基于反距权重插值的入海河口水环境研究

褚琦栋， 时志强

(1. 张家港市环境监测站，江苏 张家港 215600；2. 江苏省苏力环境科技有限责任公司， 江苏 南京 210036)

基于反距权重插值的入海河口水环境研究

褚琦栋1， 时志强2

(1. 张家港市环境监测站，江苏 张家港 215600；2. 江苏省苏力环境科技有限责任公司， 江苏 南京 210036)

对某入海河口在春季和夏季进行2次水体环境因子(TP、TN、COD、Chla、SS)监测，利用ArcMap扩展模块中反距离权重插值模型，对各监测值分别进行插值分析。通过插值结果，对营养盐、Chla、COD和SS在时间和空间上的差异进行探讨，揭示了入海河口水体环境因子在季节差异和流域分布上的独有特点。

入海河口； 环境因子； 反距权重插值

反距离权重插值法(Inverse Distance Weighting， IDW)是基于Tobler定理提出的一种简单的插值方法。其原理是使用一组采样点的线性权重组合来确定像元值，权重是一种反距离函数[1]。进行插值处理的表面应当是具有局部因变量的表面，此方法假定所映射的变量，因受到与其采样位置间的距离的影响而减小。因此，IDW在邻近范围内插值误差对空间位置有着较强的依赖关系。空间插值方法作为从已知地理空间向未知地理空间探索的主要方法，在地理信息科学的研究与应用中具有重要意义[2-3]。反距离权重插值法弥补了常规的测量方法无法对空间中所有点进行观测的不足，可以根据已采集的反映空间分布的全部或部分特征样本点数据来计算出所需要的样本点的值，并据此预测未知地理空间的特征，因此，被广泛应用于气象、矿石储量、海洋等领域[4-6]。目前，在我国完全基于反距离插值方法对水体环境因子时空差异进行分析的研究较少。

由于河流水体在流动过程中的各环境因子(营养盐、浮游生物和SS等)会随着水体的流动混合呈趋于平衡的状态，外界环境因素的扰动，会使水体中各环境因子原有的平衡被打破[7-8]。入海河口地区由于处于淡水和咸水的交界处，水体各环境因子呈现出独有的特点[9-10]，通过反距离权重插值，能够直观地反映区域河流的环境状况以及在流动过程中水体的变化情况。

现利用ArcGIS 9.3地理统计分析模块功能，以IDW根据某入海河口春、夏两季的营养盐、浮游植物、COD等环境参数进行插值分析，探讨分析该河口的具体环境状况。

1 材料和实验

1.1 样品采集

在某入海河口均匀布设16个站点，分别为S1—S16。对采样站点春、夏两季的环境因子进行采样分析，分析项目为：COD、SS、Chla、TN、TP。

1.2 数据分析

对研究区域河口地图进行矢量化处理，矢量化地图在ArcMap中打开，将采样站点经纬度及各站点分析数据，在扩展模块中进行反距离权重空间插值。

2 结果与讨论

2.1 营养盐年季差异

TN反距插值见图1(a)(b)。由图1可见，整体上春季TN值明显高于夏季，主要是因为春季河流水量处于枯水期，降水量较小，水体TN浓度较高。春季TN在流域上大部分区域分布相对稳定，只在S14和S3、S4站点存在较大变化，呈现出点源污染的特点。夏季TN值在流域上呈现出从上游到下游递减的趋势，一方面是因为，水生植物在夏季生长较快，大量的氮元素作为营养盐，在流经区域被水生生物不断地吸收而降低[11]；另一方面，由于温度升高导致微生物生命活动活跃[12]，在向下游运移过程中反硝化过程消耗了部分TN。在春季和夏季S14站点一直处于TN值相对较高的状态，这主要由于S14站点处存在支流，支流的营养盐输入，提高了该站点的氮素含量。

图1 TN反距插值

TP反距插值见图2(a)(b)。由图2可见，在整个流域，TP值春季明显高于夏季，这与TN值的变化一致。引起这种变化是由于枯水期水量较低导致的。由图2中2个季节在整个河口区的变化可知，TP值整体上呈现出下游高于上游的状态，这主要是由于磷元素相对稳定，一部分磷酸盐分散于水体当中，而大部分则被底泥和悬浮物所吸附，在河口区域，受潮汐作用，越靠近入海口，底泥越容易被扰动，引起底泥的再悬浮，使大量磷酸盐重新分布到水体中，引起水体磷含量升高[7]。

图2 TP反距插值

2.2 浮游植物变化

由于浮游植物中Chla值是相对稳定的，因此Chla值能够很好地表征水体浮游植物的生长状况[13-14]。利用Chla值进行反距离权重插值来代表水体浮游生物的分布情况，见图3(a)(b)。由图3可见，春季Chla值明显低于夏季，这主要是由于夏季温度相对较高，适合浮游植物的大量繁殖。从整个流域上来看，从上游到下游，浮游植物生物量在春季和夏季都呈现出不断减小的趋势，这主要是因为上游浮游植物以淡水种类为主，随着向河口区的接近，由于潮汐作用，海水和河口淡水混合的程度较高，使得河口区域水体盐度发生变化，由于环境的改变不利于生长，种群数量受到影响，使得Chla值下降。

图3 Chla反距插值

2.3 SS、COD变化

SS反距离插值见图4(a)(b)。由图4可见，春季SS明显低于夏季，一方面是由于春季水量较小，水体流动相对平缓，底泥被扰动较小，且水体中SS利于沉降；另一方面是由于，夏季温度较高，有利于浮游植物的生长，使水体SS值上升。在整个流域上，春季和夏季入海口区域SS值要明显高于上游，这主要是由于河口区域潮汐的震荡作用，导致河口区域SS值升高，这与TP值变化一致。

图4 SS反距插值

COD反距插值见图5(a)(b)。由图5可见，水体COD值在整体上春季略高于夏季。由于所研究对象为我国北方某河口，秋冬季温度较低，微生物生命活动较低，浮游生物残体及其他腐殖质分解周期较长，所以在春天水体仍有大量未分解有机质；而夏天随着温度的升高，微生物分解有机质速度加快，同时浮游植物大量生长，所以在整体上看，春季和夏季水体COD的监测结果比较接近。另外，夏季河道水体水量加大，COD被稀释，也是一个重要的原因。从流域上看，春季COD由上游到下游，呈递减趋势，这主要是由于春季COD耗氧物质主要为河道原有未分解的腐殖质，其随着河水的流动不断向下游冲刷，在下游堆积，且浮游植物生长较慢，因此呈现出下游高于上游的情况。夏季COD在整个流域上呈现出上游高于下游的状态，一方面，由于浮游植物整体上呈现出由上游到下游生物量递减的情况，这也很好地佐证了COD在流域上的变化情况；另一方面由于夏天温度升高，微生物生命活动活跃，加快了腐殖质的分解。

图5 COD反距插值

3 结语

ArcMap扩展模块中反距离权重插值，应用于河口水体各典型环境因子分析，不仅能够将站点环境因子直观地反映于研究对象，而且能通过权重函数，根据已采集的反映空间分布的全部或部分特征样本点数据来计算出所需要的样本点值，直观地模拟出研究对象的整体环境因子分布状况。

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Study on the Environment of Estuarine Water by Inverse Distance Weighting Interpolation

CHU Qi-dong1， SHI Zhi-qiang2

(1.ZhangjiagangEnvironmentalMonitoringCenter，Zhangjiagang，Jiangsu215600，China；2.JiangsuSuliEnvironmentalScienceandTechnologyCo.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu210036 ，China)

The environmental factors (TP， TN， COD， Chla， SS) of some estuarine water were monitored twice in spring and summer. Each monitoring value was analyzed by inverse distance weighting interpolation in the ArcMap expansion module. Through the interpolation results， the spatial difference in time and space of the nutrients， Chla， COD and SS were analyzed. The unique characteristics of estuarine water environmental factors in seasonal difference and the distribution of river basin were revealed.

Estuarine water； Environmental factors； Inverse distance weighting interpolation

2016-05-23

褚琦栋(1976—)，男，工程师，本科，从事环境监测工作。

X832

B

1674-6732(2016)06-0015-03