水质监测断面优化分析研究课件.ppt

1、浦阳江水质监测断面优化分析研究浦江县环境监测站汇报人：黄 旻20152015年年1111月月2525日日第二届全国水文监测新技术应用学术研讨会学术汇报汇报内容1研究方法2浦江县水质监测断面优化分析3研究背景及意义1结论与展望41 研究背景及意义2研究背景1传统水质监测断面传统水质监测断面的布设是根据水资的布设是根据水资源保护管理的需要源保护管理的需要和相关规程的要求和相关规程的要求设置，存在较大的设置，存在较大的主观性。主观性。2水质监测断面及监水质监测断面及监测点的设置是否合测点的设置是否合理关系到监测数据理关系到监测数据是否有代表性，能是否有代表性，能否真实反映水环境否真实反映水环境现状及

2、污染发展趋现状及污染发展趋势的关键问题。势的关键问题。3随着城市化速度的随着城市化速度的加快，许多已有的加快，许多已有的监测断面不能适应监测断面不能适应气候条件改变、社气候条件改变、社会经济的飞速发展会经济的飞速发展及新形势下对自然及新形势下对自然环境保护的需要。环境保护的需要。城市化比例的提高、主要污染物质种类的改变、排城市化比例的提高、主要污染物质种类的改变、排污形式的多样性改变了水质分布规律，使得原有监污形式的多样性改变了水质分布规律，使得原有监测断面与点位不能很好地反映水环境总体水平。测断面与点位不能很好地反映水环境总体水平。1 研究背景及意义3研究意义随着“水十条”的颁布，水污染防治

3、工作进入发展的新阶段，作为水污染防治工作的基础，水质监测也面临着新的挑战。对现有水质监测断面进行优化的目的是为了在满足监测目的，能真实、全面的反映出地表水的水质动态及其总体环境质量的同时使得监测站点数量最少，达到以最小的代价，获得关于监测河段最大信息量的目的，从而便于及时了解地表水的污染情况并有效地对污染源进行控制。水质监测断面布设的总原则为以最少的断面、测点水质监测断面布设的总原则为以最少的断面、测点数，取得最全面、科学合理的水质监测信息。数，取得最全面、科学合理的水质监测信息。2 研究方法4研究方法水质监测断水质监测断面优化分析面优化分析模糊聚类法模糊聚类法历史数据历史数据估算法估算法贴近

4、度法贴近度法物元分析物元分析-系系统聚类法统聚类法 2 研究方法5历史数据估算法1）历史数据估算法历史数据估算法主要是根据各水质监测断面多年水质监测数据，计算各指标多年变异系数，以变异系数衡量各监测断面监测数据受到偶然性误差干扰程度，分析以变异系数衡量各监测断面监测数据受到偶然性误差干扰程度，分析各监测断面监测指标的年际稳定性，并对相邻断面监测数据进行相关性分析，各监测断面监测指标的年际稳定性，并对相邻断面监测数据进行相关性分析，根据分析结果可确定相邻断面的布设是否重复，可作进一步优化筛选。2121ninixxiixlxn2121niniyyiiylyn 2 研究方法6历史数据估算法式中，为相

5、关系数，、分别为变量 、的离均差平方和，为 、的离均差积和，、分别为相邻断面监测指标年均值序列，为总年数。111nniiniixyiiixylx yn 2 研究方法7物元分析-系统聚类法2）物元分析-系统聚类法水质监测包括多项水质监测指标，依据单项监测指标监测数据优选出来的断面是不相容的，物元分析法是分析这种不相容问题的有效处理方法。构造标准物元矩阵如下：111,ACjjjACmmmMQa cQa cRQac111,CBjjjCBmmmMQc bQc bRQc b式中，为对象；为各项污染指标；、分别为监测指标年均值的最小值、最大值与平均值；2 研究方法8物元分析-系统聚类法由A、B两个极值点构

6、成的节域物元较每个标准物元，各项监测指标值范围扩大了，其节域物元矩阵为：再将每一个采样点的水质监测数据作为一个物元，构成一个物元矩阵：111,ABjjjABmmmMQa bQa bRQab11iiijijmimMQxRQxQx式中，为第 个监测断面各监测指标的平均值。2 研究方法9物元分析-系统聚类法分别建立每一监测断面各项监测指标对标准物元A、B的线性关联函数：使用水质指标的权重系数衡量各监测指标重要性程度，其表达式为：所有监测指标对A、B的综合关联函数如下：()ijjAijjjxcKxca()ijjBijjjxcKxcb1/ijjnijjxsxs1()()mAijAijjKxKx1()()

7、mBijBijjKxKx 2 研究方法10模糊聚类法以每个监测断面的最优、最劣综合关联函数值为基础，使用SPSS软件对监测断面进行系统聚类分析，筛选出相似断面进行水质监测断面优化。3）模糊聚类法）模糊聚类法使用欧几里得空间的距离来度量不同监测断面监测指标值的距离，将每个监测点的监测数据看做m维空间上的一个点，计算不同监测点的几何距离，距离越小，接近度越高。借助SPSS软件对聚类结果进行计算。2 研究方法11贴近度法4）贴近度法）贴近度法贴近度优化方法的基本思想是利用各监测指标的最大值与最小值合成一个虚拟的最优和最劣值，求出监测断面监测值和标准值与最优值或最劣值之间的距离，根据公式计算各监测断面

8、与标准值之间的贴近度。以贴近度对各监测断面进行聚类分析，得到优化结果。以贴近度对各监测断面进行聚类分析，得到优化结果。将m-1个监测断面的监测数据与及一个标准值点 的n个监测指标归一化处理建立样本矩阵，归一化公式及样本矩阵如下：21ijijmijiCrC11112122122212nnmmmmnrrrrrrRrrr式中，为第i各监测断面 的第j个监测指标量化值，为标准值的第j个指标值，为待优化样本点。2 研究方法12贴近度法对于值越小水质越好的指标如下式构造“最优点”与“最劣点”，对于值越大水质越差的指标，则相反。距离（以任一监测断面到最优点的距离为例）：式中，为第j个监测指标的权重系数。最优

9、点：最优点：最劣点：最劣点：12111()(min,minmin)GijGiiini mi mi mrrrr 12111()(max,maxmax)BijGiiini mi mi mrrrr 1221()ni GjijijGjdrr12m Gi Bi mi Gm BddCdd贴近度：贴近度：3 浦阳江水质监测断面优化分析13断面概况浦阳县境内浦阳江干流现有9个水质监测断面20102014年5年水质监测数据年均值，按照断面地理位置自上游至下游依次编号19。断面位置示意图如下：断面位置示意图如下：图图1 1 浦阳江水系及监测断面地理位置分布浦阳江水系及监测断面地理位置分布 3 浦阳江水质监测断面优

10、化分析14计算结果及分析利用上述5年水质监测数据，计算相邻监测断面监测数据的相关系数，计算数据表1（只列出相关系数较大者）。查阅相关系数临界表，当n=5时，当计算值 时，表示相关不显著；当 时，表明相关显著；当 时，表示相关极为显著。表表1 1 相邻断面相关系数统计相邻断面相关系数统计相邻断面对相邻断面对溶解氧溶解氧高猛酸盐指数高猛酸盐指数CODCOD氨氮氨氮总磷总磷氟化物氟化物1-21-22-32-33-43-44-54-50.9200.8920.8785-65-60.9210.9610.0896-76-77-87-80.954 0.8900.9260.9908-98-9从表从表1 1数据可

11、以看出，数据可以看出，4-54-5，5-65-6及及7-87-8断面相关性较强，可两两合并。断面相关性较强，可两两合并。历史数据估算法历史数据估算法 3 浦阳江水质监测断面优化分析15计算结果与分析将每个监测断面的最优最劣综合关联函数值作为监测断面系统聚类分析的基础数据，使用SPSS软件对各监测断面进行系统聚类分析（使用欧几里得距离进行系统聚类），聚类分析结果如图2所示。表表2 2 最优最劣综合关联函数值表最优最劣综合关联函数值表物元分析物元分析-系统聚类系统聚类 3 浦阳江水质监测断面优化分析16计算结果与分析图图2 2 系统聚类分析树状结构系统聚类分析树状结构 3 浦阳江水质监测断面优化分

12、析17计算结果与分析根据水质监测断面的实际位置及检测功能作用以及图2聚类分析结果，本实例将9个水质监测断面分为三大类：第一类：第一类：2、7、8、6号监测断面。号监测断面。根据断面实际地理位置及检测功能，2号断面与6号断面与7、8号断面相距较远，且断面监测功能不同，2号断面位于浦阳江干支流会合处，6号监测断面位于某水库附近，其水质监测功能不可替代，7、8号监测断面相距较近，且检测功能一致，故可保留8号监测断面移除7号断面；第二类：第二类：1号断面。号断面。位于浦阳江流域入口处，且监测饮用水水源地水质情况，故作保留；第三类：第三类：5、9、3、4号监测断面。号监测断面。3、4、5号监测断面相距较

13、近且监测功能一致，保留3、5号断面，9号断面位于流域出口处，作为保留。综上，保留综上，保留2 2、6 6、8 8、1 1、3 3、5 5、9 9号监测断面。号监测断面。3 浦阳江水质监测断面优化分析18计算结果与分析结合断面地理位置和断面检测功能与图3可以看出，将断面分为三类，第一类为7、8、1、2号断面，保留8、1、2号断面；第二类为5、9、4、3号断面，保留5、9、3号断面；第三类的6号断面作为保留。图图3 3 模糊聚类分析树状结构模糊聚类分析树状结构模糊聚类分析法模糊聚类分析法综上，保留综上，保留7 7、8 8、1 1、5 5、9 9、3 3、6 6号监测断面。号监测断面。3 浦阳江水质

14、监测断面优化分析19计算结果与分析将各监测断面监测数据5年均值标准化，建立浦阳江各水质监测断面监测指标的“最优点”和“最劣点”。拟选取1号断面为标准点，计算各个监测断面分别到“最优点”和“最劣点”的距离及贴近度。计算结果如表3：表表3 3 贴近度法计算结果贴近度法计算结果贴近度法贴近度法 3 浦阳江水质监测断面优化分析20计算结果与分析结合断面地理位置和断面检测功能与图4可以看出，将断面分为三类，第一类为5、9、4、3、6、2号断面，保留5、9、6、2号断面；第二类为1、7号断面，保留1、7号断面；第三类为8号断面，保留8号断面。图图4 4 贴近度聚类分析树状结构贴近度聚类分析树状结构综上，保

15、留综上，保留5 5、9 9、6 6、2 2、1 1、7 7、8 8号监测断面。号监测断面。3 浦阳江水质监测断面优化分析21计算结果与分析将4种方法分析结果综合，结合断面地理位置、水系分布特征、行政区划以及水质监测功能等因素，得到优化综合方案为保留1、2、3、5、6、8、9号断面，去除4、7号断面，将9个断面优化为7个断面。对综合方案的结果进行一致性检验对综合方案的结果进行一致性检验综合分析综合分析将优化前水质监测数据与优化后水质监测数据作为两个样本，采用将优化前水质监测数据与优化后水质监测数据作为两个样本，采用F F检检验与验与t t检验对两个样本的均值做一致性检验，检验结果如表检验对两个样

16、本的均值做一致性检验，检验结果如表4 4所示：所示：4 结论与展望22结论与展望4.1 结论结论（1）采用历史数据分析法、物元分析-系统聚类法、模糊聚类分析法及贴近度法4种数理统计的方法对浦阳江干流9个监测断面进行优化分析，最终将9个监测断面优化为7个监测断面。（2）使用F检验与t检验对优化结果进行一致性检验。结果显示，优化结果科学有效，可为浦江县后续断面优化工作提供科学依据。4.2 展望展望（1）4中统计方法在计算结构仍存在各自的缺陷，需要改进，如物元分析法权重计算太过片面，可将主观权重与客观权重相结合进行赋权，增强说服力；模糊聚类可用马氏距离或卡方距离代替欧氏距离，减少误差。（2）水质监测断面的优化依据可增加断面条件、水力条件等数据，增强优化结果的说服力。请提宝贵意见！Thanks for listening！汇报人：黄 旻