太湖流域水質(zhì)變化解析

汪麗娜 ，李 艷，陳曉宏

(1. 華南師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東廣州510631;2. 廣東商學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，廣東廣州510320;3. 中山大學(xué)水資源與環(huán)境研究中心，廣東廣州510275;4. 華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510275)

近20年來(lái)，我國(guó)湖泊水質(zhì)問(wèn)題日益嚴(yán)重［1］. 城市湖泊目前都已處于重富營(yíng)養(yǎng)或異常營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，絕大部分大中型湖泊均已具備發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的條件或處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，導(dǎo)致水量、水質(zhì)和水生態(tài)系統(tǒng)的巨大變化［2］. 以太湖梅梁灣為代表的重污染湖灣，其水污染的程度和范圍仍呈加重的趨勢(shì). 湖泊水體水質(zhì)的治理對(duì)于生態(tài)環(huán)境［3－4］、人類(lèi)生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有積極的意義. 近年來(lái)，在湖泊及其流域，政府積極實(shí)施了城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的戰(zhàn)略，大量農(nóng)村剩余勞動(dòng)力進(jìn)入城鎮(zhèn)，生活污染源使污染負(fù)荷迅速增加，如何保障湖泊流域人們的飲水健康成為該區(qū)域十分迫切的問(wèn)題.

太湖是我國(guó)第三大淡水湖泊，太湖正常水位下容積為44.3 億m3，平均水深1.89 m，最大水深2.6 m，多年平均年吞吐水量52 億m3，水量交換系數(shù)1.2，換水周期約300 天. 太湖具有蓄洪、供水、灌溉、航運(yùn)、旅游等多方面功能，是流域的重要供水水源地，不僅擔(dān)負(fù)著無(wú)錫、蘇州、錫山、吳縣、吳江、長(zhǎng)興、宜興、武進(jìn)市(縣)的城鄉(xiāng)供水，在太浦河開(kāi)通后，還將向上海供水并改善黃浦江上游的水質(zhì)，其供水服務(wù)范圍超過(guò)2 000 萬(wàn)人，占太湖流域總?cè)丝诘?5%.因此，本文解析太湖流域水質(zhì)現(xiàn)狀及其變化特征，探討富營(yíng)養(yǎng)化的治理措施. 利用國(guó)家環(huán)境保護(hù)部官方網(wǎng)站公布的2010—2011年太湖水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以國(guó)家地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，分析各項(xiàng)指標(biāo)的水質(zhì)類(lèi)別狀況，并結(jié)合FCM 算法，綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，判斷各斷面水質(zhì)類(lèi)別，從而深入了解太湖水質(zhì)惡化的主要影響因素，并為太湖水質(zhì)污染治理提供科學(xué)依據(jù).

1 研究方法

采用模糊C－means 聚類(lèi)算法和Pettitt 突變檢測(cè)法［5－7］，選取江蘇無(wú)錫沙渚、江蘇蘇州西山、浙江湖州新塘港和上海青浦急水港等4個(gè)斷面進(jìn)行分析，截取2010年2月28日—2011年2月20日的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析. 選取溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)以及氨氮含量(NH3－N)作為衡量水質(zhì)狀況的指標(biāo)值.

模糊C－means 聚類(lèi)算法是一種無(wú)監(jiān)督的聚類(lèi)算法，它是由Bezdek 在1973年提出的硬C 均值聚類(lèi)(FCM)方法改進(jìn)的算法. 該算法有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域［8－9］，其理論方法為:設(shè)X ={xi，i =1，2，…，n}為訓(xùn)練樣本集，{A1，A2，…，Ac}(2≤c≤n)是數(shù)據(jù)樣本的預(yù)定類(lèi)別數(shù)目，U 是相似分類(lèi)矩陣，vi(i =1，2，…，c)為各類(lèi)別的聚類(lèi)中心，uik(i=1，2，…，c;k =1，2，…，n)是樣本xi對(duì)于第k個(gè)樣本對(duì)第i 類(lèi)的隸屬度函數(shù)(簡(jiǎn)寫(xiě)為uik). 且0≤uik≤1 及0≤n，則目標(biāo)函數(shù)或聚類(lèi)損失函數(shù)Jb為:

模糊C－均值聚類(lèi)算法是為尋找一種最佳的分類(lèi)U，以使分類(lèi)所產(chǎn)生的函數(shù)值Jb最小. 滿足下式的約束條件:

則由式(2)、(5)得出:

圖1 太湖流域4個(gè)斷面水質(zhì)狀況變化趨勢(shì)Figure 1 Change trend of water quality in Taihu lake basin

模糊C－均值聚類(lèi)算法是基于誤差平方和目標(biāo)函數(shù)準(zhǔn)則，給出初始方案后，根據(jù)式(4)和式(5)反復(fù)迭代聚類(lèi)中心、數(shù)據(jù)隸屬度，并且進(jìn)行分類(lèi)，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小，從而完成了模糊聚類(lèi)的劃分.

2 結(jié)果與分析

圖1 表明，4個(gè)斷面的DO、CODMn和NH3－N 均呈現(xiàn)波動(dòng)變化特征. 其中DO 呈增加的趨勢(shì)，而CODMn的變化較為平穩(wěn)，但是2011年初，NH3－N 有上升的趨勢(shì)，這可能與人類(lèi)的活動(dòng)有關(guān)，因?yàn)闄z測(cè)時(shí)段正值春節(jié)時(shí)期，人類(lèi)活動(dòng)和生活用水相對(duì)頻繁.相同斷面，不同的指標(biāo)變化趨勢(shì)不相同;不同的斷面同一指標(biāo)值其變化趨勢(shì)亦不相同.

結(jié)合我國(guó)的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838－2002)，分別得出4個(gè)斷面水質(zhì)狀況(圖2). 表明不同的指標(biāo)得出的水質(zhì)類(lèi)別不一樣. 如果用單一的指標(biāo)判斷水質(zhì)狀況，難以確定水質(zhì)的綜合情況.

圖2 太湖流域4個(gè)斷面不同指標(biāo)的水質(zhì)類(lèi)別Figure 2 Water quality of different indexes in Taihu lake basin

圖3 太湖流域各個(gè)斷面水質(zhì)類(lèi)別Figure 3 Comprehensive assessment of water quality in Taihu lake basin

采用FCM 算法對(duì)水樣進(jìn)行水質(zhì)分類(lèi)評(píng)價(jià)，且將分類(lèi)數(shù)設(shè)置為5，所得的水質(zhì)類(lèi)別結(jié)果(圖3)，相比單一因子劃分水質(zhì)類(lèi)別更為客觀. 在2010年從第33 周到第45 周期間，4個(gè)斷面水質(zhì)相對(duì)較差，這是由于NH3－N 和CODMn指標(biāo)在此期間內(nèi)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，因此，水質(zhì)表現(xiàn)為惡化的趨勢(shì).

計(jì)算各斷面不同類(lèi)別水質(zhì)的百分比值，如表1所示. 整體上，Ⅳ類(lèi)水和Ⅴ類(lèi)水，在各斷面上所占的比例仍較高，說(shuō)明太湖流域水質(zhì)狀況仍需要改進(jìn).

根據(jù)Pettitt 法分別進(jìn)一步分析4個(gè)斷面3個(gè)指標(biāo)的變化情況(表2)，均發(fā)生顯著性水平，其中DO指標(biāo)發(fā)生突變的時(shí)間較為集中，基本在2010年11月左右，圖1 表明，突變后的DO 含量增加，水質(zhì)呈現(xiàn)轉(zhuǎn)好的趨勢(shì). 而CODMn和NH3－N 指標(biāo)的突變時(shí)間，4個(gè)斷面均不相同，這是由于每個(gè)斷面處于不同的區(qū)域，受到的人類(lèi)活動(dòng)的影響不同所造成的.

表1 太湖流域各個(gè)斷面水質(zhì)類(lèi)別的百分比Table 1 The proportion of different water quality in Taihu lake basin

表2 Pettitt 法檢驗(yàn)各斷面水質(zhì)突變情況Table 2 Test water mutation situation by Pettitt method

3 討論與結(jié)論

通過(guò)分析太湖流域不同斷面水質(zhì)狀況的變化特征，并與國(guó)家地表水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，得出各斷面各指標(biāo)的類(lèi)別狀況. 同時(shí)，采用Pettitt 方法，尋找各斷面3 項(xiàng)指標(biāo)的突變點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)基本在2010年11月左右發(fā)生溶解氧指標(biāo)的突變，顯示突變后的溶解氧含量增加. 并根據(jù)FCM 算法，將水質(zhì)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出各斷面水質(zhì)狀況類(lèi)別，結(jié)果表明:IV 類(lèi)水和V 類(lèi)水，在各斷面上所占的比例仍較高，太湖流域的水質(zhì)仍需加強(qiáng)治理. 城市周邊的湖泊，特別是大城市周邊的湖泊，由于受到人類(lèi)活動(dòng)的影響，例如大量的工業(yè)和生活污染物直接或間接向湖泊排放，導(dǎo)致水體的惡化程度加劇. 據(jù)2010年的統(tǒng)計(jì)顯示，滇池、巢湖、太湖、洞庭湖和鄱陽(yáng)湖接納廢水量仍未減少，甚至有增加的趨勢(shì)［10］. 太湖水華爆發(fā)的頻繁發(fā)生，將成為制約太湖周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素.

［1］張運(yùn)林，秦伯強(qiáng). 太湖水環(huán)境的演變研究［J］. 海洋湖泊沼通報(bào)，2001，2:8－15.

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［4］秦伯強(qiáng)，高光，胡維平，等. 淺水湖泊生態(tài)系統(tǒng)－恢復(fù)的理論與實(shí)踐思考［J］. 湖泊科學(xué)，2005，17(1):9－16.

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［10］程曦.湖泊水質(zhì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系研究［J］.黨政干部學(xué)刊，2012，9:46－55.