汪麗娜 ，李 艷，陳曉宏

(1. 華南師范大學地理科學學院，廣東廣州510631;2. 廣東商學院資源與環(huán)境學院，廣東廣州510320;3. 中山大學水資源與環(huán)境研究中心，廣東廣州510275;4. 華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省教育廳重點實驗室，廣東廣州510275)

近20年來，我國湖泊水質(zhì)問題日益嚴重［1］. 城市湖泊目前都已處于重富營養(yǎng)或異常營養(yǎng)狀態(tài)，絕大部分大中型湖泊均已具備發(fā)生富營養(yǎng)化的條件或處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，導致水量、水質(zhì)和水生態(tài)系統(tǒng)的巨大變化［2］. 以太湖梅梁灣為代表的重污染湖灣，其水污染的程度和范圍仍呈加重的趨勢. 湖泊水體水質(zhì)的治理對于生態(tài)環(huán)境［3－4］、人類生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有積極的意義. 近年來，在湖泊及其流域，政府積極實施了城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的戰(zhàn)略，大量農(nóng)村剩余勞動力進入城鎮(zhèn)，生活污染源使污染負荷迅速增加，如何保障湖泊流域人們的飲水健康成為該區(qū)域十分迫切的問題.

太湖是我國第三大淡水湖泊，太湖正常水位下容積為44.3 億m3，平均水深1.89 m，最大水深2.6 m，多年平均年吞吐水量52 億m3，水量交換系數(shù)1.2，換水周期約300 天. 太湖具有蓄洪、供水、灌溉、航運、旅游等多方面功能，是流域的重要供水水源地，不僅擔負著無錫、蘇州、錫山、吳縣、吳江、長興、宜興、武進市(縣)的城鄉(xiāng)供水，在太浦河開通后，還將向上海供水并改善黃浦江上游的水質(zhì)，其供水服務(wù)范圍超過2 000 萬人，占太湖流域總?cè)丝诘?5%.因此，本文解析太湖流域水質(zhì)現(xiàn)狀及其變化特征，探討富營養(yǎng)化的治理措施. 利用國家環(huán)境保護部官方網(wǎng)站公布的2010—2011年太湖水質(zhì)常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，以國家地表水質(zhì)標準為基礎(chǔ)，分析各項指標的水質(zhì)類別狀況，并結(jié)合FCM 算法，綜合考慮各項指標，判斷各斷面水質(zhì)類別，從而深入了解太湖水質(zhì)惡化的主要影響因素，并為太湖水質(zhì)污染治理提供科學依據(jù).

1 研究方法

采用模糊C－means 聚類算法和Pettitt 突變檢測法［5－7］，選取江蘇無錫沙渚、江蘇蘇州西山、浙江湖州新塘港和上海青浦急水港等4個斷面進行分析，截取2010年2月28日—2011年2月20日的水質(zhì)數(shù)據(jù)進行分析. 選取溶解氧(DO)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)以及氨氮含量(NH3－N)作為衡量水質(zhì)狀況的指標值.

模糊C－means 聚類算法是一種無監(jiān)督的聚類算法，它是由Bezdek 在1973年提出的硬C 均值聚類(FCM)方法改進的算法. 該算法有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域［8－9］，其理論方法為:設(shè)X ={xi，i =1，2，…，n}為訓練樣本集，{A1，A2，…，Ac}(2≤c≤n)是數(shù)據(jù)樣本的預(yù)定類別數(shù)目，U 是相似分類矩陣，vi(i =1，2，…，c)為各類別的聚類中心，uik(i=1，2，…，c;k =1，2，…，n)是樣本xi對于第k個樣本對第i 類的隸屬度函數(shù)(簡寫為uik). 且0≤uik≤1 及0≤n，則目標函數(shù)或聚類損失函數(shù)Jb為:

模糊C－均值聚類算法是為尋找一種最佳的分類U，以使分類所產(chǎn)生的函數(shù)值Jb最小. 滿足下式的約束條件:

則由式(2)、(5)得出:

圖1 太湖流域4個斷面水質(zhì)狀況變化趨勢Figure 1 Change trend of water quality in Taihu lake basin

模糊C－均值聚類算法是基于誤差平方和目標函數(shù)準則，給出初始方案后，根據(jù)式(4)和式(5)反復迭代聚類中心、數(shù)據(jù)隸屬度，并且進行分類，使目標函數(shù)達到最小，從而完成了模糊聚類的劃分.

2 結(jié)果與分析

圖1 表明，4個斷面的DO、CODMn和NH3－N 均呈現(xiàn)波動變化特征. 其中DO 呈增加的趨勢，而CODMn的變化較為平穩(wěn)，但是2011年初，NH3－N 有上升的趨勢，這可能與人類的活動有關(guān)，因為檢測時段正值春節(jié)時期，人類活動和生活用水相對頻繁.相同斷面，不同的指標變化趨勢不相同;不同的斷面同一指標值其變化趨勢亦不相同.

結(jié)合我國的《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838－2002)，分別得出4個斷面水質(zhì)狀況(圖2). 表明不同的指標得出的水質(zhì)類別不一樣. 如果用單一的指標判斷水質(zhì)狀況，難以確定水質(zhì)的綜合情況.

圖2 太湖流域4個斷面不同指標的水質(zhì)類別Figure 2 Water quality of different indexes in Taihu lake basin

圖3 太湖流域各個斷面水質(zhì)類別Figure 3 Comprehensive assessment of water quality in Taihu lake basin

采用FCM 算法對水樣進行水質(zhì)分類評價，且將分類數(shù)設(shè)置為5，所得的水質(zhì)類別結(jié)果(圖3)，相比單一因子劃分水質(zhì)類別更為客觀. 在2010年從第33 周到第45 周期間，4個斷面水質(zhì)相對較差，這是由于NH3－N 和CODMn指標在此期間內(nèi)呈現(xiàn)增加的趨勢，因此，水質(zhì)表現(xiàn)為惡化的趨勢.

計算各斷面不同類別水質(zhì)的百分比值，如表1所示. 整體上，Ⅳ類水和Ⅴ類水，在各斷面上所占的比例仍較高，說明太湖流域水質(zhì)狀況仍需要改進.

根據(jù)Pettitt 法分別進一步分析4個斷面3個指標的變化情況(表2)，均發(fā)生顯著性水平，其中DO指標發(fā)生突變的時間較為集中，基本在2010年11月左右，圖1 表明，突變后的DO 含量增加，水質(zhì)呈現(xiàn)轉(zhuǎn)好的趨勢. 而CODMn和NH3－N 指標的突變時間，4個斷面均不相同，這是由于每個斷面處于不同的區(qū)域，受到的人類活動的影響不同所造成的.

表1 太湖流域各個斷面水質(zhì)類別的百分比Table 1 The proportion of different water quality in Taihu lake basin

表2 Pettitt 法檢驗各斷面水質(zhì)突變情況Table 2 Test water mutation situation by Pettitt method

3 討論與結(jié)論

通過分析太湖流域不同斷面水質(zhì)狀況的變化特征，并與國家地表水的水質(zhì)標準對比，得出各斷面各指標的類別狀況. 同時，采用Pettitt 方法，尋找各斷面3 項指標的突變點，發(fā)現(xiàn)基本在2010年11月左右發(fā)生溶解氧指標的突變，顯示突變后的溶解氧含量增加. 并根據(jù)FCM 算法，將水質(zhì)狀況進行綜合評價，得出各斷面水質(zhì)狀況類別，結(jié)果表明:IV 類水和V 類水，在各斷面上所占的比例仍較高，太湖流域的水質(zhì)仍需加強治理. 城市周邊的湖泊，特別是大城市周邊的湖泊，由于受到人類活動的影響，例如大量的工業(yè)和生活污染物直接或間接向湖泊排放，導致水體的惡化程度加劇. 據(jù)2010年的統(tǒng)計顯示，滇池、巢湖、太湖、洞庭湖和鄱陽湖接納廢水量仍未減少，甚至有增加的趨勢［10］. 太湖水華爆發(fā)的頻繁發(fā)生，將成為制約太湖周邊地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的主要因素.

［1］張運林，秦伯強. 太湖水環(huán)境的演變研究［J］. 海洋湖泊沼通報，2001，2:8－15.

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