蘇家屯地區(qū)地下水源地水質(zhì)調(diào)查與聚類分析

侯紀榮 葛 鵬 金 碧

(1.沈陽市蘇家屯區(qū)水利局，遼寧 沈陽 110101;2.盤錦市河閘管理處，遼寧 盤錦 124000)

飲用水質(zhì)量事關(guān)居民生活健康，客觀進行水質(zhì)評價是保障水源地供水安全的基礎(chǔ)。目前飲用水水質(zhì)評價方法主要分為單一指標定性評價法和綜合指標定量評價法，這些評價方法不僅能明確水體質(zhì)量等級，還能量化水質(zhì)分數(shù)。目前大部分研究是基于年內(nèi)測定的水質(zhì)數(shù)據(jù)給出評價結(jié)果，未充分考慮到水循環(huán)過程的季節(jié)變異性與水質(zhì)指標間的理化聯(lián)系，未結(jié)合區(qū)域水質(zhì)礦質(zhì)特點。鑒于此，本文以遼河平原蘇家屯地區(qū)為例，在季候水質(zhì)采樣基礎(chǔ)上，利用營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)與自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，對該地20個水源地水質(zhì)進行綜合評估，以期為該區(qū)域水源保護提供依據(jù)。

1 區(qū)域概況

蘇家屯區(qū)地處沈陽市中南部的遼河中游與渾河交匯帶，是沈陽的副中心城區(qū)。屬低緩丘陵、平原分布區(qū)，海拔介于0～330m之間，發(fā)育有北沙河、十里河、柳溝河等遼河一級支流，流程達149km，徑流面積達759km2，占區(qū)域總面積的90%。由于位于中高緯度大陸東岸，受西太平洋信風與高緯度冷高壓交替控制形成了溫帶季風性氣候，冬冷夏熱、季候分明，年均氣溫8℃，年均降水659.6mm，日照時數(shù)2500h。該區(qū)居民飲用水源主要為地表水與地下水。2017年，根據(jù)蘇家屯區(qū)飲用水源功能特點設(shè)站調(diào)查，共設(shè)水質(zhì)點20個。

2 取樣調(diào)查與測定分析

3 研究方法

3.1 營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法

水體是多種礦質(zhì)成分混合液體，國內(nèi)外學者基于水體的該特征給出了多種水質(zhì)評價方法，如特征法、綜合指數(shù)法、模糊關(guān)聯(lián)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法等，其中TSI(Trophic State Index)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)法通過顯示方程定量描述水質(zhì)綜合特征，是淡水質(zhì)量測定的典型方法之一。其計算公式如下：

TSIm(Chl-a)=10[2.46+ln(Chl-a)/ln2.5]

(1)

TSIm(SD)=10〔2.46+[3.69-1.53

ln(SD)]/ln2.5〕

(2)

TSIm(TP)=10[2.46+(6.71+1.15

ln(TP))/ln2.5]

(3)

TSIm=W(Chl.a)·TSIm(Chl-a)+W(SD)·

TSIm(SD)+W(TP)·TSIm(TP)

(4)

式中:Chl-a、TP、SD分別為水質(zhì)中綠素a、總磷、透明度的數(shù)值，其中TSIm(Chl-a)、TSIm(SD)、TSIm(TP)分別為各指標單項營養(yǎng)指數(shù)，TSIm為綜合影響指數(shù)，用于評定水質(zhì)營養(yǎng)型狀況。基于Carlson和Aizaki對于TSI方法的定義，W為權(quán)重狀態(tài)，通過以上公式將水體多種礦質(zhì)成分濃度與水體質(zhì)量聯(lián)系起來。通常TSI的計算結(jié)果介于0～100之間，TSI≤31表明水質(zhì)潔凈；3154表明水質(zhì)富營養(yǎng)化。

3.2 主成分分析法

主成分分析(Principal Components Analysis，PCA)是一種從高階數(shù)據(jù)集中提取低階核心成分的一種簡化數(shù)據(jù)集的技術(shù)，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)集中的方差貢獻識別單一要素的影響程度。本文以獲取的水質(zhì)樣品數(shù)據(jù)矩陣為基礎(chǔ)，運用R語言中的vegan數(shù)據(jù)包進行主成分特征提取，從而解析區(qū)域水質(zhì)的影響因素。

3.3 自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Self-Orhainzing Map，SOM)是一種無監(jiān)督聚類分析法，無須事先設(shè)定聚類數(shù)量和學習訓練[3-5]，主要根據(jù)特征維數(shù)數(shù)據(jù)集特征進行邏輯分裂，從而劃分樣本的類別。本文以水質(zhì)樣品數(shù)據(jù)集為特征維數(shù)，在此基礎(chǔ)上運用Matlab2018軟件中的SOM-APP工具進行特征聚類，從而識別20個水質(zhì)點水質(zhì)綜合特征。

4 數(shù)據(jù)處理與分析

運用Excel 2016軟件對測定的水質(zhì)參數(shù)進行統(tǒng)計分析，計算TSI相關(guān)指數(shù)，并采用極值標準化方法進行歸一化處理。在此基礎(chǔ)上運用Matlab2018軟件進行主成分分析。另外為了綜合評定20個水質(zhì)點綜合水質(zhì)差異，運用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Self-Orhainzing Map，SOM)方法進行聚類分析[3-5]。

5 結(jié)果分析

5.1 水質(zhì)季候變化特征

表1 蘇家屯飲用水水質(zhì)指標測定值

5.2 水質(zhì)營養(yǎng)性綜合評定

基于前述調(diào)查數(shù)據(jù)與改進的TSI水質(zhì)營養(yǎng)量化方法，對蘇家屯區(qū)飲用水水質(zhì)季節(jié)性綜合特征進行綜合評價，結(jié)果見表2。各季節(jié)中水質(zhì)TSI值存在明顯差異(P<0.05)，其中以夏季水質(zhì)的TSI值最高，為21.32，以31的貧營養(yǎng)型下限值計算，其偏離僅為9.68，屬年內(nèi)水質(zhì)最差階段。其次是冬季，TSI為16.76，偏離下限值14.24。春季、秋季水質(zhì)較好，TSI分別為12.98、8.97，偏離下限分別為18.02、22.03。其年內(nèi)水質(zhì)平均TSI為15.75，約為限值水平的1/2，表明該地區(qū)水質(zhì)基本安全。雖然各季節(jié)水質(zhì)不盡相同，但依據(jù)TSI平均分級，均屬于貧營養(yǎng)型等級，表明水質(zhì)屬于安全型，對人體健康無損。

表2 蘇家屯飲用水水質(zhì)綜合評定值

5.3 水質(zhì)影響因素主成分分析

通過Matlab數(shù)學平臺對調(diào)查的水質(zhì)樣點進行矢量可視化(見圖1)。由圖1可知，主成分軸PCA1和PCA2分別解釋了42.58%、27.63%的信息，其綜合解釋能力達到67.21%，殘差為32.79%，表明能夠較好闡釋水質(zhì)的環(huán)境表達。pH值在PCA2軸上的矢量投影最長，表明pH值是水質(zhì)質(zhì)量的基礎(chǔ)，它對水體中其他礦質(zhì)成分如金屬鹽離子等具有重要影響。PCA1還與EC密切相關(guān)，其表征了離子屬性及其活躍程度。PCA2主要反映了TN、TP和COD情況，TN為水生生物提供必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)，其含量過高易引起水體營養(yǎng)化；COD是水體質(zhì)量的關(guān)鍵指標之一，由圖1可知，第S17號水質(zhì)點的化學需氧量過低。各水質(zhì)點與矢量箭頭的偏離程度反映了水質(zhì)各指標質(zhì)量分數(shù)豐度，就全局來看，pH值、TN和TP是其控制因素。

圖1 蘇家屯區(qū)水質(zhì)參數(shù)PCA分析

5.4 基于SOM的水質(zhì)點聚類分析

通過SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對20個水質(zhì)參數(shù)含量值進行聚類，以便直觀分析各水質(zhì)點綜合質(zhì)量差異。在進行聚類過程中，其關(guān)鍵在于計算神經(jīng)元系數(shù)，系數(shù)值的大小決定其與聚類目標接近程度。由于該聚類過程對聚類層級的設(shè)定是先驗的，因而需要設(shè)計合理隨機化過程，使得神經(jīng)元系數(shù)值具有穩(wěn)定性。通過50次抽樣，得到其平均值，結(jié)果見圖2。依據(jù)其系數(shù)區(qū)間來看，pH值最小主要由于各水質(zhì)點pH值差異不大，具有較小的信息熵，因而其聚類分離過程中的作用較小，反之NO2-N、NO3-N等的神經(jīng)元系數(shù)有負值且區(qū)間較大，這不僅與其熵值信息有關(guān)，還可能受到數(shù)據(jù)噪聲影響。經(jīng)聚類后得到圖3所示結(jié)果。

圖2 蘇家屯20個水質(zhì)參數(shù)SOM網(wǎng)絡(luò)圖

圖3 蘇家屯水質(zhì)點SOM聚類結(jié)果

由圖3可知，蘇家屯20個水質(zhì)點水質(zhì)質(zhì)量綜合聚類存在一定差異，其中灰度(G)越深表明水質(zhì)越差。聚類結(jié)果分6級，其中20號水質(zhì)點屬于G6，水質(zhì)最差；8號和4號屬于G5；9號、14號、15號、10號、11號、12號屬于G4；7號、6號、16號屬于G3；17號、19號、5號、1號屬于G2；2號、3號、13號、18號屬于G1。

6 結(jié) 論

飲用水安全是居民生活安全的基礎(chǔ)保障，展開水質(zhì)調(diào)查、綜合測評水體質(zhì)量是水務(wù)部門的重要工作內(nèi)容。通過實際調(diào)查取樣，測定了覆蓋蘇家屯區(qū)域的20個水質(zhì)點質(zhì)量參數(shù)，結(jié)果顯示未有化學物質(zhì)含量超標，水質(zhì)量在安全范圍內(nèi)。本文運用了SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對水質(zhì)點進行聚類分析，該結(jié)果能夠直觀展示水體質(zhì)量差異，這為水資源監(jiān)測管理提供了可視化參考依據(jù)，該方案具有一定應(yīng)用潛力。雖然本區(qū)飲用水基本達標，但考慮到水體的動態(tài)活性、易于污染的特征，加強水質(zhì)監(jiān)測與水環(huán)境管理依然不可松懈。