基于空间插值分析的浙江省地表水质分析研究
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郑靖雯 吴洲屹
【摘 要】了解当前浙江省地表水质的基本情况，对合理治理浙江省地表水质具有重要的指导意义。本文以浙江省地表水质中的高锰酸盐、氨氮、总磷等3项指标为例，对浙江省地表水质数据进行探索性插值处理，并分析各影响因子与地表水质的关系。
【关键词】地表水质；水质变化；空间插值；影响因素
随着我国工业化的发展和城市化的加快，人类活动对地表水资源的影响越来越大，出现水环境恶化、水体功能丧失等一系列水环境问题，水资源的现状不容乐观。浙江省人口众多，人均水资源量仅为2140.9m3，约为世界人均水平的23.7%。因此，研究地表水質情况，了解影响其变化的因素，科学准确评价浙江省地表水环境质量，对改善浙江省地表水质具有重要的指导意义。
一、研究方法与资料来源
1.研究方法
笔者收集了浙江省94个监测点在不同月份的监测数据，将其每3个月划为一个阶段，分为4个阶段，通过Arcgis的反距离插值法、径向基函数法、局部多项式法和克里金插值法4种空间插值法，选择不同权重和内部类型，对比得出插值精度最高的方法并用其做出相应的空间分布图，并从时间上和空间上进行分析，得出当前浙江省地表水质的基本情况。从统计年鉴、浙江政府服务网上收集可能对地表水质有影响的因素，以每3个月为一个划为阶段，分为4个阶段，通过Excel进行数据处理，得出统计图，与空间分布图对比，找到影响水质各监测项时空变化的因素。
2.资料来源
本文监测点数据来源于浙江省环境保护厅水环境质量下的地表水质月均值，运用Excel2010整理出浙江省94个监测点的基本资料，包括监测点名称、各月CODMn、氨氮和总磷的浓度。浙江省地表水质94个监测点见图1。在分析过程中，将12个月的数据每3个月划为一个阶段，分为4个阶段，监测指标包括CODMn、氨氮和总磷。
通过浙江省统计年鉴获得浙江省11个市2016年10月到2017年7月的生产总值、工业增加值和2015年浙江省土地规划利用图，研究其与浙江省地表水质变化的关系。
3.插值结果比较选择
将同一插值方法不同权重和类型下的预测值与实测值进行散点图分析，通过建立预测值与实测值之间的回归方程，并且通过Excel相应公式进行计算，以决定系数（R2）、平均绝对误差（MAE）、平均相对误差（MRE）和均方根误差（RMSE）来判断同一插值方法各权重、类型以及各插值方法间的拟合程度的高低。
R2可通过Excel的回归计算得到，式中，Za，i为监测点的真实数值，Zb，i为监测点的预测数值，n为监测点的数量。计算得到的结果，MAE和MRE越接近于0，RMSE越小，R2越接近于1，空间插值预测精度越高，监测点的空间插值预测误差越小。
通过分析表1得出，各空间插值精度最高的情况下，克里金插值法在各月和各监测指标中均为精度最高，所以选择普通克里金插值法对数据进行空间插值处理。
二、结果分析
通过普通克里金插值法处理后，从CODMn含量分布总体情况来看，在空间上，水质最好的是衢州市和丽水市，最差的是嘉兴市；从时间上来看，III类水分布面积呈先减小后增大再减小的趋势，但基本上都分布在嘉兴市及其周边各市。II类水整体分布面积变化不大，但其内部高浓度II类水的分布面积呈先减小后增大的趋势。I类水在西南方向的分布面积变化不大，但在绍兴、金华、宁波和台州的交界处呈现先减小后增大的趋势。从2016年10月到2017年7月，浙江省水质情况呈现先上升后下降的趋势。
对于氨氮，在空间上，浙江省沿海地区氨氮含量较高，为III类水，台州市和温州市也出现IV类、V类甚至是劣V类的水。浙江省中部的氨氮含量也相对较高，在III类水以上。整个浙江省不存在I类水，但氨氮含量较少的II类水主要分布在衢州市、丽水市以及杭州市的部分地区；从时间上看，IV类、V类以及劣V类水出现在2017年1月和2017年4月。对于IV以下的水，它的分布面积呈先增大后减小的趋势。对于III类水，其分布面积呈先增大后减小的趋势，而对于II类水中氨氮含量较少的水，其分布面积呈一直增大的趋势，杭州市II类水氨氮含量较少的面积也是同步在增大，从2016年10月到2017年7月，浙江省水质情况呈现先下降后上升的趋势。
对于总磷，从空间上来看，水质较好的是丽水市；从时间上来看，IV类和V类水分布面积总体上呈先减小后增大的趋势，但分布的广度在增加。II类和III类水整体分布面积变化不大，I类水的面积呈先增大后减小的趋势，并且在2017年4月达到最大面积。从总磷含量分布总体情况来看，从2016年10月到2017年7月，浙江省水质情况呈现先下降后上升后又下降的趋势。
由上述分析可知，对于浙江省地表水质，从空间上来看，浙江省北部、中部以及沿海地区的水质最差，尤其是嘉兴市，其次台州市和宁波市。浙江省西南部的水质最好，尤其是丽水市、衢州市，其次是杭州市；从时间上看，浙江省地表水质没有明显统一的变化趋势；从研究指标看，所检测的浙江省地表水质3项指标中，CODMn的情况最好，氨氮的情况最差，出现了劣V类，所以氨氮是浙江省地表水质中最主要的污染物，同时总磷的情况也较差。
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