貼近度法在湘江干流水質監測斷面優化中的應用

續衍雪，鄭丙輝，劉 琰，秦延文，羅岳平，廖月華

(1.中國環境科學研究院國家環境保護河口與海岸帶環境重點實驗室，北京 100012;2.湖南省環境監測中心站，湖南長沙 410014)

設置水質監測斷面是開展水質監測工作的重要環節。合理設置水質監測斷面，不僅能夠保證水質監測數據的代表性，而且能夠節約監測成本。目前監測斷面優化的方法主要有貼近度法[1]、聚類分析法[2-3]、主成分分析法[4-5]、統計計算方法[6]、均值偏差法[7]、經驗公式法等。

本研究以湘江干流為研究區，采用貼近度法優化水質監測斷面，并采用t值檢驗法對優化結果進行驗證。

1 研究方法

貼近度法是采用監測數據與水質標準之間的貼近度，并依據貼近度的大小對監測點進行科學合理的聚類，再從每類中選出代表點位，最后實現點位優化的目標[8]。

該方法首先要進行數據的標準化，然后找出各監測點多指標參數中每個指標的最大或最小值，將這些單指標的最大值或最小值合成為一個虛擬的“最優值”或“最差值”，即最大點與最小點集合，求出各個樣本點及標準值點與該兩虛擬點之間的距離，再根據它們的距離值計算出各樣本點與選取的標準值點之間的貼近度(可任意選取一個監測斷面為標準點)，即可為各水質監測點的優化提供計算判斷的依據。

第i個樣本點與最優點的距離di-G及最差點的距離di-B的計算公式分別為

式中:rij為標準化值，(rij)G和(rij)B分別為各指標的最大點集合及最小點集合，n為指標個數，αj為第j個指標在水質評價中的權重(因為每個指標在評價中的權重都是相同的，所以認為αj=1)。

第i個樣本點與標準值點的貼近度ci-m的計算公式為

式中:dm-G為標準點與最優點距離，dm-B為標準點與最差點距離。

貼近度法通過計算數值得出各個斷面與標準值的量化距離，它可以定量描述各個斷面的相似程度，具有概念明確、計算簡便、形象直觀、結論唯一等特點。

2 湘江干流監測斷面優化

2.1 研究區及數據來源

湘江是長江的主要支流之一，為湖南省最大河流，其水質狀況對湘江流域經濟發展和人民生產生活有著重要影響。目前，湘江干流自上而下布設有綠埠頭、港子口、歸陽鎮、松柏下、黃茶嶺、熬洲、朱亭鎮、楓溪、白石、霞灣、馬家河、五星、易家灣、昭山、猴子石、三汊磯、喬口、樟樹港等18個水質監測斷面。本研究所采用的數據為溶解氧、高錳酸鉀指數、化學需氧量、生化需氧量、氨氮、總磷、氟化物、硒、砷、汞、鎘、陰離子、糞大腸菌群等13項代表性指標2006—2009年的月平均監測數據。

2.2 斷面優化結果

首先計算出各斷面13項指標的年均值，然后對數據進行標準化，辨識出最優點以及最劣點。結果如下:最優點 ={0.212 8，0.106 8，0.151 8，0.031 3，0.0306，0.06，0.0783，0.005，0.037，0.0143，0.01，0.0408，0.0076};最劣點 ={0.2815，0.3132，0.330 4，0.246 3，0.427 9，0.245 6，0.241 7，0.14，0.3648，0.0535，0.305，0.2192，4.5322}。

選取樟樹港斷面為標準點，然后通過公式(1)～(3)分別計算出各斷面與最優點和最劣點之間的距離和貼近度值，計算結果見表1。

貼近度值相近表明斷面的綜合水質情況基本相同，可以歸為一類。可找出貼近度值相近的斷面，對其進行取舍優化。由表1可見，朱亭鎮斷面與熬洲斷面貼近度值相差很小，表明兩監測斷面綜合水質情況基本相同，可只保留其中一個斷面;五星斷面與三汊磯斷面總體水質狀況相差不大，建議保留其中一個斷面;昭山斷面與喬口斷面總體水質狀況相差不大，建議保留其中一個斷面。

3 方法驗證

為了判斷采用貼近度法進行斷面優化結果的準確性，可采用t值檢驗法[9]來進行驗證。該驗證方法可以反映出貼近度值相近的兩個斷面所反映的水質信息是否具有一致性。

3.1 t值檢驗原理及步驟

t值檢驗方法屬于統計檢驗法，又稱假設檢驗法或檢驗假設法，是統計推斷的一個重要組成部分。其內容是，對總體某個參數給定一個值，即提出一個假設，然后對用子樣算出的相應的統計量加以檢驗。在實驗數據處理中常用到統計檢驗，以往需要查表來確定統計檢驗的臨界值，根據程序計算出統計量的結果，經比較后下結論[10]。

式中，n為樣本數，μ則由顯著性水平α及自由度為n-1的t1-α來計算。

選擇檢驗顯著性水平α，查t分布分點表獲得自由度為n-1的t1-α，計算μ:

3.2 t值檢驗驗證

通過貼近度法可得出結論，朱亭鎮與熬洲、五星與三汊磯、昭山與喬口兩兩斷面所反映的綜合水質情況基本相同。下面運用t值檢驗法對上述兩兩斷面進行檢驗。

運用SPSS軟件進行t值檢驗，錄入熬洲斷面與朱亭鎮斷面標準化后的數據，選擇分析項目中的獨立樣本t檢驗選項，點擊確定即可輸出結果。統計結果見表2。

表2 熬洲斷面與朱亭鎮斷面的統計數據結果

通過SPSS軟件計算出t值為24，μ為0.819，大于顯著水平0.05，表明兩個樣本總體均值無顯著差異，綜合水質狀況相近，即朱亭鎮斷面的監測數據信息完全可以代替熬洲斷面監測數據信息。

同理，將五星斷面與三汊磯斷面標準化后的數據錄入SPSS軟件，進行t值檢驗，計算出μ為0.986，大于顯著水平0.05，表明兩個樣本總體均值無顯著差異，綜合水質狀況相近，五星斷面的監測數據完全可以代替三汊磯斷面監測數據。選取昭山斷面與喬口斷面標準化后的數據錄入SPSS軟件，進行t值檢驗，計算出 μ 為 0.952，大于顯著水平0.05，表明兩個樣本總體均值無顯著差異，綜合水質狀況相近，昭山斷面監測數據完全可以代替喬口斷面監測數據。

由上述t值檢驗可以看出，通過貼近度法計算出數值相近的兩斷面之間的差異不顯著，表示兩兩斷面的水質總體差距相差不大，水質情況基本相同，一個點位的信息可代替另一個點位的信息，貼近度法對湘江干流段監測斷面優化結果比較準確。

4 優化結果的可行性分析

貼近度法對監測斷面的優化只是一種理論上的計算，而實際上，監測斷面的設置除考慮水質的代表性外，還需考慮水環境管理的實際需要，如污染源監測、跨界水體管理以及重要水環境功能區管理的需要等。結合湘江流域水環境管理的實際需求，對貼近度法優化結果的可行性進行分析:朱亭鎮斷面是衡陽市與株洲市的交界斷面，三汊磯斷面是支流瀏陽河入湘江斷面，昭山斷面是湘潭市與長沙市的交界斷面，由于“十二五”期間，要推行流域生態補償和排污權交易政策，市州交界斷面必須監測，因此，上述3個斷面應予以保留。此外，五星斷面和喬口斷面分別是湘潭市和長沙市望城區的飲用水水源地監測斷面，為保障飲水安全，這2個斷面也應保留。因此，根據貼近度法的優化結果，結合實際水環境管理需要，建議去除熬洲斷面，保留其余的17個斷面。

5 結語

選用貼近度法對湘江干流18個監測斷面進行優化研究，并結合湘江流域水環境管理的實際需求，對貼近度法優化結果的可行性進行分析，建議去除熬洲斷面，保留其余17個監測斷面。優化后的17個斷面完全可以反映原有監測斷面的水質信息，能夠準確地反映湘江干流的水質狀況，同時也節約了監測成本。

貼近度法在水質監測斷面優化過程中具有一定的應用價值，t值檢驗也證明了該方法的準確性，但貼近度法只是一種理論上的斷面優化方法，仍需結合水環境管理的實際需求，對理論上的優化結果進行修正。

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