延河水質(zhì)評(píng)價(jià)及水質(zhì)指標(biāo)預(yù)測(cè)研究

王際焱，邵瑞華

（西安工程大學(xué)，陜西 西安 710600）

1 引言

延河是黃河的一級(jí)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(zhǎng)縣3個(gè)縣（區(qū)），全長(zhǎng)286.9km，流域總面積7 725km2[1]其水質(zhì)好壞直接關(guān)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(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，延河時(shí)常出現(xiàn)在全國(guó)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(duì)延河水質(zhì)分析評(píng)價(jià)，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(duì)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(zhǎng)縣七里村鎮(zhèn)以上執(zhí)行國(guó)家地表水標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838－2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，在延長(zhǎng)縣七里村鎮(zhèn)以下執(zhí)行Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)[2]。本研究根據(jù)國(guó)內(nèi)外其他地區(qū)水質(zhì)分析與預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)近年延河水質(zhì)指標(biāo)作出評(píng)價(jià)及預(yù)判，旨在為延河流域水污染防治提供可行性和科學(xué)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(cè)周期為3年（2019年-2021年），采樣時(shí)間為每月10日前后。采樣地點(diǎn)選定延河流域9個(gè)控制斷面，其基本屬性信息如表1所示，控制斷面設(shè)置分布如圖2所示。采樣方法參照《地表水水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范》（SL219-98）執(zhí)行。測(cè)定方法參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（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(píng)價(jià)因子

對(duì)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中規(guī)定的24項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)[3]，其中酸堿度（pH）、水溫、透明度現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)定，DO、電導(dǎo)率通過便攜式快測(cè)儀測(cè)定，其余水質(zhì)指標(biāo)帶回實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定。通過對(duì)比分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)符合延河水域功能區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，故選取河流評(píng)價(jià)中常見監(jiān)測(cè)項(xiàng)目作為評(píng)價(jià)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(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)。由于溫度對(duì)DO影響很大，相比之下氟化物對(duì)DO影響較小[6]，所以在預(yù)測(cè)模型中用溫度替換氟化物指標(biāo)。

2.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)方法

2.3.1 單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法

單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法是當(dāng)前國(guó)標(biāo)中明確規(guī)定的水質(zhì)評(píng)價(jià)的方法。單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法是將水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測(cè)值（Pi）與該流域水質(zhì)指標(biāo)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從而確定各個(gè)指標(biāo)的水質(zhì)類別，以最差的水質(zhì)類別作為監(jiān)測(cè)斷面的水質(zhì)類別[7]。由于單因子評(píng)價(jià)法具有計(jì)算簡(jiǎn)便，方便理解的優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用。

單因子評(píng)價(jià)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(shí)際濃度值，mg/L；C0為水體中第i種污染物的標(biāo)準(zhǔn)濃度值，mg/L；對(duì)于pH，其單因子指數(shù)按下面的公式計(jì)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(cè)值；pHsd為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的pH下限；pHsu為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的pH上限；對(duì)于DO，其單因子指數(shù)采用下面公式計(jì)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(cè)值，mg/L；DOs為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的溶解氧值，mg/L；T為j斷面的水溫監(jiān)測(cè)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(jiǎn)單的特點(diǎn)，能夠彌補(bǔ)單因子指數(shù)法過于苛刻、過于片面等不足，并且對(duì)延河各斷面水功能達(dá)標(biāo)或超標(biāo)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(xiàng)污染指數(shù)為基礎(chǔ)，將各指標(biāo)的單項(xiàng)污染指數(shù)通過算術(shù)平均法、加權(quán)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(píng)價(jià)分析綜合水質(zhì)狀況[8]，水質(zhì)綜合污染指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[7]如表2所示。

表2 綜合水質(zhì)類別判定標(biāo)準(zhǔn)

此次研究采用算術(shù)平均法進(jìn)行計(jì)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(biāo)；Pij為j斷面i水質(zhì)指標(biāo)的污染指數(shù)；j為延河監(jiān)測(cè)斷面編號(hào)；P為延河m個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的綜合污染指數(shù)；m為延河監(jiān)測(cè)斷面總數(shù)。

2.4 預(yù)測(cè)方法

DO是評(píng)價(jià)水質(zhì)的重要指標(biāo)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(yán)重[9]。

本研究選取BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，將CODMn、BOD5、NH4-N、TP、TN、溫度作為輸入變量對(duì)DO進(jìn)行預(yù)測(cè)，旨為研究DO提供新的思路。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之一，屬于前向多層反向誤差傳播學(xué)習(xí)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(xùn)練數(shù)據(jù)。即當(dāng)輸入層輸入一個(gè)學(xué)習(xí)樣本時(shí)，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(yīng)后，按照減少網(wǎng)絡(luò)輸出值與實(shí)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(fù)進(jìn)行，不斷優(yōu)化各鏈接權(quán)值、閾值[10]，進(jìn)而使預(yù)測(cè)值逼近真實(shí)值。

本文假設(shè)DO的濃度和前面監(jiān)測(cè)的6項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)有關(guān)，對(duì)162個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，7個(gè)數(shù)據(jù)一組，每組前6個(gè)數(shù)據(jù)作為輸入變量，第7個(gè)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(xùn)練集，取2021年3—6月份16組水質(zhì)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證集，將得到的DO預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行誤差對(duì)比分析，驗(yàn)證BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)延河水質(zhì)指標(biāo)的準(zhǔn)確性。

本網(wǎng)絡(luò)取一個(gè)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(rèn)的訓(xùn)練函數(shù)為trainlm[12]。隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式多次驗(yàn)證，得出取最優(yōu)值13時(shí)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較小的訓(xùn)練誤差和較好的逼近能力。學(xué)習(xí)速率取0.01，迭代次數(shù)設(shè)置為1000次，目標(biāo)精度為0.00001。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能圖如圖1所示。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能圖

3 結(jié)果分析

3.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)

3.1.1 單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)

單因子指數(shù)法是最簡(jiǎn)單的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)，沒有標(biāo)準(zhǔn)量綱[13]。通過對(duì)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(píng)價(jià)斷面水質(zhì)是否超標(biāo)、主要污染因子和超標(biāo)率。當(dāng)Pi大于1時(shí)，說明該水質(zhì)因子己超過標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)受到污染[9]。Pi指數(shù)越大，表示該水質(zhì)指標(biāo)對(duì)斷面水質(zhì)的污染程度越重，反之則越輕。

（1）時(shí)間

表3、表4和表5分別為2019年、2020年和2021年各監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)年均值的單因子污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果，可以看出近3年各斷面評(píng)價(jià)結(jié)果幾乎全部超過了規(guī)定等級(jí)，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(gè)斷面的TN全部超標(biāo)，超標(biāo)最嚴(yán)重的是甘谷驛斷面，高達(dá)500%，在2020年和2021年，TN超標(biāo)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(gè)監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(shí)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(gè)別因子外基本達(dá)標(biāo)，可以看出單因子評(píng)價(jià)法過于苛刻，結(jié)果過于悲觀。由于水環(huán)境的復(fù)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(biāo)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(cè)水質(zhì)綜合污染指數(shù)表（表6）可知，2019年只有下游兩個(gè)斷面沒有受到污染，基本達(dá)標(biāo)率僅為22%；2020年中游兩個(gè)斷面處于污染狀態(tài)，基本達(dá)標(biāo)率為77%；2021年下游兩個(gè)斷面基本達(dá)標(biāo)，其余斷面全部達(dá)標(biāo)，基本達(dá)標(biāo)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(dá)標(biāo)狀態(tài)，2021年處于達(dá)標(biāo)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(dá)標(biāo)率要顯著高于2019年水質(zhì)達(dá)標(biāo)率，說明延河水質(zhì)有明顯好轉(zhuǎn)趨向，同時(shí)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(yùn)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(yù)測(cè)

圖5為DO實(shí)測(cè)值與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值差值對(duì)比，圖中期望值代表實(shí)測(cè)值，可以看出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在對(duì)DO進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，前幾次誤差相對(duì)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(dòng)，DO的整體擬合值和實(shí)際值變化趨勢(shì)一致。通過分析相對(duì)誤差可知（表7），16個(gè)預(yù)測(cè)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(gè)最大誤差和最小誤差后，平均誤差為9.1%，預(yù)測(cè)結(jié)果在可接受范圍內(nèi)。

表7 相對(duì)誤差分析表

圖5 實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

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

圖6 誤差收斂曲線

預(yù)測(cè)值Y和實(shí)測(cè)值T之間的線性關(guān)系用相關(guān)系數(shù)R表示，如圖7。其中實(shí)測(cè)值經(jīng)過歸一化處理，均在[-1，1]區(qū)間。預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值之間有一個(gè)精確的線性關(guān)系；反之，若R趨近于0，那么說明輸出值與實(shí)測(cè)值之間不存在明顯的線性關(guān)系。本次試驗(yàn)得到的相關(guān)系數(shù)R=0.970 7，也就是說BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練性能較為理想。

圖7 預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)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(píng)價(jià)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(shì)。對(duì)比兩種評(píng)價(jià)方法可知，應(yīng)用不同的評(píng)價(jià)方法給出的評(píng)價(jià)結(jié)果也不同：?jiǎn)我蜃游廴局笖?shù)法評(píng)價(jià)得出延河歷年各斷面水質(zhì)達(dá)標(biāo)率很小，而用水質(zhì)綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)達(dá)標(biāo)率要明顯高出很多，可以較為客觀的評(píng)價(jià)出水體水質(zhì)狀況。同時(shí)，無論用哪種辦法都可以看出，延河確實(shí)還存在一定污染，需要有關(guān)部門長(zhǎng)期堅(jiān)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(luò)水質(zhì)預(yù)測(cè)模型，利用延河流域其他污染因子，對(duì)DO進(jìn)行預(yù)測(cè)。得出DO與其他因子的相關(guān)系數(shù)為0.970 7，具有較強(qiáng)的相關(guān)性，誤差收斂速度較為理想，在1 000次迭代后達(dá)到最優(yōu)值，將DO預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相比較，發(fā)現(xiàn)變化趨勢(shì)基本符合，最小誤差為1%，去掉一個(gè)最大誤差和最小誤差后，平均誤差為9.1%，預(yù)測(cè)結(jié)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(xué)習(xí)理論引入到延河水質(zhì)預(yù)測(cè)管理領(lǐng)域提供理論支撐。□