基于空間插值分析的浙江省地表水質(zhì)分析研究

鄭靖雯 吳洲屹

【摘 要】了解當前浙江省地表水質(zhì)的基本情況，對合理治理浙江省地表水質(zhì)具有重要的指導意義。本文以浙江省地表水質(zhì)中的高錳酸鹽、氨氮、總磷等3項指標為例，對浙江省地表水質(zhì)數(shù)據(jù)進行探索性插值處理，并分析各影響因子與地表水質(zhì)的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】地表水質(zhì)；水質(zhì)變化；空間插值；影響因素

隨著我國工業(yè)化的發(fā)展和城市化的加快，人類活動對地表水資源的影響越來越大，出現(xiàn)水環(huán)境惡化、水體功能喪失等一系列水環(huán)境問題，水資源的現(xiàn)狀不容樂觀。浙江省人口眾多，人均水資源量僅為2140.9m3，約為世界人均水平的23.7%。因此，研究地表水質(zhì)情況，了解影響其變化的因素，科學準確評價浙江省地表水環(huán)境質(zhì)量，對改善浙江省地表水質(zhì)具有重要的指導意義。

一、研究方法與資料來源

1.研究方法

筆者收集了浙江省94個監(jiān)測點在不同月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)，將其每3個月劃為一個階段，分為4個階段，通過Arcgis的反距離插值法、徑向基函數(shù)法、局部多項式法和克里金插值法4種空間插值法，選擇不同權(quán)重和內(nèi)部類型，對比得出插值精度最高的方法并用其做出相應(yīng)的空間分布圖，并從時間上和空間上進行分析，得出當前浙江省地表水質(zhì)的基本情況。從統(tǒng)計年鑒、浙江政府服務(wù)網(wǎng)上收集可能對地表水質(zhì)有影響的因素，以每3個月為一個劃為階段，分為4個階段，通過Excel進行數(shù)據(jù)處理，得出統(tǒng)計圖，與空間分布圖對比，找到影響水質(zhì)各監(jiān)測項時空變化的因素。

2.資料來源

本文監(jiān)測點數(shù)據(jù)來源于浙江省環(huán)境保護廳水環(huán)境質(zhì)量下的地表水質(zhì)月均值，運用Excel2010整理出浙江省94個監(jiān)測點的基本資料，包括監(jiān)測點名稱、各月CODMn、氨氮和總磷的濃度。浙江省地表水質(zhì)94個監(jiān)測點見圖1。在分析過程中，將12個月的數(shù)據(jù)每3個月劃為一個階段，分為4個階段，監(jiān)測指標包括CODMn、氨氮和總磷。

通過浙江省統(tǒng)計年鑒獲得浙江省11個市2016年10月到2017年7月的生產(chǎn)總值、工業(yè)增加值和2015年浙江省土地規(guī)劃利用圖，研究其與浙江省地表水質(zhì)變化的關(guān)系。

3.插值結(jié)果比較選擇

將同一插值方法不同權(quán)重和類型下的預(yù)測值與實測值進行散點圖分析，通過建立預(yù)測值與實測值之間的回歸方程，并且通過Excel相應(yīng)公式進行計算，以決定系數(shù)（R2）、平均絕對誤差（MAE）、平均相對誤差（MRE）和均方根誤差（RMSE）來判斷同一插值方法各權(quán)重、類型以及各插值方法間的擬合程度的高低。

R2可通過Excel的回歸計算得到，式中，Za，i為監(jiān)測點的真實數(shù)值，Zb，i為監(jiān)測點的預(yù)測數(shù)值，n為監(jiān)測點的數(shù)量。計算得到的結(jié)果，MAE和MRE越接近于0，RMSE越小，R2越接近于1，空間插值預(yù)測精度越高，監(jiān)測點的空間插值預(yù)測誤差越小。

通過分析表1得出，各空間插值精度最高的情況下，克里金插值法在各月和各監(jiān)測指標中均為精度最高，所以選擇普通克里金插值法對數(shù)據(jù)進行空間插值處理。

二、結(jié)果分析

通過普通克里金插值法處理后，從CODMn含量分布總體情況來看，在空間上，水質(zhì)最好的是衢州市和麗水市，最差的是嘉興市；從時間上來看，III類水分布面積呈先減小后增大再減小的趨勢，但基本上都分布在嘉興市及其周邊各市。II類水整體分布面積變化不大，但其內(nèi)部高濃度II類水的分布面積呈先減小后增大的趨勢。I類水在西南方向的分布面積變化不大，但在紹興、金華、寧波和臺州的交界處呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。從2016年10月到2017年7月，浙江省水質(zhì)情況呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。

對于氨氮，在空間上，浙江省沿海地區(qū)氨氮含量較高，為III類水，臺州市和溫州市也出現(xiàn)IV類、V類甚至是劣V類的水。浙江省中部的氨氮含量也相對較高，在III類水以上。整個浙江省不存在I類水，但氨氮含量較少的II類水主要分布在衢州市、麗水市以及杭州市的部分地區(qū)；從時間上看，IV類、V類以及劣V類水出現(xiàn)在2017年1月和2017年4月。對于IV以下的水，它的分布面積呈先增大后減小的趨勢。對于III類水，其分布面積呈先增大后減小的趨勢，而對于II類水中氨氮含量較少的水，其分布面積呈一直增大的趨勢，杭州市II類水氨氮含量較少的面積也是同步在增大，從2016年10月到2017年7月，浙江省水質(zhì)情況呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。

對于總磷，從空間上來看，水質(zhì)較好的是麗水市；從時間上來看，IV類和V類水分布面積總體上呈先減小后增大的趨勢，但分布的廣度在增加。II類和III類水整體分布面積變化不大，I類水的面積呈先增大后減小的趨勢，并且在2017年4月達到最大面積。從總磷含量分布總體情況來看，從2016年10月到2017年7月，浙江省水質(zhì)情況呈現(xiàn)先下降后上升后又下降的趨勢。

由上述分析可知，對于浙江省地表水質(zhì)，從空間上來看，浙江省北部、中部以及沿海地區(qū)的水質(zhì)最差，尤其是嘉興市，其次臺州市和寧波市。浙江省西南部的水質(zhì)最好，尤其是麗水市、衢州市，其次是杭州市；從時間上看，浙江省地表水質(zhì)沒有明顯統(tǒng)一的變化趨勢；從研究指標看，所檢測的浙江省地表水質(zhì)3項指標中，CODMn的情況最好，氨氮的情況最差，出現(xiàn)了劣V類，所以氨氮是浙江省地表水質(zhì)中最主要的污染物，同時總磷的情況也較差。

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