石梁河水庫生態(tài)修復效果自適應評價算法研究

陶春梅，王建成，溫江淯，崔浩林

(1.江蘇省連云港市水利局,江蘇 連云港 222000；2.南京市水利規(guī)劃設計院股份有限公司連云港分公司,江蘇 連云港 222000；3.連云港市市區(qū)水工程管理處,江蘇 連云港 222000;4.連云港市臨洪工程管理處,江蘇 連云港 222000)

當前城市發(fā)展迅猛，而排污系統(tǒng)發(fā)展卻相對滯后，導致湖氮、磷和其他污染物大幅增加，周邊水庫水質急劇下降，生物多樣性下降，嚴重影響生態(tài)環(huán)境和居民生活健康[1- 3]，因此對此類生態(tài)環(huán)境展開生態(tài)修復并展開評價具有重要意義。當前國內外對次展開了相關研究[4]。

趙金召等[5]運用層次分析法，以復綠植被生態(tài)的適應性、綠化效果、經濟性與應用潛力為準則層，選取11個指標，構建高陡巖質邊坡礦山生態(tài)修復綠化效果評價體系;李舟等[6]用層次分析法對銀西高鐵寧夏段干旱區(qū)的植物物種進行選擇和評價技術研究;史帥航等[7]以西南地區(qū)某礦產集采區(qū)為例，探索區(qū)內土壤重金屬含量及其隨流域遷移規(guī)律，分析區(qū)內土壤重金屬潛在生態(tài)風險；王瑾[8]通過分析調查區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，建立了相關生態(tài)保護修復體制。此外，還有部分學者基于組合權重法和定量評價方法對生態(tài)評價系統(tǒng)進行研究。

從以上文獻分析可以得出，當前的生態(tài)評價方法大多都是基于復雜繁瑣的數(shù)據(jù)計算，在評價效率方面十分不利，因此，本文開發(fā)了一種生態(tài)修復效果自適應評價算法，以石梁河水庫生態(tài)修復工程為例，選取了高錳酸鹽，氨氮和總磷三個分類指標，采用決策樹自適應評價算法，以GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》和修正的Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)為評價閾值對生態(tài)修復后的石梁河水庫進行自動評價分析(2016—2019)。研究成果可為相關工程提供參考。

1 工程概況

石梁河水庫90年代曾被水利部列為第二批全國重點病險水庫之一，1958—1962年，石梁河水庫建成，樞紐工程包括主壩、副壩各一座，設計流量4000m3/s泄洪閘一座，1120千瓦水電站一座，輸水涵洞(閘)6座。石梁河水庫建成后由防洪、灌溉功能演變?yōu)槎喙δ芫C合性水庫。根據(jù)淮委規(guī)劃設計研究院1998年提出的《對石梁河新、老泄洪閘泄量分配的建議》，在正常年和50年一遇洪水、閘上水位分別是24.0和26.08m時，老閘泄量均為2500m3/s，新閘泄量分別為2500、3500m3/s;在100年一遇洪水、閘上水位26.81m時，老閘泄量3000m3/s，新閘泄量為3500m3/s;在2000年一遇洪水、閘上水位27.95m時，老閘泄量5000m3/s，新閘泄量為5131m3/s。

2 生態(tài)修復措施

2.1 生態(tài)田埂工程

石梁河水庫(又名海陵湖)位于江蘇省東?？h石梁河鎮(zhèn)北側，本次采用生態(tài)田埂、果園生草技術，石梁河水庫周邊水系如圖1所示。本次田埂工程主要是改變田埂高程：即加高10～15cm，從而將與降雨相關的地表徑流控制30～50cm，進而從根源上有效防止污染的農田通過大部分中小降雨流入水庫。此外，選取部分植物進行密集種植，分布在田埂的兩側，形成隔離帶，這一舉措能夠有效阻截氮、磷養(yǎng)分損失，在產生地表徑流時可以對殘留農藥進行固存，防止向水體遷移。

圖1 石梁河水庫周邊水系圖

2.2 生態(tài)溝渠

田間溝渠同時具備灌溉輸水和田間排水兩種功能。規(guī)劃基于生態(tài)學原理，將原有的土質或三面光水泥溝渠改造成生態(tài)攔截溝渠。生態(tài)溝渠主要在田塊間進行交錯分布，由3部分組成：初沉池，泥硬質生態(tài)溝框架和生態(tài)植物。其中第一部分初沉池用于沉淀由于徑流帶來的農田顆粒物，并進行回收處理。初沉池通常安裝在農田排水出口處，并連接至生態(tài)溝渠處。第二和第三部分(溝底、溝板)為水泥硬質板，并用鉆機進行打孔，用于種植植物。該部分作用主要是形成過濾系統(tǒng)，滯留農田徑流污染物，截流降雨形成的徑流以及滲漏水中的氮、磷。

2.3 生態(tài)塘

規(guī)劃區(qū)內的部分溝塘被村民用作魚塘或種植水生經濟作物，還有很多坑塘沒有得到充分利用，有些甚至被作為養(yǎng)殖場動物糞便、生活垃圾的傾倒場所，嚴重影響水生態(tài)健康。規(guī)劃采用多塘系統(tǒng)改善水生態(tài)環(huán)境，多塘系統(tǒng)是指由多個沉降塘或滯留塘組成并共同發(fā)揮生態(tài)凈化功效的系統(tǒng)工程。沉降塘位于系統(tǒng)的前端，滯留塘位于系統(tǒng)的后端，沉降塘深度要大于滯留塘。多塘系統(tǒng)平面布置示意圖如圖2所示。

圖2 多塘系統(tǒng)平面布置示意圖

3 生態(tài)修復評價指標

3.1 水質質量

水質質量是生態(tài)修復結果的中套評價指標，本規(guī)劃主要以高錳酸鹽指數(shù)指數(shù)、氨氮、總磷作為評價項目，以GB 3838—2002為評價標準，水質評價方法采用單因子指數(shù)法評價。石梁河水庫及入庫河流水質評價采用Ⅲ類標準，標準限值見表1。

表1 水質評價標準限值

3.2 Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)

由于造成庫區(qū)富營養(yǎng)化的因素有很多，本文選取修正的Carlson營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)對2016—2019年的綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)進行比較分析，分級標準見表2。

表2 湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)分級方法

4 自適應評價算法

本文采用的自適應評價算法為機器學習當中的決策樹系統(tǒng)，能夠自動根據(jù)輸入數(shù)據(jù)和相應的閾值門檻進行評價分析。決策樹模型是監(jiān)督學習算法中比較經典的模型，會學習并回答將樣本分成不同類別的一系列問題。每個問題都有一個二元答案，根據(jù)滿足的條件，樣本將被分配給樹的左分支或右分支，并且分支中還可以包含分支；一旦學習了模型，就可以用圖形表示一棵樹的形狀?；跇涞哪Ｐ图瓤梢杂糜诜诸惾蝿眨部梢杂糜诨貧w任務，因此可將它們描述為分類和回歸樹(CART)。其基本算法如圖3所示。

圖3 決策樹基本算法

在樹的構建過程中的每個階段，決策樹算法都會考慮所有輸入變量，并選擇類別之間可分性較高的變量。該算法將從根節(jié)點開始，在每個分支上再次查找最適合區(qū)別類別的樣本特征并選作當前分支。但是，決定每次劃分的最優(yōu)特征可通過兩種不同的方法來實現(xiàn)：熵的差異(稱為信息增益)和基尼指數(shù)的差異(稱為基尼增益)。這兩種方法得到的結果通常非常相似；但基尼指數(shù)(以社會學家和統(tǒng)計學家的計算速度要快一些，所以本文采用基尼增益劃分樹。

5 評價算法應用結果

如圖4所示2016—2019年石梁河水庫水質監(jiān)測數(shù)據(jù)，即本次分析的輸入數(shù)據(jù)集，輸入的分類指標包括高錳酸鹽，氨氮和總磷，分析時只需將監(jiān)測數(shù)據(jù)文件轉為CSV.格式輸入寫好的程序即可，評價分類閾值見表1，水質評價結果見表2。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)和表2中結果，石梁河水庫高錳酸鹽指數(shù)濃度和平均濃度分別為2.75～5.20mg/L和4.00mg/L，100.0%達標；氨氮濃度最小0.05mg/L，最大0.71mg/L，平均濃度為0.34mg/L，達標率為100.0%，主要超標因子為總磷(0.13)?？偭诐舛葹樽钚?.02mg/L，最大0.18mg/L，最大超標倍數(shù)2.50倍，平均濃度為0.06mg/L，達標率為70.7%。

圖4 2016—2019年石梁河水庫水質監(jiān)測數(shù)據(jù)

2016年石梁河水庫水質良好，符合地表水Ⅲ類標準。2017年及2018年水質符合地表水Ⅳ類標準，為輕度污染，主要超標因子為總磷。2019年石梁河水庫水質良好，符合地表水Ⅲ類標準。石梁河水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價結果見表3。由富營養(yǎng)化評價結果可知，石梁河水庫2016—2019年綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)在富營養(yǎng)限值左右波動，2016年及2017年為中營養(yǎng)，2018年為輕度富營養(yǎng)，2019年為中營養(yǎng)。由以上評價結果可知，本文采用的決策樹評價算法可以直接根據(jù)所選的生態(tài)監(jiān)測指標，用程序直接分析所給閾值后的評價類型，避免了人工操作的繁瑣，值得應用推廣，部分代碼接口如圖5所示。

表2 石梁河水庫2016—2019年水質評價結果

表3 石梁河水庫綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)評價結果

圖5 部分代碼接口

6 結語

當前的生態(tài)修復評價過程復雜繁瑣，在評價效率方面十分不利。本文為提高評價效率，以石梁河水庫生態(tài)修復工程為例，選取了3個分類指標，采用決策樹自適應評價算法對生態(tài)修復后的石梁河水庫進行自動評價分析(2016—2019)。結果表明，2016年石梁河水庫符合地表水Ⅲ類標準，2017年及2018年水質符合地表水Ⅳ類標準，2019年符合地表水Ⅲ類標準。此外，石梁河水庫2016年及2017年為中營養(yǎng)，2018年為輕度富營養(yǎng)，2019年為中營養(yǎng)，自動評價結果與公式計算結果一致。因此，本文采用的評價算法可以直接根據(jù)生態(tài)監(jiān)測指標實現(xiàn)了評價自動化，準確度高，值得應用推廣。