遼陽縣地表水水質(zhì)綜合評價

周 宇

（遼寧省河庫管理服務(wù)中心，沈陽 110000）

水是維持地球生命系統(tǒng)循環(huán)的重要自然資源，我國水資源存在質(zhì)與量的多重挑戰(zhàn)，特別是水污染問題日趨突出。自全面實施河湖長制以來，湖泊、河流等地表水逐漸引起人們的高度關(guān)注，地表水作為生態(tài)保護和人類生產(chǎn)生活的重要水源，其水質(zhì)狀況直接關(guān)系著城市經(jīng)濟社會的發(fā)展和受水區(qū)用水安全。地表水質(zhì)受影響因素較多，水質(zhì)評價對水污染預(yù)警管理、水污染趨勢預(yù)報及水質(zhì)狀況判別等具有重要意義，可以為水環(huán)境保護、水資源監(jiān)管和可持續(xù)利用等提供指導(dǎo)依據(jù)，其關(guān)鍵就是選擇合適的評價方法[1]。

目前，比較常用的地表水質(zhì)評價方法有模糊綜合法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、綜合指數(shù)法、層次分析法和單因子法等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法能夠連續(xù)性綜合評價水質(zhì)狀況，但是容易出現(xiàn)局部最小、收斂速度較緩且運算過程復(fù)雜的問題；綜合指數(shù)法能夠?qū)C合水質(zhì)是否達標(biāo)進行定性描述與定量分析，但評判結(jié)果存在較強主觀性，難以判斷處于兩等級之間的情況；層次分析法易產(chǎn)生專家意見和判斷矩陣不一致的情況，尤其是屬性較多時無法保證評判結(jié)果客觀性；單因子法是按照最差因子評定等級，雖然計算比較簡單，但容易出現(xiàn)偏離實際情況的問題；模糊綜合法符合分級模糊、影響因素多的特點，通過歸一化處理主要因子可以綜合評價不同區(qū)域或年份的水質(zhì)及其變化趨勢[2-6]。其他方法均存在相應(yīng)的優(yōu)缺點，對于不同或同一區(qū)域水質(zhì)評價所呈現(xiàn)的優(yōu)劣程度明顯不同，且尚未形成普遍適用的標(biāo)準(zhǔn)評價方法。

太子河流域?qū)龠|陽縣的重要水源，對當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活和生態(tài)環(huán)境用水等具有重要作用。鑒于此，文章結(jié)合2012—2021年太子河流域各典型監(jiān)測點每月水質(zhì)實測數(shù)據(jù)，采用隨機森林和模糊綜合法系統(tǒng)分析河流水質(zhì)，并進一步探討各水質(zhì)指標(biāo)的重要性，旨在為太子河流域水資源管理、水質(zhì)評價、水污染溯源及防治提供一定技術(shù)支持。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

遼陽縣境內(nèi)河流較多，太子河貫穿全境，測站有葠窩水庫、遼陽(三)、小林子(二)和唐馬寨(三)站。遼陽縣屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫8.4℃，多年平均降水量735.3mm，蒸發(fā)量508mm。

1.2 數(shù)據(jù)采集

本研究于2012年9月~2021年7月每月對4個測站各監(jiān)測斷面采集1次水樣，河流水質(zhì)監(jiān)測方法和原則參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

1.3 水質(zhì)評價

1.3.1 模糊綜合評價法

1）建立評價集。根據(jù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和實際監(jiān)測中的主要污染指標(biāo)合理劃分水質(zhì)級別，并建立評價集、因子集。

2）構(gòu)造模糊矩陣和隸屬度函數(shù)。針對評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值與實測值利用隸屬度函數(shù)進行處理，即：

式中：Xi為污染因子i的實測值；Sij、rij為污染因子i對應(yīng)評價等級j的標(biāo)準(zhǔn)值及其隸屬度。通過上述計算可以構(gòu)造模糊矩陣R，即：

3）建立權(quán)重矩陣。各參評對象的權(quán)重值ai利用超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法進行歸一化處理，從而構(gòu)造模糊權(quán)重矩陣A：A=(a1，a2，···，an)，其計算式為：

式中：Si為污染因子i的評價標(biāo)準(zhǔn)均值；

4）模糊綜合評價。將模糊關(guān)系矩陣R與權(quán)重矩陣A進行乘積計算可確定分級模糊評價矩陣B，即：

1.3.2 隨機森林法

隨機森林是一種按照bootstrap抽樣方式等概率隨機抽取結(jié)構(gòu)變量，通過構(gòu)建各組合樣本局冊數(shù)找到評分最高的分類結(jié)果，并以此分類優(yōu)選的集成模型，即利用有監(jiān)督學(xué)習(xí)和分類回歸樹原理的分析方法。一般選用隨機森林算法中的OOB參數(shù)評價水質(zhì)模型中各因子重要度分值，按照其數(shù)值大小評定各因子特征重要度。隨機森林算法不僅能夠在水質(zhì)參數(shù)缺失的情況下保證較高的評價準(zhǔn)確度，還可以有效反映不同樣本之間的差異，詳細流程見文獻[7-9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單一水質(zhì)指標(biāo)

通過分析2012—2021年太子河流域每月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，低于檢出限的因子有揮發(fā)酚、石油類、BOD5、汞、砷、硒、鋅、銅，無法反映太子河水質(zhì)狀況。因此，選擇氟化物F-、錳Mn、鐵Fe、糞大腸菌群F.coli、硫酸鹽SO42-、氯化物Cl-、高錳酸鹽指數(shù)CODMn、總磷TP、硝酸鹽NO3-、氨氮NH3-N、總氮TN、溶解氧DO、水溫WT、pH值等參數(shù)研究分析太子河水質(zhì)。

結(jié)果顯示，太子河pH值處于6.28~7.50變化范圍，其中pH＜7.0的水樣占比為65%，總體達到酸性偏弱水平，pH值自上游至下游變化不明顯。研究期間太子河TN平均濃度1.51mg/L，總體達到嚴(yán)重超標(biāo)水平，TN自上游至下游變化也不明顯，表明太子河遼陽縣段總氮類污染物輸入少，上游段農(nóng)村地區(qū)的污染物排入可能是導(dǎo)致總氮污染超標(biāo)的重 要 原因。NH3-N、Cl-、CODMn、F-、NO3-、硫酸鹽SO42-基本符合Ⅲ類要求。Mn、Fe、NH3-N、F.coli、TP、DO濃度在一定程度上大于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，其中Mn的濃度處于0.15~1.51mg/L范圍，F(xiàn)e的濃度處于1.28~3.0mg/L范圍，并且2012—2021年出現(xiàn)明顯上升趨勢。由表1可知，Mn與Fe之間的相關(guān)度較高，相關(guān)系數(shù)0.81，說明Mn與Fe是由同源污染所引起的；DO與水溫之間存在負相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)-0.62，這說明水生物的生化反應(yīng)及藻類的生長受溫度的影響顯著，并進一步對水體DO含量產(chǎn)生影響，即DO隨水溫的升高而減小。

表1 不同水質(zhì)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

綜上分析，太子河遼陽段存在一定程度的水質(zhì)超標(biāo)問題，這可能與太子河上游污水未做處理排入河流、農(nóng)藥化肥濫用以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展等有關(guān)。同時，隨著太子河流域工業(yè)化水平的提升，交通發(fā)展、城市建設(shè)和采礦等造成非法排放廢水量增多，從而提高了水體Mn與Fe離子濃度。

2.2 水質(zhì)模糊綜合評價

根據(jù)唐馬寨(三)、小林子(二)、遼陽(三)和葠窩水庫4個監(jiān)測站水質(zhì)評價集合，選擇參評指標(biāo)為河流水質(zhì)的主要污染因子（見表2），從而構(gòu)建相應(yīng)的因子集U和評價集V，即：U= { DO，CODMn，TP，TN，F(xiàn).coli，NH3-N }、V= {Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ}。

表2 地表水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限制

河流斷面水質(zhì)類別參照最大隸屬度準(zhǔn)則確定，結(jié)合2012—2021年各監(jiān)測點水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)模糊綜合評價太子河地表水質(zhì)，如圖1所示。

圖1 太子河地表水質(zhì)評價

由圖1可知，上游總體優(yōu)于下游水質(zhì)，4個監(jiān)測點中Ⅰ類水占比依次為27%、17%、10%、9%，唐馬寨(三)測點的Ⅳ類和Ⅴ類水占比為65%。

然后對太子河各監(jiān)測點6個水質(zhì)指標(biāo)利用超標(biāo)倍數(shù)賦權(quán)法進行權(quán)重計算，經(jīng)歸一化處理確定各指標(biāo)權(quán)重如圖2所示。結(jié)果顯示，各監(jiān)測點權(quán)重最大的指標(biāo)是TN，農(nóng)村生活污染和農(nóng)藥化肥施用等可能是其主要污染源，DO權(quán)重從上游葠窩水庫的25%減小到下游唐馬寨(三)的20%，表明太子河水質(zhì)特性出現(xiàn)了明顯改變；F.coli權(quán)重從上游葠窩水庫的8%增大到下游唐馬寨(三)的22%，表明微生物污染可能在一定程度上導(dǎo)致下游水體惡化。因此，各指標(biāo)權(quán)重變化說明太子河遼陽段可能存在影響水質(zhì)變化的工業(yè)或城鎮(zhèn)生活污染源。

圖2 太子河地表水質(zhì)評價因子權(quán)重

2.3 隨機森林水質(zhì)評價

隨機森林評價法可以有效分析水質(zhì)評價關(guān)鍵指標(biāo)、水質(zhì)類別及水體污染程度，準(zhǔn)確反映地表水質(zhì)實際情況，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水質(zhì)評價研究。

根據(jù)太子河2012—2021年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和各指標(biāo)特征參數(shù)，參照現(xiàn)行分類標(biāo)準(zhǔn)，將所有水樣按照1: 4細分成測試集訓(xùn)練集，經(jīng)訓(xùn)練學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)隨機森林評價模型的準(zhǔn)確率達到98%，結(jié)果見圖3。

圖3 太子河地表水質(zhì)隨機森林評價特征重要性

結(jié)果顯示，特征重要性最大的是總氮，這表明總氮是太子河地表水質(zhì)分析的關(guān)鍵因子；其次是糞大腸菌群，尤其是在太子河唐馬寨(三)監(jiān)測點其特征重要性明顯上升，評價結(jié)果與模糊綜合法高度一致，說明太子河遼陽段存在一定的糞大腸菌群污染的情況；高錳酸鹽指數(shù)與溶解氧的特征重要性變化范圍為10%~22%，而NH3-N與TP較小，表明這些因子對水質(zhì)評價的影響較低。隨機森林法驗證了模糊綜合評價結(jié)果的正確性，表明太子河遼陽段存在一定的污染源，需要重點排查中下游微生物等異常情況以及上游農(nóng)業(yè)面源污染、城鎮(zhèn)生活污水處理廠等總氮污染源。另外，在關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)選擇和水質(zhì)分類中隨機森林評價模型呈現(xiàn)一定優(yōu)異性，并且集成算法與傳統(tǒng)機器算法相比具有更高精準(zhǔn)度，可以用于水質(zhì)預(yù)警及水質(zhì)監(jiān)測等領(lǐng)域研究。

3 結(jié) 論

1）太子河遼陽段主要污染指標(biāo)有錳、鐵、溶解氧、糞大腸菌群和總氮，參與調(diào)查的水樣中有50%以上低于Ⅲ類水質(zhì)。

2）上游明顯優(yōu)于下游水質(zhì)，下游唐馬寨(三)測點的Ⅳ類和Ⅴ類水占比為65%；DO權(quán)重從上游葠窩水庫的25%減小到下游唐馬寨(三)的20%，表明水質(zhì)特性出現(xiàn)了明顯改變；F.coli權(quán)重從上游葠窩水庫的8%增大到下游唐馬寨(三)的22%，表明微生物污染可能在一定程度上導(dǎo)致下游水體惡化。

3）經(jīng)訓(xùn)練學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)所構(gòu)建的隨機森林模型評價準(zhǔn)確率達到98%，確定溶解氧、糞大腸菌群和總氮是太子河水質(zhì)評價的重要指標(biāo)。研究成果可以為遼陽縣水資源管理、地表水質(zhì)評價、水污染溯源和防治提供技術(shù)指導(dǎo)。