基于貝葉斯的星海湖濕地水質(zhì)評(píng)價(jià)及特征分析

楊海江，鐘艷霞，羅玲玲，田 欣，王志秀

(1.寧夏大學(xué)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏(中阿)旱區(qū)資源評(píng)價(jià)與環(huán)境調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750021； 3.寧夏大學(xué)科技處，銀川 750021)

濕地是水陸相互作用形成的獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)[1]，在維持區(qū)域生態(tài)平衡、調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、降解污染、調(diào)徑蓄洪、排澇抗旱、美化環(huán)境等方面具有極其重要的作用[2-6]。但是隨著工業(yè)化建設(shè)和城市化的發(fā)展，人地矛盾日趨緊張，濕地受到諸多方面的影響和不同程度的破壞，隨之而來(lái)伴生一系列環(huán)境問(wèn)題，諸如濕地污染、退化、消失。

由于我國(guó)濕地面積占國(guó)土面積的比例遠(yuǎn)低于世界平均水平，并面臨全球變化和人類活動(dòng)的影響，濕地保護(hù)工作顯得尤為重要。寧夏地處西北內(nèi)陸，生態(tài)環(huán)境脆弱，濕地作為重要的生態(tài)資源更加顯得彌足珍貴。石嘴山作為西部重要經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展的城市，在城市轉(zhuǎn)型發(fā)展過(guò)程中生態(tài)環(huán)境建設(shè)是其轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要標(biāo)志和考核指標(biāo)，其城市內(nèi)部濕地的現(xiàn)狀、發(fā)展就尤為重要，“十三五”時(shí)期，石嘴山市將實(shí)施沙湖----星海湖水系連通，開展重點(diǎn)水域環(huán)境綜合治理等工程，對(duì)于提升城市形象、改善大武口區(qū)生態(tài)和人居環(huán)境、拓寬區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間具有不可替代的作用，同時(shí)，更能大力促進(jìn)新型轉(zhuǎn)型的“海綿城市”建設(shè)。因此選擇石嘴山星海湖開展水質(zhì)研究，為石嘴山城市轉(zhuǎn)型發(fā)展提供環(huán)境支撐。

目前水質(zhì)評(píng)價(jià)常用的方法主要有單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法、主成分分析法、灰色評(píng)價(jià)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等[9,10]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也應(yīng)用此類方法對(duì)區(qū)域的水質(zhì)和污染狀況進(jìn)行了廣泛深入研究[11-14]。但這些方法普遍具有計(jì)算量大、計(jì)算復(fù)雜的特點(diǎn)，不能滿足小樣本高時(shí)效的計(jì)算要求。

貝葉斯評(píng)價(jià)法作為一種以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[15]，不僅可以形象直觀地表示各評(píng)價(jià)因子或要素之間的關(guān)系，而且還可以定量地描述各要素間的關(guān)聯(lián)程度或影響度，主要通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行概率推斷進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，該方法簡(jiǎn)單明了，計(jì)算量小，計(jì)算方便，處理問(wèn)題客觀、簡(jiǎn)便、快捷，因此在水質(zhì)評(píng)價(jià)過(guò)程中應(yīng)用較為廣泛的應(yīng)用，較傳統(tǒng)的水質(zhì)評(píng)價(jià)更具有實(shí)用性和科學(xué)性。目前國(guó)外,貝葉斯方法在水利水電、土地資源評(píng)價(jià)、國(guó)防軍事、金融保險(xiǎn)等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[16,17]；國(guó)內(nèi)趨向應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析、水質(zhì)污染評(píng)價(jià)等領(lǐng)域的多個(gè)方面，證明了該方法有效可行，可以作為水質(zhì)評(píng)價(jià)的一個(gè)新方法[18-20]。

綜合近年關(guān)于星海湖水質(zhì)的相關(guān)研究[21-23]，就其研究方法而言均較為單一，以傳統(tǒng)的單因子評(píng)價(jià)法、綜合污染指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法居多。因此本文采用貝葉斯評(píng)價(jià)方法對(duì)星海湖的水質(zhì)作出全面、客觀的評(píng)價(jià)，同時(shí)為星海湖的綜合治理和科學(xué)管理提供參考和建議。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

星海湖濕地位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市境內(nèi)(E105°58'～106°59'，N38°22'～39°23')，集湖泊、沼澤、鹽土、湖土荒地等多種類型為一體，屬于黃河水系，區(qū)域總面積48.08 km2，其中湖泊面積14.7 km2，平均水深1.2 m。屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均年降水量300 mm 以下， 各季節(jié)降水分布差異性很大，年內(nèi)降水主要集中在6～9月，占年降雨量的70%以上，水源補(bǔ)給由3 部分組成：山洪水、城市及周邊雨水和引黃灌溉用水[21-23]。域內(nèi)有魚池和農(nóng)田分布；植物種類較少，覆蓋度較低；生物多樣性較為豐富，濕地有鳥類11 目24 科98 種，其中國(guó)家一級(jí)保護(hù)鳥類有中華秋沙鴨、大鴇、黑鸛，國(guó)家二級(jí)保護(hù)鳥類有灰鶴、小天鵝、白額雁、鴛鴦、蓑羽鶴等13種，有魚類20余種[24]。石嘴山市素有“塞上煤城”之稱，是寧夏典型的煤炭資源型工業(yè)城市，西北重要的工業(yè)城市。

1.2 水樣采集與處理

1.2.1 樣品采集

根據(jù)湖泊所處地形狀況和水流特點(diǎn)，共設(shè)置14個(gè)采樣點(diǎn)(見圖1)，根據(jù)流域內(nèi)降水特征及水文節(jié)律，以及采樣時(shí)間，分別定于 2016年7月(豐水期)、10月(平水期)和 2017年4月(枯水期)月初進(jìn)行水樣的采集工作。利用手持GPS 導(dǎo)航儀器進(jìn)行定位，確保每次采樣地點(diǎn)位置相同，同時(shí)記錄采樣點(diǎn)周圍地理?xiàng)l件、補(bǔ)水、排水等。用柱狀采水器采集表層(深度50 cm)水樣1 000 mL，所有點(diǎn)位均取3組平行樣。采集后的水樣按照《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ 493-2009)中要求的方法保存[25,26]。

圖1 采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Sample point

1.2.2 樣品的測(cè)定

總氮(TN)：過(guò)硫酸鉀氧化—紫外分光光度法(GB11894-89)；

總磷(TP)：堿性過(guò)硫酸鉀消解—鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)；

氨氮(NH3-N)：納氏試劑光度法(GB7479-87)；

高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)：(GB11892-89)；

葉綠素a(Chl-a)：分光光度法(SL88-2012)；

溶解氧(DO)：采用美國(guó)哈希HACH HQ30D便攜式溶氧儀，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；

pH：玻璃電極法(GB6920-86)。

1.3 研究方法

1.3.1 貝葉斯水質(zhì)評(píng)價(jià)原理

(1)貝葉斯水質(zhì)評(píng)價(jià)模型它與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法對(duì)信息的認(rèn)識(shí)有較大差別，經(jīng)典方法是基于概率的頻率解釋，對(duì)大樣本情形似乎很吻合，而在小樣本場(chǎng)合則遇到很多不合理現(xiàn)象，但貝葉斯方法容納了對(duì)概率的主觀解釋，對(duì)小樣本的情況同樣是十分有效的，它提供了在增加新信息條件下將先驗(yàn)概率轉(zhuǎn)化為后驗(yàn)率的簡(jiǎn)單有效的方法[27-30]。

(1)

式中：Ai表示水質(zhì)級(jí)別(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ)；B表示樣本水質(zhì)指標(biāo)值；P(Ai)為事件Ai的先驗(yàn)概率，即通過(guò)先驗(yàn)直覺(jué)判斷水質(zhì)屬于級(jí)別i的可能性；P(B|Ai)為條件概率，即當(dāng)水質(zhì)級(jí)別為i時(shí)，出現(xiàn)水質(zhì)指標(biāo)值A(chǔ)的可能性；P(Ai|B)為后驗(yàn)概率，即獲得水質(zhì)指標(biāo)值A(chǔ)的條件下，水質(zhì)屬于級(jí)別i的可能性。

(2)針對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)情況時(shí)，可將概率論中的貝葉斯公式寫為：

(2)

式中：i為標(biāo)準(zhǔn)類型，i= 1，2.....5；j為指標(biāo)，= 1，2… … ；yj為代表站點(diǎn)指標(biāo)值；xji為水質(zhì)類型標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3.2 貝葉斯水質(zhì)評(píng)價(jià)計(jì)算過(guò)程

(1)水質(zhì)評(píng)價(jià)可以確定某監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)究竟屬于哪一級(jí)別。遵循無(wú)水質(zhì)信息條件下，水質(zhì)屬于某級(jí)的概率相同，則各監(jiān)測(cè)屬于某級(jí)的概率相同，即：

(3)

(2)根據(jù)幾何概率，采用距離法計(jì)算，即監(jiān)測(cè)斷面評(píng)價(jià)指標(biāo)與水質(zhì)類型標(biāo)準(zhǔn)之間的距離絕對(duì)值倒數(shù)進(jìn)行計(jì)算分別計(jì)算P(yi|xji)和P(xji|yi)。

(3)計(jì)算多指標(biāo)下綜合水質(zhì)后驗(yàn)概率Pj：

(4)

式中：mi表示不同水質(zhì)指標(biāo)權(quán)重。

(4)確定最終級(jí)別。以最大概率原則決策最終的級(jí)別：

Pk=maxPj(j=1,2,3,…,14)

(5)

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

為更好地了解星海湖各采樣點(diǎn)的水質(zhì)狀況，取各點(diǎn)位枯水期、豐水期、平水期(4、7、10月)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析(見表1)，用于貝葉斯模型進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

表1 星海湖各采樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)指表結(jié)果 mg/L

2.2 基于貝葉斯模型的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)上述步驟進(jìn)行計(jì)算，得到P(xji|yi)及Pj值，Pj的值(見表2)。由以上的各個(gè)站點(diǎn)Pj的值根據(jù)式(5)以概率最大原則取5個(gè)Pj的最大值(Pk)可以得到14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)級(jí)別(見表3)。

表2 各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同水質(zhì)等級(jí)的綜合后驗(yàn)概率表Tab.2 Comprehensive posteriori probability Tables for different water quality levels at each monitoring point

表3 各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)水質(zhì)級(jí)別的最大概率Pk值及評(píng)價(jià)結(jié)果 Tab.3 The maximum probability of the water quality level of each monitoring site Pk value and evaluation results

通過(guò)貝葉斯公式對(duì)星海湖的水質(zhì)得出的評(píng)價(jià)結(jié)果表明最大概率Pk值較高，除D7和D14以外均大于50%，評(píng)價(jià)結(jié)果可行度較高。所有采樣點(diǎn)位中除了D7和D14點(diǎn)位，其他樣點(diǎn)水質(zhì)級(jí)別均達(dá)到Ⅴ類，水質(zhì)狀況污染嚴(yán)重。這與湖區(qū)旅游業(yè)的發(fā)展、農(nóng)業(yè)活動(dòng)(作物施肥、畜禽養(yǎng)殖等)、農(nóng)田退水、周圍的工業(yè)污染、生活污水排放、野生鳥類生存等方面有較大的關(guān)系。此外，星海湖水質(zhì)狀況整體下降與其湖底清淤和工程建設(shè)有很大的關(guān)系。

依據(jù)綜合后驗(yàn)概率，進(jìn)一步計(jì)算出各站點(diǎn)的污染因子可能度矩陣(表4)，矩陣表明TP、TN、CODMn為星海湖污染的最主要的污染因子。究其原因主要包括以下方面：

星海湖每年由第二農(nóng)場(chǎng)渠補(bǔ)給部分水源，第二農(nóng)場(chǎng)渠是引黃河水為賀蘭山山前洪積傾斜平原上農(nóng)田灌溉的支干渠，在唐徠渠的滿達(dá)橋上建閘引水[31]，部分污染物隨黃河水的補(bǔ)給進(jìn)入星海湖，其中入水口D6和鄰近的D5的受影響程度最明顯。

星海湖旅游及水上游樂(lè)項(xiàng)目開發(fā)，例如劃船、游艇等，加劇了人為因素對(duì)湖底的擾動(dòng)，使得底泥中的氮磷分解釋放速率加快。此外湖區(qū)大規(guī)模的魚類養(yǎng)殖也是造成水質(zhì)下降的重要因素，魚類尸體、排泄物以及殘餌的腐解水體使得氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷富集，從而對(duì)總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)等指標(biāo)產(chǎn)生影響。

表4 各站點(diǎn)的污染因子可能度矩陣Tab.4 Pollution factor matrix of each site

農(nóng)田灌溉退水對(duì)水質(zhì)的影響較大，隨著農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)的使用量不斷增加，農(nóng)藥化肥中的氮磷元素由于不能完全被農(nóng)作物吸收，隨著農(nóng)田退水進(jìn)入水體，對(duì)星海湖的水質(zhì)污染產(chǎn)生較大的影響。

此外，由于星海湖水體無(wú)排泄途徑，水體更新受阻，形成了只進(jìn)不出的局面，加之受到蒸發(fā)濃縮作用的影響，使得星海湖水體污染程度進(jìn)一步加深。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)貝葉斯公式對(duì)星海湖濕地的水質(zhì)得出的評(píng)價(jià)結(jié)果表明最大概率Pk值較高，除D7和D14以外均大于50%，評(píng)價(jià)結(jié)果可行度較高。所有采樣點(diǎn)位中除了D2、D7和D14三個(gè)點(diǎn)位，79.9%監(jiān)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)級(jí)別達(dá)到Ⅴ類，水質(zhì)狀況污染嚴(yán)重。

(2)TP、TN和CODMn是星海湖濕地的主要污染指標(biāo)。因此，TN、TP和CODMn就成為治理該湖泊水質(zhì)的主要控制因子。

(3)旅游及水上游樂(lè)項(xiàng)目開發(fā)、農(nóng)田灌溉退水、湖底的擾動(dòng)、底泥的分解釋放、黃河水補(bǔ)給引入污染物、蒸發(fā)濃縮作用、水體無(wú)排泄途徑、湖區(qū)大量的魚類養(yǎng)殖等因素對(duì)星海湖水質(zhì)狀況影響較大，需要引起管理者高度重視，加強(qiáng)治理，防止湖體水質(zhì)進(jìn)一步惡化。

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