碧流河富營養(yǎng)化主控因子及年季動態(tài)變化特征

肖美艷

(瓦房店市水利勘測設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 大連 116300)

碧流河發(fā)源于蓋州市棋盤嶺山南麓，屬于大連地區(qū)最大的河流，對下游農(nóng)田灌溉和城市供水發(fā)揮著關(guān)鍵作用。近年來，由于經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及環(huán)境保護(hù)工程的滯后，湖庫網(wǎng)圍養(yǎng)殖二次污染、生活污水、農(nóng)業(yè)面源及工業(yè)點(diǎn)源污染等問題突出，各種營養(yǎng)鹽的富集加速了碧流河的富營養(yǎng)化。富營養(yǎng)化為藻類的生長創(chuàng)造了適宜的自然條件，原本藍(lán)色的水體因綠藻、硅藻的大量生長變成綠色，長期作用下河流水質(zhì)不斷下降，水體發(fā)黑、發(fā)臭對水生態(tài)文明建設(shè)及流域水環(huán)境功能構(gòu)成嚴(yán)重威脅。水體富營養(yǎng)化與水生物、降水、光照、溫度、地質(zhì)條件、氨氮等因子密切相關(guān)，因此準(zhǔn)確掌握碧流河年季富營養(yǎng)化變化規(guī)律及其主控因子，對保護(hù)濕地生態(tài)功能、維持生物多樣性、水資源可持續(xù)開發(fā)及水環(huán)境綜合整治等具有重要意義。

本文利用均勻隨機(jī)數(shù)和等級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)生成檢驗(yàn)樣本、建模樣本，將邏輯斯蒂曲線與加速遺傳算法相結(jié)合搭建評價(jià)模型，綜合分析了碧流河2011—2018年不同時(shí)點(diǎn)的富營養(yǎng)化等級及其主控因子動態(tài)變化特征，為流域水污染治理和富營養(yǎng)化控制提供決策依據(jù)。

1 區(qū)域概況

碧流河流域地處遼東半島中東部，流經(jīng)新開嶺、萬福鎮(zhèn)、普蘭店區(qū)、墨盤鄉(xiāng)、城子坦鎮(zhèn)后匯入黃海，干流長156km，徑流深305.6mm，年徑流量8.6億m3，比降1.89‰，上游屬低山區(qū)，地勢自東北向西南傾斜。碧流河水庫建設(shè)于下游入?？谔?，屬于一座以城市供水為主，兼具灌溉、防洪、發(fā)電、養(yǎng)護(hù)和旅游等功能的大(2)型工程，集水面積2085km2，正常蓄水量7.14億m3，最大庫容9.34億m3，承擔(dān)著下游農(nóng)田防洪安全及城市供水的任務(wù)。

2 富營養(yǎng)化綜合評價(jià)方法

2.1 基本原理

模擬群體遺傳機(jī)理與生物自然選擇的遺傳算法，其基本原理是將父代群體設(shè)定為隨機(jī)生成的可行解，并引入適應(yīng)度函數(shù)度量父代個(gè)體的適應(yīng)能力，通過多次反復(fù)的變異、交叉、選擇等操作生成子代個(gè)體，按照優(yōu)勝劣汰機(jī)制不斷提升個(gè)體的環(huán)境適應(yīng)能力，從而優(yōu)選出能夠最大限度的逼近最優(yōu)解的優(yōu)秀個(gè)體。借鑒前人研究成果[1- 3]，有學(xué)者提出了改進(jìn)的加速遺傳算法，并在水環(huán)境評價(jià)、水利工程施工進(jìn)度優(yōu)化等領(lǐng)域取得良好的應(yīng)用成效。

2.2 生成樣本

根據(jù)富營養(yǎng)化等級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(見表1)和0～1之間的均勻隨機(jī)數(shù)，利用公式(1)隨機(jī)生成5個(gè)檢驗(yàn)樣本和25個(gè)建模樣本，如圖1所示。

Xij=yij(aij-bij)+aij

(1)

式中，yij、Xij—參評因子i關(guān)于富營養(yǎng)化等級j的均勻隨機(jī)數(shù)和樣本值；aij、bij—參評因子i關(guān)于富營養(yǎng)化等級j的上、下界限值。

圖1 模擬評價(jià)等級與標(biāo)準(zhǔn)等級

表1 水體富營養(yǎng)化等級

2.3 邏輯斯蒂曲線模型

荷蘭生物學(xué)者Verhulst提出了一種能夠客觀反映事物發(fā)生、發(fā)展、成熟規(guī)律的邏輯斯蒂曲線，按照不同的發(fā)展階段可以分為緩慢增加、快速增長和趨于穩(wěn)定3個(gè)部分，所以又稱為S曲線，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于人口與經(jīng)濟(jì)預(yù)測、環(huán)境生態(tài)學(xué)、地理學(xué)等領(lǐng)域[4- 7]。設(shè)N、z為碧流河富營養(yǎng)化的最高等級和模型計(jì)算值，xi為綜合評價(jià)的第i個(gè)主控因子，ci為模型參數(shù)，n為參與評價(jià)的因子總數(shù)，由此構(gòu)造的邏輯斯蒂曲線如下：

(2)

將模型中的有關(guān)參數(shù)利用加速遺傳算法估計(jì)，從而構(gòu)造相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)為：

(3)

(4)

z=5/(1+e-0.263-2.729x1-0.66x2+3.545x3-4.896x4)

(5)

2.4 驗(yàn)證分析

采用邏輯斯蒂曲線評價(jià)模型計(jì)算驗(yàn)證樣本的富營養(yǎng)化等級，評價(jià)等級與實(shí)測數(shù)據(jù)等級對比如圖2所示，可見該模型具有較高的精準(zhǔn)度與可行性。該模型考慮了不同主控因子對富營養(yǎng)化評價(jià)的等級差異性，能夠更加精準(zhǔn)、全面的度量水環(huán)境狀況。所以，可以應(yīng)用該模型評價(jià)碧流河富營養(yǎng)化狀態(tài)。

3 富營養(yǎng)化主控因子及年季變化特征

3.1 富營養(yǎng)化主控因子變化

對碧流河匯入黃?？谔?、碧流河水庫壩址處、萬福鎮(zhèn)斷面處、新開嶺發(fā)源處水體的水環(huán)境指標(biāo)，選擇2011—2018年初夏(5月10日)、仲夏(7月10日)、秋末(10月10日)進(jìn)行測定，各主控因子在3個(gè)時(shí)點(diǎn)的變化特征如圖2所示。結(jié)合等級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及圖2主控因子辯護(hù)趨勢，可以較為全面地反映碧流河年季富營養(yǎng)化主控因子變化特征。

(1)總體上，富營養(yǎng)化主控因子總氮、總磷、透明度、耗氧量均處于3～5級水平，隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)出遠(yuǎn)離低級趨向于高級的現(xiàn)象，即水環(huán)境呈惡化趨勢，各項(xiàng)因子于2018年總體處于4～5級之間。進(jìn)一步分析產(chǎn)生該變化的原因，主要與灌區(qū)農(nóng)藥化肥過度施用、上游工農(nóng)業(yè)廢水排放、主干河流水量減少等因素相關(guān)[8]。2010年以來，碧流河上游工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水排放量呈上升趨勢，流經(jīng)城市段水質(zhì)持續(xù)下降，水環(huán)境容量及入河水量不斷減少。此外，此外，2010～2016年間灌區(qū)農(nóng)藥、化肥施用量持續(xù)增加，由此表明碧流河儲存了更多的養(yǎng)分和營養(yǎng)鹽，不斷增加的各種營養(yǎng)鹽使得該河流富營養(yǎng)化速度更快[9- 12]。

圖2 驗(yàn)證樣本富營養(yǎng)化主控因子變化

(2)受水位變化影響各項(xiàng)主控因子呈微弱波動趨勢，高水位時(shí)透明度較高，而總氮、耗氧量和總磷含量較低；反之，則透明度較低。

(3)2011—2018年總磷始終處于較高水平，評價(jià)結(jié)果超過4級，總磷波動較為平穩(wěn)，上升趨勢不顯著，這主要與河流人工打撈水草、水中植物吸收等因素相關(guān)。例如，2015年實(shí)施的水草打撈治理使得總磷含量明顯偏低，隨后總量呈波動上升趨勢，水質(zhì)不斷下降。

(4)結(jié)合主控因子動態(tài)變化曲線，總磷含量5月<10月<7月，10、5月含量比較接近；總氮含量7月<10月<5月，10、5月含量較為接近；透明度5月<7月<10月，5、7月透明度相差不大；耗氧量10月、7月<5月，10、7月耗氧量較為接近。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，透明度與耗氧量呈現(xiàn)出相反的變化特征，即透明度高時(shí)耗氧量?。豢偟c總磷呈相反的變化特征，總氮含量低時(shí)總磷含量高。這主要與水流流速、河流水位、水生動植物等因素相關(guān)，5月水位低、水流速度慢、水生植物長勢弱且稀少，7月處于相反狀態(tài)，10月正處于以上2個(gè)時(shí)段中間水平[13- 14]。

3.2 富營養(yǎng)化等級的變化

采用富營養(yǎng)化評價(jià)模型和歸一化處理后的歷年不同時(shí)點(diǎn)主控因子值，輸出3個(gè)時(shí)點(diǎn)上碧流河2011—2018年的富營養(yǎng)等級，如圖3所示。從圖3可知，3個(gè)時(shí)點(diǎn)的富營養(yǎng)化等級呈先快速增大、后趨于平緩的變化特征，富營養(yǎng)化等級波動較大的為7月，波動較小的為10和5月，其原因?yàn)?月水質(zhì)指標(biāo)和水位影響因子較多，受到蒸發(fā)量、降雨量、水生動植物數(shù)量及碧流河出水量等因素影響顯著。

圖3 碧流河富營養(yǎng)化歷年變化趨勢

碧流河綜合富營養(yǎng)化均大于4級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，2013年已快速上升至5級，該變化趨勢與主控因子存在顯著差異。從評價(jià)模型的角度，按照從小到大的次序排列富營養(yǎng)化主控因子的重要程度：耗氧量<總磷<透明度<總氮，其中增速較快的有透明度和總氮，2018年富營養(yǎng)化趨近于5級；此外，碧流河中總氮和總磷含量較高，且隨著其他營養(yǎng)物質(zhì)及總磷含量的不斷增加，進(jìn)一步提高了碧流河浮游生物和懸浮物，使得水質(zhì)惡化、透明度下降及耗氧量增加等問題突出，富營養(yǎng)等級總體呈上升趨勢[15- 17]。通過對比分析初夏、仲夏、秋末的富營養(yǎng)化等級變化曲線，5月<10月<7月。

3.3 入黃海口處的富營養(yǎng)化變化

結(jié)合2011—2018年碧流河入黃?？谔幍乃|(zhì)指標(biāo)值，利用歸一化公式對水環(huán)境指標(biāo)值處理，采用評價(jià)模型評價(jià)富營養(yǎng)化等級，其歷年變化趨勢及主控因子如圖4所示。根據(jù)圖4可知，各主控因子在碧流河匯入黃?？谔幘噬仙厔?，總氮、透明度、耗氧量超過起始年份達(dá)到5級標(biāo)準(zhǔn)為2015、2014、2012年，2018年總磷未達(dá)到5級。評價(jià)模型的富營養(yǎng)化最高等級為5級，所以2013、2014年碧流河匯入黃?？谔幍母粻I養(yǎng)化達(dá)到5級后基本穩(wěn)定在該水平。因此，各項(xiàng)主控因子變化特征無法依據(jù)富營養(yǎng)化等級衡量，應(yīng)改變其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)或增加富營養(yǎng)化等級。

圖4 入黃?？谔幍闹骺匾蜃幼兓?/p>

碧流河流經(jīng)蓋州市城區(qū)段，沿途大量生活污水與工業(yè)廢水被排入河流，特別是餐飲、工礦、酒業(yè)等污廢水排放致使碧流河水質(zhì)持續(xù)惡化，加之農(nóng)藥化肥的過量施用以及上游大規(guī)模禽畜養(yǎng)殖進(jìn)一步降低了河流水環(huán)境容量。

4 結(jié)論

(1)碧流河水環(huán)境呈不斷惡化趨勢，總體富營養(yǎng)化趨近于5級標(biāo)準(zhǔn)，主控因子耗氧量、透明度、總氮和總磷含量呈遠(yuǎn)離4級趨近5級的發(fā)展趨勢；碧流河總氮、總磷含量較高且總磷呈波動上升趨勢，透明度不斷下降而耗氧量逐年上升的趨勢。

(2)碧流河流域水生生物和水域面積呈不斷減少趨勢，若不及時(shí)采取有效的措施將進(jìn)一步加重富營養(yǎng)化和水環(huán)境污染，流域濕地生態(tài)功能逐漸喪失。碧流河流入黃海口處的水環(huán)境污染嚴(yán)重，除總磷因子外其他指標(biāo)均達(dá)到5級標(biāo)準(zhǔn)，主控因子富營養(yǎng)化依然呈上升趨勢。