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中文摘要 摘要 海洋水质监测与预报技术是海洋科学的重要组成部分,在开发海洋资源、预 警海洋水质灾害、保护海洋水质环境等方面都有着重大意义。本文结合国内外海 洋水质监测与预报技术研究的现状,分析了目前海洋水质监测领域的不足之处, 针对海洋水质污染灾害预警的需求及海洋水质环境参数实时监测的需要,将已有 的成熟技术和新的理论进行有机的结合,设计了能够自动实现实时监测海洋水质 环境参数,传输、存储、处理和分析数据,制作数据产品等功能的智能化海洋水 质监测与预报系统。具体研究工作分为以下几个方面: 首先,介绍了海洋水质监测与预报系统的研究意义,并分别概述了海洋水质 监测网络研究现状、水环境质量综合评价研究进展和水质模型研究状况。 其次,针对系统的功能需求,进行了系统架构设计。将系统划分为数据监测 子系统和中心站子系统。简要介绍了各子系统的功能模块和软硬件总体解决方案。 再次,基于主成分分析原理,提出了基于主成分分析的海洋水质综合评价方 法。应用该方法对2 0 0 4 年香港南部海域的水质进行分析,得出海洋水质分类和主 要污染源,证明了海洋水质综合评价方法的可行性。 接下来,引入了n p z d 水质模型,根据参数特性将模型分三种情况进行仿真, 验证模型的正确性。接着给出基于模型对海洋水质进行预报的步骤,提高了海洋 水质预报的可操作性。 最后,实现了海洋水质监测与预报系统的软件。依照系统总体架构设计,完 成了数据监测子系统软件的各项功能要求,并在中心站子系统软件中嵌入了海洋 水质评价方法和海洋水质预报方法,保证了海洋水质分析结果可靠性。 关键词:海洋水质监测;海洋水质预报;主成分分析法;n p z d 水质模型 a b s t r a c t m a r i n em o n i t o r i n ga n df o r e c a s t i n gt e c h n i q u e h o l d sa l li m p o r t a n tp o s m o nm m a r i n es c i e n c ed o m a i n i th a sv i t a ls i g n i f i c a n c ei nm a r i n ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g 、 m a r i n er e s o u r c ee x p l o r a t i o na n dm a r i n ed i s a s t e r f o r e c a s t r e f e r r i n gt ot h en e w e s t m a r i n em o n i t o r i n gt e 咖d q u e si nt h ew o r l da n db a s e do nt h e d i s a d v a n t a g e so fo u r c o u n t r y ,sm a r i n em o n i t o r i n gf i e l d ,a c c o r d i n g t ot h er e q u i r e m e n t so fp r e d i c t l n gm a n n e c a i t ya n dr e a l t i m e l ym o n i t o r i n g m a r i n ee n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s ,t h e m a n n e m o r d t o r i n gs y s t e mt h i s t h e s i sd e s i g n sc o m b i n e st h ea d v a n c e dt e c h n o l 0 9 1 e s a n dt h e m o d e mt t 圮o r i e sa n ds u c c e s s f u l l y e s t a b l i s h e sah i g h p r e c i s ea n di n t e l l i g e n t m 甜1 n e m o n i t o r i n gi n f o m l a t i o ns y s t e mw i t hr e l a t e df u n c t i o n so fa u t o m a t i c a l l y ,c o n t m u o u s l y a n dr e a l t i m e l ym o n i t o r i n g m a r i n ee n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s , a u t o m a t l c a 儿y t r a n s m i t t i n g ,s t o r a g e ,a n a l y z i n ga n dd e a l i n gw i t hd a t a ,a u t o m a t i c a l l y r e l e a s i n ga n d s h a r i n gd a t ap r o d u c t s ,d y n a m i c a l l ym o n i t o r i n gl o n g d i s t a n ts y s t e m t h e m a i nr e s e a r c h w o r k sa x ea sf o l l o w s : f i r s t l y ,g i v ea ni n t r o d u c t i o na b o u tr e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo f m a r i n ew a t e rq u a l i t y m o i l i t o r i n ga n df o r e c a s t i n gs y s t e m 。e x h i b i tr e s e a r c hs t a t u s o fm a r i n ew a t e rq u a l i t y m o 疵o r i n gn e t w o r k 、s t u d yo fw a t e re n v i r o n m e n t a lq u a l i t ya s s e s s m e n t a n dr e s e a r c h c o n d i t i o n so fw a t e rq u a l i t ym o d e l s e c o n d l y ,a i m e da tt h ep u r p o s ea n df u n c 6 0 n a lr e q u i r e m e n t s ,s y s t e m a t c h l t e c t u r e , h 矾吼r ea n ds o r w a r ea r ed e s i g n e d t h es y s t e m i sd i v i d e di n t o d a t am o r t i t o r i n g s u b s v s t e ma n dt h ec e n t r a ls t a t i o ns u b s y s t e m b r i e f l yi n t r o d u c ea b o u tt h ef u n c t l o n a l m o d u l e so fs y s t e ma n do v e r a l ld e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e n l i r d l y ,b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fp r i n c i p a lc o m p o n e n t s a n a l y s i s ( p c a ) ,t h e c o m p r e h e n s i v ec v a l u a t i o nm e t h o do fm a r i n ew a t e rq u a l i t y i sr a i s e d t h e nt h em e t h o d1 s u s e dt 0a n a l y z ed a t as e t so fm a r i n ew a t e rq u a l i t yo fs o u t h e r nh o n gk o n g i n2 0 0 4 ,t o d e t e r m i n et h ew a t e rq u a l i t yc l a s sa n di d e n t i f yp o l l u t i o ns o g r c e s s oi t p r o v e st h a tt h e m e t h o di sf e a s i b l e f o u r t h l y ,t h ep r i n c i p l e so ft h e w a t e rq u a l i t yn p z d m o d e la r es t u d i e d u s i n g d a r a m e t e r so f t h et h r e ec h a r a c t e r i s t i c st os i m u l a t em o d e l ,s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e st h e 英文摘要 m o d e li sr i g h t t h e nt h es t e p so fm a r i n ew a t e rq u a l i t ym o d e l - b a s e df o r e c a s t i n ga r e l i s t e d ,s ot h eo p e r a b i l i t yo fm a r i n ew a t e rq u a l i t yf o r e c a s t i n gi si m p r o v e d f i n a l l y ,t h er e a l i z a t i o no ft h em a r i n ew a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n ga n df o r e c a s t i n g s y s t e ms o f t w a r ei sg i v e n a c c o r d i n gt ot h es y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g n ,t h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s o ft h ed a t am o n i t o r i n gs u b s y s t e ms o f t w a r ei s c o m p l e t e d t h e nt h e c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o do f m a r i n ew a t e rq u a l i t yb a s e do np c a a n dt h e m e t h o do fm a r i n ew a t e rq u a l i t ym o d e l b a s e df o r e c a s t i n ga r ee m b e d d e di nc e n t r a ls t a t i o n s u b s y s t e ms o l w a r ei no r d e rt oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo ft h er e s u l t so ft h ea n a l y s i so f m a r i n ew a t e rq u a l i t y k e yw o r d s :m a r i n ew a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g ;m a r i n e w a t e rq u a l i t y f o r e c a s t i n g :p r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n a l y s i sl n p z d - m o d e l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明:本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果, 撰写成硕士学位论文! 漫注盔厦竖测皇亟拯丕统班峦:除论文中已经注明引用 的内容外,对论文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标 明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开 发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名: 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定,即:大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中,并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于:保密口在年解密后适用本授权书。 不保密函( 请在以上方框内打“,) 论文作者躲椎哞导师警:动戈 日期:加。罗年7 月6 日 海洋水质监测与预报系统研究 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义 海洋水质监测与预报技术是海洋科学的重要组成部分,海洋水质监测与预报 技术的发展和海洋监测系统的建设也是海洋强国建设的重要内容。本课题的研究 成果对提高海洋水质环境的监测和实时数据的获取的能力,及时、准确地掌握我 国海域水质环境变化信息,增强海洋水质灾害预报和警报能力,最大限度地降低 海洋水质灾害造成的人民生命、财产的损失以及海洋水质污染预防、海洋生态环 境的保护等都具有重要的理论意义及实用价值:对今后进一步的研究和开发海洋 水质环境监测系统有着重要的借鉴、指导意义;并能为各级政府综合管理,维护 海洋权益,合理开发利用海洋资源,保护海洋水质环境等重大决策和长远规划提 供及时、准确、可靠的科学依据;为十六大提出的实施海洋开发战略部署做出贡 献。因此其推广应用及产业化前景十分乐观。 海洋水质监测与预报技术是海洋资源开发的技术支撑。海洋渔业和养殖业等 海洋经济产业对海洋水质环境有很强的依赖性,准确的海洋水质环境数据和预报 将获得显著的经济效益。加速发展海洋水质监测与预报技术对提高海洋水质灾害 预警能力和防灾减灾具有重要的意义。发展海洋水质监测技术,才能实时有效的获 得海洋水质环境数据。国内外都在积极研究水质环境和生态监测技术以求全面了 解和掌握多介质海洋水质环境的综合质量状况及其变化规律,为海洋经济发展和 资源开发提供更及时、有效的服务。 1 2 海洋水质监测网络研究现状 海洋水质监测网络是海洋水质监测与预报系统的一部分。海洋水质监测网络 设计包括确定监测采样站数目和地点、采样频率、监测水质参数和数据传输节点 的时空分布。文献【1 指出确定监测目标和所要达到的精度标准对于监测网络设计 是最重要的。文献 2 中也强调只有清晰的监测目标和良好的方法才能确保设计出 性能优良的监测网络。 第1 章绪论 监测目标确定后,则要采用恰当的方法设计监测采样站网络。目前还没有统 一的方法适用所有的监测采样站网络设计,必须根据水域特点采用具体方法。 s a n d e r s t 3 】曾总结说选择准确合理的监测网络过程就像- i g 艺术。文科1 1 认为监测网 络设计要灵活以备后期扩展和优化。将监测网络设计过程看做一个迭代过程,即 将当前设计效果及得到的信息作为下一次修正设计的依据。这样在下二次的设计 当中就可以汲取以前的成功经验并避免失败的教训,以达到性能更加优化。然而 当前这种迭代设计过程往往被忽视,导致产生无用和昂贵的数据。 采样点的代表性也需要考虑。美国地质调查( t h eu sg e o l o g i c a ls u r v e y ) 确定了 一组代表性的站点以代表总体采样站。文献 4 】中指出为保证采集的数据满足特定 的目标,关键在于规范化一系列的采集过程,如采集频率、采样地点、样本收集 方式、样本处理和样本识别等。 可用资金和资源预算在设计监测网络时必须加以考虑。文献【5 】提出在监测网 络设计初期就考虑到经济约束会使设计者更好地分配资源。为此,h e r r i c k s t 6 】认识到 有效的监测网设计是在有限的时间和财政约束下,要为管理者提供最大化的信息。 由于预算和可行性等考虑,数据采集在时间和空间上是断续的。b a u m g a r t ; l l s p e r l i n g t 7 】调查了很多监测网设计经费的使用情况,他们发现构建监测网耗费和评 价体系耗费比例大约为5 :1 。这说明在设计开发监测系统的过程中,重点放在了 数据采集和初期分析上,而不是检查监测的原因和考虑如何将得到的数据转化为 水质管理部门需要的信息。 很多水质监测网络设计使用概念网络指导实际监测网络设计【8 】。概念网络代表 理想网络,即设计过程中不考虑预算约束,而仅仅基于水质条件、陆地使用情况: 已知水质数据和污染源等信息。理想网络可作为实际网络扩展的基础,如文献【9 】 提到若有更多的资金和资源,可以在实际监测网络中加入新的采样站。一般地, 这种概念网络代表个体的、单一目的的网络集合,并且需要满足个体的所有目标。 这种方法的缺陷是所有设计参数值和相关数据必须全部获得,而这在实际中很难 达到。事实上,监测网络设计的目的就是要实现这样的理想目标。 海洋水质监测与预报系统研究 文献【1 0 】中介绍了美国、加拿大、欧共体等海洋强国从2 0 世纪7 0 年代就开始研 究海洋自动监测技术,经过持续多年的投入和发展,这些国家的海洋监测技术己 走在世界前列。 ( 1 ) 2 0 世纪8 0 年代初,美国就建立了海岸海洋自动观测网( m a n ) 。- 该网有4 8 个站( 1 3 个岸站,9 个近海平台站,1 7 个灯塔站) i 可对风速、风向、气温、气压、 表层水文、波浪、潮汐等环境要素进行自动观测。 ( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代末,德国的m e r m a i d 海洋环境自动监测系统中应用了2 7 个传感器,其中污染和生态环境监测传感器或仪器有溶解氧、叶绿素a 、颗粒浓度 和粒径、营养盐、荧光、重金属、微量有机污染物等。 ( 3 ) 挪威的s e a w a t c h 海洋自动监测系统采用模块化和标准化结构,对海洋 环境要素进行综合监测,实时传输。该系统在国际市场上取得良好经济效益。 国内近几十年来,我国在海洋监测技术方面进行了多年的研究,特别是海洋 监测技术作为海洋8 6 3 的一个主题( 8 1 8 ) 以及相关青年基金项目的立项和启动,已 大大推动了我国海洋生态环境监测技术的发展,但海洋环境监测技术的研究虽然 一直在发展,但是碍于技术、科研力量及经费问题困扰,海洋环境和水质污染监 测技术及其核心传感器的发展远不如国外同行,同时海洋环境污染监测技术的进 步有赖于电子技术、计算机技术、通信技术、材料科学技术等的支持,而这四门 学科的发展在我国也是近十年来的事,海洋环境监测技术中最关键的传感器技 术,无论其种类、测量参数、测量准确度仍停留在水文气象等常规参数测量水平 上,反映海洋环境污染程度的水质生物状态及物理化学参数测量的传感器在国内 几乎还是空白,虽有少数成型产品但其可靠性、稳定性、测量精度和连续工作时 间满足不了国内海洋环境污染监测技术的要求。非常明显,国内海洋环境污染监 测技术的发展面临许多问题和困难。虽然目前传感器的模块化、集成化程度低:自 动化和智能化水平低,但是物理化学监测技术有一定程度的发展,生物监测技术 有所开展;信息提取技术和应用技术研究已开始起步【1 1 1 。 第1 章绪论 1 3 水环境质量综合评价研究进展 1 3 1 水质评价方法概述 对水环境系统进行分析是合理制定水环境保护政策的基础,其分析结果为决 策者制定防治措施提供了依据。从水环境质量评价概念提出以来,国内外学者就 将研究重点放在了对水质进行分级评价上。自2 0 世纪6 0 年代j a c o b s 和h o r t o n 1 2 】 等提出水质评价的水质指数( w q l ) 概念和公式以来,国内外就不断有文献讨论水质 评价方法。就现有研究成果看,水质评价方法大致可以归纳为如下几大类:综合指 数法,分级评分法,数理统计法,模糊数学法,灰色系统理论法,物元分析与可 拓集合法,人工神经网络法,投影寻踪模型法,以及其它方法等。 综合指数法属较为简单的一类评价方法,在2 0 世纪6 0 、7 0 年代研究、应用 的较多,国内外已提出几十种不同模式,比较典型的有n e n m e r o w 模式,均方差 模式【1 3 】,指数模式【1 4 】,向量模式【1 5 】等。值得一提的是,虽然综合指数法存在着这 样或那样的不足,但由于计算简单、便于操作,直至今日,在国内实际水质评价 工作中仍为人们大量采用。 分级评分法【1 6 1 ,如r o s s 水质指数法等,由于在评分尺度上有很大的任意性, 一般也仅适用于较粗浅的评价。2 0 世纪8 0 年代以来,水质评价理论、方法的研究 进入异常活跃时期,尤其是9 0 年代后,一些不确定性理论、方法的相继提出和广 泛应用,为新的水质评价方法的产生提供了理论依据和技术支持,相较于传统的 综合指数法和分级评分法,新的水质评价方法所得评价结论更趋科学、合理。模 糊综合评价法是以模糊数学为基础,应用模糊关系合成原理,将一些边界不清, 不易定量的因素定量化,进而进行综合评价的一种方法。在水环境质量综合评价 中,涉及到大量的复杂现象和多种因素的相互作用,评价过程中也存在着模糊现 象。因此,常用到模糊综合评价的方法进行定量化处理,以评价出水环境质量等 级。胥冰【1 7 1 等将模糊综合评价法用于河流水质评价;赵文强【1 8 1 ,冯玉国【1 9 】等则用 于地下水水质状况评价;劳斯副2 0 1 ,阎竣【2 l 】,曹斌【2 2 1 等还将模糊综合评价法用于 水库、湖泊富营养化程度的评判,取得了良好的效果。但模糊综合评判法也存在 海洋水质监测与预报系统研究 一定不足,尤其是当水质评价指标较多时,常用的取大取小算法可能导致信息丢 失过多,出现评价结果趋于均化、模糊失效的现象。针对模糊综合评判法的这一 缺点,潘峰等【2 3 】在水质评价过程中对常用的最大隶属度原则方法进行了改进,提 出加权平均型计算模式,取得了较好的评价结果。 同时,模糊模式识别法近年来在环境质量评价领域发展很快。相对于模糊综 合评价法,模糊识别模式法较好地克服了评价结果均值化倾向,提高了分辨效果。 大连理工大学的陈守煌等对模糊模式识别法在水利、水文、水资源及环境领域的 应用开展了较为系统、深入地研究【2 4 2 刀。其中,熊德琪根据环境质量评价特点, 又在模糊模式识别模型中引入评价因子综合权重矩阵、动态分级和环境质量模糊 指数等新概念和确定方法,建立环境质量评价的模糊识别理论模式,并用于海水 富营养化评价。 从系统信息的明确与否来看,水质评价属于灰色系统范畴。灰色系统理论法 在环境评价中的应用始于聚类分析【2 8 】。这种方法通过建立与隶属函数相似的白化 函数,进行灰色聚类,确定所有断面的水质级别。随着灰色理论在环境系统中的 大量应用,又出现了水质评价的灰色关联度分析方法【2 9 3 1 1 。该方法是基于水体质 量与评价指标之间存在的灰色关联关系,将待评价的水体样本指标组成参考序列, 水质级别标准指标组成被比较序列,用灰关联测度来度量水体样本与各级标准级 别的接近程度,以此确定待评样本的水质级别。灰色关联分析方法同样存在评价 值趋于均化、分辨率不高的缺点。针对灰色关联度方法的不足,冯玉国 3 2 】运用扩 展的最d - - 乘方准则构造目标函数,通过求条件极值建立了一种湖泊富营养化灰 色评价模型,取得了较好的评价结果。肖晓柏等【3 3 】采用线性内插的方法对灰色关 联度法进行了改进,提高了评价结果的分辨率。除此之外,史晓新和夏军等还在 灰色关联度理论的基础上,参照模糊识别模式理论,提出了水环境质量评价的灰 色模式识别模型【3 4 - 3 5 1 。与一般灰色关联度法相比,其评价结果具有更高的分辨率, 不仅可以确定水体水质级别,还能进行水质的优劣排序。 在水环境质量评价中,水体各单项水质指标评价结果往往是不相容的。由我 国学者蔡元g , j g 的物元分析理论【3 6 1 ,是研究求解不相容问题的规律、理论与方法 第1 章绪论 的一门新兴学科。目前,物元分析方法在环境评价中己得到众多应用,该方法的 特点是考虑了级别区间内外的变化特征,对物理意义的表达更加精确。冯t , 匡i t 3 7 】 较早地将物元分析方法用于地下水水质评价,通过建立标准事物物元矩阵,节域 事物物元矩阵,待评对象物元矩阵和构造关联函数等步骤,最终确定水质评价结 果。门保辉等【3 8 】运用物元分析方法对松花江水质进行了评价,得到了与层次分析 法、灰色关联分析法一致的结果。 可拓学【”】是用形式化工具,从定性和定量两个角度去研究解决矛盾问题的规 律和方法。它通过多指标参数评定模型来完整地反映样本的综合质量水平。从蔡 文1 9 8 3 年提出可拓集合以来,可拓学己初步形成了它的理论框架,并开始向应用 领域发展。胡保庆等首先将可拓评价方法运用于水环境质量评价,取得了满意的 研究结果。王锦国【4 0 】、冯玉国【4 1 】等也用可拓评价方法评价了地表、地下水质状况。 考虑到实际应用中,由于测量、计算带来的数据误差、信息不完全带来的数据不 完全和人为主观因素带来的数据不准确等原因,胡宝清【4 2 】将待评物元的量值以区 间数的形式表示,进一步提出了区域水环境质量评价的区间可拓评价方法。由于 物元分析中引入了可拓集合的概念,因此,物元分析法和可拓集合法有很多的相 似性。 2 0 世纪7 0 年代,f r i d e m n a 和t h k e r y 提出了多元数据分析的投影寻踪( p r o j e c t i o n p u s r u l t ,简称p p ) 新算法,该方法能在一定程度上解决多指标样本分类等非线性问 题。由于水质类型往往是由多个非线性指标综合决定的,因此从理论上讲,可以 将投影寻踪方法用于水质评价。张欣莉等【4 3 】率先用该方法评价了河流水质,为水 环境质量评价提供了一种新方法。针对投影寻踪方法中多维数据复杂的拓扑空间 结构导致的最优投影方向难以寻找的不足,金菊良m 】采用实码加速遗传算法来优 化投影方向,实现全局寻优。通过降低数据维数将高维数转化为一维子空间的综 合投影指标值,并据此评价杭州西湖、武汉东湖等水体水质。相对于灰色聚类法、 模糊综合评价法、神经网络法等水质评价方法,投影寻踪模型法对水质等级分别 率更高,而且还可以克服人为赋权带来的干扰。 海洋水质监测与预报系统研究 除上述介绍的方法外,随着随机理论、未确知数学等理论被用于水环境问题 的研究,又产生了新的水质综合评价方法。各种综合评价方法不断的得到改进和 完善,评价精度逐渐提高。 1 3 2 多元统计分析在环境领域的应用 在环境领域,运用多元统计分析的理论方法进行研究己较为普遍。在国外, 1 9 9 6 年,m m j o r d a n l 5 4 1 等曾用聚类分析方法对土壤中沉积元素的类型的分类进 行了研究,给出了分类的处理结果。d u n n e t t e 4 5 】曾用聚类分析法对多个样本水质污 染相似性进行研究。1 9 9 8 年,j w e i n a x l 4 6 】等将统计分析法与多元统计分析法相结 合用于土壤污染评价,并比较了两种方法的优劣。2 0 0 0 年,k v o u d o u r i s l 4 7 1 等将多 元统计分析方法用于土壤含水层系统中水质化学元素的研究。2 0 0 1 年,i r e n e m f a m h a m 4 8 】运用多元统计分析方法中的主成分分析法和聚类分析法及微量化学 元素分析法对地表水环境系统进行研究,并结合地理信息系统技术对研究结果进 行可视化。s y l v e s t e r 等【4 9 】运用多元回归法在水环境质量评价领域进行研究。 在国内,1 9 8 7 年孟宪玺等【5 0 】尝试应用多元统计分类法中的群分析对土壤元素 进行分类,揭示了其中的某些规律。1 9 9 0 年、1 9 9 2 年梁保国等【5 1 5 2 】采用多元统计 分析对地面遥感图像进行主成分分析、聚类分析和主成分回归分析,提出了统计 综合评判模型,对国际通用的污染源监测的林德曼定性估计方法进行了改进,给 出遥感图像对代表的污染源的浓度的半定量化估计结果,为大气环境质量监测和 评价,以及研究污染源排放行为提供了新途径。1 9 9 1 年黄国和【5 3 1 应用多元统计分 析法探索大气污染、发展与环境中诸因子存在状态的定量关系,实现了对研究区 域大气污染状况的定量化预测。1 9 9 4 年,许榕【5 4 】借助多元统计分析方法中的聚类 分析法,对大气环境监测优化布点进行了研究。改进了当时大气环境监测布点方 法对单一污染物较合适,对于多元化污染物不够科学的现状,如实反映了研究区 域的大气污染状况。1 9 9 5 年,应竹割5 5 】应用多元统计分析中的主成分分析对城市 环境质量进行综合评价。 水环境系统是一个复杂大系统,在水环境系统的分析过程中,需要对多个变 量进行分析,由于变量个数众多带有动态性,并且彼此之间存在着一定的相关性, 第1 章绪论 使得对有用水质监测数据信息的提取变得十分复杂。同时,在高维空间中研究水 质污染程度的变化规律又势必会增加分析问题的复杂性。多元统计分析法的优势 正是对多维复杂数据集合进行科学分析。通过多元统计法对水环境系统的分析, 可以清楚的把握系统的本质特征;对高维水质监测数据集合进行最佳综合,迅速 将隐没在其中的重要信息集中提取出来;同时可以充分发掘水质监测数据中的丰 富内涵,清晰地展示系统结构,准确地认识水环境系统中元素的内在联系,以及 直观地描绘水环境系统的运动历程。这对管理部门制定科学决策具有现实指导意 义。运用多元统计分析方法进行系统分析需要大量的实测数据支撑,对水质监测 数据样本容量较小情形不适用。随着在线监测技术的普及,这一问题能很好的得 到解决,且正好成为多元统计分析法在水环境系统分析中应用的优势。 1 4 水质模型研究状况 1 4 1 水质模型研究进展概述 水质模型是污染物在水环境中变化规律及其影响因素之间相互关系的数学描 述,它既是水环境科学研究的内容之一,又是水环境研究的重要工具。它的研究涉及 到水环境科学的许多基本理论问题和水污染控制的许多实际问题。它的发展在很 大程度上取决于污染物在水环境中的迁移、转化和归宿研究的不断深入,以及数学 手段在水环境研究中应用程度的不断提高【5 引。 最早发展的水质模型是简单的氧平衡模型。1 9 2 5 年,美国的两位工程w ) i l j s t r e e t e r 和p h e l p s 在对o h i o 河流污染源及其对生活污水造成的可度量影响的研究中,提出了 氧平衡模型的最初形式。在该模型中,他们假定河流的自净过程中存在两个相反的 过程,即有机污染物在水体中发生生物氧化反应,消耗水中溶解氧,其速率与水中有 机污染物浓度成正比;同时大气中的氧不断地进入水体,其速率与水中的氧亏值成 正比。在这两个相反过程的作用下,水中溶解态氧达到平衡。该模型最初被应用于 城市排水工程的设计和简单水体自净作用的研究。 自水质模型在2 0 世纪初诞生以来,其发展阶段有许多不同的分类方法。叶常明 【5 7 1 把水质模型的发展分成3 个阶段,即简单的氧平衡模型阶段、形态模型阶段和多介 海洋水质监测与预报系统研究 质环境综合生态模型阶段。而谢永明【5 6 1 把水质模型的发展分成5 个阶段:1 9 2 5 - 一1 9 6 0 年为水质模型发展的第一阶段,这一阶段以s t r e e t e r - - p h e l p s 水质模型( s p 模型) 为代 表,后来科学家在其基础上成功地发展了b o d - d o 耦合模型,并应用于水质预测等方 面;1 9 6 0 - - 一1 9 6 5 年,在s p 模型的基础上又有了新的发展,引进了空间变量、物理的、 动力学系数,温度作为状态变量也被引入到一维河流和水库( 湖泊) 模型,水库( 湖泊) 模型,同时考虑了空气和水表面的热交换,并将其用于比较复杂的系统;不连续的一 维模型扩展到其他输入源和漏源是水质模型的第三阶段,1 9 6 5 - - 1 9 7 0 期间进行的研 究,其他输入源和漏源包括氮化合物好氧( n o d ) 、光合作用、藻类的呼吸以及沉降、 再悬浮等等,计算机的成功应用使水质数学模型的研究取得了突破性的进展;在 1 9 7 0 - - - - 1 9 7 5 年期间,水质模型已发展成相互作用的线性化体系、生态水质模型的研 究初见端倪,有限元模型用于两维体系,有限差分技术应用于水质模型的计算;在最 近的2 0 多年中,科学家的注意力已逐渐地转移到改善模型的可靠性和评价能力的研 究上。 5 0 年代开始,由于电子计算机技术的应用和水环境科学的发展,氧平衡数学模 型有了较大发展,尤以o c o n n o r 和d o b b i n s 的工作最为重要。他们在模型中考虑了氧 化物和底泥的作用,从而在包括模型的参数和模型的求解技术方面都有了较大的发 展。在此基础上,g r e n n e y 开发了美国环保局推荐使用的q u a l l 水质模型,这是一 种较为复杂的氧平衡生态模型,该模型已经被成功地广泛应用于河流水质预测和水 质管理规划中。 形态模型是指表征污染物在不同状态和不同形态下水环境行为的模型。随着 污染物水环境行为和水质标准制定工作研究的不断深入,传统的氧平衡数学模型已 不能满足实际工作的需要,因此需要另一种模型即形态模型来描述同一个污染 物由于它在水环境中存在的状态和化学形态的不同而表现出的完全不同的环境行 为和生态效应。8 0 年代初,随着形态分析的发展,一些研究者开始了形态模型的探索 和研究,这一研究的关键是模型设计时所考虑的化学反应的真实性、污染物形态识 别的准确性和输入数据的可靠性。l a w r e n c e 、f o r s t n e r 和l o u x 等分别对有机污染物、 重金属和阴离子污染物等进行了形态模拟研究,并取得了定的成果。 第1 章绪论 1 4 2 水质模型的应用 污染物进入水环境后,由于物理、化学和生物作用的综合效应,其行为的变化是 十分复杂的,很难直接认识它们。这就需要用水质模型( 水环境数学模型) 对污染物水 环境的行为进行模拟和预测,以便给出全面而清晰的变化规律及发展趋势。用模型 的方法进行模拟和预测,既经济又省时,是水环境质量管理科学决策的有效手段。目 前对这一方面的报导很多,t 1 w a n ee ta l 5 8 】研究了处理过的污水排入河流后,对河流 中的对抗生素有免疫作用的细菌的可能影响,a b a e z ae ta 1 【5 9 】对塔霍河从西班牙的 c a c e r e s 至u 葡萄牙的a l e n t e j o 河道中氚浓度水平的时空演变进行了分析研究。a n b o l i u 等【6 0 1 在细菌的细胞组织聚合体存在的条件下,对菲在土壤中的动态解析行为进 行了观察和模型预测。但由于模型本身的局限性,以及对污染物水环境的行为的认 识的不确定性,计算结果与实际测量之间往往有较大的误差,所以模型的模拟和预 测只是给出了相对变化值及其趋势。 文献 6 l 】采用水质模型d e l w a qv 4 0 2 对斯凯尔特河进行建模。用此模型可以 计算出排放物质的去向并能够建立污染物输入和水质间的关系。模型整合了影响 水质变化的所有化学过程。f e 皿e l 【6 2 】采用生物化学模型模拟仿真波罗的海氮循环, 其中包含的标准海洋模型m o m 2 2 t 6 3 】用来评价氮的含量和流动趋势。模型 c e q u a l i c m t 6 4 】为有限容积营养化模型,模型包含2 2 个状态变量如藻类、氮、磷 和硅等。它可以计算出一维、二维、和三维的水质变量值,并且能够预测海底的 底泥耗氧值和底泥营养盐通量。文献 6 5 】对日本有明海的浮游植物和营养盐动态特 性进行了研究,其中应用了流体动力学模型m i k e 3 【6 6 】和生态模型 6 7 1 。流体动力学 模型用来模拟海水流速、水位变化以及溶解物或悬浮物、营养盐和浮游生物的运 移效应。生态模型描述了海水中的物理、化学和生物变化过程,而且特别考虑了 浮游植物初级生产过程。 1 5 海洋水质监测与预报系统待解决的问题 世界范围的关注与努力极大地促进了海洋监测技术的发展,并已取得不少研 究成果。但无论从海洋水质监测网络设计角度,还是从水质数据分析角度来说, 海洋水质监测与预报系统研究 还有很多的问题需要继续进行深入的研究。我们认为以下方面的问题值得深入研 究。 ( 1 ) 设计海洋水质监测网络的设计要素包括监测采样站数目和地点、采样频 率、监测水质参数和数据传输节点的时空分布,这些要素的确定存在困难。 ( 2 ) 对水环境系统的信息挖掘深度不够,未能对表征水环境系统特征的各种统 计量进行全面分析与研究。 ( 3 ) 预报模型的不确定性。由于水环境的复杂性,在利用非线性规划方法来建 立水质模型过程中,不可能把所有影响因素都考虑进去,一般只把那些主要因素考 虑进去而忽略那些次要因素。因此,不可避免地会给模型的结果产生不确定性,模 型不确定性有模型参数的不确定性和模型解析的不确定性。克服这些不确定性对 模型预测精度和可靠性的负面影响的研究,是今后相当长时期内水质模型研究的 ;# l - 亘息o 1 6 主要内容和论文结构 本文主要探讨了计算机监控技术在海洋水质监测领域的应用,结合海洋水质 环境的实际确定系统的目的为:在线监测海洋水质并分析预报水质变化情况,为 相关管理部门提供决策依据。基于系统目标确定系统主要由两部分构成:数据监 测子系统和中心站子系统。数据监测子系统位于海洋浮标上,主要完成海水水质 要素数据的采集和浮标上的设备管理。中心站子系统则完成整个系统的设备管理 以及数据管理、分析和数据产品的制作,为用户提供可靠的服务信息。本文着重 论述了两种数据分析方法:海水水质综合评价方法和基于n p z d 水质模型的海洋 水质预报方法。最后根据系统的功能要求实现了海洋水质监测与预报系统的软件。 本文的研究工作和各章的安排如下: 第l 章介绍了课题的研究意义、海洋水质监测网络研究现状、水环境质量综 合评价研究进展和水质模型研究状况。 第1 章绪论 第2 章研究了海洋水质监测与预报系统的总体架构设计,确定了系统由数据 监测子系统和中心站子系统构成,并介绍了各子系统的的功能,同时给出系统的 软硬件设计方案。 第3 章简要分析了主成分分析的原理。给出了基于主成分分析的海洋水质综 合评价方法,应用该方法能够得出海洋水质分类和污染源。最后给出应用实例验 证了海洋水质综合评价方法的正确性。 第4 章引入了n p z d 水质模型,并分三种情况对模型进行了仿真,验证了模 型的可行性。同时给出了基于n p z d 水质模型进行海洋水质预报的方法,为下一 步系统软件实现提供了理论依据。 第5 章分析了数据监测子系统软件和中心站子系统软件的功能需求,按照第2 章提出的系统架构设计,并嵌入第3 章和第4 章的数据分析算法使其分析结果可 视化,在这些基础上给出海洋水力i 监测与预报系统的软件实现。 第6 章对全文进行总结,并对今后的工作提出了展望。 海洋水质监测与预报系统研究 第2 章海洋水质监测与预报系统的总体架构及软硬件设计 本海洋水质监测与预报系统实现目的:在线监测河口地带、排污口附近海域和 海洋养殖区的水质参数,评价水质情况并给出水质分类,对监测站所处海区的富 营养化状况进行评价,同时利用水质模型对水质变化趋势进行预报。基于上述监测 目的并参照海水水质标准( g b 3 0 9 7 1 9 9 7 ) ,选定监测要素为温度、p h 值、溶解氧、 化学需氧量、生化需氧量、无机氮、活性磷酸盐、浊度、盐度、叶绿素、蓝绿藻。 系统主要包括两部分:数据监测子系统和中心站子系统。其中数据监测子系统放 置于水质监测浮标上,其主要完成海水水质要素数据的采集、要素传感器运行模 式控制、故障诊断、修复以及水质监测浮标的位置定位。数据监测子系统与中心 站子系统之间利用g p r s 进行通信。中心站子系统位于陆上的数据中心,它的主要 功能包括:数据监测子系统的管理和异常情况报警、水质要素数据管理、建立监 测数据库、应用主成分分析法对水质进行分类并得出影响水质的污染源类型、利 用n p z d 水质模型对水质变化趋势进行预报并评价海区的富营养状况。 2 1 系统总体架构 海洋水质监测与预报系统不同于普通的信息系统,整个系统的设计、构建、 实施都是围绕海洋水质环境这一特殊的工业生产背景展开的。因此,为了使得海 洋水质监测与预报系统最终能够实现业务化运行,系统的流程、功能及组成的设 计必须以标准的海洋水质监测与预报流程为依据,如图2 1 所示 标准规范 污染警报 i 海洋环境卜叫海洋水质监测卜_叫栾燃卜 资源保护 减火防灾 t i 仪器设备l l 管理 i 一一- 一- ,- 一- 一j 图2 1 海洋水质监测与预报流程图 f i g 2

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