農(nóng)村河道整治方案優(yōu)選研究

宋黎黎

(丹東市寬甸滿族自治縣水利局，遼寧 寬甸 118200)

0 引 言

近年來(lái)，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展使得河道水環(huán)境問(wèn)題日趨突出。目前，農(nóng)村河道污水治理主要有生物投放、氧化塘修復(fù)、濕地凈化、微生物、凈化槽等技術(shù)手段，而在農(nóng)村河水凈化中這些成果的應(yīng)用較少?？紤]到不同河道的岸坡?tīng)顩r、水質(zhì)條件以及受污染范圍有所差異，為降低整治成本、提高整治效率必須因地制宜的優(yōu)選出最佳的整治方案[1-3]。針對(duì)高維度、多指標(biāo)、多目標(biāo)河道整治方案優(yōu)選決策問(wèn)題，相關(guān)研究提出了許多方案優(yōu)選模型，但優(yōu)化有關(guān)指標(biāo)體系和改進(jìn)這些模型的研究還鮮有報(bào)道。據(jù)此，以丹東市寬甸縣典型農(nóng)村河道為研究對(duì)象，為解決河道污泥淤積及水質(zhì)惡化問(wèn)題提出包含護(hù)岸工程措施、水質(zhì)修復(fù)技術(shù)的整治方案，并對(duì)不同整治方案利用PCA-PP模型優(yōu)選評(píng)價(jià)，以期為農(nóng)村河流水環(huán)境保護(hù)和治理方案設(shè)計(jì)提供參考[4,5]。

1 河道整治方案

1.1 河道現(xiàn)狀

研究河道位于丹東市寬甸縣北部的牛毛塢鎮(zhèn)小城子村，溝壑集水匯流形成農(nóng)村小河道，而且大部分農(nóng)莊和農(nóng)田位于河流兩側(cè)，山區(qū)小河道存在流速快、彎度大、比降大的共同特征。由于沿河社會(huì)活動(dòng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的日益增加，河道上游植被遭到嚴(yán)重破壞，坡面涵蓄水能力較差，大量泥沙進(jìn)入河道，河床抬高，加之獨(dú)特的山前地形暴雨，來(lái)之快去之急，洪水災(zāi)害日益頻繁。此外，隨著鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的增多和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，面源污染、工業(yè)廢水、水產(chǎn)與畜牧養(yǎng)殖、生活垃圾以及居民廢棄物成為河道主要污染物[6]。例如，隨著雨水徑流和農(nóng)田灌溉作用，過(guò)量施用的農(nóng)藥?kù)F滴或微粉顆粒、施藥器械清洗用水以及農(nóng)藥等進(jìn)入河道，農(nóng)藥、化肥在顯著提升土壤肥沃力和農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)，也會(huì)對(duì)水體環(huán)境產(chǎn)生污染；農(nóng)村牲畜糞便污水未經(jīng)妥善處理直接流入河道，對(duì)水體環(huán)境產(chǎn)生污染；此外，污水灌溉也會(huì)對(duì)河流水體產(chǎn)生不利影響，有毒、有機(jī)物質(zhì)隨降水徑流不斷進(jìn)入河道，病源微生物對(duì)稻田產(chǎn)生嚴(yán)重的污染危害。

為保證沿河居民生產(chǎn)和生活安全，營(yíng)造良好的生態(tài)環(huán)境，根據(jù)河道自然特點(diǎn)因害設(shè)防的實(shí)施護(hù)岸工程措施和水質(zhì)修復(fù)技術(shù)，促使河水規(guī)矩流暢、河床穩(wěn)定，在避免土壤養(yǎng)分流失和土體滑落的同時(shí)凈化水體環(huán)境、保護(hù)各類水工程，減輕下游江河水庫(kù)及河道的淤積。

1.2 水質(zhì)凈化方案

企業(yè)排放的生產(chǎn)廢水及周邊村莊排放的生活污水為河道主要污染來(lái)源，考慮到主要污染源較分散的實(shí)際情況實(shí)行水環(huán)境修復(fù)工程不切實(shí)際。因此，通過(guò)分析比較多種方案擬選擇投放修復(fù)技術(shù)。以相同的投放成本為約束條件，設(shè)計(jì)不同方案的投放量及投放物：①污水與EM復(fù)壯液的體積比為40:1，其中EM復(fù)壯液為去離子水：糖蜜：EM原液=98：1：1配制并經(jīng)37℃恒溫發(fā)酵7d而成。②污水與竹炭的質(zhì)量比為75：1，其中采用6年生毛竹經(jīng)600℃高溫?zé)坪筮^(guò)60目篩形成的炭粉。③污水與水質(zhì)凈化球的質(zhì)量比為100:3。將典型河段水樣送至實(shí)驗(yàn)室測(cè)定水質(zhì)，各方案的投放修復(fù)試驗(yàn)為期15d。水樣中CODMn、TH3-N、TP的原始含量為21.26、3.41、0.45mg/L，試驗(yàn)過(guò)程中水樣的CODMn、TH3-N、TP濃度測(cè)定頻次為2d一次，通過(guò)測(cè)定試驗(yàn)結(jié)束后的CODMn、TH3-N、TP濃度確定投放修復(fù)技術(shù)的去除效率。

1.3 河道護(hù)岸措施

為解決局部河岸坍塌的問(wèn)題，結(jié)合新農(nóng)村建設(shè)和水利現(xiàn)代化發(fā)展要求采取河道生態(tài)護(hù)岸形式。①植物護(hù)岸：這種護(hù)岸修復(fù)生態(tài)、美化環(huán)境、穩(wěn)定堤坡的根本途徑為發(fā)揮水文學(xué)與根系水效應(yīng)，其達(dá)到護(hù)岸功能的方式有減弱水壓力、減少濺蝕、根系加筋和深根錨固作用等，比較常見(jiàn)的方式有岸坡覆蓋草類植物，其價(jià)格低廉且覆蓋率高，為增強(qiáng)局部和整體岸坡穩(wěn)定性還可將草類植物與木本植物相結(jié)合用于河道護(hù)岸。②生態(tài)袋護(hù)岸：生態(tài)袋屬于一種透水性好、強(qiáng)度高的護(hù)岸材料，通過(guò)輔以種植土有效解決植物護(hù)岸的穩(wěn)定性問(wèn)題，植被綠化的途徑有種子與土混入袋、移栽、刷層和水噴等，植被根系隨著時(shí)間的發(fā)展逐漸發(fā)達(dá)，進(jìn)一步增強(qiáng)岸坡穩(wěn)定性。③綠化混凝土護(hù)岸：由于農(nóng)村河道水流速度較小，可在河流岸坡設(shè)計(jì)植生型混凝土，這種護(hù)岸通常由表層土、土壤、保水劑和緩釋肥等多種材料組成，并以適量細(xì)料、低堿水泥、粗骨料等拌制而成的多孔混凝土作為植被生長(zhǎng)的骨架，植生混凝土可將景觀美化與安全護(hù)砌相結(jié)合，營(yíng)造水、草組成的水環(huán)境，發(fā)揮著明顯的生態(tài)環(huán)境功能[7]。

2 整治方案的優(yōu)選

2.1 PCA-PP模型

實(shí)際上，投影尋蹤模型是利用特定的方式實(shí)現(xiàn)高維復(fù)雜數(shù)據(jù)的低維子空間投射轉(zhuǎn)化，從而完成高維數(shù)據(jù)的低維分析處理。針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果易受主觀權(quán)重的影響問(wèn)題，投影尋蹤模型能夠保證評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性、科學(xué)性，實(shí)際應(yīng)用時(shí)具有明顯的優(yōu)勢(shì)[8]。然而，構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系通常包含較多的指標(biāo)且部分指標(biāo)存在相似的類型，由此使得在投影方向上該類指標(biāo)所占權(quán)重過(guò)高，該類指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)偏大。對(duì)此，可將同類型指標(biāo)利用主成分分析法轉(zhuǎn)化為一項(xiàng)指標(biāo)，采用提取的主成分參與投影尋蹤運(yùn)算，從而解決PP模型使用過(guò)程中的局限性。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)值

河道整治方案評(píng)價(jià)指標(biāo)采用CODMn、TH3-N、TP去除率以及工程造價(jià)、群眾支持力度、政府支持力度、環(huán)境協(xié)調(diào)性、工程耐久性、施工進(jìn)度，如表1。邀請(qǐng)水利工程領(lǐng)域?qū)＜?、生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域?qū)＜?、?xiàng)目所在地職能部門負(fù)責(zé)人以及牛毛塢鎮(zhèn)群眾代表等，對(duì)工程耐久性、施工進(jìn)度、環(huán)境協(xié)調(diào)性、政府支持力度、群眾支持力度指標(biāo)賦分，其中優(yōu)秀、良好、一般、很差等級(jí)的賦分標(biāo)準(zhǔn)為>90、80-90、60-80、<60。

表1 河道整治方案評(píng)價(jià)指標(biāo)與指標(biāo)值

然后對(duì)賦分指標(biāo)采用主成分PCA法提取，主成分貢獻(xiàn)率及其系數(shù)如表2。從表2看出，累計(jì)貢獻(xiàn)率在提取f1、f2兩個(gè)主成分時(shí)達(dá)到81.612%，表明這兩個(gè)主成分包含了大量初始信息。從綜合得分的可知，方案S6的賦分指標(biāo)X1值最大為2.74，其次為S3、S5的2.60和2.25。

表2 主成分貢獻(xiàn)率與系數(shù)

2.3 建模流程

為了更加清晰、直觀的反映評(píng)價(jià)流程，總體上按照以下6個(gè)步驟完成河道整治方案的優(yōu)選分析，投影尋蹤建模流程如下：

(1)

步驟2：無(wú)量綱化處理?？紤]各項(xiàng)指標(biāo)的量綱和數(shù)量級(jí)不同，無(wú)法直接參與河道整治方案的優(yōu)選，因此評(píng)價(jià)前要將指標(biāo)初始值無(wú)量綱化處理至0-1范圍。對(duì)于參數(shù)值越大則河道整治方案越有型指標(biāo)，如CODMn、TH3-N、TP去除率、賦分指標(biāo)，其無(wú)量綱化公式為：

(2)

對(duì)于參數(shù)值越小則河道整治方案越優(yōu)型指標(biāo)，如工程造價(jià)，其無(wú)量綱化公式為：

(3)

(4)

(5)

步驟4：構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)。投影點(diǎn)的分布情況及原始信息的保留量與線性投影過(guò)程密切相關(guān)，投影點(diǎn)分布越密集或凝聚成若干個(gè)點(diǎn)團(tuán)則效果越好，并且不同點(diǎn)團(tuán)越分散則效果越優(yōu)。因此，以多元數(shù)據(jù)分布的類內(nèi)密度和類間距離盡量同時(shí)達(dá)到最大為約束條件構(gòu)造投影目標(biāo)函數(shù)Q(a)，即：

Q(a)=SzDz

(6)

(7)

(8)

式中：Dz、Sz為投影特征值z(mì)i的局部密度和標(biāo)準(zhǔn)差，也稱為類內(nèi)密度和類間距離；E(z)為序列均值；R為局部密度的窗口半徑，R值既不能使得窗口內(nèi)投影點(diǎn)平均個(gè)數(shù)太少也不能使得它隨n的增加而顯著增大，由此減少滑動(dòng)平均偏差；f(R-rik)為單位階躍函數(shù)，其中投影值距離rik=|zi-zk|，若R-rik≥0則與其對(duì)應(yīng)的投影值取1；若R-rik<0則與其對(duì)應(yīng)的投影值取0。

步驟5：投影目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化。最優(yōu)投影方向能夠最大程度的體現(xiàn)數(shù)據(jù)特征，該方向?yàn)槟繕?biāo)函數(shù)值達(dá)到最大時(shí)的向量，由此可實(shí)現(xiàn)非線性最優(yōu)解與搜索最佳投影方向的問(wèn)題轉(zhuǎn)化。采用最大化估計(jì)法確定最佳投影方向，即利用下式作為目標(biāo)函數(shù)：

max:Q(a)=SzDz

(9)

2.4 優(yōu)選結(jié)果

總體而言，投影值達(dá)到較高水平的有S4-S6方案，表明相對(duì)于凈化球、EM復(fù)壯液竹炭具有更優(yōu)的水質(zhì)凈化效果，方案S4為最優(yōu)還可能與較高的賦分指標(biāo)得分、較低的工程造價(jià)等因素有關(guān)。

3 結(jié) 論

根據(jù)河道岸坡和河流水質(zhì)實(shí)際狀況，將護(hù)岸工程措施與投放修復(fù)技術(shù)相結(jié)合合計(jì)出多種河道整治方案，并對(duì)不同整治方案利用PCA-PP模型優(yōu)選分析。結(jié)果顯示：該模型具有較高的應(yīng)用效果，PCA法以單個(gè)指標(biāo)替代多個(gè)賦分指標(biāo)有效解決了主觀經(jīng)驗(yàn)的影響問(wèn)題；計(jì)算過(guò)程中PCA-PP模型可對(duì)原始數(shù)據(jù)信息充分保留，結(jié)果客觀且原理科學(xué)，其推廣前景和應(yīng)用價(jià)值較高。此外，在構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)應(yīng)考慮不同指標(biāo)間的獨(dú)立性，可為農(nóng)村河道整治及其方案設(shè)計(jì)提供參考。