王際焱，邵瑞華

（西安工程大學，陜西 西安 710600）

1 引言

延河是黃河的一級支流，位于陜西省延安市中部，流經(jīng)延安市安塞區(qū)、寶塔區(qū)和延長縣3個縣（區(qū)），全長286.9km，流域總面積7 725km2[1]其水質(zhì)好壞直接關乎著黃河水質(zhì)及延安人民飲用水安全。近年來延安市政府高度重視延河流域水污染治理，一定程度上保障了淡水資源水質(zhì)的穩(wěn)定。但根據(jù)《中國環(huán)境狀況公報》顯示，延河時常出現(xiàn)在全國地表水考核斷面水環(huán)境質(zhì)量狀況排名后30位城市中，說明延河流域水環(huán)境仍存在一定程度的污染。因此，對延河水質(zhì)分析評價，把握延河流域水質(zhì)污染的現(xiàn)狀，分析今后水質(zhì)因子發(fā)展方向，對延河流域水污染的防治具有重要意義。根據(jù)《陜西省水環(huán)境功能區(qū)劃》規(guī)定，延河水質(zhì)在延長縣七里村鎮(zhèn)以上執(zhí)行國家地表水標準（GB 3838－2002）Ⅲ類標準，在延長縣七里村鎮(zhèn)以下執(zhí)行Ⅳ類標準[2]。本研究根據(jù)國內(nèi)外其他地區(qū)水質(zhì)分析與預測的經(jīng)驗，對近年延河水質(zhì)指標作出評價及預判，旨在為延河流域水污染防治提供可行性和科學性參考理論。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

此次研究工作的監(jiān)測周期為3年（2019年-2021年），采樣時間為每月10日前后。采樣地點選定延河流域9個控制斷面，其基本屬性信息如表1所示，控制斷面設置分布如圖2所示。采樣方法參照《地表水水環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》（SL219-98）執(zhí)行。測定方法參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）執(zhí)行。

圖2 控制斷面分布圖

表1 控制斷面基本信息

2.2 分析方法和評價因子

對《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）中規(guī)定的24項指標進行采樣監(jiān)測[3]，其中酸堿度（pH）、水溫、透明度現(xiàn)場直接測定，DO、電導率通過便攜式快測儀測定，其余水質(zhì)指標帶回實驗室分析測定。通過對比分析監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)監(jiān)測指標符合延河水域功能區(qū)劃標準，故選取河流評價中常見監(jiān)測項目作為評價因子[4-5]，分別為：溶解氧（DO）、高錳酸鉀鹽指數(shù)（CODMn）、5日生化需氧量（BOD5）、氨氮（NH4-N）、總 磷（TP）、總 氮（TN）、氟化物等7項水質(zhì)指標。由于溫度對DO影響很大，相比之下氟化物對DO影響較小[6]，所以在預測模型中用溫度替換氟化物指標。

2.3 水質(zhì)評價方法

2.3.1 單因子指數(shù)評價法

單因子指數(shù)評價法是當前國標中明確規(guī)定的水質(zhì)評價的方法。單因子指數(shù)評價法是將水質(zhì)指標實測值（Pi）與該流域水質(zhì)指標規(guī)定標準值進行比較，從而確定各個指標的水質(zhì)類別，以最差的水質(zhì)類別作為監(jiān)測斷面的水質(zhì)類別[7]。由于單因子評價法具有計算簡便，方便理解的優(yōu)點，而被廣泛應用。

單因子評價法可表示為：

式中：Pi為第i種污染物的單因子指數(shù)；Ci為水體中第i種污染物的實際濃度值，mg/L；C0為水體中第i種污染物的標準濃度值，mg/L；對于pH，其單因子指數(shù)按下面的公式計算：

式中：PpHj為j斷面的pH單因子指數(shù)；pHj為j斷面的pH監(jiān)測值；pHsd為評價標準中規(guī)定的pH下限；pHsu為評價標準中規(guī)定的pH上限；對于DO，其單因子指數(shù)采用下面公式計算：

式中：PDOj為j斷面的DO單因子指數(shù)；DOf為飽和溶解氧濃度，mg/L；DOj為j斷面的溶解氧監(jiān)測值，mg/L；DOs為評價標準中規(guī)定的溶解氧值，mg/L；T為j斷面的水溫監(jiān)測值，℃。

2.3.2 水質(zhì)綜合污染指數(shù)法

水質(zhì)綜合污染指數(shù)法具有分析簡單的特點，能夠彌補單因子指數(shù)法過于苛刻、過于片面等不足，并且對延河各斷面水功能達標或超標程度有良好的判別能力[7]。水質(zhì)綜合污染指數(shù)通常以單項污染指數(shù)為基礎，將各指標的單項污染指數(shù)通過算術平均法、加權平均法、連乘法或指數(shù)法等得到綜合污染指數(shù)（P），根據(jù)P值的范圍來評價分析綜合水質(zhì)狀況[8]，水質(zhì)綜合污染指數(shù)等級劃分標準[7]如表2所示。

表2 綜合水質(zhì)類別判定標準

此次研究采用算術平均法進行計算，公式如下：

式中：Pj為j斷面的綜合污染指數(shù)；i為延河i水質(zhì)指標；Pij為j斷面i水質(zhì)指標的污染指數(shù)；j為延河監(jiān)測斷面編號；P為延河m個監(jiān)測斷面的綜合污染指數(shù)；m為延河監(jiān)測斷面總數(shù)。

2.4 預測方法

DO是評價水質(zhì)的重要指標之一，也是水體凈化的重要因素之一，溶解氧高有利于水體中各類污染物的降解，從而使水體較快得以凈化；反之，溶解氧低，水體中污染物降解較緩慢，表明污染程度嚴重[9]。

本研究選取BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型，將CODMn、BOD5、NH4-N、TP、TN、溫度作為輸入變量對DO進行預測，旨為研究DO提供新的思路。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡是應用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡之一，屬于前向多層反向誤差傳播學習算法，由輸入層，隱藏層和輸出層組成，通過正向與反向傳播的過程訓練數(shù)據(jù)。即當輸入層輸入一個學習樣本時，該層的神經(jīng)元通過激活函數(shù)激活，經(jīng)各隱含層傳遞到輸出層，在輸出層的神經(jīng)元獲得隱含層的輸入響應后，按照減少網(wǎng)絡輸出值與實際輸出樣本之間誤差的方向，反向從輸出層反饋到輸入層，通過這種誤差逆向傳播修正的反復進行，不斷優(yōu)化各鏈接權值、閾值[10]，進而使預測值逼近真實值。

本文假設DO的濃度和前面監(jiān)測的6項水質(zhì)指標有關，對162個數(shù)據(jù)進行整理，7個數(shù)據(jù)一組，每組前6個數(shù)據(jù)作為輸入變量，第7個數(shù)據(jù)作為輸出變量[11]。取2019—2020年和2021年1—3月份共146組水質(zhì)數(shù)據(jù)作為訓練集，取2021年3—6月份16組水質(zhì)數(shù)據(jù)作為驗證集，將得到的DO預測值與實測值進行誤差對比分析，驗證BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡預測延河水質(zhì)指標的準確性。

本網(wǎng)絡取一個隱含層，其中輸入層到隱含層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)為tansig，隱含層到輸出層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)為purelin，默認的訓練函數(shù)為trainlm[12]。隱含層神經(jīng)元個數(shù)根據(jù)經(jīng)驗公式多次驗證，得出取最優(yōu)值13時BP神經(jīng)網(wǎng)絡具有較小的訓練誤差和較好的逼近能力。學習速率取0.01，迭代次數(shù)設置為1000次，目標精度為0.00001。BP神經(jīng)網(wǎng)絡運行性能圖如圖1所示。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡運行性能圖

3 結果分析

3.1 水質(zhì)評價

3.1.1 單因子污染指數(shù)評價

單因子指數(shù)法是最簡單的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，沒有標準量綱[13]。通過對單因子指數(shù)Pi值和數(shù)量值1比較，可確定出延河流域中的各評價斷面水質(zhì)是否超標、主要污染因子和超標率。當Pi大于1時，說明該水質(zhì)因子己超過標準，水質(zhì)受到污染[9]。Pi指數(shù)越大，表示該水質(zhì)指標對斷面水質(zhì)的污染程度越重，反之則越輕。

（1）時間

表3、表4和表5分別為2019年、2020年和2021年各監(jiān)測斷面水質(zhì)年均值的單因子污染指數(shù)評價結果，可以看出近3年各斷面評價結果幾乎全部超過了規(guī)定等級，并且可以直接明了的看出主要污染因子為TN和TP。其中，在2019年各個斷面的TN全部超標，超標最嚴重的是甘谷驛斷面，高達500%，在2020年和2021年，TN超標的斷面占比為88%。

表32019 年單因子污染指數(shù)

表42020 年單因子污染指數(shù)

表52021 年單因子污染指數(shù)

（2）地域

9個監(jiān)測斷面分別分布在延河流域延安段的上游、中游和下游，其中S1馬鞍橋斷面處在上游段，S2安塞區(qū)城區(qū)下游、S3上李家灣、S4石窯村、S5朱家溝、S6甘谷驛和S7延長楊家灣處于中游段，S8譚家河和S9閻家灘位于下游段。

從圖3和圖4反映的地域分布來看，中下游TN、TP污染要高于上游，從時間變化來看，2021年TN、TP含量要明顯少于2020年和2019年。若去除TN和TP，則延河流域水質(zhì)除個別因子外基本達標，可以看出單因子評價法過于苛刻，結果過于悲觀。由于水環(huán)境的復雜性，水環(huán)境中往往存在著多種污染物，需要多種水質(zhì)指標來反映水質(zhì)狀況，因此，單因子指數(shù)法具有一定的局限性。

圖3

圖4

3.1.2 水質(zhì)綜合污染指數(shù)

觀測水質(zhì)綜合污染指數(shù)表（表6）可知，2019年只有下游兩個斷面沒有受到污染，基本達標率僅為22%；2020年中游兩個斷面處于污染狀態(tài)，基本達標率為77%；2021年下游兩個斷面基本達標，其余斷面全部達標，基本達標率為100%。綜合三年期間延河整體水質(zhì)情況來看，2019年處于污染狀態(tài)，2020年處于基本達標狀態(tài)，2021年處于達標狀態(tài)。通過水質(zhì)綜合污染指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，2020年和2021年水質(zhì)達標率要顯著高于2019年水質(zhì)達標率，說明延河水質(zhì)有明顯好轉(zhuǎn)趨向，同時表明延安市政府在新冠疫情大流行的環(huán)境下，既保證了化工企業(yè)正常運轉(zhuǎn)，又很好的做到了流域污染防控。

表6 各斷面近年來水質(zhì)綜合污染指數(shù)

3.2 水質(zhì)預測

圖5為DO實測值與BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測值差值對比，圖中期望值代表實測值，可以看出BP神經(jīng)網(wǎng)絡在對DO進行預測時，前幾次誤差相對較大，但經(jīng)過多次調(diào)試和迭代后將均方差降到較低水平，到最后誤差值趨于平穩(wěn)，在0左右波動，DO的整體擬合值和實際值變化趨勢一致。通過分析相對誤差可知（表7），16個預測值最大誤差值為35.6%，最小誤差值為1%，平均誤差為10.3%，去掉一個最大誤差和最小誤差后，平均誤差為9.1%，預測結果在可接受范圍內(nèi)。

表7 相對誤差分析表

圖5 實測值與預測值對比

誤差收斂曲線圖中（圖6）橫坐標是迭代次數(shù)，縱坐標是誤差精度，也就是訓練集的實際值和預測值的均方差，由圖可知，在剛開始運行的時候，均方差成直線式下降，速度非?？欤S后速度減緩，直到在迭代500次左右后趨于平緩，在第1 000次迭代時取得最小誤差精度0.005 468 9。

圖6 誤差收斂曲線

預測值Y和實測值T之間的線性關系用相關系數(shù)R表示，如圖7。其中實測值經(jīng)過歸一化處理，均在[-1，1]區(qū)間。預測值與實測值之間的線性函數(shù)為Y=0.94T+0.022 9。若R趨近于1，則表示在輸出和實測值之間有一個精確的線性關系；反之，若R趨近于0，那么說明輸出值與實測值之間不存在明顯的線性關系。本次試驗得到的相關系數(shù)R=0.970 7，也就是說BP網(wǎng)絡的訓練性能較為理想。

圖7 預測值和實測值相關系數(shù)

4 結論

（1）通過單因子污染指數(shù)方法得到延河水體中主要污染物為TN和TP，通過綜合污染指數(shù)法評價得出2021年綜合水質(zhì)要好于前兩年，延河水質(zhì)總體有好轉(zhuǎn)趨勢。對比兩種評價方法可知，應用不同的評價方法給出的評價結果也不同：單因子污染指數(shù)法評價得出延河歷年各斷面水質(zhì)達標率很小，而用水質(zhì)綜合污染指數(shù)法評價達標率要明顯高出很多，可以較為客觀的評價出水體水質(zhì)狀況。同時，無論用哪種辦法都可以看出，延河確實還存在一定污染，需要有關部門長期堅持不懈的治理，尤其要注重控氮和控磷。

（2）通過建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡水質(zhì)預測模型，利用延河流域其他污染因子，對DO進行預測。得出DO與其他因子的相關系數(shù)為0.970 7，具有較強的相關性，誤差收斂速度較為理想，在1 000次迭代后達到最優(yōu)值，將DO預測值與實測值相比較，發(fā)現(xiàn)變化趨勢基本符合，最小誤差為1%，去掉一個最大誤差和最小誤差后，平均誤差為9.1%，預測結果在可接受范圍之內(nèi)，具有一定的可靠性，可以為日后將深度學習理論引入到延河水質(zhì)預測管理領域提供理論支撐。□