郗梓添
(遼寧省阜新水文局,遼寧 阜新 123000)
在我國(guó)水資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中不容忽視的關(guān)鍵問(wèn)題為地表水質(zhì)問(wèn)題,可利用水資源不足和地表水污染隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)已成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。流域水資源廣泛應(yīng)用于農(nóng)林灌溉、工業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè),其水質(zhì)狀況將直接影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展與水資源的開(kāi)發(fā)利用。另外,地表水資源可持續(xù)利用受自然環(huán)境和多種人為因素影響面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。所以,在時(shí)空維度上獲取流域水環(huán)境污染物的變化信息綜合評(píng)價(jià)其地表水質(zhì)狀況,對(duì)于全面控制流域水污染物、水資源管理等具有重要意義。
我國(guó)關(guān)于河流水質(zhì)評(píng)價(jià)的研究最早開(kāi)始于20世紀(jì)80年代,其中水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、主成分分析法、模糊數(shù)學(xué)法、聚類(lèi)方法、灰色系統(tǒng)理論以及單因子評(píng)價(jià)法等為地表水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的常用方法[1-5]。然而,這些方法在評(píng)價(jià)分析高維度、多斷面的流域尺度水質(zhì)樣本時(shí)通常具有一些不足之處,具體為:污染指數(shù)法和單因子評(píng)價(jià)法容易出現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果極化現(xiàn)象;集對(duì)分析理論、灰色系統(tǒng)法和模糊數(shù)學(xué)法等自動(dòng)化水平較低,且在確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)考慮得不夠系統(tǒng)、全面;傳統(tǒng)的聚類(lèi)方法在水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)研究中往往難以準(zhǔn)確體現(xiàn)樣本的整體拓?fù)潢P(guān)系,為解決單一方法存在的可靠性較低問(wèn)題通常采用幾種方法相結(jié)合的方法。水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)、PCA主成分分析以及SOM自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等在流域水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)中越來(lái)越引起研究者的關(guān)注。SOM可通過(guò)自組織聚類(lèi)映射作用保留初始向量特征的拓?fù)潢P(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)高維數(shù)據(jù)的低維空間可視化轉(zhuǎn)換處理;在評(píng)價(jià)水質(zhì)過(guò)程中PCA法可通過(guò)選擇相互獨(dú)立的水質(zhì)評(píng)價(jià)因子綜合反映多變量的主要信息,且可對(duì)比分析不同區(qū)域的水質(zhì)條件;水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)能夠?qū)α饔蛩|(zhì)狀況進(jìn)行定量、客觀的總體表征[6-8]。因此,本文依據(jù)大凌河流域2016年1月—2017年11月12個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的月尺度數(shù)據(jù)資料,對(duì)流域地表水質(zhì)時(shí)空變化特征利用PCA法和SOM-Kmedoids算法進(jìn)行研究,在此基礎(chǔ)上鑒別了流域水環(huán)境在近2a內(nèi)受自然環(huán)境與人類(lèi)因素的影響作用,對(duì)水質(zhì)狀況利用標(biāo)識(shí)指數(shù)法進(jìn)行定量、客觀地評(píng)價(jià),以期為大凌河流域水污染控制和水資源管理提供決策依據(jù),為全面、客觀地揭示地表水質(zhì)變化規(guī)律和水環(huán)境承載力提供參考。
大凌河流域景觀變化比較劇烈、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度較快,不僅是遼寧省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域,而且在促進(jìn)人水和諧發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮著重要作用。流域全長(zhǎng)398km,總面積2.35萬(wàn)km2,各支流縱橫交錯(cuò)主要有牤牛河、老虎山河、涼水河、西河等支流,在促進(jìn)區(qū)域工農(nóng)業(yè)發(fā)展和保證居民生活用水等方面具有不可替代的作用。屬于溫帶季風(fēng)氣候,四季分明,冬冷夏熱,日照充足,年均氣溫為8.0~12.6℃,年降水量在450~600mm之間。在時(shí)空分布上降水量極不均衡,其中65%以上降水發(fā)生在汛期(7—8月)且多以強(qiáng)降雨形式出現(xiàn),流域內(nèi)洪澇災(zāi)害頻繁且造成的經(jīng)濟(jì)損失和綜合社會(huì)影響不斷增大。大凌河?xùn)|南與渤海相鄰,水源面積較大降水量較為充足,而西北區(qū)域降水較少并且風(fēng)沙干旱現(xiàn)象較為頻繁。統(tǒng)計(jì)資料顯示,流域內(nèi)約65%以上的區(qū)域?qū)儆跇O度或重度缺水狀態(tài),且已經(jīng)具有較高的水資源開(kāi)采程度。另外,為滿足區(qū)域發(fā)展和各行業(yè)用水需要,流域水資源被過(guò)渡開(kāi)發(fā)利用致使地下水位與地表水持續(xù)下降。近年來(lái),大凌河朝陽(yáng)段、凌源至喀左段等部分河段的水環(huán)境污染嚴(yán)重,其中超過(guò)Ⅲ類(lèi)地表水質(zhì)的因子主要有揮發(fā)酚、BOD5和COD,對(duì)流域內(nèi)的生態(tài)平衡和水文循環(huán)構(gòu)成潛在的威脅[9-11]。
為全面評(píng)價(jià)大凌河地表水質(zhì)總體狀況,在流域內(nèi)重點(diǎn)水庫(kù)、主要支流和干流處選取12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,主要有大凌河沈家洼子段1、上窩堡段2、朝陽(yáng)段3、義縣段4、凌海段5、大凌河西支哈巴氣段6、牤牛河建平段7、涼水河子段8、牤牛河迷力營(yíng)子段9、西河復(fù)興堡段10、細(xì)河海州段11、小嶺子河段12。對(duì)各河段編碼利用首字母表示,即西源支流為X、南源支流為N、大凌河干流為G,然后對(duì)各斷面的水污染因子進(jìn)行監(jiān)測(cè),其中各監(jiān)測(cè)斷面的月均值數(shù)據(jù)由遼寧省水利廳水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站提供,監(jiān)測(cè)時(shí)間為2016年1月—2017年11月,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取方法和統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。
本文中流域水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)輸入層的8項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)由8個(gè)神經(jīng)元連接,采用六邊形、2維平面網(wǎng)格排列輸出層神經(jīng)元,然后對(duì)SOM初次聚類(lèi)簇中心的二次聚類(lèi)利用SOM-Kmedoids算法實(shí)現(xiàn),最終分類(lèi)利用DB指數(shù)最小自動(dòng)化確定。變量位面Vp和距離矩陣U-為模型輸出主要內(nèi)容,其中對(duì)象集合和全部變量之間的半定量關(guān)系可通過(guò)U-矩陣描述,而全部對(duì)象的各變量分布可根據(jù)單個(gè)變量位面表征。因此,對(duì)內(nèi)部對(duì)象之間和評(píng)估變量之間的關(guān)系可利用變量位面與U-矩陣實(shí)現(xiàn)科學(xué)、有效的評(píng)價(jià)。
(2)PCA分析法。為反映事物的多個(gè)變量通常需要收集整理大量的關(guān)于事物在該領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)信息,從而準(zhǔn)確揭示其變化規(guī)律。多變量大樣本不僅能夠降低分析難度,而且為科學(xué)研究提供了必要的數(shù)據(jù)資料。PCA分析法主要是把多個(gè)指標(biāo)利用降維的方法綜合為幾個(gè)重要參數(shù),即利用各主成分來(lái)描述原始數(shù)據(jù)變量信息??筛鶕?jù)主成分貢獻(xiàn)率確定初始數(shù)據(jù)的時(shí)間變化特征和地理空間分布規(guī)律[7],本文依據(jù)研究期間的12處水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面的主成分貢獻(xiàn)率,通過(guò)可視化處理綜合評(píng)價(jià)流域地表水的總體狀況。
(3)水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)。水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法因理論清晰、計(jì)算簡(jiǎn)便等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于水環(huán)境評(píng)價(jià)方面,其中單因子評(píng)價(jià)法只考慮了單項(xiàng)指標(biāo)的影響作用,在綜合評(píng)價(jià)時(shí)其應(yīng)用受到一定限制,并且該方法無(wú)法量化對(duì)比水體在同一等級(jí)中的狀況。水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法通過(guò)統(tǒng)計(jì)和歸納數(shù)學(xué)意義上的各類(lèi)污染指數(shù)全面評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量狀況,從而在所有污染物指標(biāo)中得出一個(gè)能夠反映水質(zhì)總體水平的數(shù)值。該方法能夠體現(xiàn)多個(gè)指標(biāo)與流域整體水環(huán)境之間的關(guān)系,可對(duì)比分析相同時(shí)期不同區(qū)域的水質(zhì)狀況。本文中河流水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的主要依據(jù)為基于單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)改進(jìn)的綜合指數(shù)法[13-14],受文章篇幅限制不再詳細(xì)介紹其計(jì)算流程,具體見(jiàn)文獻(xiàn)資料[15-16]。
在2016年1月—2017年11月期間對(duì)大凌河流域12個(gè)主要斷面的月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集共276個(gè)樣本利用SOM-Kmedoids算法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后對(duì)神經(jīng)元個(gè)數(shù)按照聚類(lèi)分析結(jié)果和相應(yīng)公式確定為110個(gè)即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為11×10,按照現(xiàn)行初始化法作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程,選擇墨西哥草帽函數(shù)作為臨域核函數(shù),其搜索半徑為3,對(duì)樣本數(shù)據(jù)完成1000次迭代計(jì)算得到穩(wěn)定的自組織映射圖。在SOM顏色分布模式、距離和位置上各水質(zhì)參數(shù)顯示半定量關(guān)系特征。對(duì)存在相關(guān)關(guān)系的參數(shù)利用SOM圖可作出準(zhǔn)確判斷,其中DO和pH、CODMn和導(dǎo)電率、TP和NH3-N存在相互關(guān)系。采用Pearson系數(shù)對(duì)大凌河流域地表水質(zhì)8項(xiàng)參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表2相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果可知,呈現(xiàn)弱負(fù)相關(guān)性的參數(shù)為NH3-N與DO、導(dǎo)電率和溫度;存在弱正相關(guān)的參數(shù)為T(mén)P和濁度、DO和pH值,另外NH3-N、TP和pH值,TP、NH3-N和DO呈弱負(fù)相關(guān)性,而TP、NH3-N和導(dǎo)電率,NH3-N、TP和CODMn具有弱正相關(guān)性;存在顯著正相關(guān)的為T(mén)P和NH3-N??梢?jiàn),各水質(zhì)指標(biāo)的顯著相關(guān)性可通過(guò)各參數(shù)SOM進(jìn)行直觀的反映。
表2 基于SOM分析法的水質(zhì)參數(shù)相關(guān)系數(shù)
對(duì)大凌河流域12個(gè)主要斷面的276個(gè)水質(zhì)樣本利用SOM-Kmedoids算法進(jìn)行計(jì)算,其中群組的劃分按照最小化DB指數(shù)原則確定如圖1所示,其中DB最小值為1.26,然后將各水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本劃分為C1、C2、C3三種類(lèi)型如圖2所示。
圖1 DB指數(shù)分布圖
圖2 同類(lèi)神經(jīng)元分布及神經(jīng)元所屬聚類(lèi)
圖2顯示了各神經(jīng)元所屬的聚類(lèi)類(lèi)別,根據(jù)不同的顏色區(qū)分不同的群組,還可對(duì)所述類(lèi)組利用數(shù)字的形式進(jìn)行編號(hào),其中C1組主要包含大凌河沈家洼子段、上窩堡段、朝陽(yáng)段、義縣段、凌海段;C2組主要包含大凌河西支哈巴氣段、牤牛河建平段、涼水河子段、牤牛河迷力營(yíng)子段;C3組主要包含西河復(fù)興堡段、細(xì)河海州段、小嶺子河段。然后將水質(zhì)變化周期分為12月—次年3月、4—11月2個(gè)時(shí)段,分別代表1、3組和2組。相對(duì)于非汛期大凌河流域的流速、水量的變化較為顯著,因此流域汛期時(shí)間和水質(zhì)周期總體保持一致。
對(duì)各組指標(biāo)均值利用SOM聚類(lèi)統(tǒng)計(jì)并得到流域水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出,各組中CODMn和pH并未出現(xiàn)大的改變,受水文汛期影響導(dǎo)電率、濁度和溫度發(fā)生一定的變化且季節(jié)的改變對(duì)溫度存在影響,河流流速和流量對(duì)導(dǎo)電率與濁度的影響較為顯著,而在汛期水流多變的條件下濁度明顯增大;NH3-N和DO的變化幅度相對(duì)較小,單因子DO評(píng)價(jià)結(jié)果屬于Ⅰ類(lèi),由此表明大凌河流域具有較好的水體自凈能力;受水文汛期影響大凌河流域NH3-N值具有一定的波動(dòng),相對(duì)于其他因子波動(dòng)較為顯著的指標(biāo)為T(mén)P,單因子C3組評(píng)價(jià)結(jié)果屬于Ⅲ類(lèi),可見(jiàn)大凌河流域仍然具有P污染風(fēng)險(xiǎn)。
表3 各組指標(biāo)統(tǒng)計(jì)信息及評(píng)價(jià)結(jié)果
基于大凌河12個(gè)主要監(jiān)測(cè)斷面的267個(gè)水質(zhì)樣本集,在時(shí)空背景下對(duì)流域是否存在污染輸出變量利用主成分分析法進(jìn)行檢驗(yàn),其主要過(guò)程為:為確定能否進(jìn)行因子分析應(yīng)先利用Bartlett球體和KMO法檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集,Bartlett球體檢驗(yàn)結(jié)果顯示數(shù)據(jù)集各因子的顯著性概率為0,由此表明相關(guān)系數(shù)不是單位矩陣,可拒絕零假設(shè)并能夠用于因子分析;KMO法檢驗(yàn)結(jié)果為0.58769315,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)值低于0.6即可作為分析因子。主成分特征值的保留依據(jù)Kaiser-Harris準(zhǔn)則確定,其中主成分即為特征值大于1的因子,按照此原則確定本文中輸出主成分?jǐn)?shù)量共有3個(gè),見(jiàn)表4。
由表4主成分分析結(jié)果可知,對(duì)初始數(shù)據(jù)集的信息變量可通過(guò)使用3個(gè)主成分因子來(lái)表征,其中第一、二、三主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為23%、18%和15%,累計(jì)貢獻(xiàn)率為58%;主成分1和TP、NH3-N、電導(dǎo)率、溫度之間具有高度相關(guān)性,其中反映營(yíng)養(yǎng)鹽污染程度和水體環(huán)境變化的參數(shù)分別為T(mén)P、NH3-N與溫度,物理性指標(biāo)主要有電導(dǎo)率與溫度,解釋水體酸堿鹽量的參數(shù)為電導(dǎo)率指標(biāo);主成分2可用于解釋水體自凈能力主要與DO、pH值相關(guān),主成分3可反映有機(jī)物污染程度主要與CODMn、DO相關(guān)。對(duì)主成分得分系數(shù)利用主成分分析法進(jìn)行計(jì)算,從而得到主成分計(jì)算表達(dá)式如下:
(1)
大凌河流域各站點(diǎn)水質(zhì)時(shí)空變化特征可根據(jù)監(jiān)測(cè)斷面主成分得分確定,水質(zhì)污染物的時(shí)空變化規(guī)律可按照時(shí)空交叉分析確定。營(yíng)養(yǎng)鹽污染指標(biāo)可通過(guò)主成分1得分反映,水體富營(yíng)養(yǎng)化即為主成分1較高得分,研究表明冬季與春季階段為水體富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生的主要時(shí)期,并以大凌河下游海洲段、西河以及牤牛河支流最為顯著,其中1—3月的營(yíng)養(yǎng)鹽污染程度較高,而其他月份基本處于正常或較低水平。大凌河流域下游地區(qū)為空間分布上的代表性斷面,非汛期階段的冬春季水溫較低,且河流流量和水流速度均呈現(xiàn)出下降區(qū)域,相對(duì)于汛期階段該時(shí)期的水體自凈能力有所下降。另外,徑流人類(lèi)生活區(qū)時(shí)大凌河上游河段被排入生活污水,且在下游河段有排放不達(dá)標(biāo)的工業(yè)廢水,從而使得河流中氮磷含量偏高并造成富營(yíng)養(yǎng)化[17]。
表4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)主成分分析
水體的自凈能力可通過(guò)主成分2反映,結(jié)果顯示大凌河流域水體自凈能力正常且斷面水質(zhì)較好。春、秋和冬季為得分較高的時(shí)期,可見(jiàn)氣溫是影響主成分2得分的主要因素,水體中DO濃度隨天然水體環(huán)境溫度的增大而降低,另外DO的飽和度海域適宜環(huán)境下藻類(lèi)生物相關(guān),流域上游河段的得分較好且受人類(lèi)活動(dòng)影響較低,代表性斷面為牤牛河迷力營(yíng)子段、西河復(fù)興堡段;大凌河主干支流受工業(yè)生產(chǎn)污水排放和人類(lèi)生活影響較為顯著,各代表性斷面的得分較低,主要有北票涼水河段、朝陽(yáng)河段。
河流水體有機(jī)物污染可通過(guò)主成分3反映,其得分越高則河流水質(zhì)影響越顯著受有機(jī)污染程度越大。從整個(gè)流域分析,相對(duì)于其他月份得分較高的時(shí)段為4—9月份,并且在2017和2016年的變化不大,代表性斷面主要有大凌河下游入???、義縣段、凌海段等,該斷面主要分布在上游的低山丘陵區(qū)域,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和林區(qū)地表腐植物在汛期強(qiáng)降水作用下未被充分系數(shù),在地表徑流沖刷作用下牲畜糞便、農(nóng)藥和化肥殘留匯入河道,因此對(duì)于上游非點(diǎn)源污染應(yīng)引起相關(guān)部門(mén)的高度重視。
分別代用CWQII和SWQF統(tǒng)計(jì)分析研究期間23個(gè)月均水質(zhì)監(jiān)測(cè)樣本數(shù)據(jù)(見(jiàn)表4),從而更好的體現(xiàn)各站點(diǎn)的水質(zhì)狀況(見(jiàn)表5)。判斷水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面是否達(dá)到功能區(qū)水質(zhì)目標(biāo),可利用SWQF參數(shù)反映,為比較各斷面的水質(zhì)優(yōu)劣狀況,可利用CWQII分析。
對(duì)各斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)代表率按照斷面所在功能區(qū)劃水質(zhì)目標(biāo)等級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,從而得到23個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)樣本的SWQF達(dá)標(biāo)率。結(jié)果顯示,滿足水質(zhì)達(dá)標(biāo)率的斷面共有6處并且大部分位于人口稀少、縣市交界區(qū),該河段的自然植被條件良好,且人類(lèi)活動(dòng)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較低,研究表明在大凌河主干支流的水質(zhì)較高,近期水體受污染風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。斷面6、7、8超標(biāo)情況存在一定差異,其主要原因與TP、NH3-N指標(biāo)相關(guān),從而降低了水體的總體質(zhì)量,該斷面處于人類(lèi)生活聚集區(qū)易受工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排污和城鎮(zhèn)生活非點(diǎn)源污染影響,因此表現(xiàn)出間歇性的水質(zhì)超標(biāo)特征,而位于朝陽(yáng)段站點(diǎn)其超標(biāo)率要明顯高于上游斷面,可見(jiàn)河流徑流的城市排污可對(duì)水體環(huán)境造成較為顯著的影響[18]。
表5 大凌河各水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面評(píng)價(jià)結(jié)果
以CWQII評(píng)價(jià)中的各類(lèi)水質(zhì)類(lèi)比占比作為評(píng)價(jià)依據(jù),綜合評(píng)判大凌河流域12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)優(yōu)劣程度,其中斷面6為最優(yōu),其次為斷面2,而斷面12最劣,流域水環(huán)境總體處于Ⅱ~Ⅲ類(lèi)之間,由此表明大凌河流域地表水質(zhì)總體較好,該評(píng)價(jià)結(jié)果與單因子水質(zhì)評(píng)估結(jié)果基本保持一致??傮w來(lái)看,大凌河水質(zhì)從優(yōu)至劣依次為:主干支流、南源、西源和下游細(xì)河流域。
(1)呈現(xiàn)弱負(fù)相關(guān)性的參數(shù)為NH3-N與DO、導(dǎo)電率和溫度;存在弱正相關(guān)的參數(shù)為T(mén)P和濁度、DO和pH值,另外NH3-N、TP和pH值,TP、NH3-N和DO呈弱負(fù)相關(guān)性。相對(duì)于非汛期大凌河流域的流速、水量的變化較為顯著,因此流域汛期時(shí)間和水質(zhì)周期總體保持一致。
(2)對(duì)初始數(shù)據(jù)集的信息變量可通過(guò)3個(gè)主成分因子來(lái)表征,第一、二、三主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為23%、18%和15%,分別與營(yíng)養(yǎng)鹽污染指標(biāo)、水體自凈能力、河流有機(jī)污染物相對(duì)應(yīng)。
(3)大凌河下游入???、義縣段、凌海段主要分布在上游的低山丘陵區(qū)域,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和林區(qū)地表腐植物在汛期強(qiáng)降水作用下未被充分系數(shù),在地表徑流沖刷作用下牲畜糞便、農(nóng)藥和化肥殘留匯入河道,對(duì)于上游非點(diǎn)源污染應(yīng)引起相關(guān)部門(mén)的高度重視。