海城市毛祁河河道整治方案優(yōu)選研究

高 翔

(遼寧省鞍山市政務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鞍山 114001)

0 引 言

河流作為重要的環(huán)境載體和基礎(chǔ)性資源，在推動城市化發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮不可替代的作用，其水文特性、生態(tài)環(huán)境、物理結(jié)構(gòu)等在一定程度上均受到人類活動的影響[1-3]。近年來，城市河道徑流過水面積隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展不斷減少，水生態(tài)功能退化和水環(huán)境污染等問題十分突出。當(dāng)前，用于河流污染治理的方法較多，主要有生物投放、氧化塘修復(fù)、微生物、凈化槽和濕地凈化等技術(shù)，在城市河道整治中這些技術(shù)措施的應(yīng)用還不夠廣泛[4]。由于各地區(qū)的河道岸坡狀況、水環(huán)境容量、受污染范圍等不盡相同，為降低河道整治成本、提高河流治理效率必須因地適宜的選取最佳的整治方案。河道治理工程涉及到的因素較多、范圍較廣，對其優(yōu)選決策屬于一個(gè)多因素、多目標(biāo)的高維數(shù)綜合問題[5]。雖然針對工程方案的研究較多，但涉及到指標(biāo)優(yōu)選的報(bào)道較少，關(guān)于優(yōu)選模型的改進(jìn)研究鮮有報(bào)道。據(jù)此，文章以海城市毛祁河河道為例，結(jié)合河道整治實(shí)際狀況，從護(hù)岸工程措施和水質(zhì)修復(fù)2個(gè)方面提出綜合治理方案，不同整治方案利用PCA-PP模型優(yōu)選評價(jià)，以期為促進(jìn)河流水體環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一發(fā)展提供科學(xué)的指導(dǎo)。

1 毛祁河河道現(xiàn)狀

毛祁河總長16km，總控制面積87km2，平均河寬28m，平均比降4.25‰，主要徑流曹家堡、張家堡等11個(gè)村莊。河流發(fā)源于毛祁鎮(zhèn)黑音寺山上，曲折北上，穿越哈大公路、長大鐵路，流經(jīng)曹家堡、牛圈溝、吳家溝、付家村、二道溝、張家堡、金家口子、南毛、北毛、小河等村。流域?qū)儆跍嘏瘞Ъ撅L(fēng)型大陸性氣候，四季冷暖干濕分明、夏季多雨濕熱、冬季干燥嚴(yán)寒。[6-8]。

河道整治段主要承受來自吳家溝、二道溝、牛泉溝、曹家堡、金家口子等村的生活污水，且部分河道內(nèi)生活垃圾堆積、岸坡塌陷、水體污染等問題突出。該河道以地表水和降雨匯集為主，在降雨或地表徑流作用下隨意堆放的生活垃圾進(jìn)入河流，對水系統(tǒng)環(huán)境造成不利影響，特別是枯水期河水惡臭刺鼻現(xiàn)象較為常見[9]。此外，未經(jīng)處理或處理不達(dá)標(biāo)的工業(yè)廢水、生活污水的肆意排放對水環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞作用，各類污染物的匯入使得河道的流動能力不斷下降，其徑流運(yùn)輸能力和擴(kuò)散空能逐漸減弱，從而導(dǎo)致水系統(tǒng)自凈能力的下降。

2 河道整治方案

2.1 水質(zhì)凈化方案

企業(yè)排放的生產(chǎn)廢水和居民生活排放的污水為城市河道的主要污染來源，考慮到污染源分布范圍較為廣泛的實(shí)際情況，對河道水體環(huán)境不宜采取大型集中式修復(fù)方法。結(jié)合河道實(shí)際情況和相關(guān)資料，經(jīng)充分的論證分析擬選用投放修復(fù)技術(shù)。從河道整治成本和修復(fù)效果的角度，設(shè)計(jì)的水環(huán)境修復(fù)方案如下：①EM復(fù)壯液與污水的體積比為250×10-4，按照去離子水：糖蜜：EM原液=98∶1∶1配置EM復(fù)壯液；②污水與竹炭的質(zhì)量比為75∶1，其中竹炭為6年生毛竹高溫600℃煅燒后，經(jīng)60目過篩后的碳粉；③污水與水質(zhì)凈化求的質(zhì)量比為100∶3。由當(dāng)?shù)刂攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測定毛祁河典型河段的水樣，投放修復(fù)試驗(yàn)為期15d，初始水樣的CODMn、TH3-N、TP含量分別為21.25、3.37、0.46mg/L；試驗(yàn)過程中對水樣的CODMn、TH3-N、TP濃度每隔2d測定一次，最后對不同修復(fù)技術(shù)的CODMn、TH3-N、TP去除效率進(jìn)行計(jì)算。

2.2 護(hù)岸工程措施

根據(jù)毛祁河部分河道生活垃圾堆積、岸坡塌陷、水體污染等實(shí)際情況，擬選擇的護(hù)岸形式有如下三種：其一為植物護(hù)岸措施，為維持河岸穩(wěn)定選用根系發(fā)達(dá)的原生草木，在易沖刷河段可插入木樁或人工柱，通過采取輔助措施形成垂直護(hù)岸。其二為生態(tài)袋護(hù)岸措施，此護(hù)岸形式主要由植被、連接扣和生態(tài)袋構(gòu)成，通過將熟土置入帶內(nèi)滿足植物生長需要，利用植物的根系固結(jié)作用提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。其三為綠化混凝土護(hù)岸措施，選用水泥和碎石材料制成一定尺寸的塊體，采用復(fù)合土填充間隙，植被和混凝土承擔(dān)護(hù)岸任務(wù)，利用液壓播撒技術(shù)對設(shè)計(jì)水位以上區(qū)域噴灑播種[10]。

3 基于PCA-PP模型的整治方案優(yōu)選

3.1 模型原理

投影尋蹤模型的實(shí)質(zhì)是將存在一定內(nèi)在規(guī)律的高維數(shù)據(jù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)投影至1-2維的低維子空間，通過極小化轉(zhuǎn)換確定能夠最大限度的表征原高維特征的投影方向，分析投影后的數(shù)據(jù)在低維子空間上的特征即可實(shí)現(xiàn)高維度數(shù)據(jù)處理的效果。一般情況下，投影尋蹤模型的計(jì)算主要有構(gòu)造投影目標(biāo)函數(shù)、計(jì)算數(shù)據(jù)特征值、確定最佳投影方向以及高維樣本標(biāo)準(zhǔn)化處理等，由于具有較強(qiáng)的客觀性和普遍適用性，在處理超高維、小樣本數(shù)據(jù)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，由于河道整治涉及到的范圍廣、因素多，且不同因素之間存在相似性特征，在計(jì)算評價(jià)體系中各指標(biāo)投影方向時(shí)易造成偏離實(shí)際情況的現(xiàn)象[11,12]。鑒于此，考慮對同類型指標(biāo)采用主成分分析法提取，在投影尋蹤分類模型中轉(zhuǎn)化為一項(xiàng)指標(biāo)參與計(jì)算，從而有效解決單一方法應(yīng)用時(shí)存在的局限性問題。

3.2 指標(biāo)結(jié)構(gòu)及指標(biāo)值

根據(jù)海城市毛祁河河道實(shí)際情況，選擇整治方案優(yōu)選評判指標(biāo)為CODMn去除率、NH3-N去除率、TP去除率、工程造價(jià)、政府支持度、環(huán)境協(xié)調(diào)性、工程耐久性、群眾支持度和施工進(jìn)度，見圖1。邀請河道治理領(lǐng)域相關(guān)專家對工程耐久性、施工進(jìn)度打分，并取平均值作為初始值，邀請當(dāng)?shù)厮h(huán)境領(lǐng)域?qū)＜?、政府職能部門負(fù)責(zé)人對環(huán)境協(xié)調(diào)性和政府支持度打分，由海城市吳家溝、二道溝、牛泉溝、曹家堡、金家口子村的5位群眾代表對群眾支持度打分[13]。將評價(jià)等級劃分為優(yōu)秀、良好、一般、很差4個(gè)級別，所對應(yīng)的賦分依次為>90、80-90、60-80、<60。

圖1 河道整治方案優(yōu)選評價(jià)體系

根據(jù)以上方法確定各評價(jià)指標(biāo)值見表1，然后對賦分指標(biāo)利用主成分分析法提取主成分，各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率和主成分系數(shù)見表2。從表2可以看出，主成分f1、f2在河道整治方案評價(jià)中保留了大部分的初始數(shù)據(jù)信息，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)81.562%。通過分析各指標(biāo)綜合得分發(fā)現(xiàn)，得分最好的方案為S6。

表1 河道整治方案的指標(biāo)體系及其賦分值

表2 基于主成分法指標(biāo)貢獻(xiàn)率

3.3 構(gòu)建模型

根據(jù)評價(jià)指標(biāo)X5、X4、X3、X2、X1和投影尋蹤模型基本原理，構(gòu)建河道整治方案優(yōu)選評價(jià)模型，建模步驟如下：

步驟一：構(gòu)造方案評價(jià)矩陣。設(shè)評價(jià)指標(biāo)和治理方案的個(gè)數(shù)分別為p、n，文中p=5、n=9，第j個(gè)指標(biāo)在整治方案i中的參數(shù)值為xij*，由此可構(gòu)造評價(jià)矩陣X*，即：

(1)

步驟二：標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于各參評指標(biāo)量綱的不同無法直接用于計(jì)算，在整治方案優(yōu)選前應(yīng)結(jié)合各指標(biāo)的內(nèi)涵特征進(jìn)行預(yù)處理，從而使得各參數(shù)值處于0-1范圍。根據(jù)各指標(biāo)對整治方案的影響趨勢，可分為損失型和收益型指標(biāo)。其中，收益型指標(biāo)主要有CODMn、NH3-N、TP去除率、賦分指標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式為：

(2)

評價(jià)體系中工程造價(jià)為損失型指標(biāo)，其預(yù)處理公式為：

(3)

式中：minxj*、minxj*為第j個(gè)指標(biāo)在數(shù)據(jù)集中的最小值和最大值。通過標(biāo)準(zhǔn)化處理可將初始矩陣X*轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)矩陣，即：

(4)

步驟三：線性投影。一般情況下，PP模型選用線性投影法轉(zhuǎn)化將高維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化至一維線性空間上，根據(jù)一維投影方向a所對應(yīng)的投影值zi實(shí)現(xiàn)p維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，即：

(5)

步驟四：投影目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造。投影點(diǎn)的分布情況與線性投影原始信息的保留量之間存在密切的關(guān)系，為盡可能的使得投影值zi提取更多的變異信息，尋找的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組合特征應(yīng)最大程度的滿足多維指標(biāo)的數(shù)據(jù)值。換而言之，就是要盡量的促使局部投影點(diǎn)凝聚或保持密集，對于點(diǎn)團(tuán)來說要盡量的保持散開，由此獲得最佳的分散效果。所以，在投影目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造過程中，要盡量保持多元數(shù)據(jù)分布的類間密度和類間間距在一維空間上達(dá)到最大，由此確定的投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)如下：

Q(a)=SzDz

(6)

式中：Sz、Dz分別為投影值zi的類間距離和局部密度；E(z)、R分別為序列zi的均值和局部密度的窗口半徑；f(·)、r(i,j)分別為單位階躍函數(shù)與特征值間的距離，即rik=|ri-rk|，其中i，k=1，2，…，n為樣本容量。

單位階躍函數(shù)為f(·)，若·≥0則與其對應(yīng)的函數(shù)值f(·)為0；若·<0則與其對應(yīng)的函數(shù)值f(·)為1。

3)步驟五：優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)。根據(jù)下述公式實(shí)現(xiàn)非線性最優(yōu)求解問題與搜索最佳投影方向之間的轉(zhuǎn)化，其目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式：

maxQ(a)=SzDz

(7)

3.4 方案優(yōu)選

根據(jù)以上評價(jià)結(jié)果，河道整治水平較高的方案為S4-S6，其原因?yàn)閮艋?、EM復(fù)壯液的水質(zhì)凈化效果低于竹炭，另外還與賦分指標(biāo)評分和工程造價(jià)等因素相關(guān)。

4 結(jié) 論

依據(jù)河道岸坡和河流水質(zhì)實(shí)際狀況，從護(hù)岸工程措施和生態(tài)修復(fù)技術(shù)2個(gè)方面提出了河道整治方案，并對不同整治方案的優(yōu)劣程度利用PCA-PP模型優(yōu)選評價(jià)，得出的主要結(jié)論如下：

1)將多個(gè)賦分指標(biāo)采用PCA法轉(zhuǎn)化為單一指標(biāo)，從而有效避免了主觀判斷對方案優(yōu)選的影響。在計(jì)算過程中PCA-PP模型具有結(jié)果客觀、原理科學(xué)等優(yōu)點(diǎn)，能夠最大程度的保留初始信息，具有廣泛的應(yīng)用前景和價(jià)值。

2)在評價(jià)體系構(gòu)建中，應(yīng)充分考慮河道整治方案各影響因子之間的獨(dú)立性，研究成果可為河流治理方案優(yōu)選及改善河道水生態(tài)環(huán)境提供一定指導(dǎo)。