尹維翰，崔文林，齊衍萍，鞠 蓮，宋文鵬，趙玉慧

（1．國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033；2．國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點實驗室 青島 266033；3．中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院 青島 266100）

基于GIS的海水環(huán)境監(jiān)測站位優(yōu)化*
——以膠州灣為例

尹維翰1，2，3，崔文林1，2，齊衍萍1，2，鞠 蓮1，2，宋文鵬1，2，趙玉慧1，2

（1．國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心 青島 266033；2．國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點實驗室 青島 266033；3．中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院 青島 266100）

文章利用2003—2012年5月、8月和10月膠州灣19項海水監(jiān)測要素歸一化后數(shù)據(jù)，基于Arc GIS軟件地學(xué)統(tǒng)計模塊，通過Kriging插值模型對歸一化數(shù)據(jù)進行檢驗分析及站位優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化后的31個監(jiān)測站位估計誤差標準差梯度較優(yōu)化前大幅降低，平均估計誤差標準差由0．160降低到0．147，降低了8．3%。站位優(yōu)化后不僅可對膠州灣沿岸重點污染源以及膠州灣海域總體海水質(zhì)量實施有效監(jiān)控，并且可以作為今后膠州灣海水監(jiān)測的常規(guī)站位。優(yōu)化后的監(jiān)測網(wǎng)在滿足監(jiān)測精度需要的同時，能夠較大程度節(jié)省監(jiān)測網(wǎng)的運行費用，可以為其他海域海水監(jiān)測站位優(yōu)化及海洋主管部門提供技術(shù)支撐，具有重要的應(yīng)用價值。

站位優(yōu)化；地統(tǒng)計；估計誤差標準差；膠州灣

當(dāng)前，全國環(huán)境監(jiān)測進入了蓬勃發(fā)展的新時期。伴隨環(huán)保事業(yè)的新發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測理念不斷創(chuàng)新、管理不斷強化、技術(shù)不斷進步、投入不斷增加、隊伍不斷壯大，尤其是“十一五”以來，我國環(huán)境監(jiān)測從認識到實踐都發(fā)生了深刻的變化，已經(jīng)從傳統(tǒng)的技術(shù)層面，融合到環(huán)境保護工作的整體之中，成為探索中國環(huán)保新道路的重要支撐?！笆晃濉逼陂g，國家環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)1億多個，出具各類環(huán)境監(jiān)測報告8 000余份，為服務(wù)宏觀決策、支撐環(huán)境監(jiān)管、滿足公眾需求、支持環(huán)境履約發(fā)揮了重要作用［1］。

隨著黨的十八大提出要“提高海洋資源開發(fā)能力，保護海洋生態(tài)環(huán)境，建設(shè)海洋強國”，我國的海洋環(huán)境監(jiān)測工作進入了新的里程，對海洋環(huán)境監(jiān)測有了更高的要求。而海洋監(jiān)測站位布設(shè)關(guān)系著海洋環(huán)境監(jiān)測工作的成敗，優(yōu)化布點是體現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測科學(xué)性的重要環(huán)節(jié)。任何環(huán)境要素的監(jiān)測點常需經(jīng)歷一個由少到多、又由多到少的探索過程。在一定空間范圍內(nèi)布設(shè)的測點數(shù)量大，雖然能較好地反映環(huán)境質(zhì)量狀況，但卻需要較高的經(jīng)濟代價［2］。本研究為解決上述問題，立足于海洋環(huán)境管理部門掌握的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以地理信息系統(tǒng)為工具，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)的經(jīng)驗［3－4］，以膠州灣海域為例建立了海水環(huán)境監(jiān)測站位布設(shè)優(yōu)化新方法。

1 設(shè)計原理

在海洋環(huán)境系統(tǒng)中，測量是對海洋環(huán)境主要素的時、空監(jiān)測，提供實際海洋環(huán)境系統(tǒng)變化的信息；模型是對概化的海洋環(huán)境系統(tǒng)進行定量化描述，以提供海洋環(huán)境系統(tǒng)狀態(tài)的估計（用Kalman濾波和Kriging方法）。測量和模型構(gòu)成對海洋環(huán)境系統(tǒng)狀態(tài)估計時必須的兩個重要手段。測量具有測量誤差（也稱作噪聲），模型具有系統(tǒng)誤差（也稱作系統(tǒng)噪聲）。而估計誤差的標準差與測量誤差的方差、系統(tǒng)誤差的方差及選用的算法有關(guān)［5］。

海洋環(huán)境監(jiān)測站位最優(yōu)設(shè)計中估計誤差標準差愈小，要求估計算法、測量及系統(tǒng)模型愈精確，要使海洋環(huán)境監(jiān)測運行效益高，即海洋環(huán)境信息提取的損失量就要小。另外，測量、系統(tǒng)模型和估計算法愈精確，要求海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)的費用愈高［4］。最佳海洋環(huán)境監(jiān)測應(yīng)是損失量最?。▓D1）。因此，通過一些概化或采用代用目標，可以實現(xiàn)給定條件下的海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化問題。如，在給定海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計費用的條件下，優(yōu)化設(shè)計海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)使估計誤差的標準差最?。▓D2）。

圖1 估計誤差標準差與費用和損失關(guān)系

圖2 給定經(jīng)費約束條件下的海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計過程

2 最優(yōu)估算方法的確定

2.1 地統(tǒng)計插值模型

Kriging法是建立在地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)上的一種方法，區(qū)域化變量和半方差是Kriging插值法的基礎(chǔ)，它是一種對時、空分布變量求最優(yōu)、線性、無偏內(nèi)插估計的方法［6－7］。根據(jù)已知監(jiān)測站位的數(shù)據(jù)，對其進行結(jié)構(gòu)性分析后，利用待測點周圍監(jiān)測站位的已知數(shù)據(jù)和被賦予的權(quán)系數(shù)，進行加權(quán)平均來獲得待測點的數(shù)值［8］。

Kriging函數(shù)模型：

利用式（1），在保證無偏性和最優(yōu)性的前提下，結(jié)合協(xié)方差定義，并引入拉格朗日算法，可得：

利用式（2）并注意方差函數(shù)、協(xié)方差函數(shù)、變差函數(shù)在本征條件下的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可得計算誤差的理論方差為：

根據(jù)實際需要，用方差減少法進行，當(dāng)給定估計誤差的標準差（根據(jù)研究區(qū)環(huán)境要素空間分析、監(jiān)測精度要求及財力要求確定），就可以確定最佳監(jiān)測站點。

2.2 變差函數(shù)

變差函數(shù)既能描述區(qū)域化變量的空間結(jié)構(gòu)性，又能描述隨機性，它是地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)計算的基本工具。理論上變差函數(shù)的表達式：

利用式（4）計算不同h對應(yīng)的＾r(nóng)（h），再根據(jù)最佳曲線擬合原理進行曲線擬合得到＾r(nóng)（h）關(guān)于h的最佳擬合曲線。常見的變差函數(shù)模型有：球狀模型、高斯模型、指數(shù)模型。在計算變差函數(shù)的過程中要與具體的海洋環(huán)境條件相結(jié)合。

2.3 階數(shù)N的確定

在采用Kriging法對某站位海洋環(huán)境標準值估計時，理論上整個研究區(qū)內(nèi)站位均需要參與計算。但實際上，某一站位只與相近區(qū)域的站位有關(guān)，距離越遠相關(guān)關(guān)系越小，若所有點的均參與計算容易產(chǎn)生病態(tài)，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，本研究中采用“內(nèi)圈層”的5個監(jiān)測點進行計算［10］。

3 膠州灣海洋監(jiān)測站位優(yōu)化

3.1 研究區(qū)概況

膠州灣位于山東半島南部，膠州灣口窄內(nèi)寬，東西寬27．78 km，南北長33．3 km（低潮位時），面積446 km2，為伸入內(nèi)陸的半封閉性海灣。膠州灣沿岸有海泊河、李村河、樓山河、墨水河、大沽河、躍進河和前灣諸河等主要入海污染源；膠州灣口北部為青島港，是黃海沿岸水運樞紐，山東省及中原部分地區(qū)重要的海上通道之一；灣口西南方為黃島油碼頭，是中國三大專用原油輸出碼頭之一。因此，膠州灣與周邊城鎮(zhèn)、河流、港口等已構(gòu)成了一個多元化復(fù)合生態(tài)體系［11］，是研究海洋監(jiān)測站位布設(shè)理想的示范研究區(qū)。

3.2 監(jiān)測要素值標準化和歸一化

膠州灣海水環(huán)境監(jiān)測監(jiān)測要素包括營養(yǎng)鹽、石油類和重金屬等19項指標，各指標序列因權(quán)重、量級以及單位的不同需進行標準化處理，從而消除不同量綱所產(chǎn)生的影響。還應(yīng)進一步歸一化處理，使不同因子及各站位數(shù)據(jù)之間具有可比性，而經(jīng)過這樣處理后并不影響各因子子序列與母序列的相關(guān)性［12－13］。本研究選取2003—2012年5月、8月和10月膠州灣海水監(jiān)測結(jié)果，對各監(jiān)測站位監(jiān)測要素歸一化后結(jié)果見表1。

表1 膠州灣各監(jiān)測要素值標準化和歸一化結(jié)果（2003—2012年）

3.3 站位優(yōu)化結(jié)果與討論

利用ArcGIS軟件地學(xué)統(tǒng)計模塊，通過Kriging插值模型分別對海水監(jiān)測歸一化后數(shù)據(jù)進行檢驗分析評價，估計任一點估計誤差的標準差，進而得到估計誤差標準差等值線圖。估計誤差標準差僅與變差函數(shù)的類型和監(jiān)測站位的位置有關(guān)，而變差函數(shù)反應(yīng)海水監(jiān)測體系的結(jié)構(gòu)性特點。在經(jīng)費一定和周邊污染源、水動力環(huán)境變化不大的情況下估計誤差標準差僅與監(jiān)測站點的位置和數(shù)量有關(guān)，并與監(jiān)測站點分布密度呈反向關(guān)系，即在監(jiān)測站點密度大的地方，其值偏?。环粗畡t偏大。

現(xiàn)有膠州灣海水環(huán)境監(jiān)測站位估計誤差標準差見圖3，平均標準差為0．160。從整體看，膠州灣中部和南部區(qū)域估計誤差的標準差較小，而在膠州灣沿岸和北部區(qū)域，估計誤差的標準差大；在觀測站位密的地方估計誤差標準差小，反之則誤差標準差大。這是由于在膠州灣北部沿岸受墨水河、大沽河、躍進河和紅島養(yǎng)殖區(qū)等的影響估計誤差標準差較大；東部沿岸受青島港的影響在青島港區(qū)域估計誤差標準差較大；中部沿岸由于對海灣大橋工程實施跟蹤及后續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測站位較密，因此估計誤差標準差較??；南部海西灣雖然有前灣諸河及黃島港的影響，但由于對海西灣實施了重點監(jiān)測，因此估計誤差標準差較小。

圖3 膠州灣現(xiàn)有海水環(huán)境監(jiān)測站位估計誤差標準差

膠州灣海水監(jiān)測站位優(yōu)化后刪除了3個監(jiān)測站位，增加了6個監(jiān)測站點，共設(shè)計31個監(jiān)測站點。新增站位主要位于墨水河口、大沽河口和躍進河口等近岸污染源排放較大的海域；調(diào)整站位集中在海灣大橋周邊觀測較密的站位，剩余89%的站位為了保持歷史數(shù)據(jù)的可比性并未對其調(diào)整優(yōu)化。按照該方案優(yōu)化后估計誤差標準差梯度較優(yōu)化前大幅降低（圖4），平均估計誤差標準差為0．147，降低了8．3%（圖5）。

圖4 膠州灣優(yōu)化后海水環(huán)境監(jiān)測站位估計誤差標準差

圖5 膠州灣監(jiān)測站位估計誤差標準差與監(jiān)測站位數(shù)的相互關(guān)系

4 結(jié)論與建議

利用ArcGIS軟件地學(xué)統(tǒng)計模塊，對膠州灣海水監(jiān)測站位優(yōu)化后監(jiān)測站位基本覆蓋了膠州灣，該方案可對膠州灣沿岸重點污染源以及膠州灣海域總體海水質(zhì)量實施有效監(jiān)控，并且監(jiān)測估計誤差標準差較優(yōu)化前大幅降低了8．3%。因此，優(yōu)化后的31個站位能較好地代表膠州灣海域的海水環(huán)境質(zhì)量，可以作為膠州灣海域今后海水監(jiān)測的常規(guī)業(yè)務(wù)化監(jiān)測站位。

由于人們對海洋環(huán)境的認識，是通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析識別的。因此監(jiān)測站位優(yōu)化是一個過程，不是一次就可以完成的，它是通過不斷監(jiān)測、不斷驗證和調(diào)整，逐漸完善的過程。經(jīng)過幾年的優(yōu)化站位、驗證監(jiān)測，最終可使得監(jiān)測站位達到最優(yōu)化狀態(tài)。優(yōu)化后的監(jiān)測網(wǎng)在滿足監(jiān)測精度需要的同時，能夠較大程度地節(jié)省監(jiān)測網(wǎng)的運行費用，可以為其他海域海水監(jiān)測站位優(yōu)化及海洋主管部門提供技術(shù)支撐，具有重要的應(yīng)用價值。

［1］ 萬本太．淺談國家環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2011，12，27（6）：1－4．

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國家海洋局海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)重點實驗室項目——近海海底持續(xù)溢油事故次生海水環(huán)境問題研究（201308）；北海區(qū)海洋環(huán)境質(zhì)量綜合評價方法［DOMEP（MEA）－01－01］．