渤海水質(zhì)監(jiān)測站位優(yōu)化研究

蘭冬東，李 冕，許 妍，鮑晨光，于春艷，梁 斌，馬明輝

（國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116023）

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渤海水質(zhì)監(jiān)測站位優(yōu)化研究

蘭冬東，李 冕，許 妍，鮑晨光，于春艷，梁 斌，馬明輝

（國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116023）

摘要：以2000年-2010年無機(jī)氮、活性磷酸鹽和化學(xué)需氧量這三個主要污染因子趨勢性監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用水質(zhì)空間穩(wěn)定性評價、監(jiān)測站位時空重要性評價以及站位網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)等技術(shù)方法，對渤海2010年原有的海洋環(huán)境趨勢性水質(zhì)監(jiān)測站位進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，為渤海海域水質(zhì)的時空變化趨勢評價，提供更為有效、客觀的支撐。

關(guān)鍵詞：海水質(zhì)量監(jiān)測； 站位評價； 站位優(yōu)化； 渤海

環(huán)渤海地區(qū)是我國快速發(fā)展的重要經(jīng)濟(jì)集聚區(qū)和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)分布區(qū)之一，為我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展提供了重要的支撐作用。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，渤海面臨的壓力也在持續(xù)增大，近年來，渤海海域污染嚴(yán)重，污染范圍逐漸擴(kuò)大且出現(xiàn)新的污染區(qū)域。1974年我國在渤海首次開展海水水質(zhì)監(jiān)測，當(dāng)年渤海全域水質(zhì)符合一類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，2010年渤海一類水質(zhì)水域面積僅占渤海總面積的 45%，劣四類水域面積占渤海總面積的比例高達(dá)18%。近年來，渤海海域水質(zhì)污染范圍逐漸擴(kuò)大，為準(zhǔn)確評價渤海水質(zhì)現(xiàn)狀及變化趨勢，在20世紀(jì)70年代初期和90年代末期兩次海洋污染基線調(diào)查的基礎(chǔ)上，渤海水質(zhì)監(jiān)測站位也在不斷調(diào)整和增加，到2010年水質(zhì)監(jiān)測站位已經(jīng)達(dá)到 151個。渤?，F(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測站位網(wǎng)絡(luò)是否合理，在監(jiān)測經(jīng)費(fèi)投入一定的情況下，如何設(shè)計(jì)優(yōu)化監(jiān)測站位網(wǎng)絡(luò)使得監(jiān)測評價結(jié)果更準(zhǔn)確，成為海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)計(jì)的重要課題。目前針對海水水質(zhì)站位優(yōu)化的研究尚屬空白，本研究對渤海水質(zhì)監(jiān)測站位的科學(xué)合理優(yōu)化，能夠?yàn)椴澈：Ｓ蛩|(zhì)的時空變化趨勢評價提供有力支撐。

1 研究方法

1.1 IDW空間插值

IDW 空間插值方法能夠合理地展示海域水質(zhì)的空間變化趨勢和主要熱點(diǎn)區(qū)域，尤其是在出現(xiàn)極高值和低值的區(qū)域，已被廣泛應(yīng)用到空間要素分析［1-4］、降雨量預(yù)測［5-6］、污染物預(yù)測［7-9］等諸多領(lǐng)域，以及海洋水質(zhì)污染評價與預(yù)測方面［10-12］，模型為：

式中，Z*（B）為待插值點(diǎn)的值，Z（xi）為插值結(jié)點(diǎn)的實(shí)測值，λi為插值結(jié)點(diǎn)xi所占的權(quán)重，其中λi的計(jì)算方法為：

式中，di為估值點(diǎn)與已知點(diǎn)間的距離，k為正數(shù)。

1.2 水質(zhì)穩(wěn)定性評價

單要素水質(zhì)穩(wěn)定性評價是對每一柵格統(tǒng)計(jì)各類水質(zhì)出現(xiàn)的次數(shù)，出現(xiàn)次數(shù)最高的即為最可能出現(xiàn)的水質(zhì)等級，水質(zhì)穩(wěn)定概率Pi為第i類水質(zhì)出現(xiàn)的次數(shù)除以總的統(tǒng)計(jì)次數(shù)，即：

其中，iN為水質(zhì)等級i類出現(xiàn)的次數(shù)。

綜合水質(zhì)穩(wěn)定性評價是先分別統(tǒng)計(jì)各污染要素最可能出現(xiàn)的水質(zhì)等級及相應(yīng)概率，然后取污染等級最高的概率作為水質(zhì)綜合穩(wěn)定的概率，若污染等

1.3 站位時空重要性評價方法

1.3.1 歷史重要性站位篩選

海洋環(huán)境監(jiān)測站位的連續(xù)性對評價海洋環(huán)境變化趨勢十分重要，因此可作為確定站位重要性的標(biāo)準(zhǔn)。以2010年渤海水質(zhì)趨勢性監(jiān)測站位為基礎(chǔ)站位，篩選自2000年以來的監(jiān)測站位，通過相近站位的空間比對，確定監(jiān)測年限不低于9年的、具有歷史延續(xù)性的時間重要站位。再對距離過近的站位進(jìn)行篩選，0.1度范圍內(nèi)只保留一個站位作為歷史重要性站位。

1.3.2 站位貢獻(xiàn)率評價

綜合水質(zhì)站位貢獻(xiàn)率為站位各分指標(biāo)貢獻(xiàn)率的和。設(shè)X1是站位集X的一個子集，則X1在X中的貢獻(xiàn)率計(jì)算公式為：

X1的貢獻(xiàn)率=X的水質(zhì)評價-X/X1的水質(zhì)評價，其中X/X1=｛x| x∈X & x?X1｝，“-”表示水質(zhì)評價的差異性，即不同水質(zhì)等級的柵格數(shù)量。

1.3.3 站位綜合評價

設(shè)監(jiān)測站位總數(shù)為n個，歷史重要性站位數(shù)為m。

（1） n個監(jiān)測站位的數(shù)據(jù)水質(zhì)評價結(jié)果作為原始結(jié)果，記錄各類水質(zhì)的柵格數(shù)量及空間位置，站位貢獻(xiàn)率計(jì)算均以此為基礎(chǔ)。

（2） 對n-m中的每一站位，計(jì)算其貢獻(xiàn)率，按升序排序，去除貢獻(xiàn)率最小的站位，記錄各站位對應(yīng)的貢獻(xiàn)率。

（3） 對剩下的 n-m-1個站位中的首站位，重新計(jì)算貢獻(xiàn)率并升序排序，若順序不變，則去除，若改變，則按排序后重新計(jì)算首站位貢獻(xiàn)率；

（4） 剩下的n-m-2個站位按步驟三依次循環(huán)。

1.4 站位重新優(yōu)化布設(shè)方法

三角剖分已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到物理，計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域［13-17］，考慮到海洋環(huán)境的特殊性，本文采用的是改進(jìn)的 Delaunay三角剖分進(jìn)行站位布設(shè)，即加入跨島判斷，如果兩個站位之間的連線經(jīng)過某一大島嶼或陸地，則認(rèn)為該兩站位之間無關(guān)系，刪除同時以它們倆為頂點(diǎn)的三角面。

增加的站位主要布設(shè)在污染變化劇烈的A區(qū)域以及污染變化的B區(qū)域，清潔穩(wěn)定的C區(qū)域不增加站位。先對站位進(jìn)行 Delaunay三角剖分，記錄所得三角形的邊長，找出經(jīng)過 A區(qū)且邊長最長的邊。如圖1所示，若該邊為某兩個三角形的公共邊，則新加站位為這兩個三角形四個頂點(diǎn)的加權(quán)（公式 4），若該邊不是公共邊，則新加站位為該邊中點(diǎn)。每新增一個站位則重新進(jìn)行一次Delaunay三角剖分。若新增站位落在 C區(qū)，則重新尋找次長邊進(jìn)行站位添加，如此循環(huán)。B區(qū)域站位增加同A區(qū)域站位增加過程。

圖1 四頂點(diǎn)加權(quán)圖Fig. 1 Four-vertex weighted graph

2 結(jié)果與討論

2.1 渤海水質(zhì)污染與穩(wěn)定性

對2000年-2010年渤海水質(zhì)趨勢性監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，選取無機(jī)氮、活性磷酸鹽和化學(xué)需氧量三個渤海區(qū)域主要的污染因子進(jìn)行評價，采用表、中、底三層的平均值，地圖?。?.01度）^2為一柵格數(shù)據(jù)，采用 IDW 空間插值方法，得到歷年渤海海域水質(zhì)狀況的空間分布。如圖2所示，近年來渤海水質(zhì)污染成加重趨勢，無機(jī)氮污染增長趨勢明顯，污染范圍持續(xù)擴(kuò)大。如圖3所示，渤海中部一直穩(wěn)定在一類水質(zhì)，無機(jī)氮污染主要圍繞遼東灣，渤海灣和萊州灣變動。活性磷酸鹽污染主要在遼東灣區(qū)域變動，萊州灣基本穩(wěn)定在一類水質(zhì)，渤海灣水質(zhì)等級和污染區(qū)域均變動較大。渤海區(qū)域COD基本穩(wěn)定在一類水質(zhì)，僅遼東灣上部、萊州灣西部等區(qū)域會出現(xiàn)變動，在某些年份會出現(xiàn)污染。站位布設(shè)和監(jiān)測應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注污染嚴(yán)重和污染變化劇烈區(qū)域。

2.2 站位時空重要性評價結(jié)果

根據(jù)渤海 2000年-2010年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選定連續(xù) 9年的監(jiān)測站位作為站位重要性的選擇標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表明連續(xù)9年以上的站位為77個。再對77個站位中距離過近（小于0.1度）的站位進(jìn)一步篩選，最終確定59個站位具有歷史延續(xù)性。

圖2 渤海主要污染物濃度分布圖（mg/L）Fig. 2 Concentration distribution of main pollutants in the Bohai Sea（mg/L）

采用站位重要性評價方法評價92個站位在影響渤海環(huán)境質(zhì)量的主要指標(biāo)無機(jī)氮、活性磷酸鹽和COD中的重要性，最終得出92個站位對水質(zhì)等級變化影響的排序，根據(jù)這三項(xiàng)指標(biāo)評價的最大值來確定站位最終的空間重要性。選擇水質(zhì)類別改變大于或等于 2%的站位在水質(zhì)空間評價中具有重要作用，評估結(jié)果表明歷史延續(xù)重要性評估確定的59個以外的92個站位中，有61個站位對渤海水質(zhì)空間評價具有重要作用（圖4）。2010年渤海151個監(jiān)測站位的評估結(jié)果如圖5所示，其中59個站位具有歷史延續(xù)性，61個站位對渤海水質(zhì)空間評價具有重要作用，其他站位為31個。

圖3 2000年-2010年渤海水質(zhì)穩(wěn)定性分布圖Fig. 3 Stability distribution of water environment in the Bohai Sea from 2000 to 2010

圖4 去除站位數(shù)量與評價結(jié)果改變的關(guān)系Fig. 4 Relationship between nember of stations removed and changes in evaluation results

圖5 2010年渤海海域監(jiān)測站位的評估結(jié)果Fig. 5 Evaluation results from monitoring stations in the Bohai Sea in 2010

2.3 渤海站位重新優(yōu)化布設(shè)結(jié)果

2010年渤海趨勢性監(jiān)測站位優(yōu)化布設(shè)的結(jié)果如圖6所示，保持原有151個站位總數(shù)不變，調(diào)整的31個站位在污染變化劇烈和較大的A區(qū)和B區(qū)，數(shù)量分配分別為9個和22個，主要分布在遼東灣、渤海灣和萊州灣及其周邊海域，這些區(qū)域污染面積和污染區(qū)域一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)，是監(jiān)測需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，清潔穩(wěn)定的渤海中部沒有增設(shè)站位。

2.4 站位優(yōu)化的效益分析

站位優(yōu)化的效益主要體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)效益和監(jiān)測的精確度上。站位監(jiān)測的經(jīng)濟(jì)投入主要與出海天數(shù)及監(jiān)測站位數(shù)量有關(guān)，站位優(yōu)化前后監(jiān)測海域的范圍及站位數(shù)量均無變化，所以站位監(jiān)測的經(jīng)濟(jì)投入不變。監(jiān)測效果體現(xiàn)在水質(zhì)評價的結(jié)果上，水質(zhì)評價采用的是 IDW 插值方法，插值誤差與水質(zhì)變化率及站位布設(shè)疏密程度相關(guān)，水質(zhì)變化率越低，站位布設(shè)越密，則插值誤差越小。站位優(yōu)化后，水質(zhì)污染嚴(yán)重和污染變化劇烈的區(qū)域整體站位增多且布設(shè)更加均勻，有效的避免了該區(qū)域出現(xiàn)較大空白而使插值誤差過大，從而使得監(jiān)測結(jié)果的精確度更佳。

圖6 渤海站位優(yōu)化結(jié)果Fig. 6 Optimization results from Bohai Sea monitoring station

3 結(jié)論

以2000年-2012年夏季無機(jī)氮、活性磷酸鹽和化學(xué)需氧量這三個主要污染因子趨勢性監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用水質(zhì)空間穩(wěn)定性評價、監(jiān)測站位時空重要性評價以及站位優(yōu)化布設(shè)等方法，對渤海2010年趨勢性水質(zhì)監(jiān)測站位進(jìn)行優(yōu)化布設(shè)。在保持原有 151個站位總數(shù)不變的情況下，將距離過近或者位于清潔穩(wěn)定區(qū)的31個站位重新布設(shè)在污染變化較大的區(qū)域，重新布設(shè)的站位主要分布在遼東灣、渤海灣和萊州灣及其周邊海域，這些區(qū)域污染面積和污染區(qū)域一直處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在監(jiān)測經(jīng)費(fèi)投入不變的情況下，這些區(qū)域增加站位能夠?yàn)楦鼫?zhǔn)確、更客觀地監(jiān)測海洋環(huán)境質(zhì)量提供保障和基礎(chǔ)，為渤海海域水質(zhì)的時空變化趨勢評價，提供更為有效的支撐。

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（本文編輯： 康亦兼）

中圖分類號：X55

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-3096（2016）04-0088-06

doi：10.11759/hykx20150608001

收稿日期：2015-06-08； 修回日期： 2015-10-25

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（41306098）； 海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201305023）； 國家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（201312）

［Foundation item：The National Natural Science Foundation of China （No.41306098）； Public science and technology research funds projects of ocean （No.201305023）； The Key Laboratory for Ecological Environment in Coastal Areas，State Oceanic Administration（No.201312）］

作者簡介：蘭冬東（1984-），女，遼寧大連人，碩士，助理研究員，主要從事海洋環(huán)境評價研究，E-mail： ddlan@nmemc.org.cn； 李冕，通信作者，助理研究員，主要從事海洋環(huán)境評價研究E-mail： mli@nmemc.org.cn級相同，則取概率值較大的。水質(zhì)發(fā)生概率大于75%為穩(wěn)定區(qū)域，50%～75%為變化區(qū)域，0～50%為變化劇烈區(qū)域。

Layout optimization of water quality monitoring stations in the Bohai Sea

LAN Dong-dong，LI Mian，XU Yan，BAO Chen-guang，YU Chun-yan，LIANG Bin，MA Ming-hui
（National Marine Environmental Monitoring Center，Dalian 116023，China）

Received： Jun. 8，2015

Key words：water quality monitoring； station assessment； station optimization； Bohai Sea

Abstract：The trend of water quality monitoring stations in the Bohai Sea was optimized and adjusted using a stability assessment method in relation to the water quality. An assessment of the spatiotemporal importance of monitoring stations and an optimal design method for the stations was determined on the basis of the trend of monitoring data between 2000 and 2010 for three main pollution factors，namely，inorganic nitrogen，active phosphate，and COD. Optimization of the layout of water quality monitoring stations could provide effective and objective support for the assessment of temporal trends in the water quality of the Bohai Sea.