地统计学的应用

地统计学的应用

地统计学在环境科学领域的应用环境科学专业摘要介绍了地统计学在土壤环境、水环境等环境科学领域应用的一些成果。这些成果表明，地统计学方法是污染物空间分布状况精确估值的有效方法。在此基础上，就地统计学在环境科学领域的应用前景进行了展望。［关键词］地质统计学环境科学克立格法地统计学又称空间信息统计学，起源于20世纪60年代，早期主要应用于研宄地质学现象的空间结构和进行空间估值。其创始*Marheron将其简单定义为:随机函数在自然现象勘察及估计中的应用。从中可以看出，地统计学主要是利用随机函数对不确定的现象进行探索分析，并结合釆样点提供的信息对未知点进行估计和模拟。地统计学最初主要用于釆矿业和石油勘探中，但随着传统统计学方法在空间数据分析上的无能为力，越来越多涉及到空间分析的学科求助于地统计学的研究工具。如今，地统计学己经被广泛用于地理学、生态学、环境科学、土壤学等诸多领域的研究中。1地质统计学的产生和发展现状20世纪50年代初期，南非矿山工程师D.G.KHge根据多年对南非金铀砾岩型金矿储量计算的经验，提出随样品空间位置不同，样品间相关性不同，应对每个样品赋子一定权值进行滑动加权平均来代替传统平均值对盘区块段金品位进行估计。20世纪60年代，法国著名统计学家G.Matheron经过大量工作将Krige的成果理论化、系统化，提出“区域化变量”概念，创立了这门新的统计学分支学科。经历了不到半个世纪的蓬勃发展，地统计学己经在需要评估空间和时间变异的许多领域得到广泛应用。形成了以法国统计学家G.Mathercm为代表的“枫丹白露地质统计学派”和以美国统计学家A.G.Journel为代表的“斯坦福地质统计学派”，发展了多种空间局部估计方法，如普通克立格法、协同克立格法、泛克立格法、析取克立格法、对数克立格法、随机立格法、因子克立格法、指示克立格法等，并滲透到多个学科拓宽了空间信息统计学的理论体系，使其不断应用于新的领域。目前，国内外学者己经研究开发出一批基于空间信息统计学计算方法的软件llj。2在环境科学领域的应用进展20世纪80年代以前，对于空间变异性的研宄大多采用RAFisher所倡导的经典统计学，将采集的信息作为独立观测值纯随机事件处理l2j。但是,随着人们认识水平和信息掌握程度的提高,这种方法逐渐显示出其不足。经过多年的努力，地质统计学首先被成功引入到土壤环境科学领域的研宄中，并取得了许多成功应用的经验。2.1在土壤环境研究中的应用自然界土壤分布极为复杂，同一质地的土壤在同一平面或不同深度上并不完全均质，其他土壤物理特性如天然密度、粒径组成等在各点的值也并不相同，这些土壤特征在空间分布的非均一性就构成了土壤特性的空间变异性，使得土壤理化性质及污染物\n分布也具有复杂的空间变异性。2.1.1国外应用进展1978年,Campbell在研宂两个土壤制图单元屮沙砾含量和pll值的空间变异性时，首先采用Y地质统计学的方法。90年代以来，国外应用地质统计学方法对土壤养分空间变异性进行丫大量研宂，给出Y土壤屮一些有机质以及元素的空间相关距离，并对变异存在的尺度范围进行丫探讨。近几年如Ardahanlioglu等利用块状克立格对土耳其某平原地区不同尺度下(30cm,60cm，90cm)钠盐土壤中可交换性钠、电导率、pll值以及硼的含量进行Y分析，成功验证Y这些指标并没有显著性的差异［11。由于地质统计学方法能够有效刻画土壤多孔介质的空间变异性，因此,借助其可以很好地估计土壤屮污染物的分布情况。近些年來,又成功地将其研宂方法运用于土壤污染物分布空间变异性的研宂屮。例如Cattle等运用4种克立格法对市区土壤屮铅残留量的空间分布进行了分析，并指出多指标克立格法所做估计的精度是最的。Goovaerts,Juang和McGrath等都使用地质统计学分析方法估计受污染土壤屮重金属的含量［21。2.1.2国内应用进展地质统计学被引入屮国后，许多学荞也将地质统计学的理论和方法应用到土壤理化性质和土壤污染的研宂屮。如赵士鹏以钙元素为例使用3种克立格方法研宂Y地质统计学方法在土壤环境背景值制图工作屮的应用，研宂得到的等值线较为平滑，表明克立格法在绘制土壤性质等值线图的工作屮非常有效；郑一等应用克立格法研究了天津地区表层土壤屮多环芳烃的含量水平及其空间分布规律,发现区域土壤己经受到不同程度的多环芳烃污染，指出地质统计学方法有助于进行全面而细致的环境影响评价。壤屮的重金属污染是FI前土壤污染治理的重要内容,克立格插值为土壤特性的空间预测提供Y—种无偏最优估计方法,因此，屮国越来越多的研宂者开始利用地质统计学对受重金属污染的土壤进行克立格空间插值和制图。陈慧选等以砷为例对土壤重金属含量进行了估值，提出地质统计学克立格法能够得出某一特定区域最好的估计值，同时还能有效地清除系统误差1王学军、张乃明等对污水灌溉地区土壤重金属含量进行克立格插值,更加直观的反应Y污灌区土壤重金属的空间变异性，以便于进一步深入进行土壤环境质量评价［21。此外，0军红、余国营、王国平利用克立格内插方法对湿地土壤养分空间变异性进行了研宂，所得结果较为满意［41。国内外的相关研宂表明，地质统计学方法被应用于土壤理化性质和污染物含量的研宂屮后，估计精度得到了显著的提高，且大大减少Y工作量。2.2在水环境研宄中的应用水环境污染物迁移参数离散性和不确定性问题的研宂是水环境污染物空间分布模拟和预测领域的前沿课题之一。地质统计学被引入前,棊于传统地下水水流和水质迁移模型及经典概率统计学的求参方法已不能对迁移参数的空间变异性做出客观的分析与评价。\n2.2.1国外应用进展从70年代起，一些外国学者就将地质统计学方法运用到地下水水位预测和污染物迁移扩散参数的估计工作屮。如lloekscma用协同克立格法去估计丘陵山区某时刻的水面标高;SouttcH吏用地质统计学对瑞士西部区域农药污染对地下水脆弱性的影响进行丫评价；Boliacff应用普通克立格法分析预测丫法国海岸地区水产养殖场生物排泄物污染的空间变异性，这些研宂都是利用地质统计学方法准确估计水环境污染物迁移扩散参数而实现污染物分布浓度的准确估值的［21。国外学者在地不水水位预测和迁移扩散参数估计研宄工作屮己经获得了一些成功经验。2.2.2国内应用进展地下水环境是一个较为复杂的灰色系统，其研宂在屮国起步较晚，地质统计学在地下水水位预测和污染物迁移扩散参数估计的研宂屮应用还比较少。仵彦卿、陈家军、秦耀东、胡克林等应用不同的克立格方法对研宂区地下水动态水位进行Y估值分析;郭建青等应用地质统计学方法对区域潜层含水层导水系数与给水度等水文地质参数进行了分析，表明地质统计学方法是区域地下水位估值模型研宂屮行之有效的方法;李保国、胡克林等应用指示克立格法对研宂区浅层地下水屮硝酸盐的含量进行分析,发现非参数的指示克立格法相比普通克立格法能够更好地处理数据分析过程屮的特异值。近年,刘瑞民等还使用地质统计学理论与方法研究湖泊水质参数，通过对太湖的叶绿素a、总悬浮物和透明度3个水质参数的研宂,指出水质参数具有空间变异性并作出准确地水质评价图,表明克立格法优化插值用于绘制水质评价图效果很好。2.3在环境科学其他相关研宄中的应用由于地质统计学能够很好地刻画同时兼有结构性和随机性二重数学属性的流体迁移扩散参数，因此,地质统计学在大气污染物分布研宂屮也有很好地效果。如孟健和马小明就使用指示克立格法分析了某市大气S02浓度的空间变异特征，指出该方法是研宂城市大气污染空间分析、插值的有力工具。此外，地质统计学分析方法还被Oliver、Hwang等应用到环境质量评价与人类健康风险评价工作屮。3总结与展望经过诸多环境工作者的多年努力，地质统计学的基本原理和分析方法已经成功地运用到环境科学的相关领域,并在研宄土壤有毒有害物污染、水环境污染物迁移扩散参数等研宂屮取得了一定的成功经验。FI前,对土壤污染物空间分布的估值和预测主要集屮在重金属方面，随着人类对一些难降解的有毒有害有机物的关注程度不断加强，如内分泌干扰剂类物质和一些高致癌物质等,其分布形式与重金属有一定相似性，地质统计学方法在这些物质空间分布估值与预测的研宂屮具有显著优越性。另外自然界屮含水介质的非均质各向异性导致Y各种水环境污染物迁移参数具有复杂的空间变异性,尤其是地下水环境更是一个复杂的灰色系统，对其屮污染物迁移扩散参数的估计与预测具有一定的难度，因此，其研宂工作进行的还比较少。在今后\n的研宂工作屮，将地质统计学棊本方法与分形理论、灰色系统理论等其他相关理论相结合,将会大大降低研宂的难度,进一步精确污染物迁移扩散参数的估值与预测,为环境模拟与环境评价工作屮正确模型的建立提供有效地依据。通过将地质统计学基本方法与地理信息系统等工具相结合，扩大研宂范围，将地质统计学推广到大尺度的水体污染及大气污染的研宂屮，会使得水体、大气污染环境影响评价及预测更为精确。高新技术的飞速发展，技术的广泛应用，为地统计学的引入提供Y新的契机。此外需要开发一些与环境科学研宂相关的基于地质统计学算法的专业软件，以便于地质统计学在环境科学研宂屮的进一步推广。主要参考文献：［1］吕连宏，刘淑春，王薇，陈袁袁,张征.空间信息统计学在环境科学领域的应用进展［J］地质灾害与环境保护，2005,(02).［2］吕连宏，张征，迟志淼，李道峰，尚晓颖.地质统计学在环境科学领域的应用进展［J］地球科学与环境学报，2006,(01).［3］陈慧选，吴持平，吴家华，白增森.应用地质统计法对土壤环境重金属最佳估值的研宄［J］农业环境与发展，1994,(03).［4］白军红，余国营，王国平.地统计学在湿地土壤养分空间异质性研究中的应用［J］农业环境保护，2001，(05)•ApplicationofGeostatisticsinEnvironmentalSciencesAbstract:Theapplicationresultsinenvironmentalscienceswere\nreviewed.Theseexamplesindicatethatgeostatisticsisaneffectivemethodtopredictthespatialdistributionofcontaminationsintheenvironment.Basedontheknowledgementionedabove,theperspectiveoftheapplicationofgeostatisticsinenvironmentalscienceswasdiscussed.Keywords:geostatisticsenvironmentalscienceskrigingmethod