粵西海域水質評價方法的研究及應用＊

張 瑩，謝仕義＊，楊 鋒

（1.廣東海洋大學 海洋遙感與信息技術實驗室，廣東 湛江524088；2.湛江市海洋與漁業環境監測站，廣東 湛江524039）

粵西海域水質評價方法的研究及應用＊

張 瑩1，謝仕義1＊，楊 鋒2

（1.廣東海洋大學 海洋遙感與信息技術實驗室，廣東 湛江524088；2.湛江市海洋與漁業環境監測站，廣東 湛江524039）

針對海洋水質評價問題，建立了一套先利用主成分分析法明確各水質指標權重關系，繼而參考權重關系依照海水水質分類標準建立分類樣本，最終通過判別分析方法建立判別函數實現水體自動分類的方案。該方案在粵西海域，水體分類回判符合率達到91.4%。依據自動分類結果繪制了粵西海域2008—2010年水體分布專題圖，為粵西海域環境污染防治提供了決策依據。

粵西海域；水體分類；主成分分析；判別分析

（陳 靖 編輯）

海洋水質評價是海洋環境管理和決策的重要組成部分，其評價內容是根據海水水體的主要物質成分及其含量，按照《國家海水水質標準》方案，分析水質的時空分布狀況，從而為海洋養殖業、臨海工業及地方經濟的發展規劃及管理決策提供依據。

從1965年Jacobs提出水質指數概念以及相應公式［1］以來，有關各類水體評價方法的研究成果不斷涌現。早期主要有單因子指數法［2－4］、綜合指數法［5－6］、分級評價法［7］等，近期主要有模糊理論、灰色系統理論、投影尋蹤及神經網絡等方法［8－11］。但由于水質系統是一個隨時空變化的多維因子組成的復雜系統，依據不同區域，不同時期水體情況建立起來的評價模型很難通用，因而至今國內外還沒有統一的水質評價模型與方法。

我們針對南?；浳骱Ｓ蛩|實測資料，為完成海水水質評價工作，設計下述方案：首先，利用主成分分析法明確海水水質各指標的權重關系；其次，依據權重關系按照《國家海水水質標準》建立水體分類樣本；最后，利用判別分析方法分析樣本數據，建立水質自動分類模型。利用上述方案對粵西海域2010年35個站位水質實測資料進行了處理，其數點回判正確率達到91.4%。同時利用建立的自動分類模型對另外10個站位的水質實測資料進行了自動分類，分類結果全部正確。又將上述方案應用到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，為粵西海域的生態治理與資源規劃提供了依據。

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

1 研究區及水質資料概況

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

水質資料包括全氮（TN）、全磷（TP）、溶解氧（DO）、化學需氧量（COD）、酸堿度（pH）、石油類（Oils）共計6個水質指標，時間為2008—2010年每年8月。我們選用2010年粵西海域水質資料為研究對象，選取其中平面分布均勻的35個站位水質資料作為樣本，其余10個站位水質資料作為預測（圖1）。在2010年水體分類方案應用的基礎上，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 水質指標關系

海洋水質評價是1種多指標的復雜評價問題，因此明確影響水體分類的主導指標，對于后續的水質評價研究尤為重要。主成分分析是研究如何通過少數幾個主成分來解釋多個變量的方差—協方差結構的1種數學變換方法，它能夠將多個實測變量轉換為少數幾個不相關的綜合指標，并描述原始實測變量與后期綜合指標間的關系。由此我們可以通過主成分分析方法來描述海洋水質各指標間的權重關系，為后續的水體分類研究奠定基礎。

將粵西海域2010年45個采樣站位的6個水質指標（TN，TP，DO，COD，pH和Oils）利用主成分分析方法進行處理。第1個主成分的特征根為3.05，解釋6個原始變量總方差的50.831%；第2個主成分的特征根為1.078，解釋6個原始變量總方差的17.968%；第3個主成分的特征根為0.874，解釋6個原始變量總方差的14.571%。截止到第3個主成分，累計方差貢獻率達到83.37%，說明前3個主成分已經能夠很好的解釋原來6個水質指標的信息了。從主成分數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。

利用回歸法計算得出各水質指標與各主成分的相關系數（表1）。其中第一主成分中TN的權重最高，繼而為TP。說明粵西海域2010年水體分類著重考慮的水質指標應為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年粵西海域水質指標與主成分關系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自動分類模型，判別分析是對已知分類的數據建立判別函數，然后把這樣的規則應用到未知分類的數據中去實現其分類。因此首先應建立粵西海域已知分類的水質資料樣本。建立水體分類樣本的步驟如下：

1）建立粵西海域水質指標標準

按照GB3097－1997《國家海水水質標準》，將粵西海域水體分為4類（表2）。

表2 粵西海域水質指標標準Table 2 National standard for the sea water quality

2）依據水質指標權重關系建立樣本

針對2010年粵西海域35個站位水質資料，按照粵西海域水質指標分類標準，重點考慮TN和TP質量濃度的分類界限，建立粵西海域2010年由6個水質指標（TN，TP，DO，COD，pH和Oils）組成的對應4種水體類型的水體分類樣本。其中第一類水體16個樣本點，第二類水體2個樣本點，第三類水體5個樣本點，第四類水體12個樣本點。

4 水質自動分類方法

4.1 方法原理

判別分析在解決多元分析問題中應用較廣，其基本思想是在已知若干個體的幾組屬性（或特征）觀測數據及個體所屬類別的前提下，根據某些準則建立判別公式，然后對未知類型的個體進行判別分析。判別分析法按判別準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。

設有n項水質指標，建立判別函數：

式中，Yi為第i個判別函數；a1，a2，…，an為各水質指標的系數；x1，x2，…，xn為樣本的各水質指標。本次研究的海水水質指標只有6項，則應將所有指標都進行判別分析，故選取了應用較為廣泛的Fisher判別法。

4.2 實際應用

利用Fisher判別法對2010年粵西海域水質樣本數據進行了分析，從中共可獲得3個典型判別函數（表3），其特征值為該函數組間平方和與組內平方和的比值。其中第1個判別函數對于分類的貢獻率最大，達到90.1%，也就是說利用第1個判別函數就已經能夠較好的區分4類水體了。

表3 判別函數說明表Table 3 Necessary explanation for discriminant functions

用x1，x2，…，x6表示TN，TP，DO，COD，pH，Oils這6個水質指標，得到3個判別函數表達式：

由于前2個判別函數的貢獻率已經達到98.6%，故選取前2個判別函數進行分類。將全部35個水質數據的第一判別函數值與第二判別函數值在平面上投點，再根據樣本中各點與類中心位置距離遠近劃分各點歸屬哪類（圖3）。由Fisher判別法分析得出的2010年粵西海域水質樣本分類問題的回判正確率情況：第一類水體共計16個樣本點，有1個樣本點分類錯誤，對于一類水體判斷符合率為93.8%；第二類水體共計2個樣本點，全部分類正確，對于二類水體判斷符合率為100%；第三類水體共計5個樣本點，全部分類正確，對于三類水體判斷符合率為100%；第四類水體共計12個樣本點，有2個樣本點分類錯誤，對于四類水體判斷符合率為83.3%（表4）。全部35個樣本點判斷符合率為91.4%。說明利用Fisher判別法所建立的判別函數，能夠有效的解決粵西海域水質自動分類問題。為了進一步驗證上述方案的有效性，將粵西海域其余10個站位的水質數據代入式（2）和（3）中，計算F1和F2的值，投點判斷其歸屬哪類（圖4），其中5，6，7號站位為第一類水體，判斷正確；8號站位屬第二類水體，判斷正確；1，2號站位屬第三類水體，判斷正確；3，4，9，10號站位屬第四類水體，判斷正確，則全部10個站位的水質預測分類正確率為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年水質資料的分析中該套自動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資料，因此，按照先明確水體分類主導指標，再依照海水水質標準建立樣本，繼而利用判別分析方法建立判別函數進行水質自動分類的思路，對粵西海域2008—2010年45個站位的水質資料進行了自動分類，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了第二類水體和及小范圍的第三類水體；2009年時，粵西海域水質狀況急劇變差，近岸海域出現了大面積的第三類及第四類水體；2010年時，粵西海域的水質狀況出現了好轉，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，嚴重影響了海洋水產養殖業的發展。

5 結 論

依據粵西海域2008—2010年水體實測情況，建立了適用于該區域的水體分類方案，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指標，再通過判別分析方法建立關于主導指標的2個判別函數，通過各類水體兩函數交會區域范圍的限定實現水體自動分類。該模型對粵西海域2010年35個站位的回判符合率達到91.4%，10個預測站位的正確率達到100%。

2）通過上述水質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年整體水質狀況較好，2009年水質狀況急劇變差，特別是近岸海域，到2010年時水質狀況稍有好轉，但近岸的海水水質狀況仍不利于海洋水產養殖業的發展。

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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

廣東省科技項目——粵西海域衛星遙感水質監測速報與預警系統（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