田海洋（河南省許昌水文水資源勘測局　許昌　461000）

水質(zhì)數(shù)據(jù)空間相關(guān)性用于數(shù)據(jù)校驗(yàn)初探

田海洋
（河南省許昌水文水資源勘測局許昌461000）

以清潩河許昌段為例，研究了同一河道上不同水質(zhì)監(jiān)測斷面間水質(zhì)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，從而給出一個(gè)利用水質(zhì)斷面間相關(guān)函數(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)輔助校驗(yàn)的方法，可有效提高數(shù)據(jù)校驗(yàn)的精確性，減少校核工作量。

水質(zhì)數(shù)據(jù)線性回歸分析空間相關(guān)性數(shù)據(jù)校驗(yàn)

水質(zhì)數(shù)據(jù)的采集與管理過程中，有時(shí)由于突發(fā)未知污染、河道水文情勢發(fā)生較大改變，水樣采集失誤、實(shí)驗(yàn)室誤操作、數(shù)據(jù)錄入失誤等均會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。以往的水質(zhì)監(jiān)測部門是通過經(jīng)驗(yàn)判斷對(duì)數(shù)據(jù)逐個(gè)進(jìn)行審核，這種數(shù)據(jù)審核方法要花費(fèi)大量的時(shí)間且審核效果不好，對(duì)于數(shù)據(jù)間關(guān)系判斷缺少科學(xué)性和準(zhǔn)確性。隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們也想出了很多辦法來減少判斷的工作量和失誤，如根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)間理化關(guān)系、利用特征值分析、利用水質(zhì)的季節(jié)變化、數(shù)據(jù)同比分析和環(huán)比分析等。而利用水質(zhì)監(jiān)測斷面的空間相關(guān)性，制定一些水質(zhì)數(shù)據(jù)校驗(yàn)規(guī)則，包括定量和定性的規(guī)則，再結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行輔助校驗(yàn)，也成為水質(zhì)數(shù)據(jù)校驗(yàn)方法的重要發(fā)展方向，本文以清潩河許昌段為例，對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性進(jìn)行一些有益的探討。

1　清潩河許昌段水質(zhì)狀況與斷面間定性關(guān)系

清潩河是潁河支流，發(fā)源于鄭州新鄭，是流經(jīng)許昌市區(qū)的重要河流，清潩河許昌段共設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測斷面4個(gè)，自上游到下游斷面分布見表1。在許昌半截河公路橋斷面與臨潁石窩公路橋斷面之間有清泥河匯入，在臨潁石窩公路橋斷面和鄢陵南張莊斷面之間有吳功渠匯入，只有許昌縣呼沱閘斷面和許昌半截河公路橋橋斷面之間沒有重要河流匯入；此外，各個(gè)河段還有一些小的溝渠和入河排污口匯入清潩河。因此，清潩河許昌段水系分布較為復(fù)雜。

表1　賈魯河鄭州段監(jiān)測斷面表

本文選擇國家水功能區(qū)達(dá)標(biāo)考核項(xiàng)目氨氮、COD、高錳酸鹽指數(shù)進(jìn)行分析。三個(gè)指標(biāo)的濃度時(shí)間曲線分別見圖1、圖2和圖3。

圖1　各段面氨氮濃度隨時(shí)間變化曲線圖

圖2　各段面COD濃度隨時(shí)間變化曲線圖

圖3　各段面高錳酸鹽指數(shù)濃度隨時(shí)間變化曲線圖

從圖1、圖2和圖3可以看到，由于許昌呼沱閘為引北汝河水入清潩河的上游地區(qū)，水環(huán)境保護(hù)力度大，上游的許昌呼沱閘斷面同其余3個(gè)斷面相比各個(gè)項(xiàng)目的濃度值都較低，在濃度絕對(duì)值較低的時(shí)候則較為接近。因此，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)許昌呼沱閘污染物濃度超過其余3個(gè)斷面較多，則可認(rèn)為監(jiān)測數(shù)據(jù)有問題，應(yīng)設(shè)法查找原因。而許昌半截河斷面、臨潁石窩公路橋斷面和鄢陵南張莊斷面由于支流匯入和排污狀況復(fù)雜，相互之間的大小關(guān)系并不絕對(duì)，但是從數(shù)據(jù)來看3個(gè)斷面之間的正相關(guān)關(guān)系較為明顯。

2　水質(zhì)數(shù)據(jù)空間相關(guān)性回歸分析

對(duì)于單一河道水質(zhì)沿程變化規(guī)律，可用單一河道的水質(zhì)模型Ct=C0e-kt來檢驗(yàn)。降解系數(shù)k可利用當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)系數(shù)，也可通過實(shí)測數(shù)據(jù)做回歸分析得到。但是上述方法是建立在極端理想狀態(tài)下的，要求沿途沒有排污、沒有支流、水文特性穩(wěn)定等。如果面對(duì)支流較多、排污狀況復(fù)雜的狀況，則需要非常繁瑣的計(jì)算，尤其在支流和排污水質(zhì)水量缺乏數(shù)據(jù)的情況下，上述方法其實(shí)是無法得出結(jié)果的。

基于研究水質(zhì)數(shù)據(jù)的空間關(guān)聯(lián)性只是用于對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)的合理性進(jìn)行分析，而不需要準(zhǔn)確定量，只需在一定范圍內(nèi)合理即可，因此，利用已知數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析等灰色模型進(jìn)行分析則更具有可行性。

使用SPSS軟件對(duì)上述斷面中相鄰的斷面對(duì)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行線性回歸分析，并求取相關(guān)系數(shù)和t檢驗(yàn)結(jié)果。本文選取了各斷面2013年7月~2014年6月共12組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，所得回歸方程中函數(shù)系數(shù)，可以認(rèn)為是上游斷面對(duì)本斷面的水質(zhì)影響，而常數(shù)項(xiàng)可以視為其他因素造成的影響，結(jié)果見表2。

表2　清潩河各相鄰斷面間水質(zhì)指標(biāo)線性回歸分析結(jié)果表

由表2可以看到，呼沱閘和下游的3個(gè)河道型斷面相關(guān)性較小，這與許昌呼沱閘斷面嚴(yán)格控制排污，而下游支流、排污口入河較多，上游河道污染物降解特性也與下游河道有較大差異有關(guān)；而臨潁石窩公路橋和鄢陵南張莊公路橋斷面由于距離較近，中間也沒有明顯的排污和支流匯入，相關(guān)性極佳。分指標(biāo)來看，氨氮和高錳酸鹽指數(shù)斷面間相關(guān)性較好，COD則較差。

取95%的置信度，根據(jù)t檢驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為許昌半截河公路橋和臨潁石窩公路橋斷面間高錳酸鹽指數(shù)線性關(guān)系顯著；臨潁石窩公路橋和鄢陵南張莊公路橋斷面間氨氮、COD、高錳酸鹽指數(shù)線性關(guān)系均顯著，可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)校驗(yàn)，而其余方程不能用于數(shù)據(jù)校驗(yàn)。使用上述回歸方程對(duì)上述4個(gè)斷面2014年7~10月的4組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行模擬，然后與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果表明，許昌半截河公路橋和臨潁石窩公路橋斷面之間高錳酸鹽指數(shù)模擬值與實(shí)測值相對(duì)偏差在11.5%~35.4%之間；臨潁石窩公路橋和鄢陵南張莊公路橋斷面之間氨氮模擬值與實(shí)測值相對(duì)偏差在3.7% ~31.7%之間，COD模擬值與實(shí)測值相對(duì)偏差在12.5%~22.5%之間，高錳酸鹽指數(shù)模擬值與實(shí)測值則在4.8%~27.6%之間，均能較好地滿足數(shù)據(jù)校驗(yàn)要求。事實(shí)上，在實(shí)際應(yīng)用中回歸分析并不僅限于線性關(guān)系，可以嘗試使用指數(shù)函數(shù)等，有時(shí)可以得到更為接近的模擬結(jié)果。比如臨潁石窩公路橋和鄢陵南張莊公路橋斷面之間的高錳酸鹽指數(shù)指數(shù)，如果采用指數(shù)函數(shù)擬合，得到的方程為y=2.349e0.115x，其相關(guān)系數(shù)R達(dá)到了0.900。

3　應(yīng)用與展望

在實(shí)際數(shù)據(jù)校驗(yàn)應(yīng)用中，過于頻繁的報(bào)告錯(cuò)誤也是不合理的。根據(jù)實(shí)際需要用模擬數(shù)據(jù)對(duì)檢測數(shù)據(jù)設(shè)定一個(gè)合理范圍，對(duì)于相關(guān)性較高的方程，一般將數(shù)據(jù)合理范圍設(shè)定為模擬值相對(duì)偏差的正負(fù)40%之間，例如鄢陵南張莊公路橋斷面的氨氮和高錳酸鹽指數(shù)；對(duì)于相關(guān)性不太高的方程，則適當(dāng)放寬范圍，一般將數(shù)據(jù)合理范圍設(shè)定為模擬值相對(duì)偏差的正負(fù)60%。對(duì)于超出合理范圍的數(shù)據(jù)，則應(yīng)提醒化驗(yàn)員或者采樣人員查找原因，看是否實(shí)驗(yàn)或者采樣失誤，或者河道水情發(fā)生了重大變化。需要指出的是，隨著人類活動(dòng)對(duì)自然河道干擾活動(dòng)的日益深入，尤其是城區(qū)內(nèi)的河道，近年來由于水生態(tài)工程的不斷增加，尤其是截污工程、水系連通工程、調(diào)水工程等等，對(duì)河道走向和水質(zhì)水量影響較大，使得依據(jù)數(shù)據(jù)建立的回歸方程時(shí)效性較短，應(yīng)及時(shí)根據(jù)相關(guān)變化對(duì)校核函數(shù)進(jìn)行修正或者重新建模。

監(jiān)測斷面之間的水質(zhì)數(shù)據(jù)相關(guān)性也從另一個(gè)側(cè)面反應(yīng)了兩個(gè)斷面的相似性，這就提出了一個(gè)新的問題——斷面設(shè)置是否是冗余的。以本文為例，臨潁石窩公路橋和鄢陵南張莊公路橋斷面就極為相似。當(dāng)初設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測斷面是根據(jù)水功能區(qū)劃設(shè)置的，一般為水功能區(qū)的下斷面。近年來隨著許昌市東部的許昌新區(qū)城市化進(jìn)程的加快，對(duì)于污水排放要求日益嚴(yán)格，又有大規(guī)模的引水工程實(shí)施，原來劃定的用于排污的河道目前已經(jīng)沒有明顯的污染進(jìn)入，兩個(gè)斷面距離又近，水體自凈作用不明顯，導(dǎo)致了兩個(gè)斷面高度相似，是否有必要通過科學(xué)的分析，比如聚類分析等手段對(duì)目前主要由于歷史原因形成的監(jiān)測站網(wǎng)給予進(jìn)一步優(yōu)化，可以作為未來的一個(gè)研究方向■