摘要 采用Kriging和径向基函数等2种GIS空间插值方法对梁子湖的水质污染现状进行分析研究，结果表明，梁子湖的大片水域水质都处于Ⅱ类和Ⅲ类，在湖泊的中部以及宁港附近的水域起水质可以达到Ⅱ类甚至Ⅰ类水质标准。通过对2种插值方法的应用效果进行比较，得出在研究区的空间尺度及采样规模下，Kriging具有较高的精度，其插值分析结果较为接近实地数据，可以作为梁子湖水质评价的主要空间插值方法。
Abstract The present water pollution situation of Liangzi Lake was analyzed，using two kinds of GIS spatial interpolation method，such as Kriging and radial basis function. The results showed that most of lake water quality was in class II and III，and the water in middle of Liangzi Lake and nearby Ning Port reached class II and even class I standard. Through comparison of application effect of the two kinds of interpolation methods，it′s concluded that under the spatial scale and sampling scale，Kriging had high precision，the interpolation analysis results were close to the field data，and it could be regarded as the main spatial interpolation method for water quality evaluation of Liangzi Lake.
Key words GIS；interpolation method；Kriging；radial basis function；lake water quality evaluation；effect comparison安阳工学院学报
地理信息系统（GIS）是采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统。地理信息系统的定义是由2个部分组成的。一方面，地理信息系统是一门学科，是研究描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的交叉学科；另一方面，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（Geospatial Database）为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统[1]。目前GIS的应用遍及环境保护、资源保护、灾害预测、投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。GIS在湖泊水资源管理中的应用主要表现在湖泊水资源评价、湖泊水污染及环境影响评价、水源地保护、流域河水和湖泊水的联合调度、决策支持及专家系统等。
杨应楠常规的统计方法无法对空间布局中的所有点进行观测，但可以获得整个水域内的一定数量的空间样本，这些样本可以反映出空间分布的全部或者部分特征，并可以据此预测未知的地理空间特征。在这一意义上，空间插值可以被定义为根据已经掌握的空间数据估计或者预测未知空间的数据值。
1 数据来源及分析方法
1.1 采样区介绍
采样区位于梁子湖，是湖北省容水量最大的淡水湖之一，湖面面积位居全省第2位，是驰名中外的武昌鱼的故乡。梁子湖东西长82 km，南北长22 km，由316个湖汊组成，湖面面积为2.8万hm2，流域面积为3 260 km2，常年平均水深达3 m。北有45 km长港与长江相通，梁子湖水经长港注入长江。梁子湖属典型的亚热带大陆性季风气候，冬冷夏热，四季分明，光照充足，雨量充沛，平均气温17 ℃，极端最低气温-11 ℃，极端最高气温40 ℃，无霜期年平均264 d，年平均降水量1 330 mm。
1.2 数据获取及水质执行标准
中国古代典籍
对甲苯磺酸甲酯2012年10月份对梁子湖的湖泊水进行了取水调查，在整个湖泊范围内设置了98个采样点，经过GPS定位以后在距离水面下方0.5 m左右处取样装瓶。利用Google公司的稻歌图形截取软件，将梁子湖所属的地图截获，利用Arcgis将获得的图形进行数字化，并将采样水的水质情况整理成表，导入到配准好的图形上，建立起整个水域研究的空间数据库，包括水
系、交通、行政区界等相关的属性层数据，充分做好采样点水质监测数据与该图图层属性的关联，减少人工输入的误差。采样水质均根据《湖北省地表水功能区划类别》进行评测[2]。
1.3 研究方法
因为所监测的采样数量很有限，所以在水质评价过程中采用了“由点及面”的方法，也就是通过所选取的个别采样点（平均分布到湖面）扩展到整个湖泊。这一方法是在国内外很多研究的基础上得出来的，具有很高的可信度。笔者采用2种空间分析方法，即克里金插值法（Kriging）和径向基函数插值法。1.3.1 Kriging插值法。克里金插值（Kriging）又称空间局部插值，是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法。克里金插值方法是通过已知样本点的赋权重求得未知点的值，可以用以下公式表示：
Z（x0）=λiZ（xi）
式中，Z（x0）为未知点的值，Z（xi）为未知点周围的已知样点的值，λi为第i个已知样本点对未知点的权重，n为已知样本点的个数。
1.3.2 径向基函数插值。径向基函数插值法试用于对大量点数据进行插值计算，同时要求获得平滑表面的情况。将径向基函数应用于变化平滑的表面，如表面上的平缓点高程插值，能得到令人满意的效果，而在一般较短的水平距离内，表面值发生较大的变化，或者无法确定采样点数据的准确性，或采样点数据具有很大的不确定性时，径向基函数插值的方法就有很大的局限性[3-4]。
2 梁子湖水质分析结果
2.1 水质监测结果
部分采样点的一些水质监测数据如表1所示。2012年4月，武汉市环保局曾公布2011年湖泊水质检测结果：梁子湖水质首次降为Ⅲ类，失去雄踞多年的武汉江湖水质排行榜“状元”位置。导致水质恶化原因：一是2011年先旱后涝，水生植物死亡腐烂；二是周边区域存在着入湖污染。仅过6个月，占水面约60%的梁子湖江夏区域水质开始好转，已经达到了Ⅱ类水质，说明在治理梁子湖的水质污染方面取得了显著效果。汗译英
2.2 水质综合评价结果
基于2种插值方法，分别对总氮、总磷和COD进行插值分析，再通过《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》，得出了综合的评价结果如图1和图2所示。
通过对图1和图2比较发现，经过Kriging插值和径向基函数插值的结果有着较大的不同，采用交叉验证法来验证空间插值的效果，在空间插值所得到的梁子湖水质分布图上可以明显地看出其他未经采样的模拟值，然后计算检验站点的实测值与模拟值的误差，以此来判断空间插值方法的好坏[5-6]。
克里金方法的试用范围为区域化的变量存在空间相关性，即如果变异函数和结构分析的结果表明区域化变量存在空间相关性，则可以利用克里金方法进行内插或者外推，而本次采样的梁子湖的情况正好适合这一插值方法。从图1可以看出，整个梁子湖呈Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 3种水质分布，在保福港的附近甚至还有很大一部分的Ⅰ类水质，这说明梁子湖的水质多数达到了湖北省饮用水的水质要求，但在某些方面还是与实际所监测的结果存在差别；相反，再观察图2，采用了径向基函数插值，由于径向基函数适用于数据量比较大的采样点分析，而此次所采用的采样点是98个，尚未达到足够适用于整个湖泊的水质分析，所以整个图只能呈现出2种水质，与实际采样点进行比对发现，这种插值方法与实际很多地方出入比较大，
而Kriging方法与实际所测的观测点值比较接近，故将Kriging作为评价梁子湖水质的主要空间插值方法。
3 结论与讨论
在GIS平台上进行信息输入、管理、查洵、分析与显示，为区域湖泊水质的研究提供了重要途径。GIS可综合不同来源的数据，充分利用并展示空间信息，令结果的解释更为合理。利用GIS进行湖泊水质评价具有速度快、准确性高、动态性与及可视化等特点。同时，数据的精度还不能满足湖泊微观尺度水质评价的需要，需进一步在水质较差的地区进行采样点加密，以便于对该地区水质进行更加细致的评价与划分。
4 参考文献
[1] 陈武，艾俊哲.地下水水质综合评价方法探讨[J].地下水，2002，24（2）：74.
[2] 田子贵，顾玲.环境影响评价[M].北京：化学工业出版社，2003：76-971.
[3] 帅方敏，卢进登，王新生.基于GIS空间插值方法的长湖水质评价 [J].环境监测管理与技术，2007（4）：44-46.
[4] 吴翠晴，李楠，王亚涛，等.空间插值方法在锦州湾海水富营养化评价中的应用[J].水资源与水工程学报，2012（6）：118-121.
[5] 高彦伟，韩燕，白岩，等.利用克立金方法预测湿地水质的变化趋势 [J].哈尔滨商业大学学报：自然科学版，2007（6）：65-67.
[6] 刘瑞民，王学军，王翠红.湖泊水质参数空间最优估计精度分析[J].环境科学，2001（5）：94-97.
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