AI与大数据在水环境中的应用案例

02夜光藻赤潮的环境影响因素及预测研究中国经济社会大数据研究平台/大数据数据来源研究背景近年来赤潮的频繁发生和规模的不断扩大，严重破坏了海洋生态系统的平衡、渔业资源和海产养殖业，赤潮毒素也严重威胁着人类的生命安全。我国沿海共发生赤潮73次，12次造成灾害，直接经济损失20.15亿元我国管辖海域共发现赤潮68次，累计面积7484平方千米我国沿海共发生赤潮56次，累计面积7290平方千米。我国沿岸海域共发生赤潮35次，累计面积2809平方千米我国沿海共发生赤潮46次，有毒赤潮7次20122013201420152016夜光藻赤潮是我国赤潮发生频率较高的种类之一。夜光藻虽然本身不含毒素，但由于它形成赤潮时，大量的夜光藻粘附于鱼鳃上，阻碍了鱼类呼吸导致鱼类窒息死亡；同时夜光藻死亡分解过程中所产生的尸碱和硫化氢，使海水变质，危害水体生态环境。此外，它还能渗透出高浓度的氨和磷，不利于海产养殖业的发展。因此，研究赤潮发生机理，有效预测和防治赤潮发生迫在眉睫。研究背景夜光藻赤潮的环境影响因素赤潮的发生是各种生物、化学、物理因素的综合作用结果，且不同海域有着不同的赤潮藻类，影响赤潮发生的主要影响因子也不尽相同。大量研究表明，海水的富营养化状况与赤潮的发生概率有着密切的关系，水文气象和海水理化因子是诱发赤潮发生的重要原因。在此研究水温、溶解氧、盐度、总氮、可溶性无机磷、浮游植物密度等环境因素与夜光藻密度的关系，夜光藻密度越大越容易发生赤潮，为夜光藻赤潮的预测和防治提供依据。通过数据图表，无法直观看出环境因素与夜光藻赤潮的关系。运用相关性分析和多元线性回归研究水温、溶解氧、盐度、总氮、可溶性无机磷、浮游植物密度等环境因素与夜光藻密度的定量关系。STEP1STEP2STEP3STEP4选择相关性分析——相关系数；选择时间：1989年~2015年；选择地区：中国；设置指标：夜光藻密度、水温、溶解氧、盐度、总氮、可溶性无机磷、浮游植物密度。结果及结果分析夜光藻赤潮与环境因素的相关性分析相关系数矩阵表根据相关系数矩阵表得，浮游植物密度和可溶性无机磷与夜光藻密度呈负相关，说明浮游植物密度和可溶性无机磷越高，越不利于夜光藻赤潮的发生，营养物质磷是赤潮藻类生长的限制性因子；而溶解氧、水温、盐度、总氮与夜光藻密度呈正相关，说明溶解氧、水温、盐度、总氮越高，越有可能导致赤潮的发生。其中，可溶性无机磷、总氮与夜光藻密度的相关性较高，相关系数分别为-0.58996、0.49462；而水温与夜光藻密度的相关性很低，相关系数为0.14155。夜光藻赤潮与环境因素的线性回归分析以夜光藻密度为被解释变量，水温、溶解氧、盐度、总氮、可溶性无机磷、浮游植物密度等环境因素为解释变量，运用线性回归进一步研究夜光藻赤潮与环境因素的数量关系。运用不同的解释变量组合构建模型，根据结果选择最优模型。夜光藻赤潮与环境因素的线性回归分析经过多个模型的比较，最终以可溶性无机磷、总氮、浮游植物密度为解释变量的模型较优。但是，调整R^2=0.453，说明该回归方程对夜光藻密度的拟合效果不是特别好，则夜光藻赤潮与环境因素有更加复杂的关系，仅用线性回归无法刻画。基于判别分析的夜光藻赤潮预测

采用判别分析，根据各环境因素和夜光藻密度的历史数据，判别新的数据是否发生赤潮。历史数据取26组数据为训练样本，包括3类：1类为赤潮样本，2类为赤潮前样本，3类为正常样本。然后对其余第27组、第28组数据进行判别归类，判断其是否发生赤潮。基于判别分析的夜光藻赤潮预测对变量进行筛选，根据待引入变量表，在第一步中环境因素水温的判别F值最大，且判别F>Fin，引入环境因素水温，同理依次引入环境因素可溶性无机磷、盐度、溶解氧；根据待剔除变量表，发现在每一步中最小的判别F>Fout，即没有变量剔除。综上，最终用来进行判别分析的环境因素为水温、可溶性无机磷、盐度、溶解氧，这四个变量的判别作用较大，其余变量的判别作用低微。基于判别分析的夜光藻赤潮预测根据判别效果表发现

F统计量>F0.05，说明两两类别间均值在显著性水平0.05下具有显著性差异，即赤潮发生前、赤潮发生、未发生赤潮时的环境因素和夜光藻密度间的差异较大，所以能采用判别分析对夜光藻赤潮进行预测。采用逐步判别分析对26组训练数据的分类情况进行回判，除第14组、第22组、第26组数据的判别分类与原始分类结果不一致外，其余均一致，即判别分析的判对率为88%，说明模型效果较好。用训练的判别模型对第27组、第28组数据进行归类得到第27组归为第2类，即为赤潮前情况；第28组归为第1类，即为发生赤潮情况。结论运用相关性分析和线性回归分析，研究水温、溶解氧、盐度、总氮、可溶性无机磷、浮游植物密度等环境因素对夜光藻赤潮的影响；运用逐步判别研究环境因素和夜光藻密度历史数据，并判别新数据是否会发生夜光藻赤潮。得到以下结论：（1）根据相关性分析得，浮游植物密度和可溶性无机磷与夜光藻密度呈负相关，说明浮游植物密度和可溶性无机磷越高，越不利于夜光藻赤潮的发生，营养物质磷是赤潮藻类生长的限制性因子；而溶解氧、水温、盐度、总氮与夜光藻密度呈正相关，说明溶解氧、水温、盐度、总氮越高，越有可能导致赤潮的发生。结论（2）根据线性回归分析得，浮游植物密度、可溶性无机磷、总氮对夜光藻密度的线性关系显著。其中，当可溶性无机磷增加1mol/L，夜光藻密度每立方米减少989979个；总氮增加1mol/L，夜光藻密度每立方米增加136830个；浮游植物密度每立方米增加10^4个，夜光藻密度每立方米增加1238个。但是，夜光藻赤潮与环境因素有更加复杂的关系，仅用线性回归无法刻画。