象山港生態浮標自動監測數據比對結果統計與分析

趙賓峰，趙乾丞

（寧波市海洋與漁業信息監測中心，浙江 寧波 315000）

象山港生態浮標自動監測數據比對結果統計與分析

趙賓峰，趙乾丞

（寧波市海洋與漁業信息監測中心，浙江 寧波 315000）

生態浮標在線監測系統目前已廣泛應用于污染物監測、災害預警等多方面，監測數據的可靠性和準確性是浮標在線監測系統推廣與應用的前提和基礎。選取象山港海域生態浮標近3 a同時段的水質自動監測與實驗室監測數據，利用SPSS軟件對比對結果進行統計與分析，結果顯示，浮標自動監測數據與實驗室監測數據有較好的一致性，無顯著的系統性偏差，大部分監測指標的正負偏差呈正態分布，可以用于對海水水質的實時監測，為決策部門及社會公眾提供準確有效的海洋生態環境信息服務。

浮標自動監測；比對；SPSS軟件；正態分布

1 研究背景

海上浮標實時監測系統具有及時反映多參數、多介質海洋環境要素動態變化、預測預警其發展趨勢并加快處理突發事件等優勢，在風暴潮預警、赤潮預警、海洋污染監測等方面正發揮著越來越重要的作用[1]。利用浮標實時、長期的監測資料，及時了解和掌握海洋環境綜合質量狀況及其變化規律，不僅可以掌握和了解海洋資源的變化狀況，更好地開發利用海洋資源，有效避免和降低溢油、赤潮等海洋災害對海洋生態環境的污染和海洋功能的損害，進而改善海洋生態環境質量，還可以為海上運輸、漁業生產、海水養殖和濱海旅游等海洋產業提供及時、有效的服務，促進海洋經濟可持續發展。

浮標承載的各類儀器設備和傳感器受海水侵蝕、生物附著污染、漁船等外力碰撞，容易導致傳感器靈敏度受損，使監測值產生較大偏差。為了保證浮標監測數據的準確度和精確度，必須對浮標監測數據進行質量控制。目前普遍采用的一種數據質控方法是進行比對監測和偏差分析，即人工現場監測與浮標監測同時進行，再將兩種方法獲取的數據進行偏差分析[2]。

2 研究方法

選取同時段的象山港生態浮標監測數據（以下簡稱浮標值）和實驗室監測數據（以下簡稱比對值），計算二者的相對偏差。研究參數為表層水溫、pH、鹽度、溶解氧、葉綠素a、亞硝酸鹽、硝酸鹽和活性磷酸鹽共8項表征海水水質的主要監測指標。其中，葉綠素、硝酸鹽、亞硝酸鹽和活性磷酸鹽指標以相對偏差在30%以內的數據作為比對合格數據；表層水溫、pH、鹽度、溶解氧指標以相對偏差在5%以內的數據作為比對合格數據。當顯著性水平α為0.05時，利用SPSS軟件，對浮標值與比對值的相對偏差進行K-S檢驗和相關性分析[3]。

2.1 SPSS軟件簡介

社會科學統計軟件SPSS（Statistical Program for Social Sciences）是一款非常流行的專業統計軟件，目前已經廣泛應用于眾多領域和行業[4]。作為統計分析工具，SPSS軟件具有理論嚴謹、內容豐富、操作簡單、在線幫助方便、數據轉換功能強、統計分析方法全面等優點，能完成數據管理、統計分析和圖形繪制等功能，得到專業人士的青睞[5]。

2.2 傳感器配置及監測方法

水質監測選用美國YSI6600多參數水質傳感器，可測量溫度、電導率、鹽度、pH、溶解氧、葉綠素等參數。營養鹽的測量選用意大利Systea公司的WIZ三通道流動池傳感器，可測量氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽參數。磷酸鹽的測量使用美國Wetlabs公司的cycle-PO4傳感器，單獨測量活性磷酸鹽一個參數。

實驗室監測和分析工作按照《海洋監測規范》（GB 17378-2007）、《海洋調查規范》（GB/T 12763-2007）等監測規范和分析方法執行，各監測項目的分析方法見表1。

表1 監測項目分析方法

3 數據分析

根據SPSS軟件的計算及統計結果，對其中5項參數（表層水溫、pH、鹽度、溶解氧和葉綠素a）進行了深入分析。

3.1 表層水溫

試驗共獲取表層水溫實際水樣比對數據76組。其中，比對合格的數據有76組，比對合格率為100%，表明浮標值與比對值有很好的一致性。在合格的數據中，有2組浮標值與比對值完全一致，正偏離占總數的57.9%，負偏離占總數的39.5%。通過直方圖，可以看到浮標值與比對值的相對偏差大都落在±1%的區間內（圖1）。當顯著性水平α為0.05時，對浮標值與比對值的相對偏差進行K-S檢驗，結果顯示：P值Sig.(2-tailed)=0.147>0.05，說明浮標值與比對值的標準偏差呈正態分布，無明顯的系統性誤差。

圖1 表層水溫監測結果相對偏差統計圖

對浮標值與比對值進行線性分析，結果表明：相關系數R=0.998，浮標值與比對值存在顯著相關性（表2，圖2）。綜合K-S檢驗和線性分析，說明表層水溫的浮標值與比對值相比誤差較小，且穩定可靠。

圖2 表層水溫浮標值和比對值散點圖

表2 表層水溫浮標值和比對值相關性分析

3.2 鹽度

試驗共獲取鹽度實際水樣比對數據77組，其中，比對合格的數據68組，比對合格率為88.3%，表明浮標值與比對值有很好的一致性。在合格的68組數據中，正偏離占總數的83.8%，負偏離占總數的16.2%。通過直方圖，看到鹽度浮標值與比對值的相對偏差大都落在-3%～6%的區間內(圖3)。當顯著性水平α為0.05時，對浮標值與比對值的相對偏差進行K-S檢驗，結果表明：P值Sig.(2-tailed)=0.003< 0.05，說明浮標值與比對值的標準偏差沒有明顯的正態分布的特征，存在一定的系統性誤差。

對浮標值與比對值進行線性分析，得出相關系數R=0.870，浮標值與比對值存在高度相關性（圖4，表3）。通過K-S檢驗和線性分析，可以看到浮標值與比對值的標準偏差沒有明顯的正態分布的特征，宏觀表現為數據正偏離的比例明顯大于負偏離的比例，兩者線性相關性較好，考慮到鹽度的合格數據比例較高，總體上，鹽度測量的浮標值比較穩定可靠。

圖3 鹽度監測結果相對偏差統計圖

圖4 鹽度浮標值和比對值散點圖

表3 鹽度浮標值和比對值相關性分析

3.3 溶解氧(DO)

試驗獲取溶解氧實際水樣比對數據75組。其中，比對合格的數據有65組，比對合格率為86.7%，浮標值與比對值有很好的一致性。在合格的數據中，正偏離占總數的57.9%，負偏離占總數的39.5%。通過直方圖，可以看到浮標值與比對值的相對偏差大都落在±3%區間內(圖5)。當顯著性水平α為0.05時，對浮標值與比對值的相對偏差進行K-S檢驗，結果表明：P值Sig.(2-tailed)=0.060>0.05，說明浮標值與比對值的標準偏差呈正態分布，無明顯的系統性誤差。

圖5 DO監測結果相對偏差統計圖

線性分析結果表明：相關系數R=0.975，溶解氧的浮標值與比對值存在顯著相關性（圖6，表4）。綜合K-S檢驗和線性分析，說明溶解氧的浮標測值準確度良好。

圖6 溶解氧浮標值和比對值散點圖

表4 溶解氧浮標值和比對值相關性分析

3.4 pH值

試驗共獲取pH實際水樣比對數據76組，其中，比對合格的數據76組，比對合格率為100%。表明浮標值與比對值有很好的一致性。在合格的數據中，有3組浮標值與比對值保持一致，正偏離占總數的59.2%，負偏離占總數的36.8%。通過直方圖，看到浮標值與比對值的相對偏差大都落在-0.4%～0.8%的區間內(圖7)。當顯著性水平α為0.05時，對浮標值與比對值的相對偏差進行K-S檢驗,結果表明：P值Sig.(2-tailed)=0.167>0.05，說明浮標值與比對值的標準偏差呈正態分布，無明顯的系統性誤差。

圖7 pH監測結果相對偏差統計圖

線性分析結果表明：相關系數R=0.614，浮標值與比對值存在中度相關性（圖8，表5）。綜合K-S檢驗和線性分析，說明pH的浮標測值的準確度較高，與比對值的誤差較小。

圖8 pH浮標值和比對值散點圖

表5 pH浮標值和比對值相關性分析

3.5 葉綠素

試驗共獲取葉綠素實際水樣比對數據76組，其中，比對合格的數據有31組，比對合格率40.8%。在合格的數據中，正偏離占總數的48.4%，負偏離占總數的51.6%。通過直方圖，可以看到葉綠素浮標值與比對值的相對偏差大都落在-60%～40%的區間內（圖9）。當顯著性水平α為0.05時，對浮標值與比對值的相對偏差進行K-S檢驗，結果表明：P值Sig. (2-tailed)=0.536>0.05，說明浮標值與比對值的標準偏差呈正態分布，無明顯的系統性誤差。

線性分析結果表明：相關系數R=0.909，浮標值與比對值存在高度相關性，無顯著性差異。綜合KS檢驗和線性分析，可以看出葉綠素浮標值與比對值的相對偏差符合正態分布，兩者的相關度也較高，但是比對合格率較低。造成葉綠素比對誤差的主要原因是分析方法的不同，多參數水質傳感器中測定葉綠素的方法為熒光法，不能區分不同類型的葉綠素含量。而實驗室采用的是分光光度法，只能測定葉綠素a的含量。

圖9 葉綠素監測結果相對偏差統計圖

圖10 葉綠素a浮標值和比對值散點圖

表6 葉綠素a浮標值和比對值相關性分析

通過對浮標值和比對值的數據分析可得（表7）：

（1）表層水溫、鹽度、溶解氧、pH、硝酸鹽和活性磷酸鹽的浮標值與比對值的比對合格率相對較高，均超過75%。其中，表層水溫和pH的比對合格率達到100%。葉綠素a和亞硝酸鹽浮標值與比對值的比對合格率相對較低；

（2）采用電化學原理監測的數據比對合格率普遍較高，如表層水溫、鹽度和pH，采用熒光法或比色法原理監測的數據比對合格率相對較低，這是由于分析方法的復雜程度所決定的。比如營養鹽的測試，需要進行過濾懸浮物等預處理過程，海水濁度的變化、傳感器的生物附著以及化學試劑的玷污和非正常損耗均會對營養鹽數據的準確度和精確度產生一定的影響；

（3）在測量范圍內，鹽度和亞硝酸鹽浮標值與比對值的相對偏差沒有表現出明顯的正態分布特征，存在一定的系統性誤差。其他監測項目的相對偏差基本符合正態分布，無顯著的系統性偏差。

表7 統計結果分析

4 結論與建議

（1）浮標及傳感器長期受惡劣的海洋環境影響，主要是海生物附著、海水腐蝕、鹽霧侵襲、風浪的襲擊，其測量精度會產生一定的漂移，影響了其測量參數的準確性，化學傳感器試劑使用完后也需要更換。這些因素都會影響生態浮標的水質自動監測結果。因此需要進一步加強生態浮標及其傳感器的運行管理，適當增加維護頻率，定期標定，按時更換備件等，以確保數據質量。

（2）部分儀器工作原理和分析方法與實驗室分析存在的差異，也是造成比對誤差的原因。如葉綠素、硝酸鹽等，需進行方法比對和校準。

（3）總體來看，表層水溫、鹽度、pH、溶解氧、葉綠素a這5項參數的在線自動監測技術比較成熟，可以綜合反映水質變化情況，而營養鹽等參數的變化往往引起指標性參數的變化。以這些指標性參數為指標，結合海域的以往水質情況，設置水質警報線，實時掌握水質變化情況，在突發事件處理中也能夠具體分析出污染情況[6]。

（4）為了提高海洋監測數據的真實、完整、有效和準確性，須進一步推進數據質量控制、傳感器的計量檢定與校準、海洋監測數據比對等工作，以提供高質量的海洋監測數據，更好地為海洋的防災減災服務。

[1]蔡樹群，張文靜，王盛安.海洋環境觀測技術研究進展[J].熱帶海洋學報，2007，26（3）：76-81.

[2]趙聰蛟，周燕.國內海洋浮標監測系統研究概況[J].海洋開發與管理，2013，11：13-18.

[3]夏文文，鐘聲，王經順，等.江蘇省太湖流域水質自動監測與手工監測比對情況簡析[J].科技咨詢，2011，29：115-117.

[4]楊競，童禎恭，劉玉哲.SPSS軟件對飲用水水質主成分分析評價的運用[J].環境科學與學報，2011，34（7）：171-174.

[5]謝炎福,周芬娜,張永耀,等.SPSS用于分光光度法的數據處理[J].理化檢驗-化學分冊，2009，45：916-921.

[6]貝竹園，馮輝強，石鋼德.淺談水質在線自動監測系統在象山港進行海洋環境監測的應用[J].海洋開發與管理，2007，6：85-91.

Statistics and Analysis of the Monitoring Data from Autonomous Ecological Buoys in Xiangshan Bay,Zhejiang Province

ZHAO Bin-feng,ZHAOQian-cheng
Ocean and Fishery Information&Monitoring Center of Ningbo,Ningbo 315000,Zhejiang Province,China

The onlinemonitoring systems in ecological buoys have been widely used in pollutantmonitoring and disaster prediction.The reliability and accuracy ofmonitoring data is a premise and foundation of applying this system.Study has been conducted on the water qualitymonitoring data from ecological buoys and laboratories in Xiangshan Bay,Zhejiang Province over the past three years,using the SPSS software for comparison and analysis. Results show that themonitoring data from ecological buoys are consistentwith those from laboratories,and that no significant systematic bias exists.Most of the positive and negative deviations ofmonitoring indicators show a normal distribution.The system can be applied in real-time monitoring on seawater quality,providing accurate marine eco-environment information for the decisionmaker and the general public.

automatic buoymonitoring;comparison;SPSS software;normal distribution

P76

A

1003-2029（2017）01-0074-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.01.014

2016-03-03

象山港海域海洋生態監測浮標系統建設資助項目

趙賓峰（1985-），男，工程師，主要研究方向為海洋監測與評價。E-mail：binbin310@sina.com