海城市毛祁河河道整治方案優選研究

高 翔

(遼寧省鞍山市政務服務中心，遼寧 鞍山 114001)

0 引 言

河流作為重要的環境載體和基礎性資源，在推動城市化發展和經濟建設中發揮不可替代的作用，其水文特性、生態環境、物理結構等在一定程度上均受到人類活動的影響[1-3]。近年來，城市河道徑流過水面積隨著城鎮化的發展不斷減少，水生態功能退化和水環境污染等問題十分突出。當前，用于河流污染治理的方法較多，主要有生物投放、氧化塘修復、微生物、凈化槽和濕地凈化等技術，在城市河道整治中這些技術措施的應用還不夠廣泛[4]。由于各地區的河道岸坡狀況、水環境容量、受污染范圍等不盡相同，為降低河道整治成本、提高河流治理效率必須因地適宜的選取最佳的整治方案。河道治理工程涉及到的因素較多、范圍較廣，對其優選決策屬于一個多因素、多目標的高維數綜合問題[5]。雖然針對工程方案的研究較多，但涉及到指標優選的報道較少，關于優選模型的改進研究鮮有報道。據此，文章以海城市毛祁河河道為例，結合河道整治實際狀況，從護岸工程措施和水質修復2個方面提出綜合治理方案，不同整治方案利用PCA-PP模型優選評價，以期為促進河流水體環境和社會經濟的協調統一發展提供科學的指導。

1 毛祁河河道現狀

毛祁河總長16km，總控制面積87km2，平均河寬28m，平均比降4.25‰，主要徑流曹家堡、張家堡等11個村莊。河流發源于毛祁鎮黑音寺山上，曲折北上，穿越哈大公路、長大鐵路，流經曹家堡、牛圈溝、吳家溝、付家村、二道溝、張家堡、金家口子、南毛、北毛、小河等村。流域屬于溫暖帶季風型大陸性氣候，四季冷暖干濕分明、夏季多雨濕熱、冬季干燥嚴寒。[6-8]。

河道整治段主要承受來自吳家溝、二道溝、牛泉溝、曹家堡、金家口子等村的生活污水，且部分河道內生活垃圾堆積、岸坡塌陷、水體污染等問題突出。該河道以地表水和降雨匯集為主，在降雨或地表徑流作用下隨意堆放的生活垃圾進入河流，對水系統環境造成不利影響，特別是枯水期河水惡臭刺鼻現象較為常見[9]。此外，未經處理或處理不達標的工業廢水、生活污水的肆意排放對水環境造成嚴重的破壞作用，各類污染物的匯入使得河道的流動能力不斷下降，其徑流運輸能力和擴散空能逐漸減弱，從而導致水系統自凈能力的下降。

2 河道整治方案

2.1 水質凈化方案

企業排放的生產廢水和居民生活排放的污水為城市河道的主要污染來源，考慮到污染源分布范圍較為廣泛的實際情況，對河道水體環境不宜采取大型集中式修復方法。結合河道實際情況和相關資料，經充分的論證分析擬選用投放修復技術。從河道整治成本和修復效果的角度，設計的水環境修復方案如下：①EM復壯液與污水的體積比為250×10-4，按照去離子水：糖蜜：EM原液=98∶1∶1配置EM復壯液；②污水與竹炭的質量比為75∶1，其中竹炭為6年生毛竹高溫600℃煅燒后，經60目過篩后的碳粉；③污水與水質凈化求的質量比為100∶3。由當地重點實驗室測定毛祁河典型河段的水樣，投放修復試驗為期15d，初始水樣的CODMn、TH3-N、TP含量分別為21.25、3.37、0.46mg/L；試驗過程中對水樣的CODMn、TH3-N、TP濃度每隔2d測定一次，最后對不同修復技術的CODMn、TH3-N、TP去除效率進行計算。

2.2 護岸工程措施

根據毛祁河部分河道生活垃圾堆積、岸坡塌陷、水體污染等實際情況，擬選擇的護岸形式有如下三種：其一為植物護岸措施，為維持河岸穩定選用根系發達的原生草木，在易沖刷河段可插入木樁或人工柱，通過采取輔助措施形成垂直護岸。其二為生態袋護岸措施，此護岸形式主要由植被、連接扣和生態袋構成，通過將熟土置入帶內滿足植物生長需要，利用植物的根系固結作用提高系統的整體穩定性。其三為綠化混凝土護岸措施，選用水泥和碎石材料制成一定尺寸的塊體，采用復合土填充間隙，植被和混凝土承擔護岸任務，利用液壓播撒技術對設計水位以上區域噴灑播種[10]。

3 基于PCA-PP模型的整治方案優選

3.1 模型原理

投影尋蹤模型的實質是將存在一定內在規律的高維數據，運用計算機技術投影至1-2維的低維子空間，通過極小化轉換確定能夠最大限度的表征原高維特征的投影方向，分析投影后的數據在低維子空間上的特征即可實現高維度數據處理的效果。一般情況下，投影尋蹤模型的計算主要有構造投影目標函數、計算數據特征值、確定最佳投影方向以及高維樣本標準化處理等，由于具有較強的客觀性和普遍適用性，在處理超高維、小樣本數據方面具有廣泛的應用前景。然而，由于河道整治涉及到的范圍廣、因素多，且不同因素之間存在相似性特征，在計算評價體系中各指標投影方向時易造成偏離實際情況的現象[11,12]。鑒于此，考慮對同類型指標采用主成分分析法提取，在投影尋蹤分類模型中轉化為一項指標參與計算，從而有效解決單一方法應用時存在的局限性問題。

3.2 指標結構及指標值

根據海城市毛祁河河道實際情況，選擇整治方案優選評判指標為CODMn去除率、NH3-N去除率、TP去除率、工程造價、政府支持度、環境協調性、工程耐久性、群眾支持度和施工進度，見圖1。邀請河道治理領域相關專家對工程耐久性、施工進度打分，并取平均值作為初始值，邀請當地水環境領域專家、政府職能部門負責人對環境協調性和政府支持度打分，由海城市吳家溝、二道溝、牛泉溝、曹家堡、金家口子村的5位群眾代表對群眾支持度打分[13]。將評價等級劃分為優秀、良好、一般、很差4個級別，所對應的賦分依次為>90、80-90、60-80、<60。

圖1 河道整治方案優選評價體系

根據以上方法確定各評價指標值見表1，然后對賦分指標利用主成分分析法提取主成分，各指標的貢獻率和主成分系數見表2。從表2可以看出，主成分f1、f2在河道整治方案評價中保留了大部分的初始數據信息，累計貢獻率達81.562%。通過分析各指標綜合得分發現，得分最好的方案為S6。

表1 河道整治方案的指標體系及其賦分值

表2 基于主成分法指標貢獻率

3.3 構建模型

根據評價指標X5、X4、X3、X2、X1和投影尋蹤模型基本原理，構建河道整治方案優選評價模型，建模步驟如下：

步驟一：構造方案評價矩陣。設評價指標和治理方案的個數分別為p、n，文中p=5、n=9，第j個指標在整治方案i中的參數值為xij*，由此可構造評價矩陣X*，即：

(1)

步驟二：標準化處理。由于各參評指標量綱的不同無法直接用于計算，在整治方案優選前應結合各指標的內涵特征進行預處理，從而使得各參數值處于0-1范圍。根據各指標對整治方案的影響趨勢，可分為損失型和收益型指標。其中，收益型指標主要有CODMn、NH3-N、TP去除率、賦分指標，其標準化計算公式為：

(2)

評價體系中工程造價為損失型指標，其預處理公式為：

(3)

式中：minxj*、minxj*為第j個指標在數據集中的最小值和最大值。通過標準化處理可將初始矩陣X*轉化為標準矩陣，即：

(4)

步驟三：線性投影。一般情況下，PP模型選用線性投影法轉化將高維數據轉化至一維線性空間上，根據一維投影方向a所對應的投影值zi實現p維數據的轉換，即：

(5)

步驟四：投影目標函數的構造。投影點的分布情況與線性投影原始信息的保留量之間存在密切的關系，為盡可能的使得投影值zi提取更多的變異信息，尋找的數據結構組合特征應最大程度的滿足多維指標的數據值。換而言之，就是要盡量的促使局部投影點凝聚或保持密集，對于點團來說要盡量的保持散開，由此獲得最佳的分散效果。所以，在投影目標函數構造過程中，要盡量保持多元數據分布的類間密度和類間間距在一維空間上達到最大，由此確定的投影指標函數Q(a)如下：

Q(a)=SzDz

(6)

式中：Sz、Dz分別為投影值zi的類間距離和局部密度；E(z)、R分別為序列zi的均值和局部密度的窗口半徑；f(·)、r(i,j)分別為單位階躍函數與特征值間的距離，即rik=|ri-rk|，其中i，k=1，2，…，n為樣本容量。

單位階躍函數為f(·)，若·≥0則與其對應的函數值f(·)為0；若·<0則與其對應的函數值f(·)為1。

3)步驟五：優化投影指標函數。根據下述公式實現非線性最優求解問題與搜索最佳投影方向之間的轉化，其目標函數表達式：

maxQ(a)=SzDz

(7)

3.4 方案優選

根據以上評價結果，河道整治水平較高的方案為S4-S6，其原因為凈化球、EM復壯液的水質凈化效果低于竹炭，另外還與賦分指標評分和工程造價等因素相關。

4 結 論

依據河道岸坡和河流水質實際狀況，從護岸工程措施和生態修復技術2個方面提出了河道整治方案，并對不同整治方案的優劣程度利用PCA-PP模型優選評價，得出的主要結論如下：

1)將多個賦分指標采用PCA法轉化為單一指標，從而有效避免了主觀判斷對方案優選的影響。在計算過程中PCA-PP模型具有結果客觀、原理科學等優點，能夠最大程度的保留初始信息，具有廣泛的應用前景和價值。

2)在評價體系構建中，應充分考慮河道整治方案各影響因子之間的獨立性，研究成果可為河流治理方案優選及改善河道水生態環境提供一定指導。