基于貝葉斯的星海湖濕地水質評價及特征分析

楊海江，鐘艷霞，羅玲玲，田 欣，王志秀

(1.寧夏大學大學資源環境學院，銀川 750021；2.寧夏(中阿)旱區資源評價與環境調控重點實驗室，銀川 750021； 3.寧夏大學科技處，銀川 750021)

濕地是水陸相互作用形成的獨特的生態系統[1]，在維持區域生態平衡、調節區域氣候、降解污染、調徑蓄洪、排澇抗旱、美化環境等方面具有極其重要的作用[2-6]。但是隨著工業化建設和城市化的發展，人地矛盾日趨緊張，濕地受到諸多方面的影響和不同程度的破壞，隨之而來伴生一系列環境問題，諸如濕地污染、退化、消失。

由于我國濕地面積占國土面積的比例遠低于世界平均水平，并面臨全球變化和人類活動的影響，濕地保護工作顯得尤為重要。寧夏地處西北內陸，生態環境脆弱，濕地作為重要的生態資源更加顯得彌足珍貴。石嘴山作為西部重要經濟轉型發展的城市，在城市轉型發展過程中生態環境建設是其轉型發展的重要標志和考核指標，其城市內部濕地的現狀、發展就尤為重要，“十三五”時期，石嘴山市將實施沙湖----星海湖水系連通，開展重點水域環境綜合治理等工程，對于提升城市形象、改善大武口區生態和人居環境、拓寬區域經濟發展空間具有不可替代的作用，同時，更能大力促進新型轉型的“海綿城市”建設。因此選擇石嘴山星海湖開展水質研究，為石嘴山城市轉型發展提供環境支撐。

目前水質評價常用的方法主要有單因子評價法、綜合污染指數法、主成分分析法、灰色評價法、神經網絡法等[9,10]，國內外學者也應用此類方法對區域的水質和污染狀況進行了廣泛深入研究[11-14]。但這些方法普遍具有計算量大、計算復雜的特點，不能滿足小樣本高時效的計算要求。

貝葉斯評價法作為一種以數學理論為基礎的統計學方法[15]，不僅可以形象直觀地表示各評價因子或要素之間的關系，而且還可以定量地描述各要素間的關聯程度或影響度，主要通過對數據信息進行概率推斷進行水質評價，該方法簡單明了，計算量小，計算方便，處理問題客觀、簡便、快捷，因此在水質評價過程中應用較為廣泛的應用，較傳統的水質評價更具有實用性和科學性。目前國外,貝葉斯方法在水利水電、土地資源評價、國防軍事、金融保險等各個領域得到廣泛應用[16,17]；國內趨向應用于環境科學、水質監測分析、水質污染評價等領域的多個方面，證明了該方法有效可行，可以作為水質評價的一個新方法[18-20]。

綜合近年關于星海湖水質的相關研究[21-23]，就其研究方法而言均較為單一，以傳統的單因子評價法、綜合污染指數法、模糊數學評價法居多。因此本文采用貝葉斯評價方法對星海湖的水質作出全面、客觀的評價，同時為星海湖的綜合治理和科學管理提供參考和建議。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

星海湖濕地位于寧夏回族自治區石嘴山市境內(E105°58'～106°59'，N38°22'～39°23')，集湖泊、沼澤、鹽土、湖土荒地等多種類型為一體，屬于黃河水系，區域總面積48.08 km2，其中湖泊面積14.7 km2，平均水深1.2 m。屬于溫帶大陸性季風氣候，平均年降水量300 mm 以下， 各季節降水分布差異性很大，年內降水主要集中在6～9月，占年降雨量的70%以上，水源補給由3 部分組成：山洪水、城市及周邊雨水和引黃灌溉用水[21-23]。域內有魚池和農田分布；植物種類較少，覆蓋度較低；生物多樣性較為豐富，濕地有鳥類11 目24 科98 種，其中國家一級保護鳥類有中華秋沙鴨、大鴇、黑鸛，國家二級保護鳥類有灰鶴、小天鵝、白額雁、鴛鴦、蓑羽鶴等13種，有魚類20余種[24]。石嘴山市素有“塞上煤城”之稱，是寧夏典型的煤炭資源型工業城市，西北重要的工業城市。

1.2 水樣采集與處理

1.2.1 樣品采集

根據湖泊所處地形狀況和水流特點，共設置14個采樣點(見圖1)，根據流域內降水特征及水文節律，以及采樣時間，分別定于 2016年7月(豐水期)、10月(平水期)和 2017年4月(枯水期)月初進行水樣的采集工作。利用手持GPS 導航儀器進行定位，確保每次采樣地點位置相同，同時記錄采樣點周圍地理條件、補水、排水等。用柱狀采水器采集表層(深度50 cm)水樣1 000 mL，所有點位均取3組平行樣。采集后的水樣按照《水質樣品的保存和管理技術規定》(HJ 493-2009)中要求的方法保存[25,26]。

圖1 采樣點示意圖Fig.1 Sample point

1.2.2 樣品的測定

總氮(TN)：過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法(GB11894-89)；

總磷(TP)：堿性過硫酸鉀消解—鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)；

氨氮(NH3-N)：納氏試劑光度法(GB7479-87)；

高錳酸鹽指數(CODMn)：(GB11892-89)；

葉綠素a(Chl-a)：分光光度法(SL88-2012)；

溶解氧(DO)：采用美國哈希HACH HQ30D便攜式溶氧儀，現場測定；

pH：玻璃電極法(GB6920-86)。

1.3 研究方法

1.3.1 貝葉斯水質評價原理

(1)貝葉斯水質評價模型它與經典統計方法對信息的認識有較大差別，經典方法是基于概率的頻率解釋，對大樣本情形似乎很吻合，而在小樣本場合則遇到很多不合理現象，但貝葉斯方法容納了對概率的主觀解釋，對小樣本的情況同樣是十分有效的，它提供了在增加新信息條件下將先驗概率轉化為后驗率的簡單有效的方法[27-30]。

(1)

式中：Ai表示水質級別(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ)；B表示樣本水質指標值；P(Ai)為事件Ai的先驗概率，即通過先驗直覺判斷水質屬于級別i的可能性；P(B|Ai)為條件概率，即當水質級別為i時，出現水質指標值A的可能性；P(Ai|B)為后驗概率，即獲得水質指標值A的條件下，水質屬于級別i的可能性。

(2)針對水質評價情況時，可將概率論中的貝葉斯公式寫為：

(2)

式中：i為標準類型，i= 1，2.....5；j為指標，= 1，2… … ；yj為代表站點指標值；xji為水質類型標準值。

1.3.2 貝葉斯水質評價計算過程

(1)水質評價可以確定某監測斷面的水質究竟屬于哪一級別。遵循無水質信息條件下，水質屬于某級的概率相同，則各監測屬于某級的概率相同，即：

(3)

(2)根據幾何概率，采用距離法計算，即監測斷面評價指標與水質類型標準之間的距離絕對值倒數進行計算分別計算P(yi|xji)和P(xji|yi)。

(3)計算多指標下綜合水質后驗概率Pj：

(4)

式中：mi表示不同水質指標權重。

(4)確定最終級別。以最大概率原則決策最終的級別：

Pk=maxPj(j=1,2,3,…,14)

(5)

2 結果與討論

2.1 水質監測數據及評價標準

為更好地了解星海湖各采樣點的水質狀況，取各點位枯水期、豐水期、平水期(4、7、10月)水質指標進行分析(見表1)，用于貝葉斯模型進行水質評價。

表1 星海湖各采樣點監測指表結果 mg/L

2.2 基于貝葉斯模型的水質評價結果

通過上述步驟進行計算，得到P(xji|yi)及Pj值，Pj的值(見表2)。由以上的各個站點Pj的值根據式(5)以概率最大原則取5個Pj的最大值(Pk)可以得到14個監測點的水質級別(見表3)。

表2 各個監測點不同水質等級的綜合后驗概率表Tab.2 Comprehensive posteriori probability Tables for different water quality levels at each monitoring point

表3 各監測站點水質級別的最大概率Pk值及評價結果 Tab.3 The maximum probability of the water quality level of each monitoring site Pk value and evaluation results

通過貝葉斯公式對星海湖的水質得出的評價結果表明最大概率Pk值較高，除D7和D14以外均大于50%，評價結果可行度較高。所有采樣點位中除了D7和D14點位，其他樣點水質級別均達到Ⅴ類，水質狀況污染嚴重。這與湖區旅游業的發展、農業活動(作物施肥、畜禽養殖等)、農田退水、周圍的工業污染、生活污水排放、野生鳥類生存等方面有較大的關系。此外，星海湖水質狀況整體下降與其湖底清淤和工程建設有很大的關系。

依據綜合后驗概率，進一步計算出各站點的污染因子可能度矩陣(表4)，矩陣表明TP、TN、CODMn為星海湖污染的最主要的污染因子。究其原因主要包括以下方面：

星海湖每年由第二農場渠補給部分水源，第二農場渠是引黃河水為賀蘭山山前洪積傾斜平原上農田灌溉的支干渠，在唐徠渠的滿達橋上建閘引水[31]，部分污染物隨黃河水的補給進入星海湖，其中入水口D6和鄰近的D5的受影響程度最明顯。

星海湖旅游及水上游樂項目開發，例如劃船、游艇等，加劇了人為因素對湖底的擾動，使得底泥中的氮磷分解釋放速率加快。此外湖區大規模的魚類養殖也是造成水質下降的重要因素，魚類尸體、排泄物以及殘餌的腐解水體使得氮、磷等營養物質不斷富集，從而對總氮、總磷、高錳酸鹽指數等指標產生影響。

表4 各站點的污染因子可能度矩陣Tab.4 Pollution factor matrix of each site

農田灌溉退水對水質的影響較大，隨著農業化學物質的使用量不斷增加，農藥化肥中的氮磷元素由于不能完全被農作物吸收，隨著農田退水進入水體，對星海湖的水質污染產生較大的影響。

此外，由于星海湖水體無排泄途徑，水體更新受阻，形成了只進不出的局面，加之受到蒸發濃縮作用的影響，使得星海湖水體污染程度進一步加深。

3 結 論

(1)通過貝葉斯公式對星海湖濕地的水質得出的評價結果表明最大概率Pk值較高，除D7和D14以外均大于50%，評價結果可行度較高。所有采樣點位中除了D2、D7和D14三個點位，79.9%監測點水質級別達到Ⅴ類，水質狀況污染嚴重。

(2)TP、TN和CODMn是星海湖濕地的主要污染指標。因此，TN、TP和CODMn就成為治理該湖泊水質的主要控制因子。

(3)旅游及水上游樂項目開發、農田灌溉退水、湖底的擾動、底泥的分解釋放、黃河水補給引入污染物、蒸發濃縮作用、水體無排泄途徑、湖區大量的魚類養殖等因素對星海湖水質狀況影響較大，需要引起管理者高度重視，加強治理，防止湖體水質進一步惡化。

參考文獻：

[1] 殷書柏,李 冰,沈 方. 濕地定義研究進展[J/OL].濕地科學,2014,12(4):504-514.

[2] 崔保山,楊志峰.濕地學[M].北京師范大學出版社,2006.

[3] 楊桂山,馬榮華,張 路,等.中國湖泊現狀及面臨的重大問題與保護策略[J].湖泊科學, 2010,22(6):799-810.

[4] 呂憲國.中國濕地與濕地研究[M].石家莊:河北科學技術出版社,2008.

[5] 徐 悅,周林飛.基于兩種方法的石佛寺人工濕地水質綜合評價與分析[J].節水灌溉,2017,(4):106-109,117.

[6] 楊朝輝,蘇 群,陳志輝,等.基于LDI的土地利用類型與濕地水質的相關性:以蘇州太湖三山島國家濕地公園為例[J/OL].環境科學,2017,38(1):104-112.

[7] 周 晶,章錦河,陳 靜,李曼.中國濕地自然保護區、濕地公園和國際重要濕地的空間結構分析[J/OL].濕地科學,2014,12(5):597-605.

[8] 寧夏10年新增近30萬畝濕地[N].寧夏日報,2014-10-23.

[9] 荊紅衛,張志剛,郭 婧.北京北運河水系水質污染特征及污染來源分析[J].中國環境科學, 2013,3(2)319-327.

[10] 王 秀,王振祥,潘 寶,等. 南淝河表層水中重金屬空間分布、污染評價及來源[J]. 長江流域資源與環境,2017,26(2):297-303.

[11] Ogwueleka T C. Use of multivariate statistical techniques for the evaluation of temporal and spatial variations in water quality of the Kaduna River, Nigeria[J]. Environmental Monitoring and Assessment,2015:187-137.

[12] Simeonov V, Stratis J A, SAMARA C, et al. Assessment of the surface water quality in Northern Greece[J]. Water Research, 2003,37(17):4 119-4 124.

[13] Ranran Li,Zhihong Zou,Yan An.Water quality assessment in Qu River based on fuzzy water pollution index method[J].Journal of Environmental Sciences,2016,(50):87-92.

[14] 王 剛,李兆富,萬榮榮,等.基于多元統計分析方法的西苕溪流域水質時空變化研究[J]. 農業環境科學學報,2015,34(9):1 797-1 803.

[15] Borsuk M E,Stow C A,Reckhow K H.A bayesian network of eutrophication modles for synthesis prediction and uncertainty analysis[J].Ecological Modelling,2004,173(2/3):19-239.

[16] Molina J L,Bromley J,et al. Integrated water resources management of over exploited hydro geological system susing object-oriented bayesian networks[J].Environmental Modeling&Software,2010,25(4):383-397.

[17] Blangiardo M. A bayesian analysis ofthe impact of air pollution episodes on cardio-respiratory hospital admissions in the greater london area[J].Statistical Methods in Medical Research,2011,20(1):69-80.

[18] 扈 震,楊之江,齊培培.基于貝葉斯方法的飲用水水質預測及可視化研究[J].中國給水排水,2012,28(5):53-56,60.

[19] 廖 杰,王文圣,丁 晶.貝葉斯公式在河流水質綜合評價中的應用[J].四川師范大學學報(自然科學版),2007,30(4):519-522.

[20] 廖 杰,王文圣,丁 晶.基于方法的四川主要河流水質綜合評價[J].水文,2007,(1):33-35.

[21] 趙明蘭,張 波,李旺琦,等.于防洪安全的山洪水綜合利用----以星海湖攔洪庫為例[J]. 農業工程,2013,3(1):52-53,43.

[22] 運麒安,劉小鵬. 基于工礦型城市濕地重建途徑研究----以石嘴山市星海湖為例[J]. 寧夏工程術,2008,(1):21-27.

[23] 王亞娟,米文寶,王 莉,等.寧夏星海湖濕地水環境污染評價及可持續利用研究[J]. 農業科學研究,2010,31(4):46-49.

[24] 馬忠平.星海湖濕地綜合整治中生態規劃與景觀設計的思考[J].中國水利,2011,(10):61-63.

[25] GB/T 12999-1991,水質采樣樣品的保存和管理技術規定[S].

[26] GB 3838-2002,地表水環境質量標準[S].

[27] 黃凱.張曉玲. 貝葉斯方法在水環境系統不確定性分析中的應用述評[J].水電能源科學,2012,30(9):47-49.

[28] 候佑澤,秦天玲,嚴登華,等.基于貝葉斯理論的武烈河水質綜合評價[J].南水北調與水利科技,2012,10(1):94-101.

[29] 趙曉慎,張 超,王文川.基于熵權法賦權的貝葉斯水質評價模型[J].水電能源科學,2011,29(6):33-35.

[30] 祝慧娜,閆 慶,尹 娟.基于區間型貝葉斯的湖泊水質評價模型[J].環境工程,2015(2):130-134.

[31] 寧夏石嘴山市星海湖水質富營養化程度分析評價及趨勢預測[J].寧夏農林科技,2017,58(5):41-45.