石梁河水庫生態修復效果自適應評價算法研究

陶春梅，王建成，溫江淯，崔浩林

(1.江蘇省連云港市水利局,江蘇 連云港 222000；2.南京市水利規劃設計院股份有限公司連云港分公司,江蘇 連云港 222000；3.連云港市市區水工程管理處,江蘇 連云港 222000;4.連云港市臨洪工程管理處,江蘇 連云港 222000)

當前城市發展迅猛，而排污系統發展卻相對滯后，導致湖氮、磷和其他污染物大幅增加，周邊水庫水質急劇下降，生物多樣性下降，嚴重影響生態環境和居民生活健康[1- 3]，因此對此類生態環境展開生態修復并展開評價具有重要意義。當前國內外對次展開了相關研究[4]。

趙金召等[5]運用層次分析法，以復綠植被生態的適應性、綠化效果、經濟性與應用潛力為準則層，選取11個指標，構建高陡巖質邊坡礦山生態修復綠化效果評價體系;李舟等[6]用層次分析法對銀西高鐵寧夏段干旱區的植物物種進行選擇和評價技術研究;史帥航等[7]以西南地區某礦產集采區為例，探索區內土壤重金屬含量及其隨流域遷移規律，分析區內土壤重金屬潛在生態風險；王瑾[8]通過分析調查區生態環境現狀，建立了相關生態保護修復體制。此外，還有部分學者基于組合權重法和定量評價方法對生態評價系統進行研究。

從以上文獻分析可以得出，當前的生態評價方法大多都是基于復雜繁瑣的數據計算，在評價效率方面十分不利，因此，本文開發了一種生態修復效果自適應評價算法，以石梁河水庫生態修復工程為例，選取了高錳酸鹽，氨氮和總磷三個分類指標，采用決策樹自適應評價算法，以GB 3838—2002《地表水環境質量標準》和修正的Carlson營養狀態指數為評價閾值對生態修復后的石梁河水庫進行自動評價分析(2016—2019)。研究成果可為相關工程提供參考。

1 工程概況

石梁河水庫90年代曾被水利部列為第二批全國重點病險水庫之一，1958—1962年，石梁河水庫建成，樞紐工程包括主壩、副壩各一座，設計流量4000m3/s泄洪閘一座，1120千瓦水電站一座，輸水涵洞(閘)6座。石梁河水庫建成后由防洪、灌溉功能演變為多功能綜合性水庫。根據淮委規劃設計研究院1998年提出的《對石梁河新、老泄洪閘泄量分配的建議》，在正常年和50年一遇洪水、閘上水位分別是24.0和26.08m時，老閘泄量均為2500m3/s，新閘泄量分別為2500、3500m3/s;在100年一遇洪水、閘上水位26.81m時，老閘泄量3000m3/s，新閘泄量為3500m3/s;在2000年一遇洪水、閘上水位27.95m時，老閘泄量5000m3/s，新閘泄量為5131m3/s。

2 生態修復措施

2.1 生態田埂工程

石梁河水庫(又名海陵湖)位于江蘇省東海縣石梁河鎮北側，本次采用生態田埂、果園生草技術，石梁河水庫周邊水系如圖1所示。本次田埂工程主要是改變田埂高程：即加高10～15cm，從而將與降雨相關的地表徑流控制30～50cm，進而從根源上有效防止污染的農田通過大部分中小降雨流入水庫。此外，選取部分植物進行密集種植，分布在田埂的兩側，形成隔離帶，這一舉措能夠有效阻截氮、磷養分損失，在產生地表徑流時可以對殘留農藥進行固存，防止向水體遷移。

圖1 石梁河水庫周邊水系圖

2.2 生態溝渠

田間溝渠同時具備灌溉輸水和田間排水兩種功能。規劃基于生態學原理，將原有的土質或三面光水泥溝渠改造成生態攔截溝渠。生態溝渠主要在田塊間進行交錯分布，由3部分組成：初沉池，泥硬質生態溝框架和生態植物。其中第一部分初沉池用于沉淀由于徑流帶來的農田顆粒物，并進行回收處理。初沉池通常安裝在農田排水出口處，并連接至生態溝渠處。第二和第三部分(溝底、溝板)為水泥硬質板，并用鉆機進行打孔，用于種植植物。該部分作用主要是形成過濾系統，滯留農田徑流污染物，截流降雨形成的徑流以及滲漏水中的氮、磷。

2.3 生態塘

規劃區內的部分溝塘被村民用作魚塘或種植水生經濟作物，還有很多坑塘沒有得到充分利用，有些甚至被作為養殖場動物糞便、生活垃圾的傾倒場所，嚴重影響水生態健康。規劃采用多塘系統改善水生態環境，多塘系統是指由多個沉降塘或滯留塘組成并共同發揮生態凈化功效的系統工程。沉降塘位于系統的前端，滯留塘位于系統的后端，沉降塘深度要大于滯留塘。多塘系統平面布置示意圖如圖2所示。

圖2 多塘系統平面布置示意圖

3 生態修復評價指標

3.1 水質質量

水質質量是生態修復結果的中套評價指標，本規劃主要以高錳酸鹽指數指數、氨氮、總磷作為評價項目，以GB 3838—2002為評價標準，水質評價方法采用單因子指數法評價。石梁河水庫及入庫河流水質評價采用Ⅲ類標準，標準限值見表1。

表1 水質評價標準限值

3.2 Carlson營養狀態指數

由于造成庫區富營養化的因素有很多，本文選取修正的Carlson營養狀態指數對2016—2019年的綜合營養狀態指數進行比較分析，分級標準見表2。

表2 湖泊(水庫)營養狀態分級方法

4 自適應評價算法

本文采用的自適應評價算法為機器學習當中的決策樹系統，能夠自動根據輸入數據和相應的閾值門檻進行評價分析。決策樹模型是監督學習算法中比較經典的模型，會學習并回答將樣本分成不同類別的一系列問題。每個問題都有一個二元答案，根據滿足的條件，樣本將被分配給樹的左分支或右分支，并且分支中還可以包含分支；一旦學習了模型，就可以用圖形表示一棵樹的形狀。基于樹的模型既可以用于分類任務，也可以用于回歸任務，因此可將它們描述為分類和回歸樹(CART)。其基本算法如圖3所示。

圖3 決策樹基本算法

在樹的構建過程中的每個階段，決策樹算法都會考慮所有輸入變量，并選擇類別之間可分性較高的變量。該算法將從根節點開始，在每個分支上再次查找最適合區別類別的樣本特征并選作當前分支。但是，決定每次劃分的最優特征可通過兩種不同的方法來實現：熵的差異(稱為信息增益)和基尼指數的差異(稱為基尼增益)。這兩種方法得到的結果通常非常相似；但基尼指數(以社會學家和統計學家的計算速度要快一些，所以本文采用基尼增益劃分樹。

5 評價算法應用結果

如圖4所示2016—2019年石梁河水庫水質監測數據，即本次分析的輸入數據集，輸入的分類指標包括高錳酸鹽，氨氮和總磷，分析時只需將監測數據文件轉為CSV.格式輸入寫好的程序即可，評價分類閾值見表1，水質評價結果見表2。根據輸入數據和表2中結果，石梁河水庫高錳酸鹽指數濃度和平均濃度分別為2.75～5.20mg/L和4.00mg/L，100.0%達標；氨氮濃度最小0.05mg/L，最大0.71mg/L，平均濃度為0.34mg/L，達標率為100.0%，主要超標因子為總磷(0.13)。總磷濃度為最小0.02mg/L，最大0.18mg/L，最大超標倍數2.50倍，平均濃度為0.06mg/L，達標率為70.7%。

圖4 2016—2019年石梁河水庫水質監測數據

2016年石梁河水庫水質良好，符合地表水Ⅲ類標準。2017年及2018年水質符合地表水Ⅳ類標準，為輕度污染，主要超標因子為總磷。2019年石梁河水庫水質良好，符合地表水Ⅲ類標準。石梁河水庫綜合營養狀態指數評價結果見表3。由富營養化評價結果可知，石梁河水庫2016—2019年綜合營養狀態指數在富營養限值左右波動，2016年及2017年為中營養，2018年為輕度富營養，2019年為中營養。由以上評價結果可知，本文采用的決策樹評價算法可以直接根據所選的生態監測指標，用程序直接分析所給閾值后的評價類型，避免了人工操作的繁瑣，值得應用推廣，部分代碼接口如圖5所示。

表2 石梁河水庫2016—2019年水質評價結果

表3 石梁河水庫綜合營養狀態指數評價結果

圖5 部分代碼接口

6 結語

當前的生態修復評價過程復雜繁瑣，在評價效率方面十分不利。本文為提高評價效率，以石梁河水庫生態修復工程為例，選取了3個分類指標，采用決策樹自適應評價算法對生態修復后的石梁河水庫進行自動評價分析(2016—2019)。結果表明，2016年石梁河水庫符合地表水Ⅲ類標準，2017年及2018年水質符合地表水Ⅳ類標準，2019年符合地表水Ⅲ類標準。此外，石梁河水庫2016年及2017年為中營養，2018年為輕度富營養，2019年為中營養，自動評價結果與公式計算結果一致。因此，本文采用的評價算法可以直接根據生態監測指標實現了評價自動化，準確度高，值得應用推廣。