的幾組屬性（或特征）觀測數(shù)據(jù)及個(gè)體所屬類別的前提下，根據(jù)某些準(zhǔn)則建立判別公式，然后對(duì)未知類型的個(gè)體進(jìn)行判別分析。判別分析法按判別準(zhǔn)則的不同可分為距離判別法、Fisher判別法、Bayes判別法和逐步判別法等。

設(shè)有n項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)，建立判別函數(shù)：

式中，Yi為第i個(gè)判別函數(shù)；a1，a2，…，an為各水質(zhì)指標(biāo)的系數(shù)；x1，x2，…，xn為樣本的各水質(zhì)指標(biāo)。本次研究的海水水質(zhì)指標(biāo)只有6項(xiàng)，則應(yīng)將所有指標(biāo)都進(jìn)行判別分析，故選取了應(yīng)用較為廣泛的Fisher判別法。

4.2 實(shí)際應(yīng)用

利用Fisher判別法對(duì)2010年粵西海域水質(zhì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，從中共可獲得3個(gè)典型判別函數(shù)（表3），其特征值為該函數(shù)組間平方和與組內(nèi)平方和的比值。其中第1個(gè)判別函數(shù)對(duì)于分類的貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到90.1%，也就是說利用第1個(gè)判別函數(shù)就已經(jīng)能夠較好的區(qū)分4類水體了。

表3 判別函數(shù)說明表Table 3 Necessary explanation for discriminant functions

用x1，x2，…，x6表示TN，TP，DO，COD，pH，Oils這6個(gè)水質(zhì)指標(biāo)，得到3個(gè)判別函數(shù)表達(dá)式：

由于前2個(gè)判別函數(shù)的貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到98.6%，故選取前2個(gè)判別函數(shù)進(jìn)行分類。將全部35個(gè)水質(zhì)數(shù)據(jù)的第一判別函數(shù)值與第二判別函數(shù)值在平面上投點(diǎn)，再根據(jù)樣本中各點(diǎn)與類中心位置距離遠(yuǎn)近劃分各點(diǎn)歸屬哪類（圖3）。由Fisher判別法分析得出的2010年粵西海域水質(zhì)樣本分類問題的回判正確率情況：第一類水體共計(jì)16個(gè)樣本點(diǎn)，有1個(gè)樣本點(diǎn)分類錯(cuò)誤，對(duì)于一類水體判斷符合率為93.8%；第二類水體共計(jì)2個(gè)樣本點(diǎn)，全部分類正確，對(duì)于二類水體判斷符合率為100%；第三類水體共計(jì)5個(gè)樣本點(diǎn)，全部分類正確，對(duì)于三類水體判斷符合率為100%；第四類水體共計(jì)12個(gè)樣本點(diǎn)，有2個(gè)樣本點(diǎn)分類錯(cuò)誤，對(duì)于四類水體判斷符合率為83.3%（表4）。全部35個(gè)樣本點(diǎn)判斷符合率為91.4%。說明利用Fisher判別法所建立的判別函數(shù)，能夠有效的解決粵西海域水質(zhì)自動(dòng)分類問題。為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述方案的有效性，將粵西海域其余10個(gè)站位的水質(zhì)數(shù)據(jù)代入式（2）和（3）中，計(jì)算F1和F2的值，投點(diǎn)判斷其歸屬哪類（圖4），其中5，6，7號(hào)站位為第一類水體，判斷正確；8號(hào)站位屬第二類水體，判斷正確；1，2號(hào)站位屬第三類水體，判斷正確；3，4，9，10號(hào)站位屬第四類水體，判斷正確，則全部10個(gè)站位的水質(zhì)預(yù)測分類正確率為100%。

表4 逐步判別分析正確率Table 5 Accuracy of stepwise discriminant analysis

在粵西海域2010年水質(zhì)資料的分析中該套自動(dòng)分類方案同樣適用于研究不同年限同一采樣站位群所獲得的水質(zhì)資料，因此，按照先明確水體分類主導(dǎo)指標(biāo)，再依照海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)建立樣本，繼而利用判別分析方法建立判別函數(shù)進(jìn)行水質(zhì)自動(dòng)分類的思路，對(duì)粵西海域2008—2010年45個(gè)站位的水質(zhì)資料進(jìn)行了自動(dòng)分類，并繪制了水體分類專題圖（圖5）。

圖5 2008－2010年水體分類圖Fig.5 Water body classification from 2008to 2010

2008—2010年粵西海域水體分類圖表明：2008年時(shí)粵西海域大部分水體屬第一類水體，僅在特呈島附近海域出現(xiàn)了第二類水體和及小范圍的第三類水體；2009年時(shí)，粵西海域水質(zhì)狀況急劇變差，近岸海域出現(xiàn)了大面積的第三類及第四類水體；2010年時(shí)，粵西海域的水質(zhì)狀況出現(xiàn)了好轉(zhuǎn)，第二、三、四類水體的面積均變小，但是近岸仍然存在大面積的第三、四類水體，嚴(yán)重影響了海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié) 論

依據(jù)粵西海域2008—2010年水體實(shí)測情況，建立了適用于該區(qū)域的水體分類方案，利用該分類方案得出了該海域水體分布的具體情況：

1）粵西海域的水體分類方案：先通過主成分分析確定水體分類主導(dǎo)指標(biāo)，再通過判別分析方法建立關(guān)于主導(dǎo)指標(biāo)的2個(gè)判別函數(shù)，通過各類水體兩函數(shù)交會(huì)區(qū)域范圍的限定實(shí)現(xiàn)水體自動(dòng)分類。該模型對(duì)粵西海域2010年35個(gè)站位的回判符合率達(dá)到91.4%，10個(gè)預(yù)測站位的正確率達(dá)到100%。

2）通過上述水質(zhì)分類方案得出了粵西海域這3年中各類水體的分布狀況，可概括為2008年整體水質(zhì)狀況較好，2009年水質(zhì)狀況急劇變差，特別是近岸海域，到2010年時(shí)水質(zhì)狀況稍有好轉(zhuǎn)，但近岸的海水水質(zhì)狀況仍不利于海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。

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Research and Application of the Method for Water Quality Evaluation in the Sea Area off Western Guangdong

ZHANG Ying1，XIE Shi－yi1，YANG Feng2
（1.LabofOceanRemoteSensingandInformationTechnology，GuangDongOceanUniversity，Zhanjiang 524088，China；2.ZhanjiangOceanicandFisheryEnvironmentalMonitoringStation，Zhanjiang 524039，China）

Aimed at the existing problems of seawater quality evaluation，aplan has been established，in which first is to determine the weight relationships among various water quality indexes by using principal component analysis，then to classify the samples according to the weight relationships and the water quality classification criteria，and last to establish a discriminant function by discriminant analysis and to realize the water body classification automatically.Good results have been obtained from the application of the plan for the seawaters off western Guangdong.The returned discriminant result of the water body classification reaches to a high compliance rate of 91.4%.Based on the automatic classification，thematic maps of water body distributions during the period from 2008to 2010have also been plotted for the seawaters off western Guangdong，which could provide a decision basis for the pollution control in this sea area.

sea area off western Guangdong；water quality classification；principal component analysis；discriminant analysis

February 14，2011

X824

A

1671－6647（2012）02－0198－07

2011－02－14

廣東省科技項(xiàng)目——粵西海域衛(wèi)星遙感水質(zhì)監(jiān)測速報(bào)與預(yù)警系統(tǒng)（2009B030600007）

張 瑩（1982－），女，吉林四平人，講師，博士，主要從事海洋探測信息處理與解釋方面研究.

E－mail：zhangying198206＠126.com

＊通訊作者，男，四川巴中人，教授，碩士.E－mail：shiyxie＠126.com